第五章 纖維力學性質課件

1、第六章第六章 纖維和紗線的機械性質纖維和紗線的機械性質 第一節(jié)纖維和紗線的拉伸性質第一節(jié)纖維和紗線的拉伸性質一纖維的拉伸性質及斷裂機理一纖維的拉伸性質及斷裂機理測試標準的重要性測試標準的重要性標準測試條件舉例標準測試條件舉例指標體系指標體系典型拉伸曲線分析典型拉伸曲線分析常見紡織纖維拉伸曲線常見紡織纖維拉伸曲線常見纖維拉伸性質指標常見纖維拉伸性質指標纖維拉伸機理及影響拉伸性的因素纖維拉伸機理及影響拉伸性的因素拉伸性能測試拉伸性能測試纖維拉伸破壞形態(tài)纖維拉伸破壞形態(tài)v1.1測試標準的重要性測試標準的重要性v（1）材料力學性質取決于組成該材料的分子排列，在不同纖維種類、同類纖維不同樣本、或者同樣本

2、不同環(huán)境條件都會引起被測力學性質指標的差異，必須標準化測試環(huán)境；v（2）不同橫截面或不同長度纖維由于弱環(huán) (或稱為缺陷)存在的幾率不一樣，對于纖維材料在橫截面不能標準化前提下，必須標準化纖維待測區(qū)段長度；v（3）紡織纖維是高分子粘彈性材料，受力變形曲線不是嚴格的一一對應單質函數(shù)曲線，取決于加載歷史和加載方式，必須標準化加載條件；v（4）纖維間性質差異性，要取得統(tǒng)計意義上的平均值，必須有足夠的纖維根數(shù)。 Backv1.2標準測試條件舉例標準測試條件舉例v環(huán)境條件：環(huán)境條件：Temperature: 203; Relative humidity (R.H.): 655%v v Backv1.3指標

3、體系指標體系v斷裂強力；斷裂強度；斷裂伸長率v1.3.1斷裂強力（絕對強力）斷裂強力（絕對強力）Pv是纖維能夠承受的最大拉伸外力。單位：牛頓（N）；厘牛（cN）；克力（gf）。v對不同粗細的纖維，強力沒有可比性。v1.3.2強度強度v用以比較不同粗細纖維的拉伸斷裂性質的指標。v根據(jù)采用線密度指標不同，強度指標有以下幾種：v（1）比強度（相對強度）(specific strength 或tenacity)是指每特（或每旦）纖維所能承受的最大拉力。v單位為：N/tex（cN/dtex）；N/d（cN/d）；gf/dtex。v其計算式為：v式中：Ptex特數(shù)制斷裂強度（N/tex；cN/dtex；g

4、f/dtex）； Pden旦數(shù)制斷裂強度（N/d；cN/d；gf/d）； P纖維的強力（N；cN；gf）； Ntex 纖維的特數(shù)（tex，dtex）； Nden纖維的旦數(shù)（d）。dendentextexNPPNPP/v（2）斷裂應力（強度極限）指纖維單位截面上能承受的最大拉力。v單位為N/mm2（即MPa）。v其計算式為：v式中：纖維的斷裂應力（MPa）； P纖維的強力（N）； S纖維的截面積（mm2）。SPv（3）斷裂長度（Lp）是指纖維的自身重量與其斷裂強力相等時所具有的長度。v即一定長度的纖維，其重量可將自身拉斷，該長度即為斷裂長度。v其計算公式為：v式中：Lp纖維的斷裂長度（km）；

5、P纖維的強力（N）； g重力加速度（等于9.8m/s2）； Nm纖維的公制支數(shù)。mpNgPLv纖維強度的三個指標之間的換算式為： v式中：纖維的密度（g/cm3）； Ptex纖維的特數(shù)制斷裂強度（gf/tex）； Pden纖維的旦數(shù)制斷裂強度（gf/d）； g重力加速度（等于9.8m/s2）； LR纖維的斷裂長度（km）。 可以看出，相同的斷裂長度和斷裂強度，其斷裂應力隨纖維的密度而異，只有當纖維密度相同時，斷裂長度和斷裂強度才具有可比性。texNdgGPgPgPLPPPPadentexpdentexdentex33.119/99v1.3.3斷裂伸長率斷裂伸長率%10000LLLv1.3.4其

6、他指標其他指標（1）模量（剛度）：材料在低載荷時抵抗變形的能力，載荷伸長曲線(或應力應變曲線)起始直線段斜率。 量綱：cN/dtex，g/den，Pa(Mpa，GPa)v式中：E初始模量（N/tex）； PM點的負荷（N）； LM點的伸長（mm）； L試樣拉伸測試區(qū)段（mm）； Ntex試樣線密度（tex）。texNLLPE（2）屈服點確定： （3）功Work Back 1.4典型拉伸曲線分析典型拉伸曲線分析vOO：表示拉伸初期未能伸直的纖維由卷曲逐漸伸直；：表示拉伸初期未能伸直的纖維由卷曲逐漸伸直；vOM：（虎克區(qū)）大分子鏈鍵長和鍵角的變化，外力去除變形可回復，類似彈簧；：（虎克區(qū)）大分子鏈

7、鍵長和鍵角的變化，外力去除變形可回復，類似彈簧；vQS：（屈服區(qū)）大分子間產(chǎn)生相對滑移，在新的位置上重建連接鍵。變形顯著且不易回復，：（屈服區(qū)）大分子間產(chǎn)生相對滑移，在新的位置上重建連接鍵。變形顯著且不易回復，模量相應也逐漸變?。荒Ａ肯鄳仓饾u變??；vSA：（增強區(qū)）錯位滑移的大分子基本伸直平行，互相靠攏，使大分子間的橫向結合力有：（增強區(qū)）錯位滑移的大分子基本伸直平行，互相靠攏，使大分子間的橫向結合力有所增加，形成新的結合鍵，曲線斜率增大直至斷裂。所增加，形成新的結合鍵，曲線斜率增大直至斷裂。vQ：屈服點；：屈服點；vA：斷裂點。：斷裂點。 Backv1.5常見紡織纖維拉伸曲線常見紡織纖維拉

8、伸曲線v拉伸曲線可分為三類： （1）強力高，伸長率很小的拉伸曲線（棉、麻等纖維素纖維）拉伸曲線近似直線，斜率較大（主要是纖維的取向度、結晶度、聚合度都較高的緣故）；（2）強力不高，伸長率很大的拉伸曲線（羊毛、醋酯纖維等）表現(xiàn)為模量較小，屈服點低和強力不高；（3）初始模量介于1.2之間的拉伸曲線（滌綸、錦綸、蠶絲等纖維）。 Back1.6常見纖維的有關拉伸性質指標常見纖維的有關拉伸性質指標纖維品種纖維品種斷裂強度（斷裂強度（N/tex）鉤接強度鉤接強度（N/tex）斷裂伸長率斷裂伸長率（%）初始模量初始模量（N/tex）定伸長定伸長回彈率（回彈率（%）（伸長（伸長3%）干態(tài)干態(tài)濕態(tài)濕態(tài)干態(tài)干態(tài)濕

9、態(tài)濕態(tài)滌滌綸綸高強低伸高強低伸型型0.53-0.620.53-0.620.35-0.4418- 2818- 286.17-7.9497普通型普通型0.42-0.520.42-0.520.35-0.4430- 4530- 454.41- 6.17錦綸錦綸60.38-0.620.33-0.530.31-0.4925- 5527- 580.71- 2.65100腈綸腈綸0.25-0.400.22-0.350.16-0.2225- 5025- 602.65- 5.2989- 95維綸維綸0.44-0.510.35-0.430.28-0.3515- 2017- 232.21- 4.4170- 80丙綸丙

10、綸0.40-0.620.40-0.620.35-0.6230- 6030- 601.76- 4.8596- 100氯綸氯綸0.22-0.350.22-0.350.16-0.2220- 4020- 401.32- 2.2170- 85粘纖粘纖0.18-0.260.11-0.160.06-0.1316- 2221- 293.53- 5.2955- 80富纖富纖0.31-0.400.25-0.290.05-0.069- 1011- 137.06- 7.9460- 85醋纖醋纖0.11-0.140.07-0.090.09-0.1225- 3535- 502.21- 3.5370- 90棉棉0.18-0

11、.310.22-0.407- 126.00- 8.2074（伸長（伸長2%）綿羊毛綿羊毛0.09-0.150.07-0.1425- 3525- 502.12- 3.0086- 93家蠶絲家蠶絲0.26-0.350.19-0.2515- 2527- 334.4154- 55（伸長（伸長5%）苧麻苧麻0.49-0.570.51-0.680.40-0.411.5- 2.32.0- 2.417.64- 22.0548（伸長（伸長2%）氨綸氨綸0.04-0.090.03-0.09450- 80095- 99（伸長（伸長50%）v1.7纖維拉伸斷裂機理及影響纖維拉伸性能的因素纖維拉伸斷裂機理及影響纖維拉伸

12、性能的因素1.7.1纖維斷裂原因：纖維斷裂原因：大分子主鏈的斷裂；大分子之間的滑脫。1.7.2影響纖維拉伸性能的因素影響纖維拉伸性能的因素（一）內因：（一）內因：（1）大分子結構）大分子結構（大分子的柔曲性、大分子的聚合度）：纖維的斷裂取決于大分子的相對滑移和分子鏈的斷裂兩個方面。大分子的平均聚合度，大分子結合力，容易產(chǎn)生滑移，則纖維強度較低而伸度較大；反之，大分子的平均聚合度，大分子結合力，不易產(chǎn)生滑移，所以纖維的強度就較高而伸度較小。例如：v開始時，纖維的強度隨聚合度增大而增加，但當聚合度增加到一定值時，再繼續(xù)增大時，纖維的強度就不再增加。因為，此時斷裂強度已達到了足以使分子鏈斷裂的程度，

13、再增加聚合度對纖維的強度就不再其作用。 v（2）超分子結構）超分子結構（取向度、結晶度）v例如：（見下頁）v由圖可見，隨著取向度的增加，粘膠纖維斷裂點的強度增加，斷裂伸長率降低。v（3）形態(tài)結構）形態(tài)結構（裂縫孔洞缺陷、形態(tài)結構、不均一性）等。 （二）外因：（二）外因： v（1）溫濕度：）溫濕度：空氣的溫濕度影響到纖維的溫濕度和回潮率，從而影響纖維的強伸度。v溫度對各種纖維的影響雖然不一致，但都具有一般規(guī)律：在纖維回潮率一定的條件下，溫度高，纖維大分子熱動能高，大分子柔曲性提高，分子間結合力消弱，因此，纖維強度降低，斷裂伸長率增大，拉伸模量下降。v幾種常見的應力應變曲線于相對濕度間幾種常見的應

14、力應變曲線于相對濕度間的關系：的關系： v多數(shù)纖維隨相對濕度的提 高，纖維中所含水分增多，分子間結合力越弱，結晶區(qū)越松散，因此纖維的強度降低，伸長增大、初始模量下降。但天然纖維素棉、麻的斷裂強度和斷裂伸長卻隨相 對濕度的提高而上升。化學纖維中，滌綸、丙綸基本不吸濕，它們的強度和伸長率幾乎不受相對濕度的影響。相對濕度對纖維強度與伸長度的影響，視各自吸濕性能 的強弱而不同，吸濕能力越大的，影響較顯著，吸濕能力小的，影響不大。v（2）測試條件）測試條件：a.試樣長度：L，出現(xiàn)弱環(huán)的機會；b.試樣根數(shù)：根數(shù)，折算成單纖維強度；c.拉伸速度：v，強力，E。 Backv1.8纖維拉伸性能的測試纖維拉伸性能

15、的測試用于測定纖維拉伸斷裂性質的儀器稱做斷裂強力儀。根據(jù)斷裂強力儀結構特點的不同，主要可分為三種類型：擺錐式強力儀、秤桿式強力儀、電子強力儀。現(xiàn)主要介紹電子強力儀。例如，INSTRON斷裂強力儀如圖：v儀器拉伸試樣的速度在0.00050.5m/min之間。儀器還可以進行卸載過程的試驗，并且記錄滯后圈。新型的INSTRON斷裂強力儀帶有計算處理程序，可以處理測試結果，記錄并積累普通的統(tǒng)計量指標（平均數(shù)、變異系數(shù)、試驗誤差等）。 Backv1.9纖維破壞形態(tài)纖維破壞形態(tài) 目前對纖維拉伸失效過程的理解已相當成目前對纖維拉伸失效過程的理解已相當成熟。例如：由熟。例如：由Hearle and Cross

16、發(fā)現(xiàn)的尼發(fā)現(xiàn)的尼龍纖維的破壞形態(tài)：龍纖維的破壞形態(tài)： Nylon fibre broken in a tensile test Break in progress in a coarse nylon bristle Breakage zones in nylon bristle 破壞分五個區(qū)域：A起始，B延伸，C滑移，D裂紋快速增加，E最終破壞。二二 紗線的拉伸性質及斷裂機理紗線的拉伸性質及斷裂機理v1單根紗線強力試驗機單根紗線強力試驗機v試驗單根紗線的強力試驗機可采用Y361型單紗強力試驗機。他有三種型號：Y3611型，強力范圍為101000g；Y3613型，強力范圍為1203000g；Y3

17、6130型，強力范圍為030103g，以適應不同單紗強力的需要。vY361型單紗強力試驗機的結構如圖：1上導紗鉤上導紗鉤 2軋緊扳手軋緊扳手 3上紗夾上紗夾 4制動鉤制動鉤 5升降手柄升降手柄6指針指針 7復位拉鏈復位拉鏈 8下導紗鉤下導紗鉤 9下紗夾下紗夾 10預加張力片預加張力片v幾種紗線一次拉伸斷裂特性指標的典型數(shù)據(jù)幾種紗線一次拉伸斷裂特性指標的典型數(shù)據(jù):v常見幾種紗線一次拉伸斷裂特性指標的典型數(shù)據(jù)。v紗線和長絲的拉伸曲線：v影響紗線一次拉伸斷裂特性指標的因素影響紗線一次拉伸斷裂特性指標的因素v影響紗線強、伸度的因素主要是組成紗線的纖維性質和紗線結構兩個方面。對混紡紗來說，它的強、伸度還

18、與混紡纖維的性質差異和混紡比密切相關。至于溫、濕度和強力機測試條件等外因對紗線強、伸度的影響基本上與纖維相同。v（1）纖維性質v前已述及，當纖維長度、較長纖維較細時，成紗中纖維間的摩擦阻力較大，不易滑脫，所以成紗強度較高。當纖維長度整齊度較好，纖維細而均勻時，成紗條干均勻，弱環(huán)少而不顯著，有利于成紗強力的提高。纖維的強、伸度大時，則成紗的強、伸度也大；纖維強、伸度不勻率小，則成紗強度高。纖維的表面性質對纖維間的摩擦阻力直接有影響，所以對成紗強度關系也很密切。v（2）紗線結構v短纖維紗結構對其強、伸度的影響，主要反映在捻度上。紗線捻度對強、伸度的影響已在加捻對紗線性質的影響一節(jié)中述及。傳統(tǒng)紡紗紗

19、線對斷裂伸長率的影響如圖所示：1精梳毛紗精梳毛紗 2棉紗棉紗 3粗疏毛紗粗疏毛紗 4亞麻紗亞麻紗 v當紗線條干不勻、結構不勻時會使紗線的強度下降。有捻長絲紗的拉伸斷裂特征，隨所加捻度的多少而異。v四種有捻長絲紗的拉伸曲線如圖所示：a粘纖粘纖330dtex/100f，捻系數(shù)：，捻系數(shù)：16.3 217.8 329.5 442.2 557.5 694.3b醋纖醋纖110dtex/28f，捻系數(shù)：，捻系數(shù)：115.6 221.2 327.6 441.3 569.1 6101.8 c錦綸錦綸924dtex/136f，捻系數(shù)：，捻系數(shù)：13.2 28.7 314.9 428.9 537.3 654.2

20、761.7d滌綸滌綸110dtex/48f，捻系數(shù)：，捻系數(shù)：113.6 220.5 327.6 442.5 557.9 683.0 7113.9v低捻長絲紗和高捻長絲紗的斷裂破壞過程有很大的差別。低捻長絲紗斷裂時，各根單絲之間的關聯(lián)很小，他們分別在各自到達自身的斷裂伸長值時斷裂。但各根單絲之間斷裂伸長值的差別不是很大，所以長絲紗中單絲的斷裂幾乎是同時發(fā)生的。而高捻長絲紗卻不是這樣，長絲紗中各根單絲斷裂不是同時發(fā)生的，整個斷裂破壞過程是在一個較長的伸長區(qū)間完成的。它的斷裂強力隨捻度的增加而下降，它的斷裂必早與低絲長絲紗，并在開始斷裂以后，它的拉伸曲線出現(xiàn)一個較長的延伸部分，如圖所示： 捻系數(shù)：

21、捻系數(shù)：18.9 231.6 343.3 466.8 594.9 v混紡紗的拉伸性質混紡紗的拉伸性質v混紡紗的強度和混紡比有很大關系，而且這個關系比較復雜。它與混紡纖維的性質差異，特別是伸長能力的差異密切相關。v混紡紗的強度同混紡紗的強度不同，不完全取決于纖維本身的強度。當用兩種纖維進行混紡時，由于兩種纖維的強度和伸長率不同，從而影響了混紡紗織物的強度。因此，要生產(chǎn)一種特定強度要求的混紡紗和織物，就必須了解混用纖維的特性、混紡比與成紗強度的關系。v為了簡化問題的分析，假定只考慮紗的斷裂是由于纖維斷裂而引起的，混紡紗中纖維的混合是均勻的，并假設混紡在一起的纖維粗細相同?；旒徏喌臄嗔褟姸劝椿旒徏喫?/p>

22、能承受的最大負荷來表示，在此假設下來分析兩組分混紡紗的兩種典型情況：v（1）當混紡在一起的兩種纖維斷裂伸長率接近時，兩種纖維的斷裂不同時性不明顯，基本上是同時斷裂的。當兩種纖維同時斷裂時，混紡紗的斷裂長度由下式計算：v式中：L1由纖維1純紡時的細紗斷裂長度； L2由纖維2純紡時的細紗斷裂長度； X混紡紗中纖維1的含量（按重量%計算）。v如果纖維1和纖維2，其斷裂伸長率1=2，而斷裂強度P1P221100100100LXLXLv（2）當混紡在一起的兩種纖維斷裂伸長率差異大時，受拉身后明顯的有兩個斷裂階段。第一階段是伸長能力小的纖維先斷；第二階段是伸長能力大的纖維斷裂。當兩種纖維不同時斷裂時，混紡

23、紗的斷裂長度則由另外公式計算。v因此，計算混紡紗的斷裂長度就必須：在相同設備與參變數(shù)下，紡制同樣支數(shù)的純紡紗，用標準是研方法求出每一種純紡紗的斷裂長度（即L1和L2）和斷裂伸長率（即1和2）；求出由伸長較大的纖維紡成的細紗的負荷伸長曲線，以確定P1；按公式LBC =LAB的條件，求出臨界混紡比XB；如果伸長率較小的纖維含量小于XB，則可按公式LBC計算混紡紗的斷裂長度；如果伸長率較小的纖維含量大于XB，則可按公式LAB計算混紡紗的斷裂長度。 v有兩種不同情況：v當用伸長小的纖維紡成的細紗斷裂負荷P1P1時，則隨著其含量X在由100%到XB范圍內的減少，混紡紗的強度下降，如圖所示：混紡紗的斷裂長

24、度與混紡比之間的關系：（混紡紗的斷裂長度與混紡比之間的關系：（P1P1） v棉纖維的強度較高，但其斷裂伸長率遠比滌綸及錦綸為低，當棉與這類合成纖維混紡時，P1大于P1，故隨著混紡紗中棉纖維含量的下降，混紡紗的強度也下降，只但其含量X3m/min以上。v初張力：張力。v張力，正壓力，但F正壓力，。v（6）溫濕度的影響 v溫度：T變化油劑變化纖維性能變化vT；到一定數(shù)值時，T。v濕度：RH%，則（v，E）vRH%=100%時，最大。（接觸面積）v在水中，則水RH%=100%。v加工中RH%必須加以控制，太濕，加工困難；太干，發(fā)脆。動態(tài)性能 v由于纖維材料固有的粘彈性本質和/或不同加載速度條件下的變

25、形和破壞機制的不同，在沖擊載荷作用下其力學性能會發(fā)生不同程度的應變率效應，即拉伸應力應變本構關系隨應變率的不同而不同。v材料在彈道侵徹和碰撞時一般要經(jīng)受斷裂時間在50-150s，應變率在500-1500 s-1范圍的瞬態(tài)沖擊。由于加載機制的不同，普通的力學性能試驗機無法產(chǎn)生瞬態(tài)高應變率的加載載荷。分離式Hopkinson壓桿（SHPB）裝置是有效的產(chǎn)生應變率水平在103 s-1左右的沖擊裝置，加上纖維束試樣的大長徑比和短的試樣長度能夠基本保證該裝置的一維應力波傳遞和應力應變在試樣內是近似均勻的設計原理要求，自從Kawata和Harding之后，Hopkinson桿沖擊裝置是目前普遍采用的纖維束中、高應變率沖擊拉伸力學性能測試裝置。SHPB裝置是國際上目前普遍采用的用來測試纖維束中、高應變率沖擊拉伸力學性能的測試裝置。試驗裝置圖 v利用一維彈性應力波理論的二