紡織材料學課件第十章-紡織材料的力學性質(zhì)

紡織材料學課件第十章紡織材料的力學性質(zhì)紡織材料學課件第十章紡織材料的力學性質(zhì)本章主要內(nèi)容第一節(jié)紡織材料的拉伸性質(zhì)第二節(jié)表面摩擦性質(zhì)第三節(jié)拉伸疲勞2本章主要內(nèi)容第一節(jié)紡織材料的拉伸性質(zhì)2第一節(jié)紡織材料的拉伸性質(zhì)一、拉伸性能的基本指標P51（一）拉伸斷裂強力

Pb

定義：將纖維或紗線拉伸至斷裂時所需的力，又稱絕對強力、斷裂強力。單位：牛頓（N）、厘牛（cN）、克力（gf）對不同粗細的纖維或紗線，沒有可比性。3第一節(jié)紡織材料的拉伸性質(zhì)一、拉伸性能的基本指標P（二）相對強度將強力折合成規(guī)定粗細時的力，用以比較不同粗細的纖維或紗線拉伸斷裂性質(zhì)的指標。因折合的細度標準不同，故相對強度指標有多種：

1.斷裂應力σ纖維或紗線單位截面上能承受的最大拉力。

σ=Pb/S

標準單位N/m2(帕)，常用N/mm2(兆帕，MPa)。

因纖維或紗線的截面積難以測量，生產(chǎn)上應用較少，多應用于理論研究中。4（二）相對強度將強力折合成規(guī)定粗細時的力，用以比較不同52.比強度P0（相對強度）纖維或紗線1tex粗細時能承受的最大拉伸力。單位為N/tex，常用cN/dtex552.比強度P0（相對強度）單位為N/tex，常用cN/dt3.斷裂長度L纖維或紗線的自身重量與其斷裂強力相等時所具有的長度。式中：L－斷裂長度（Km）；

P0—斷裂比強度（cN/dtex）；

g－重力加速度。63.斷裂長度L6各指標間的換算關系見表2-11：式中單位：σ－N/mm2;－g/cm3;Lp－km;7各指標間的換算關系見表2-11：式中單位：7

（三）斷裂伸長率(應變率，或應變)εa材料拉伸時一般要伸長，纖維或紗線拉伸到斷裂時的伸長率，叫斷裂伸長率εa。式中：L0－試樣原長；

La－試樣拉斷時的長度。889（四）拉伸變形曲線和有關指標1.拉伸變形曲線（1）負荷—伸長曲線(P—△l)：負荷為縱坐標，伸長為橫坐標。

對不同粗細和不同試樣長度的材料沒有可比性。99（四）拉伸變形曲線和有關指標1.拉伸變形曲線910（2）應力-應變曲線(-

)

相對負荷（應力、比強度等）為縱坐標，伸長率為橫坐標。

1010（2）應力-應變曲線(-)相對負荷（11斷裂應力σa

：斷裂點a對應的拉伸應力。斷裂伸長率εa：斷裂時的伸長率。

拉伸應力伸長率曲線1111斷裂應力σa：斷裂點a對應的拉伸應力。拉伸應力伸長率不同的材料拉伸曲線形狀不同，如圖。分三類：①高強低伸型：如麻、棉②高強高伸型：如錦綸、滌綸③低強高伸型：如羊毛12不同的材料拉伸曲線形狀不同，如圖。分三類：①高強低伸型拉伸應力伸長率曲線13

2.有關指標（1）初始模量

應力-應變曲線上初始一段直線部分的應力應變比值。（簡便求法：應變1％處應力的100倍）

物理意義：表示材料在小負荷下變形的難易程度，即材料的剛性。E小，材料柔軟，如羊毛、粘膠等；滌綸的E高，故織物挺括；E的大小與分子結構及聚集狀態(tài)有關。13拉伸應力伸長率曲線132.有關指標（1）初始模量物理14(2)屈服應力和應變屈服點：拉伸曲線圖上斜率由較大轉(zhuǎn)向較小時的轉(zhuǎn)折點。屈服點所對應的應力和伸長率為屈服應力和屈服應變(伸長率)。

意義：屈服點以前的變形是彈性變形，屈服點以后的變形既有彈性變形也有塑性變形。屈服點高（屈服應力和屈服伸長率大），不易產(chǎn)生塑性變形，織物彈性好、尺寸穩(wěn)定。1414(2)屈服應力和應變1415屈服點Y的求法：紡織材料屈服點不明顯，而是一區(qū)域，常用作圖法求屈服點。角平分線法，圖(a)；//X軸法，圖(a)；//OA法，切點為Y點，圖(b)。A1515屈服點Y的求法：A1516(3)斷裂功和斷裂比功a.斷裂功拉伸纖維或紗線至斷裂時外力所作的功，是材料抵抗外力破壞所具有的能量，單位cN·mm。意義：斷裂功是強力和伸長的綜合指標，它可以有效地評定材料的堅牢度和耐用性能。大，韌性好、耐磨損、堅牢度好。1616(3)斷裂功和斷裂比功a.斷裂功1617b.功系數(shù)（充滿系數(shù)）斷裂功/（強力×斷裂伸長）。c.斷裂比功拉斷單位體積（折合成同樣截面積，同樣試樣長度）的纖維或紗線所需作的功，單位N/mm2。1717b.功系數(shù)（充滿系數(shù)）1718二、紡織材料的拉伸斷裂機理及影響因素（一）纖維拉伸斷裂機理及影響因素1.斷裂機理受力開始，非結晶區(qū)內(nèi)最短的大分子鏈伸直；繼續(xù)拉伸，受拉大分子的鍵長、鍵角增加，部分最伸展的大分子從結晶區(qū)抽拔出，個別被拉斷，結晶區(qū)間的距離增大，非結晶區(qū)中大分子的平行度提高；1818二、紡織材料的拉伸斷裂機理及影響因素（一）纖維拉伸斷裂19繼續(xù)進行，分子間的橫向聯(lián)系破壞，大批分子抽拔，伸長迅速增大；繼續(xù)拉伸，大分子基本沿纖維軸向排列，結晶區(qū)松散，分子間結合力可能又會增加；再繼續(xù)拉伸，結晶區(qū)更松散，部分大分子被拉斷或抽拔，最后在整根纖維最薄弱的截面上斷開。1919繼續(xù)進行，分子間的橫向聯(lián)系破壞，大批分子抽拔，伸長迅速增20綜上：纖維的斷裂：大分子的斷裂和大分子間結合力的破壞而引起；纖維的伸長：大分子的伸直、伸長、取向度的改善以及大分子的滑移等引起。2020綜上：202.影響纖維強伸性的因素（1）纖維的內(nèi)部結構

聚合度n：隨n↑而↑（大分子不易抽拔出，且橫向結合力更大），但增加到一定值再繼續(xù)↑，強度不再↑。

取向度：取向度增大（受力的大分子數(shù)增多）強度增加，但大分子滑移量減少使得斷裂伸長率降低。如麻的取向度大，強度高。

結晶度：結晶度愈高（縫隙孔洞少，分子結合力大），斷裂強度、屈服應力和初始模量較高，伸長小，脆性大。212.影響纖維強伸性的因素（1）纖維的內(nèi)部結構21聚合度22聚合度22取向度Flash文件\粘膠拉伸圖_.exe取向度23取向度Flash文件\粘膠拉伸圖_.exe取向度23結晶度聚丙烯纖維24結晶度聚丙烯纖維24（2）大氣的溫濕度空氣的溫濕度高，則纖維的溫濕度高。①溫度

溫度高，強力減小，伸長率增加。溫度升高，大分子熱運動能高，柔曲性提高，分子間結合力削弱，因此強力減小。

②濕度纖維回潮率大，一般纖維強力減小，伸長增大。棉、麻例外，因其聚合度高，分子鏈長，回潮率提高后，分子間的氫鍵減弱，增強了大分子間的滑移能力，拉伸時使同時受力的大分子數(shù)增加，因此纖維的強力增加。25（2）大氣的溫濕度25濕度的影響溫度的影響26濕度的影響溫度的影響26（3）試驗條件①試樣長度指夾頭之間的長度，試樣長度長測得的強度較低（弱環(huán)定理）。弱環(huán)定理：沿纖維長度方向，強度是不均一的，纖維總是在最薄弱處斷裂，試樣愈長，出現(xiàn)最薄弱環(huán)節(jié)的概率越大，越容易發(fā)生斷裂，則平均強力下降。②試樣根數(shù)試樣根數(shù)增加，束纖維強度折算成單纖維強度下降。（斷裂的不同時性、有的纖維未被夾持）27（3）試驗條件①試樣長度27③拉伸速度拉伸速度大，測得強力較大而伸長小。拉伸速度快時，大分子還未來得及滑脫，承受拉力的根數(shù)多，所以強力高。282829（二）紗線的斷裂機理及影響因素1.紗線斷裂機理（1）傳統(tǒng)環(huán)錠紗外層纖維螺旋傾角大，纖維伸長大，張力大；內(nèi)層纖維張力?。恢行睦w維皺曲狀態(tài)；故拉伸時受力不勻，外層纖維受力大，先斷裂。拉力由更少的纖維承擔，且外層對內(nèi)層的壓力解除，內(nèi)層纖維很快滑脫或被拉斷。紗線拉伸斷裂時，纖維的斷裂與滑移并存。2929（二）紗線的斷裂機理及影響因素1.紗線斷裂機理2930①纖維斷裂和滑脫的判別取決于斷裂截面兩端周圍的纖維對該纖維的摩擦力（F1，F(xiàn)2）。P為纖維的斷裂強力。F1>P且F2>P，纖維斷裂；F1<P或F2<P，纖維滑脫；F1和F2與纖維伸出斷裂截面的長度有關，開始被抽拔出的長度Lc，稱為“滑脫長度”

。纖維伸出斷裂截面一端的長度小于Lc時，纖維滑脫。當纖維的長度小于2Lc時，紗線拉伸斷裂時纖維必定滑脫。3030①纖維斷裂和滑脫的判別3031②斷口形式齊口式纖維以斷裂為主，如捻度很高的短纖紗。毛筆頭式纖維以滑脫為主，如捻度很低的短纖紗和無捻長絲紗。

3131②斷口形式3132（2）混紡短纖紗拉伸過程還受其它因素的影響。①當兩種纖維斷裂伸長率接近時，隨強度大的纖維含量↑，混紡紗的強度↑。圖a。②當兩種纖維強度差異不大而斷裂伸長率差異大時，伸長能力小的纖維先斷，伸長能力大的纖維后斷。曲線下凹，圖b。（a）（b）3232（2）混紡短纖紗（a）（b）3233（3）長絲紗有捻長絲紗，外層纖維比較伸直和緊張，受拉時先斷裂，內(nèi)層纖維后斷裂。（4）膨體紗部分纖維承擔外力，其它纖維松弛，不同時斷裂導致膨體紗的強度比環(huán)錠紗小。3333（3）長絲紗3334（5）變形絲（紗）和彈力絲纖維呈螺旋彈簧形的空間皺曲曲線，斷裂伸長率很高。開始時拉伸力小，變形大。各拉伸曲線如下圖。力絲拉伸圖變形紗和彈3434力絲拉伸圖變形紗和彈34352.影響紗線拉伸斷裂的因素（1）纖維的性能纖維長度：其它條件相同時，纖維長度越長，成紗強力越大；纖維強度：其它條件相同時，纖維強力越大，成紗強力越大；纖維細度：其它條件相同時，纖維越細，成紗強力越大。35352.影響紗線拉伸斷裂的因素（1）纖維的性能3536（2）紗線的結構（特種紗線的結構對拉伸性的影響已述）①環(huán)錠紗：影響因素有纖維平行伸直程度、內(nèi)外轉(zhuǎn)移次數(shù)、捻度等。捻度影響最大，隨捻度↑，②股線：同向加捻，和單紗加捻對強力的影響相似；反向加捻，如下圖。股線強度大于合股中單紗的強度之和。合股反向加捻對股線強度的影響單紗強度結構松散，強力下降；結構緊密，強力上升；內(nèi)外層纖維均勻受力，強力最大；強度先↑后↓。3636（2）紗線的結構合股反向加捻對股線強度的影響單紗強度結（三）織物拉伸測試方法、斷裂機理及影響因素1.測試方法機織物、非織造布：扯邊紗條樣法、抓樣法、剪切條樣法

37（三）織物拉伸測試方法、斷裂機理及影響因素1.測試方法37針織物：梯形試條、環(huán)形試條。因為矩形針織物試樣拉伸時，夾口處的應力特別集中而使試樣在鉗口附近斷裂。38針織物：梯形試條、環(huán)形試條。因為矩形針織物試樣拉伸時，夾口處(1)拉伸曲線①負荷伸長曲線與構成纖維的拉伸曲線基本相似。2.織物拉伸斷裂機理天然纖維織物的負荷伸長曲線

麻織物

棉織物

毛織物

蠶絲

織物伸長(cm)

拉伸力(N)

經(jīng)向

緯向

高強低伸滌/棉織物

伸長(cm)

拉伸力(N)

低強高伸滌/棉

織物

棉府綢拉伸曲線39(1)拉伸曲線2.織物拉伸斷裂機理天然纖維織物的負荷伸長曲②斷裂功與斷裂比功

斷裂功：拉伸斷裂時外力對織物所做的功，即織物具有的抵抗外力破壞的內(nèi)在結合能。與織物的穿著牢度一致。應該指出的是，斷裂功是一次拉伸概念，而實際穿著中織物破壞不是一次外力作用的結果，而是小負荷或小變形下的反復多次作用。斷裂比功：….外力對單位質(zhì)量的織物所做的功。拉伸力（P）40②斷裂功與斷裂比功拉伸力（P）40①受拉系統(tǒng)紗線變直，非受拉系統(tǒng)紗線變得更為彎曲。交織點作用力增加，切向阻力增加。②拉伸初始織物伸長主要因紗線彎曲減小；后階段伸長主要因纖維和紗線的伸長與變細，且使織物變薄。③非受拉伸紗線彎曲增加，長度縮短，夾口處變形較小，中間較大，試樣逐漸收縮，出現(xiàn)束腰現(xiàn)象。

(2)拉伸斷裂機理41①受拉系統(tǒng)紗線變直，非受拉系統(tǒng)紗線變得更為彎曲。交織點作用力拉伸中的束腰現(xiàn)象與斷裂

紗線的強力利用系數(shù)K：一般大于1，也有時小于1。42拉伸中的束腰現(xiàn)象與斷裂紗線的強力利用系數(shù)K：423.影響織物拉伸強度的因素（1）織物密度與織物組織①密度

經(jīng)密增加，經(jīng)緯向強力都增加（交織阻力大）；緯密增加，緯向強力增加，經(jīng)向強力減?。ń?jīng)紗開口次數(shù)增加，拉伸、摩擦增加）

②織物組織交錯次數(shù)越多，強力越高。同條件下，平紋的斷裂強力和伸長率大于斜紋，斜紋又大于緞紋。433.影響織物拉伸強度的因素（1）織物密度與織物組織43（2）紗線的線密度（即特數(shù)）和結構①紗線特數(shù)大，強度高；②線織物大于同特紗織物的強度（因線織物條干好，捻度不勻?。?。③捻度，在接近臨界捻度時，織物強力開始下降；④捻向的配置，同捻向，強力高（紗線交叉處纖維相互嚙合，交織阻力大）；紗線捻向?qū)椢镄再|(zhì)的影響44（2）紗線的線密度（即特數(shù)）和結構紗線捻向?qū)椢镄再|(zhì)的影響（3）纖維品種與混紡比①纖維品種是織物強伸性的決定因素。②混紡比混紡紗中兩種纖維的斷裂伸長率不同時，混紡織物的強力有時會比強力最差的純紡織物的強力低；（見下表）合成纖維與羊毛混紡的織物，隨合成纖維的增加，混紡織物的強力增加。（右圖）45（3）纖維品種與混紡比4546三、紡織材料的蠕變和松弛紡織材料突然加力、力保持、力卸載、再力保持（P=0）所對應的變形如下圖所示。

（一）蠕變

保持拉伸力不變，材料的變形隨時間而變化的現(xiàn)象。蠕變圖4646三、紡織材料的蠕變和松弛蠕變圖4647（二）三種變形1、急彈性變形：外力作用立即變形，外力去除立即恢復。主要是纖維大分子的鍵長、鍵角變化引起。

2、緩彈性變形：外力作用變形逐漸增加，外力去除緩慢恢復。大分子的伸展，取向度的增加，特別是大分子的滑移引起。13244747（二）三種變形132447483、塑性變形：外力作用產(chǎn)生的變形，外力去除不能恢復。大分子在新的位置重新建立分子間的連接，產(chǎn)生不可逆的滑移。這三種變形同時產(chǎn)生。548483、塑性變形：外力作用產(chǎn)生的變形，外力去除不能恢復。大分49（三）松弛

保持拉伸變形不變，材料的內(nèi)應力隨時間而逐漸下降的現(xiàn)象。

松弛圖4949（三）松弛松弛圖4950蠕變、松弛產(chǎn)生的原因：大分子之間的滑移。在紡織加工和使用過程中，必須注意不使材料長期處于緊張狀態(tài)，以避免蠕變或應力松弛現(xiàn)象。如，布機長期停車要處于綜平狀態(tài)；各卷裝貯藏太久會松爛。

影響蠕變和應力松弛的因素主要是溫濕度，提高溫濕度可促使蠕變和應力松持加速完成，如生產(chǎn)中的蒸紗定捻。紡織加工中積累的緩彈性伸長，在出廠后遇熱水緩彈性變形大量回縮，織物縮短或變窄，即“縮水”。5050蠕變、松弛產(chǎn)生的原因：大分子之間的滑移。5051四、紡織材料的拉伸彈性拉伸彈性是指纖維或紗線拉伸變形的恢復能力。用拉伸彈性恢復率Rε（或稱回彈率，%）表示，指急彈性回縮率和一定時間的緩彈性回縮率占總變形的百分率。5151四、紡織材料的拉伸彈性拉伸彈性是指纖維或紗線52一些纖維的拉伸彈性恢復率如下圖，一般是初始拉伸力或初始變形較大時，拉伸彈性恢復率小，即剩余變形較大。5252一些纖維的拉伸彈性恢復率如下圖，一般是初始拉伸第二節(jié)表面摩擦性質(zhì)摩擦力：外力作用下使物體在接觸面間發(fā)生相對運動所需要的切線方向的阻力。f=μN式中：f—摩擦力，cN；μ—靜摩擦因數(shù)；

N—物體間正壓力，cN。53第二節(jié)表面摩擦性質(zhì)摩擦力：外力作用下使物體在接觸面54一、纖維間的摩擦力纖維間的摩擦力不符合經(jīng)典的摩擦定律（正壓力為零時，摩擦力不為零）。

正壓力為零時，纖維因卷曲、轉(zhuǎn)曲等，將其從纖維集合體中抽拔出所受的切向阻力不為零，稱為“抱合力”。因此，纖維間的摩擦力F：F=F1+F2F1－正壓力為零時的切向阻力（抱合力）

F2－由正壓力引起的切向阻力摩擦因數(shù)不再是常數(shù)，隨正壓力的增加而減小。5454一、纖維間的摩擦力摩擦因數(shù)不再是常數(shù)，隨正壓力的增加而減二、抱合力指標及影響因素1.抱合力指標抱合系數(shù)h(cN/mm):單位長度纖維上的抱合力式中：

F1－抱合力（cN）

l－纖維長度（mm）55二、抱合力指標及影響因素55抱合長度Ln(m)：沒有正壓力的纖維條的斷裂長度式中：F1－纖維條強力，即抱合力（gf）Nt－纖維條特數(shù)2.影響因素纖維結構、表面結構、表面油劑、纖維長度、卷曲度、排列形狀、纖維彈性、溫濕度等。56抱合長度Ln(m)：沒有正壓力的纖維條的斷裂長度56三、靜摩擦力和動摩擦力靜摩擦力大于動摩擦力。兩者的差異影響織物的手感和風格，如“絲鳴”，即摩擦過程“粘--滑”效應引起的振動所致。57三、靜摩擦力和動摩擦力5758第三節(jié)拉伸疲勞性質(zhì)指當?shù)陀谄茐模ɡ瓟嗷蛘哿眩?/p>