第三章纤维的力学性质(原文)讲解.doc

第三章纤维的力学性质第一节纤维的拉伸性质纺织纤维在纺织加工和纺织品的使用过程中，会受到各种外力的作用，要求纺织纤维具有一定的抵抗外力作用的能力纤维的强度也是纤维制品其他物理性能得以充分发挥的必要基础，因此，纤维的力学性质是最主要的性质，它具有重要的技术意义和实际意义纺织纤维的长度比直径大1000倍以上，这种细长的柔性物体，轴向拉伸是受力的主要形式，其中，纤维的强伸性质是衡量其力学性能的重要指标一、拉伸曲线及拉伸性质指标1．纤维的拉伸曲线特征纤维的拉伸曲线由拉伸试验仪得到，图3-1是一试样长度为20cm,线密度为0.3tex，密度为1．5R/cm3的纤维在初始负荷为零开始一直拉伸至断裂时的一根典型的纤维拉伸曲线它可以分成3个不同的区域：A为线性区（或近似线性区）；B为屈服区，在B区负荷上升缓慢，伸长变形增加较快；C为强化区，伸长变形增加较慢，负荷上升较快，直至纤维断裂06-oT—■3图2o.Ix超・N、百俎ho0032410.10.2■JL1020伸长/cm应变伸长率/(%)纤维的拉伸曲线纤维的拉伸曲线可以是负荷-伸长曲线，也可以将它转换成应力-应变曲线，图形完全相同，仅坐标标尺不同而已。

纤维拉伸曲线3个不同区域的变形机理是不同的当较小的外力作用于纤维时，纤维产生的伸长是由于分子链本身的伸长和无定形区中缚结分子链伸展时，分子链间横向次价键产生变形的结果所以，A区的变形是由于分子链键长（包括横向次价键）和键角的改变所致变形的大小正比于外力的大小，即应力-应变关系是线性的，服从虎克定律当外力除去，纤维的分子链和横向连接键将回复到原来位置，是完全弹性回复由于键的变形速度与原子热振动速率相近，回复时间的数量级是10-13s，因此，变形的时间依赖性是可以忽略的，即变形是瞬时的当施加的外力增大时，无定形区中有些横向连接键因受到较大的变形而不能承受施加于它们的力而发生键的断裂这样，允许卷曲分子链伸直，接着分子链之间进行应力再分配，使其他的横向连接键受力增加而断裂，分子链进一步伸展在这一阶段，纤维伸长变得较容易，而应力上升很缓慢应力-应变曲线具有较小的斜率，这是B区产生的屈服现象当外力除去后，变形的回复是不完全的因为许多横向连接键已经断裂不能回到原来的位置，或者在新的位置上已经重新形成新的横向次价键变成较稳定的结构状态当进一步增加外力时，由于纤维千讦多大分子链经过屈服流动后，分子链因充分伸直，进一步拉伸分子链比较困难。

这时，拉伸曲线斜率增加，如C区，即为强化区，这时增加的变形主要是纤维大分子链键长和键角的改变所引起，最后直至纤维断裂不同纺织纤维由于内部结构不同，其拉伸曲线有很大差异，几种常见纺织纤维的应力-应变曲线如图3-2所示天然纤维因品种不同，或生长、饲养条件的差异，化学纤维则由于大分子链结构以及纺丝工艺参数的差别，其拉伸性能也会有很大的差别常见纺织纤维的有关拉伸性质指标列于表3-1251112应变/(%)1-亚麻2-苎麻3-棉4-涤纶5、6-锦纶7-蚕丝8-腈纶9-粘纤10、12-醋纤11-羊毛图3-2不同纤维的应力-应变曲线2.拉伸性能指标由纤维拉伸曲线可提取表征纤维拉伸性能的许多重要力学性能指标1)断裂强力和断裂强度纤维断裂强力表示纤维能承受拉伸负荷的最大能力，单位为牛顿(N)，或厘牛(cN)单根纤维的断裂强力称绝对强力，它与纤维粗细有关，为了相互比较，通常采用断裂强度(或相对强度)来表征表示纤维断裂强度常用以下3种指标：断裂应力：它是单位纤维横截面上纤维所能承受的最大拉力，单位为Pa(N/m2)或cN/cm2,因Pa的单位很小，常用MPa且1MPa=106Pa① 比应力：它是指单位线密度纤维所能承受的最大拉力，单位为N/tex。

② 断裂长度：它是指纤维本身重力等于其断裂强力时的纤维长度，单位为千米(km)，即pJ'(3-1)其中，P为纤维的强力(N);若为重力加速度(9.8m/s2);Nm为纤维的公制支数(m/g)表3-1几种常见纤维的拉伸性质指标纤维品种斷裂强度/N・tex1钩孩强度/N♦tex1断裂伸长率/(%)初始樸量/N*tex1定伸长回弹率/(%)(伸长3%)干态湿态干态湿态高强涤纶低伸型a53〜a620<53〜a6235〜0.4418〜2818〜286.17,〜7.9497普通型0.42〜0.520<42〜a520.35〜a4430〜4530〜454.41，〜6・17锦纶60.38〜a620.33〜0.530.31—0.4925〜5527〜580.71，—2.65100M纶0<25〜0.400.22〜0・350.16〜a2225〜5025〜602.65,〜5・2989〜95维纶0.44〜a510<35〜a430・28〜0・3515〜2017〜232・21，4170〜80丙纶0.40〜a620-40〜0.62a35〜a6230〜6030〜601.76,~4・8596〜100氯纶0.22〜a350.22〜a350.16〜a2220〜4020〜401.32,72170〜85粘纤0.18〜a260.11—0.160.06〜a1316〜2221〜293.53,-5.2955〜80富纤0.31〜a400.25〜a290<05〜0.069〜1011〜137.06,~7・9460〜85酷纤aii〜a140・07~0・090-09〜a1225〜3535~502・2卜〜3・5370〜90棉0.18〜0.310.22〜a407〜12632074（伸长2%）绵羊毛0.09〜a150<07〜0.1425〜3525〜502・12,〜3・0086〜93家蚕丝0.26〜a35a19〜0.2515〜2527〜334.4154〜55（伸长5%）艾麻0.49〜a570.51〜a680.40—0.411.5〜2.32.0〜2.417.64,—22.0548（伸长2%）氨纶0.04〜0.090.03—0.09450〜80095〜99（伸长50%）纤维相对强度的3个指标间关系为(3-2)(3-3)^7=AX/X103=9為XyX103L=X103=9X鱼Xgg式中，c为纤维断裂应力(N/mm2);pt为纤维的比应力(N/tex);g为重力加速度(9.8m/s2);L为纤维的断裂长度(km)；v为纤维密度(g/cm3)。

2)断裂伸长率纤维拉伸断裂时产生的伸长占原来长度的百分率它表示纤维承受最大负荷时的伸长变形能力3)初始模量它是纤维应力-应变曲线起始一段直线部分的斜率，其物理含义是表示当试样保持初始斜率不变时，拉伸试样至原来长度的两倍时所需的应力值它表征在小变形条件下，纤维承受外力作用时抵抗变形能力的大小，是衡量纤维刚性的指标纺织纤维的初始模量与纺织制品的耐磨、耐疲劳、耐冲击、手感、悬垂性和起拱性能等关系密切许多纺织品多半是在小变形条件下工作的，因此，初始模量是纤维力学性能中的重要指标对于纺织纤维拉伸曲线的起始部分是否存性区是有争议的前苏联学者库金和索洛维也夫认为，纺织纤维与金属材料不同，拉伸曲线的起始部分是凹向应变轴的，只能近似地接近直线澳大利亚学者E．G．Bendit(1978)认为纺织纤维拉伸曲线的起始部分不存在“虎克区”，对粘弹性材料，在理论上其应力-应变曲线是凹向应变轴的然而由于纤维截面的转曲和天然卷曲以及试样夹头夹持不当等影响，会使应力-应变曲线的起始部分凹向应力轴，由于这2个相反的弯曲，使应力-应变曲线在外表上似乎有一个不变斜率的“虎克区”当有些纤维拉伸曲线起始部分不成直线时，其初始模量常取伸长率为1％(或0．5％)时的应力值，按定义：初始模量=应力/应变计算得到，也称为割线模量。

4)屈服点纤维拉伸曲线上“虎克区”和屈服区的转变点称为屈服点，所对应的应力和应变分别称为屈服应力和屈服应变实验表明：当纤维超过屈服点后，将产生较高比例的塑性变形，纤维的力学性质将起较大的变化，所以在纺织加工和纺织品使用过程中，确定和掌握纤维的屈服点很重要有数种确定纤维屈服点的方法可供选择①曼列狄斯(Meredith)法如图3-3(a)所示连结应力■应变曲线原点得切点Y;丫点所对应的应力为屈服应力(ay)0和断裂点A;平行于0A作平行线并与拉伸曲线相切,,对应的应变为屈服应变（£y）d)三阶导数法图3-3屈服点的确定方法② 考泼伦(Coplan)方法：如图3-3(b)，作拉伸曲线在屈服点前后2个区域的近似直线部分的切线，交于K;过K点作平行于应变轴，交拉伸曲线于Y,丫则为屈服点角平分线法：如图3-3(c)，作拉伸曲线在屈服点前后2个区域的近似直线部分的切线，交于K；作两切线的夹角平分线，交拉伸曲线于丫，丫即为屈服点③ 三阶导数法：这是1979年阿尔法(E1-Alfy)根据屈服点的定义提出的，应用对拉伸曲线求三阶导数的方法来确定纤维的屈服点，如图3-3(d)所示，三阶导数曲线与伸长轴的交点，即为屈服伸长率。

上述几种方法所决定的屈服点位置略有差异，曼列狄斯法简单，容易求取角平分线法较实用，但有时求取屈服点后拉伸曲线部分的切线较困难三阶导数法，求取方法麻烦，但有利于计算机自动化5)断裂功、断裂比功和充满系数纤维的负荷-伸长曲线下的面积，表示拉断这根纤维时，外力对它所作的功，表示材料抵抗外力在纤维粗细和试样长度不同时，断裂功不能反映纤维抵抗外力破坏的能力，所以要折算成拉断单在实际应用中，断裂比功采用拉断一单位体积或单位纤维重量所需作功的大小，称为“断裂比功”断製比功=纤维线密度X夹持长度(cm)位线密度、1cm长的纤维所需要的功(N•cm)来表示，即断裂坊(N-cm)断裂比功的单位为N/tex断裂比功大的纤维材料能承受冲击破坏的能力强二、纤维代表性拉伸曲线及其绘制纤维性能是结构的反映，天然纤维受到品种、生长条件的影响，化学纤维的拉伸性能与大分子链结构和纺丝工艺的影响很大，使不同纤维在结构上存在着较大的差异，所以力学性能亦在一相当范围内变化图3-4为几种主要化学纤维的拉伸曲线图中表示出高强低伸型化纤与低强高伸型化纤的拉伸曲线有很大的不同锦(L)010203040一K普之■Rlgl蛋拉伸率/(%)H一高强型M—中强型L一普通型图3-4几种化学纤维的拉伸曲线纺织纤维由于内部结构和外形尺寸的不均匀性，特别是天然纤维，使各根纤维的拉伸曲线存在较大的差异，如何从一批离散性较大的拉伸曲线中，选取一根代表性曲线，以代表这批试样的拉伸性能呢?通常采用下述两种方法。

①单根代表曲线法：根据实测试样所得的断裂强力，断裂伸长和初始模量（或屈服点）的平均值，在n（样本容量）根拉伸曲线中选取其中一根最接近上述指标的平均值的曲线，即为代表性曲线这一方法较简单，所得曲线光滑、自然，但在任意拉伸阶段时曲线的平均代表性较差②5根曲线平均法：根据上述方法从n根拉伸曲线中选取5根最接近平均断裂强力、断裂伸长率和屈服点（屈服应力和应变）的曲线；将每根曲线等分断裂伸长为若干等分；求出各对应伸长。