武汉科技学院：纺织材料学（二）：第五章 纤维的力学性质

第五章 纤维的力学性质 讨论纺织纤维的拉伸性质及其对时间依赖性、纤维基本力学模型，纤维弹性、动态力学性质及疲劳，以及纤维的弯曲、扭转、压缩等力学性能。 第一节 纤维的拉伸性质 一、纤维的拉伸曲线与性能指标 1．拉伸曲线 纤维的拉伸曲线有两种形式，即负荷p－ 伸长△l曲线和应力(－应变(曲线。 2．拉伸性能指标 （1）强伸性能指标 强伸性能是指纤维断裂时的强力或相对强度和伸长(率)或应变。
图5-1 纺织纤维的拉伸曲线 a．强力Pb： 又称绝对强力、断裂强力。它是指纤维能承受的最大拉伸外力，或单根纤维受外力拉伸到断裂时所需要的力，单位为牛顿(N)。 b．断裂强度(相对强度) Pb：简称比强度或比应力，它是指每特(或每旦)纤维能承受的最大拉力，单位为N/tex，常用cN/dtex（或cN/d）。 c．断裂应力σb：为单位截面积上纤维能承受的最大拉力，标准单位为N/m2(即帕)常用N/mm2(即兆帕Mpa)表示。 d．断裂长度Lb：纤维重力等于其断裂强力时的纤维长度，单位为km。 e．三类相对强度的表达式分别为：
(5-1)
(5-2)
(5-3) （2）初始模量 初始模量是指纤维拉伸曲线的起始部分直线段的应力与应变的比值，即( - ( 曲线在起始段的斜率。
(5-10) 初始模量的大小表示纤维在小负荷作用下变形的难易程度，即纤维的刚性。 （3）屈服应力与屈服伸长率
图5-2 纤维屈服点的确定 纤维在屈服以前产生的变形主要是纤维大分子链本身的键长、键角的伸长和分子链间次价键的剪切，所以基本上是可恢复的急弹性变形。而屈服点以后产生的变形中，有一部分是大分子链段间相互滑移而产生的不可恢复的塑性变形。 （4） 断裂功指标 a． 断裂功W：是指拉伸纤维至断裂时外力所作的功，是纤维材料抵抗外力破坏所具有的能量。
(5-11) b．断裂比功Wv ：一是拉断单位体积纤维所需作的功Wv，单位为N/mm2。
(5-12) 另一定义是重量断裂比功Ww，是指拉断单位线密度与单位长度纤维材料所需做的功，其计算式为：
(5-13) c．功系数η：指纤维的断裂功与断裂强力(Pb)和断裂伸长(Δlb)的乘积之比：
(5-14) 断裂功是强力和伸长的综合指标，它可以有效地评定纤维材料的坚牢度和耐用性能。 二、常见纤维的拉伸曲线
图5-3 不同纤维的应力-应变曲线
图5-4 产业用纤维的应力-应变曲线 三 、 纤维拉伸性质的测量 1．摆锤式强力仪 Y161型单纤维强力机， Y162束纤维强力机， Y371型缕纱强力机， Y361型单纱强力机等都是摆锤式强力仪。 2．秤杆式强力仪 卜氏(Pressley)强力仪， Uster 公司生产的Dynamat 自动单纱强力仪(斜面式)都属于这一类型。
图5-5 摆锤式强力仪
图5-6 秤杆式拉伸仪 3．电子强力仪 英斯特朗(Instron)材料试验机。
图 5-7 电子强力仪的测试原理示意图 四、拉伸断裂机理及影响因素 1. 纤维的拉伸破坏机理 纤维开始受力时，其变形主要是纤维大分子链本身的拉伸，即键长、键角的变形。拉伸曲线接近直线，基本符合虎克定律。当外力进一步增加，无定型区中大分子链克服分子链间次价键力而进一步伸展和取向，这时一部分大分子链伸直，紧张的可能被拉断，也有可能从不规则的结晶部分中抽拔出来。次价键的断裂使非结晶区中的大分子逐渐产生错位滑移，纤维变形比较显著，模量相应逐渐减小，纤维进入屈服区。当错位滑移的纤维大分子链基本伸直平行时，大分子间距就靠近，分子链间可能形成新的次价键。这时继续拉伸纤维，产生的变形主要又是分子链的键长、键角的改变和次价键的破坏，进入强化区，表现为纤维模量再次提高，直至达到纤维大分子主链和大多次价键的断裂，致使纤维解体。
图5-8 纤维拉伸断裂时的裂缝和断裂面 2. 影响纺织纤维拉伸性质的因素 (1) 纤维的内部结构 a．聚合度：提高聚合度是保证高强度的首要条件。 b．纤维大分子的取向度：取向度增大，纤维断裂强度增加，断裂伸长率降低。 c．结晶度： 纤维的结晶度愈高，纤维的断裂强度、屈服应力和初始模量表现得较高。
图5-9不同取向度纤维的应力应变曲线
图5-10 聚丙烯纤维结晶度对拉伸性能的影响 (2) 试验条件的影响 a．温度和相对湿度：
图5-11 温度对涤纶拉伸性能的影响
图5-12相对湿度对细羊毛拉伸性能的影响
图5-13 相对湿度对富强纤维和棉的影响 b．试样长度：试样越长，弱环出现的概率越大，测得的断裂强度越低。 c． 试样根数：由束纤维试验所得的平均单纤维强力比单纤维试验时的平均强力为低。 d．拉伸速度：拉伸速度对纤维断裂强力与伸长率的影响较大。 表5-1 低速和高速试验结果对比 试样 v(%/秒) pb (N/tex) (b (%) E0 (N/tex)  高强锦纶 1/60 5000 0.55 0.67 16.7 14.7 3 5  强力粘胶 1/60 2000 0.56 0.80 5.4 5.2 14 22  玻璃纤维 1/60 1000 0.42 0.54 1.8 1.8 22 28   e．拉伸试验机类型： 五、束纤维的拉伸性质 1．实验研究 2. 理论表达 单纤维拉伸性能与束纤维拉伸性能间数学关系。即：
(5-16)
图5-14 平行纤维束的比应力-应变曲线 第二节 纤维力学性能的时间依赖性 力学性能具有显著的粘弹性特征或称时间依赖性(time dependent)。典型的粘弹性表现有应力松弛、蠕变以及在交变载荷作用下应变落后应力的滞后性即动态力学性能。 一 、 应力松弛和蠕变 1．定义 纤维在拉伸变形恒定条件下，应力随时间的延长而逐渐减小的现象称为应力松弛。 纤维在一恒定拉伸外力作用下，变形随受力时间的延长而逐渐增加的现象称为蠕变。
图5-15 纤维的应力松弛曲线
图5-16 纤维的蠕变及蠕变回复曲线 2．几种形变 急弹性变形 缓弹性变形 塑性变形 3．对时间和温度的依赖性 纤维的应力松弛和蠕变是一个性质的两种表现。其主要原因是由于在外力作用下纤维中大分子链的构象变化和大分子链之间的相互滑移，即大分子链的重新排列所引起。
图5-17 羊毛纤维在不同负荷下的蠕变
图5-18 羊毛纤维在不同温度下的蠕变
图5-19 羊毛在不同相对湿度下的应力松弛
图5-20 涤纶在不同拉伸速率下的应力松弛 二 、纤维的弹性 1．弹性的指标
(5-19)
(5-20)
图5-21 等速伸长和等加负荷试验机拉伸图 2．影响纤维弹性的因素 三 、纤维的动态力学性质 纤维在交变负荷作用下的应力与应变关系及由此表现出来的力学性能特征称为动态力学性质。
(5-21) 令

有
(5-22) 式中
为动态弹性模量；
为动态损耗模量。
图5-22 动态拉伸性能应力、应变和模量关系图 并由此可得复模量E*为：
(5-23) 动态损耗为：
(5-24) 纤维动态力学性质的时间依赖性表现为其动态力学性质指标E*、
、
和tg(是交变负荷频率(即时间)的函数。象一般光谱图一样，力学内耗峰的位置和形状是有其“指纹”特征的。
图5-23 纤维的频率力学谱 四、基本力学模型 1．力学模型的基本元件 描述粘弹性力学性能的基本元件有二个，在线性粘弹性理论中，一个是虎克弹簧，另一个是牛顿粘壶。
图5-24 虎克弹簧及牛顿粘壶应力-应变模型 2．描述纤维粘弹性的几个力学模型 (1) 马克思威尔(Maxwell)模型 将虎克弹簧和牛顿粘壶串联，可以用来模拟应力松弛现象，图5-25(a)即为麦克斯威尔模型。
图5-25 马克思威尔模型及其应力松弛曲线 (2) 伏欧脱(Voigt)模型 虎克弹簧和牛顿粘壶并联就是伏欧脱模型，它可以用来描述纤维高聚物的蠕变和蠕变回复性能(即缓弹性变形)。如图5-26所示。
图5-26 Voigt模型及其蠕变和蠕变回复曲线 (3) 标准线性固体力学模型(三元件模型) 三元件模型由两个虎克弹簧和一个牛顿粘壶组成，有两种排列方式，但它们是互为等效的，如图5-27所示。
图5-27 三元件模型及其蠕变和蠕变回复曲线 (4) 四元件模型 五、 纤维的疲劳 1．疲劳破坏形式 疲劳破坏有两种形式。一种是指纤维材料在一不大的恒定拉伸力作用下，开始时纤维材料迅速伸长，然后伸长逐步缓慢，最后趋于不明显，到达一定时间后，材料在最虚弱的地方发生断裂。这是由于蠕变过程中，外力对材料不断作功，直至材料被破坏，也称为静态疲劳或蠕变疲劳。另一种是多次拉伸(或动态)疲劳，它是指纤维材料经受多次加负荷、减负荷的反复循环作用，因为塑性变形的逐渐积累，纤维内部的局部损伤，形成裂痕，最后被破坏的现象。
图5-28 纤维的多次拉伸循环
图5-29 纤维的重复拉伸疲劳图 2. 纤维疲劳破坏的影响因素 表示材料疲劳特征的指标常采用耐久度或疲劳寿命。它是指纤维材料能承受的加负荷、减负荷的反复循环的次数。
图5-30 重复拉伸的疲劳曲线 第三节 纤维的弯曲、扭转与压缩 一 、 纤维的弯曲 1. 纤维的弯曲刚度 2．纤维弯曲时的破坏 (1) 最小曲率半径 表5-2 纤维的抗弯性能 纤维种类 ηf ( (g/cm3) E (cN/tex) Rfr (cN·cm2)/tex2  长绒棉 0.79 1.51 877.1 3.66
10-4  细绒棉 0.70 1.50 653.7 2.46
10-4  细羊毛 0.88 1.31 220.5 1.18
10-4  粗羊毛 0.75 1.29 265.6 1.23
10-4  桑蚕丝 0.59 1.32 741.9 2.65
10-4  苎麻 0.80 1.52 2224.6 9.32
10-4  亚麻 0.87 1.51 1166.2 4.96
10-4  普通粘胶 0.75 1.52 515.5 2.03
10-4  强力粘胶 0.77 1.52 774.2 3.12
10-4  富强纤维 0.78 1.52 1419.0 5.8
10-4  涤纶 0.91 1.38 1107.4 5.82
10-4  腈纶 0.80 1.17 670.3 3.65
10-4  维纶 0.78 1.28 596.8 2.94
10-4  锦纶6 0.92 1.14 205.8 1.32
10-4  锦纶66 0.92 1.14 214.6 1.38
10-4  玻璃纤维 1.00 2.52 2704.8 8.54
10-4  石棉 0.87 2.48 1979.6 5.54
10-4  

图5-31纤维弯曲时的变形与破坏 （2）勾接和打结强度
图5-32 勾接强度和打结强度试验原理
图5-33 不同纤维的勾接强度率(%) 二 、 纤维的扭转 1．扭转刚度
图5-34 扭转变形示意图 表5-3 各种纤维的扭转性能 纤维种类 ηt Gt(cN/tex) Rtr(cN·cm2)/tex2  棉 0.71 161.7 7.74
10-4  木棉 5.07 197 71.5
10-4  羊毛 0.98 83.3 6.57
10-4  桑蚕丝 0.84 164.6 10.00
10-4  柞蚕丝 0.35 225.4 5.88
10-4  苎麻 0.77 106.2 5.49
10-4  亚麻 0.94 85.3 5.68
10-4  普通粘胶 0.93 72.5 4.6
10-4  强力粘胶 0.94 69.6 4.41
10-4  富强纤维 0.97 64.7 4.31
10-4  铜氨纤维 0.99 100 6.86
10-4  醋脂纤维 0.70 60.8 3.33
10-4  涤纶 0.99 63.7 4.61
10-4  锦纶 0.99 44.1 3.92
10-4  腈纶 0.57 97 5.1
10-4  维纶 0.67 73.5 3.53
10-4  乙纶 0.99 5.4 4.9
10-4  玻璃纤维 1.00 1607.2 62.72
10-4   2．纤维扭转时的破坏 表5-4 纤维的剪切与拉伸强度对比 纤维 种类 剪切强度(cN/tex) 拉伸强度(cN/tex)   R.H. 65% 水湿 R.H.65% 水湿  棉 8.4 7.6 23.5 21.6  亚麻 8.1 7.4 25.5 28.4  蚕丝 11.6 8.8 31.4 24.5  普通粘胶 6.4 3.1 17.6 6.9  富强纤维 10.4 9.4 70.6 58.8  铜氨纤维 6.4 4.6 17.6 7.8  醋酯纤维 5.8 5.0 11.8 7.8  锦纶 11.2 9.5 39.2 35.3  偏氯纶 9.8 9.4 19.6 24.5   表5-5 各种纤维的断裂捻角 纤维 种类 断裂捻角α(度)   短纤维 长丝  棉 34~37 —  羊毛 38.5~41.5 —  蚕丝 — 39  亚麻 21.5~29.5 —  普通粘胶 35.5~39.5 35.5~39.5  强力粘胶 31.5~33.5 31.5~33.5  铜氨纤维 40~42 33.5~35  醋酯纤维 40.5~46 40.5~46  涤纶 59 42~50  锦纶 56~63 47.5~55.5  腈纶 33~34.5 —  酪素纤维 58．5~62 —  玻璃纤维 — 2.5~5  三 、纤维的压缩 1．纤维及其集合体的压缩性质
图5-35 纤维集合体的压力与容重间关系
图5-36 棉层的反复循环压缩曲线 2．纤维及其集合体在压缩中的破坏