第五章纖維的力學(xué)性質(zhì)

1、第五章纖維的力學(xué)性質(zhì)a Y (y,y) s Pb b 0.06 0.12 Pa 負(fù)荷 P(N) la 2 4 l 伸長(mm) 0 0 0.1 0.2 0 10 20 =應(yīng)變 =應(yīng)變率(%) 比應(yīng)力 p (N/tex) 0 0.2 0.4 應(yīng)力 (N/mm2=MPa) 0 300 600 試樣長度 20 mm 線密度 0.3 tex 纖維密度 1.5 g/cm3 圖圖5-1 5-1 紡織纖維的拉伸曲線紡織纖維的拉伸曲線 強(qiáng)力強(qiáng)力P Pb b：又稱絕對強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)力；：又稱絕對強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)力； 是纖維能夠承受的最大拉伸外力，或單根纖維受外力拉伸是纖維能夠承受的最大拉伸外力，或單根纖維受外力拉伸到

2、斷裂時(shí)所需要的力。單位：牛頓（到斷裂時(shí)所需要的力。單位：牛頓（N N）；厘牛（）；厘牛（cNcN）; ;克克力（力（gf)gf) 。 對不同粗細(xì)的纖維，強(qiáng)力沒有可比性。對不同粗細(xì)的纖維，強(qiáng)力沒有可比性。斷裂強(qiáng)度（相對強(qiáng)度）斷裂強(qiáng)度（相對強(qiáng)度）P Pb b：考慮纖維粗細(xì)的不同，表示纖維抵抗外：考慮纖維粗細(xì)的不同，表示纖維抵抗外力破壞能力的指標(biāo)，可用于比較不同粗細(xì)纖維的拉伸斷裂性質(zhì)，力破壞能力的指標(biāo)，可用于比較不同粗細(xì)纖維的拉伸斷裂性質(zhì)，簡稱比強(qiáng)度或比應(yīng)力；單位：簡稱比強(qiáng)度或比應(yīng)力；單位：N/tex（cN/dtex）；）；N/den（cN/den）；）； 斷裂應(yīng)力斷裂應(yīng)力b ： 指纖維單位截面上能

3、承受的最大拉力。指纖維單位截面上能承受的最大拉力。 常用單位為常用單位為N/mN/m2 2（帕）；（帕）； N/mmN/mm2 2（即（即MPaMPa）。）。其計(jì)算式為：其計(jì)算式為： Ptex=P/Ntex Ptex=P/Ntex Pden=P/Nden Pden=P/Nden 三類相對強(qiáng)度的表達(dá)式分別為：三類相對強(qiáng)度的表達(dá)式分別為：mbbDbDtbtbbNgPLNPPNPPAP或33109109gPgPLPPgLDtbDtbb 斷裂伸長率（應(yīng)變）斷裂伸長率（應(yīng)變） 纖維拉伸至斷裂時(shí)的伸長率。它表示纖維承受拉伸纖維拉伸至斷裂時(shí)的伸長率。它表示纖維承受拉伸變形的能力。變形的能力。L L0 0:

4、: 纖維的伸直長度纖維的伸直長度(mm);(mm);L Lb b: : 纖維斷裂時(shí)的長度纖維斷裂時(shí)的長度(mm)(mm)%10000lllbb 指纖維拉伸曲線的起始部分直線段的應(yīng)力與應(yīng)變的比指纖維拉伸曲線的起始部分直線段的應(yīng)力與應(yīng)變的比值，或伸長率為值，或伸長率為1%1%時(shí)對應(yīng)的強(qiáng)力。時(shí)對應(yīng)的強(qiáng)力。taaNllPE00 Y Yc p 1 2 (a)Y p (b)圖圖5-2 5-2 纖維屈服點(diǎn)的確定纖維屈服點(diǎn)的確定確定屈服點(diǎn)常用的方法：確定屈服點(diǎn)常用的方法：角平分線法角平分線法考泊蘭法（考泊蘭法（CoplanCoplan）A(A(橫坐標(biāo)的平行線）橫坐標(biāo)的平行線）曼列狄斯法曼列狄斯法(Meredi

5、th)-B(Meredith)-B 屈服點(diǎn)高，即屈服應(yīng)力和應(yīng)變高，纖維不易產(chǎn)生塑性屈服點(diǎn)高，即屈服應(yīng)力和應(yīng)變高，纖維不易產(chǎn)生塑性變形，拉伸回彈性好，纖維制品尺寸穩(wěn)定性好。變形，拉伸回彈性好，纖維制品尺寸穩(wěn)定性好。斷裂功：拉伸纖維至斷裂時(shí)外力所做的功，是纖維材料斷裂功：拉伸纖維至斷裂時(shí)外力所做的功，是纖維材料抵抗外力破壞所具有的能量抵抗外力破壞所具有的能量lPdlW0斷裂比功：拉斷單位體積纖維所需作的功斷裂比功：拉斷單位體積纖維所需作的功: : 拉斷單位線密度與單位長度纖維材料所拉斷單位線密度與單位長度纖維材料所 需做的功需做的功: : bdlAWwv00bPdlNWwtw00 功系數(shù)（功充滿系

6、數(shù)）：實(shí)際所作功（即斷裂功功系數(shù)（功充滿系數(shù)）：實(shí)際所作功（即斷裂功W W，相當(dāng)于拉伸曲線下的面積）與假定功（即斷裂強(qiáng)力相當(dāng)于拉伸曲線下的面積）與假定功（即斷裂強(qiáng)力* *斷裂伸長）之比。斷裂伸長）之比。bblPW 羊毛 醋酯 粘膠 醋酯 腈綸 蠶絲 錦綸 滌綸 棉 錦綸 比應(yīng)力 苧麻 亞 麻 應(yīng)變 (%) 圖圖5-3 5-3 不同纖維的應(yīng)力不同纖維的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 應(yīng)變 (%) 尼龍 聚酯 凱夫拉 玻璃 人造絲 應(yīng)力 (g/d) 鋼絲 應(yīng)力 (g/tex) 圖圖5-4 5-4 產(chǎn)業(yè)用纖維的應(yīng)力產(chǎn)業(yè)用纖維的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 上夾頭 下夾頭 纖維 重錘桿 支點(diǎn) 標(biāo)尺 轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)

7、 指針 L G1 G 圖圖5-5 5-5 擺錘式強(qiáng)力儀擺錘式強(qiáng)力儀屬等速牽引式強(qiáng)力儀；屬等速牽引式強(qiáng)力儀；力的施加呈非線性，試樣的力的施加呈非線性，試樣的拉伸變形無一定規(guī)律。拉伸變形無一定規(guī)律。 下夾頭 纖維 上夾頭 杠桿 v G l0 重錘 支點(diǎn) 圖圖5-6 5-6 杠桿式拉伸儀杠桿式拉伸儀屬等加負(fù)荷型強(qiáng)力儀；屬等加負(fù)荷型強(qiáng)力儀；卜氏（卜氏（pressly)pressly)強(qiáng)力儀和強(qiáng)力儀和UsterUster公司的公司的DynamatDynamat自動自動單紗強(qiáng)力儀均屬此類。單紗強(qiáng)力儀均屬此類。屬等伸長型強(qiáng)力儀；屬等伸長型強(qiáng)力儀；亦稱為萬能材料試驗(yàn)機(jī)。亦稱為萬能材料試驗(yàn)機(jī)。 上夾頭 處理單元

8、 試樣 顯示 打印繪圖儀 v 換算單元 l=vt 力傳感器 下夾頭 圖圖 5-7 5-7 電子強(qiáng)力儀的測試原理示意圖電子強(qiáng)力儀的測試原理示意圖 C B A A B C A B (a) (b) (c) (d) (e) 圖圖5-8 5-8 纖維拉伸斷裂時(shí)的裂縫和斷裂面纖維拉伸斷裂時(shí)的裂縫和斷裂面 g/den 伸長率 (%) 增加取向度 醋酯纖維 粘膠纖維 比應(yīng)力 (gf/tex) 斷裂點(diǎn)軌跡 N/tex 比容 (cm3/g) 初始模量 (N/cm2) 屈服應(yīng)力 (N/cm2) 結(jié)晶度 (%) 圖圖5-95-9不同取向度纖維的應(yīng)力應(yīng)變曲線不同取向度纖維的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖圖5-10 5-10 聚丙烯纖維

9、結(jié)晶度的影響聚丙烯纖維結(jié)晶度的影響強(qiáng)度 P聚合度 n no 制造化纖時(shí)，要控制制造化纖時(shí)，要控制n n的大小的大小n n太小太小強(qiáng)度不好；強(qiáng)度不好；n n太大太大紡絲困難紡絲困難 L (cN/tex) 177 99 21 -57 P0 (cN/dtex) (c/mm2) 圖圖5-11 5-11 溫度對滌綸的影響溫度對滌綸的影響 L (cN/tex) P0 (cN/dtex) (c/mm2) 富纖 棉 L (cN/tex) P0 (cN/dtex) (c/mm2) (%) 圖圖5-125-12相對濕度對細(xì)羊毛的影響相對濕度對細(xì)羊毛的影響圖圖5-13 5-13 相對濕度對富強(qiáng)纖維和棉的影響相對濕度

10、對富強(qiáng)纖維和棉的影響表表5-1 5-1 低速和高速試驗(yàn)結(jié)果對比低速和高速試驗(yàn)結(jié)果對比膠膠kNfNkfnPtftB T(ep) T(e) (e) ep em Tf ep為最大束強(qiáng) 值時(shí)的應(yīng)變 em為纖維斷裂 最多時(shí)的應(yīng)變 e Tf (e) T emin emax 圖圖5-14 5-14 平行纖維束的比應(yīng)力平行纖維束的比應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線etdeenEeNeF)()()()(ppeeedeep t 0 變形 t1 張力 0 t t1 (t) 或 P(t) 圖圖5-15 5-15 纖維的應(yīng)力松弛曲線纖維的應(yīng)力松弛曲線 P0 31 P 1 2 4 5 3 t t t t2 t1 O O t2

11、t1 圖圖5-16 5-16 纖維的蠕變及蠕變回復(fù)曲線纖維的蠕變及蠕變回復(fù)曲線 時(shí)間 (s) 負(fù)荷 (cN) 伸長 (%) 圖圖5-17 5-17 羊毛纖維在不同羊毛纖維在不同 負(fù)荷下的蠕變負(fù)荷下的蠕變 時(shí)間 (s) 溫度 定張力 伸長 (%) 圖圖5-18 5-18 羊毛纖維在不同羊毛纖維在不同 溫度下的蠕變溫度下的蠕變 時(shí)間 (s) 應(yīng)力 (N/mm2) 空氣相對濕度 時(shí)間 (s) 應(yīng)力 (N/mm2) 空氣相對濕度 圖圖5-19 5-19 羊毛在不同相對羊毛在不同相對濕度下的應(yīng)力松弛濕度下的應(yīng)力松弛圖圖5-20 5-20 滌綸在不同拉伸滌綸在不同拉伸 速率下的應(yīng)力松弛速率下的應(yīng)力松弛二二

12、 、纖維的彈性、纖維的彈性 指纖維變形的恢復(fù)能力。指纖維變形的恢復(fù)能力。1 1彈性的指標(biāo)彈性的指標(biāo)(1)(1)彈性回復(fù)率彈性回復(fù)率 指急彈性變形和一定時(shí)間內(nèi)可恢復(fù)的緩彈性變形之和占指急彈性變形和一定時(shí)間內(nèi)可恢復(fù)的緩彈性變形之和占總變形的百分率。總變形的百分率。 %10041Te 相同條件下測得的彈性回復(fù)率越大，表示彈性越好、相同條件下測得的彈性回復(fù)率越大，表示彈性越好、變形回復(fù)好。變形回復(fù)好。圖圖5-21 5-21 等速伸長和等加負(fù)荷試驗(yàn)機(jī)拉伸圖等速伸長和等加負(fù)荷試驗(yàn)機(jī)拉伸圖%100%100oabecbeWWeeW面積面積(2)(2)彈性功回復(fù)率（或功回復(fù)系數(shù)）彈性功回復(fù)率（或功回復(fù)系數(shù)） 彈

13、性恢復(fù)功與拉伸所作的功之比。彈性恢復(fù)功與拉伸所作的功之比。 E = E 為 常數(shù) t (a) 虎克彈簧模型 (b) 牛頓粘壺模型 t0圖圖5-24 5-24 虎克彈簧及牛頓粘壺應(yīng)力虎克彈簧及牛頓粘壺應(yīng)力- -應(yīng)變模型應(yīng)變模型Edtd t o 0 0.367 0 E 1 1 圖圖5-25 5-25 馬克思威爾模型及其應(yīng)力松弛曲線馬克思威爾模型及其應(yīng)力松弛曲線12121dddddtdtdtE dt E0Et1tkE0633. 0圖圖5-26 Voigt5-26 Voigt模型及其蠕變和蠕變回復(fù)曲線模型及其蠕變和蠕變回復(fù)曲線dEdt 2E1E2E1Ea O t1 d t d b c 02121EEE

14、E (a) (b) (c) 圖圖5-27 5-27 三元件模型及其蠕變和蠕變回復(fù)曲線三元件模型及其蠕變和蠕變回復(fù)曲線 4 1 2 5 e d a b c O 3 0 圖圖5-28 5-28 纖維的多次拉伸循環(huán)纖維的多次拉伸循環(huán) P P0=const d O P0 a b c e 0 0 c d a b O e P 0=const (a)定負(fù)荷 (b)定伸長 圖圖5-29 5-29 纖維的重復(fù)拉伸疲勞圖纖維的重復(fù)拉伸疲勞圖 每次拉伸最大力 c 圖圖5-30 5-30 重復(fù)拉伸的疲勞曲線重復(fù)拉伸的疲勞曲線EIRB圓形截面纖維：8221041dtffNER非圓形截面纖維：10210141ERfBr(

15、b)(a)圖圖5-315-31纖維彎曲時(shí)的變形與破壞纖維彎曲時(shí)的變形與破壞bdr20 上夾頭 下夾頭 纖維 勾接 實(shí)驗(yàn) 打結(jié) 實(shí)驗(yàn) 圖圖5-32 5-32 勾接強(qiáng)度和打結(jié)強(qiáng)度勾接強(qiáng)度和打結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)原理試驗(yàn)原理)/(2texcNNPptLs勾接相對強(qiáng)度：%100%,1002ppPPsLLL勾接強(qiáng)度率：%100%,100ppPPkkkk打結(jié)強(qiáng)度率：tkkNPp 打結(jié)相對強(qiáng)度：圖圖5-33 5-33 不同纖維的勾接強(qiáng)度率不同纖維的勾接強(qiáng)度率(%)(%) 斷裂伸長率 (%) 纖維勾接強(qiáng)度 (%) 圖圖5-33 5-33 不同纖維的勾接強(qiáng)度率不同纖維的勾接強(qiáng)度率(%)(%) T l r 圖圖5-34 5-34 扭轉(zhuǎn)變形示意圖扭轉(zhuǎn)變形示意圖5822041