1、第六章第六章 纤维和纱线的机械性质纤维和纱线的机械性质 第一节纤维和纱线的拉伸性质第一节纤维和纱线的拉伸性质一纤维的拉伸性质及断裂机理一纤维的拉伸性质及断裂机理测试标准的重要性测试标准的重要性标准测试条件举例标准测试条件举例指标体系指标体系典型拉伸曲线分析典型拉伸曲线分析常见纺织纤维拉伸曲线常见纺织纤维拉伸曲线常见纤维拉伸性质指标常见纤维拉伸性质指标纤维拉伸机理及影响拉伸性的因素纤维拉伸机理及影响拉伸性的因素拉伸性能测试拉伸性能测试纤维拉伸破坏形态纤维拉伸破坏形态v1.1测试标准的重要性测试标准的重要性v（1）材料力学性质取决于组成该材料的分子排列，在不同纤维种类、同类纤维不同样本、或者同样本
2、不同环境条件都会引起被测力学性质指标的差异，必须标准化测试环境；v（2）不同横截面或不同长度纤维由于弱环 (或称为缺陷)存在的几率不一样，对于纤维材料在横截面不能标准化前提下，必须标准化纤维待测区段长度；v（3）纺织纤维是高分子粘弹性材料，受力变形曲线不是严格的一一对应单质函数曲线，取决于加载历史和加载方式，必须标准化加载条件；v（4）纤维间性质差异性，要取得统计意义上的平均值，必须有足够的纤维根数。 Backv1.2标准测试条件举例标准测试条件举例v环境条件：环境条件：Temperature: 203; Relative humidity (R.H.): 655%v v Backv1.3指标
3、体系指标体系v断裂强力；断裂强度；断裂伸长率v1.3.1断裂强力（绝对强力）断裂强力（绝对强力）Pv是纤维能够承受的最大拉伸外力。单位：牛顿（N）；厘牛（cN）；克力（gf）。v对不同粗细的纤维，强力没有可比性。v1.3.2强度强度v用以比较不同粗细纤维的拉伸断裂性质的指标。v根据采用线密度指标不同，强度指标有以下几种：v（1）比强度（相对强度）(specific strength 或tenacity)是指每特（或每旦）纤维所能承受的最大拉力。v单位为：N/tex（cN/dtex）；N/d（cN/d）；gf/dtex。v其计算式为：v式中：Ptex特数制断裂强度（N/tex；cN/dtex；g
4、f/dtex）； Pden旦数制断裂强度（N/d；cN/d；gf/d）； P纤维的强力（N；cN；gf）； Ntex 纤维的特数（tex，dtex）； Nden纤维的旦数（d）。dendentextexNPPNPP/v（2）断裂应力（强度极限）指纤维单位截面上能承受的最大拉力。v单位为N/mm2（即MPa）。v其计算式为：v式中：纤维的断裂应力（MPa）； P纤维的强力（N）； S纤维的截面积（mm2）。SPv（3）断裂长度（Lp）是指纤维的自身重量与其断裂强力相等时所具有的长度。v即一定长度的纤维，其重量可将自身拉断，该长度即为断裂长度。v其计算公式为：v式中：Lp纤维的断裂长度（km）；
5、P纤维的强力（N）； g重力加速度（等于9.8m/s2）； Nm纤维的公制支数。mpNgPLv纤维强度的三个指标之间的换算式为： v式中：纤维的密度（g/cm3）； Ptex纤维的特数制断裂强度（gf/tex）； Pden纤维的旦数制断裂强度（gf/d）； g重力加速度（等于9.8m/s2）； LR纤维的断裂长度（km）。 可以看出，相同的断裂长度和断裂强度，其断裂应力随纤维的密度而异，只有当纤维密度相同时，断裂长度和断裂强度才具有可比性。texNdgGPgPgPLPPPPadentexpdentexdentex33.119/99v1.3.3断裂伸长率断裂伸长率%10000LLLv1.3.4其
6、他指标其他指标（1）模量（刚度）：材料在低载荷时抵抗变形的能力，载荷伸长曲线(或应力应变曲线)起始直线段斜率。 量纲：cN/dtex，g/den，Pa(Mpa，GPa)v式中：E初始模量（N/tex）； PM点的负荷（N）； LM点的伸长（mm）； L试样拉伸测试区段（mm）； Ntex试样线密度（tex）。texNLLPE（2）屈服点确定： （3）功Work Back 1.4典型拉伸曲线分析典型拉伸曲线分析vOO：表示拉伸初期未能伸直的纤维由卷曲逐渐伸直；：表示拉伸初期未能伸直的纤维由卷曲逐渐伸直；vOM：（虎克区）大分子链键长和键角的变化，外力去除变形可回复，类似弹簧；：（虎克区）大分子链
7、键长和键角的变化，外力去除变形可回复，类似弹簧；vQS：（屈服区）大分子间产生相对滑移，在新的位置上重建连接键。变形显著且不易回复，：（屈服区）大分子间产生相对滑移，在新的位置上重建连接键。变形显著且不易回复，模量相应也逐渐变小；模量相应也逐渐变小；vSA：（增强区）错位滑移的大分子基本伸直平行，互相靠拢，使大分子间的横向结合力有：（增强区）错位滑移的大分子基本伸直平行，互相靠拢，使大分子间的横向结合力有所增加，形成新的结合键，曲线斜率增大直至断裂。所增加，形成新的结合键，曲线斜率增大直至断裂。vQ：屈服点；：屈服点；vA：断裂点。：断裂点。 Backv1.5常见纺织纤维拉伸曲线常见纺织纤维拉
8、伸曲线v拉伸曲线可分为三类： （1）强力高，伸长率很小的拉伸曲线（棉、麻等纤维素纤维）拉伸曲线近似直线，斜率较大（主要是纤维的取向度、结晶度、聚合度都较高的缘故）；（2）强力不高，伸长率很大的拉伸曲线（羊毛、醋酯纤维等）表现为模量较小，屈服点低和强力不高；（3）初始模量介于1.2之间的拉伸曲线（涤纶、锦纶、蚕丝等纤维）。 Back1.6常见纤维的有关拉伸性质指标常见纤维的有关拉伸性质指标纤维品种纤维品种断裂强度（断裂强度（N/tex）钩接强度钩接强度（N/tex）断裂伸长率断裂伸长率（%）初始模量初始模量（N/tex）定伸长定伸长回弹率（回弹率（%）（伸长（伸长3%）干态干态湿态湿态干态干态湿
9、态湿态涤涤纶纶高强低伸高强低伸型型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锦纶锦纶60.38-0.620.33-0.530.31-0.4925- 5527- 580.71- 2.65100腈纶腈纶0.25-0.400.22-0.350.16-0.2225- 5025- 602.65- 5.2989- 95维纶维纶0.44-0.510.35-0.430.28-0.3515- 2017- 232.21- 4.4170- 80丙纶丙
10、纶0.40-0.620.40-0.620.35-0.6230- 6030- 601.76- 4.8596- 100氯纶氯纶0.22-0.350.22-0.350.16-0.2220- 4020- 401.32- 2.2170- 85粘纤粘纤0.18-0.260.11-0.160.06-0.1316- 2221- 293.53- 5.2955- 80富纤富纤0.31-0.400.25-0.290.05-0.069- 1011- 137.06- 7.9460- 85醋纤醋纤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（伸长（伸长2%）绵羊毛绵羊毛0.09-0.150.07-0.1425- 3525- 502.12- 3.0086- 93家蚕丝家蚕丝0.26-0.350.19-0.2515- 2527- 334.4154- 55（伸长（伸长5%）苎麻苎麻0.49-0.570.51-0.680.40-0.411.5- 2.32.0- 2.417.64- 22.0548（伸长（伸长2%）氨纶氨纶0.04-0.090.03-0.09450- 80095- 99（伸长（伸长50%）v1.7纤维拉伸断裂机理及影响纤维拉伸性能的因素纤维拉伸断裂机理及影响纤维拉伸
12、性能的因素1.7.1纤维断裂原因：纤维断裂原因：大分子主链的断裂；大分子之间的滑脱。1.7.2影响纤维拉伸性能的因素影响纤维拉伸性能的因素（一）内因：（一）内因：（1）大分子结构）大分子结构（大分子的柔曲性、大分子的聚合度）：纤维的断裂取决于大分子的相对滑移和分子链的断裂两个方面。大分子的平均聚合度，大分子结合力，容易产生滑移，则纤维强度较低而伸度较大；反之，大分子的平均聚合度，大分子结合力，不易产生滑移，所以纤维的强度就较高而伸度较小。例如：v开始时，纤维的强度随聚合度增大而增加，但当聚合度增加到一定值时，再继续增大时，纤维的强度就不再增加。因为，此时断裂强度已达到了足以使分子链断裂的程度，
13、再增加聚合度对纤维的强度就不再其作用。 v（2）超分子结构）超分子结构（取向度、结晶度）v例如：（见下页）v由图可见，随着取向度的增加，粘胶纤维断裂点的强度增加，断裂伸长率降低。v（3）形态结构）形态结构（裂缝孔洞缺陷、形态结构、不均一性）等。 （二）外因：（二）外因： v（1）温湿度：）温湿度：空气的温湿度影响到纤维的温湿度和回潮率，从而影响纤维的强伸度。v温度对各种纤维的影响虽然不一致，但都具有一般规律：在纤维回潮率一定的条件下，温度高，纤维大分子热动能高，大分子柔曲性提高，分子间结合力消弱，因此，纤维强度降低，断裂伸长率增大，拉伸模量下降。v几种常见的应力应变曲线于相对湿度间几种常见的应
14、力应变曲线于相对湿度间的关系：的关系： v多数纤维随相对湿度的提 高，纤维中所含水分增多，分子间结合力越弱，结晶区越松散，因此纤维的强度降低，伸长增大、初始模量下降。但天然纤维素棉、麻的断裂强度和断裂伸长却随相 对湿度的提高而上升。化学纤维中，涤纶、丙纶基本不吸湿，它们的强度和伸长率几乎不受相对湿度的影响。相对湿度对纤维强度与伸长度的影响，视各自吸湿性能 的强弱而不同，吸湿能力越大的，影响较显著，吸湿能力小的，影响不大。v（2）测试条件）测试条件：a.试样长度：L，出现弱环的机会；b.试样根数：根数，折算成单纤维强度；c.拉伸速度：v，强力，E。 Backv1.8纤维拉伸性能的测试纤维拉伸性能
15、的测试用于测定纤维拉伸断裂性质的仪器称做断裂强力仪。根据断裂强力仪结构特点的不同，主要可分为三种类型：摆锥式强力仪、秤杆式强力仪、电子强力仪。现主要介绍电子强力仪。例如，INSTRON断裂强力仪如图：v仪器拉伸试样的速度在0.00050.5m/min之间。仪器还可以进行卸载过程的试验，并且记录滞后圈。新型的INSTRON断裂强力仪带有计算处理程序，可以处理测试结果，记录并积累普通的统计量指标（平均数、变异系数、试验误差等）。 Backv1.9纤维破坏形态纤维破坏形态 目前对纤维拉伸失效过程的理解已相当成目前对纤维拉伸失效过程的理解已相当成熟。例如：由熟。例如：由Hearle and Cross
16、发现的尼发现的尼龙纤维的破坏形态：龙纤维的破坏形态： Nylon fibre broken in a tensile test Break in progress in a coarse nylon bristle Breakage zones in nylon bristle 破坏分五个区域：A起始，B延伸，C滑移，D裂纹快速增加，E最终破坏。二二 纱线的拉伸性质及断裂机理纱线的拉伸性质及断裂机理v1单根纱线强力试验机单根纱线强力试验机v试验单根纱线的强力试验机可采用Y361型单纱强力试验机。他有三种型号：Y3611型，强力范围为101000g；Y3613型，强力范围为1203000g；Y3
17、6130型，强力范围为030103g，以适应不同单纱强力的需要。vY361型单纱强力试验机的结构如图：1上导纱钩上导纱钩 2轧紧扳手轧紧扳手 3上纱夹上纱夹 4制动钩制动钩 5升降手柄升降手柄6指针指针 7复位拉链复位拉链 8下导纱钩下导纱钩 9下纱夹下纱夹 10预加张力片预加张力片v几种纱线一次拉伸断裂特性指标的典型数据几种纱线一次拉伸断裂特性指标的典型数据:v常见几种纱线一次拉伸断裂特性指标的典型数据。v纱线和长丝的拉伸曲线：v影响纱线一次拉伸断裂特性指标的因素影响纱线一次拉伸断裂特性指标的因素v影响纱线强、伸度的因素主要是组成纱线的纤维性质和纱线结构两个方面。对混纺纱来说，它的强、伸度还
18、与混纺纤维的性质差异和混纺比密切相关。至于温、湿度和强力机测试条件等外因对纱线强、伸度的影响基本上与纤维相同。v（1）纤维性质v前已述及，当纤维长度、较长纤维较细时，成纱中纤维间的摩擦阻力较大，不易滑脱，所以成纱强度较高。当纤维长度整齐度较好，纤维细而均匀时，成纱条干均匀，弱环少而不显著，有利于成纱强力的提高。纤维的强、伸度大时，则成纱的强、伸度也大；纤维强、伸度不匀率小，则成纱强度高。纤维的表面性质对纤维间的摩擦阻力直接有影响，所以对成纱强度关系也很密切。v（2）纱线结构v短纤维纱结构对其强、伸度的影响，主要反映在捻度上。纱线捻度对强、伸度的影响已在加捻对纱线性质的影响一节中述及。传统纺纱纱
19、线对断裂伸长率的影响如图所示：1精梳毛纱精梳毛纱 2棉纱棉纱 3粗疏毛纱粗疏毛纱 4亚麻纱亚麻纱 v当纱线条干不匀、结构不匀时会使纱线的强度下降。有捻长丝纱的拉伸断裂特征，随所加捻度的多少而异。v四种有捻长丝纱的拉伸曲线如图所示：a粘纤粘纤330dtex/100f，捻系数：，捻系数：16.3 217.8 329.5 442.2 557.5 694.3b醋纤醋纤110dtex/28f，捻系数：，捻系数：115.6 221.2 327.6 441.3 569.1 6101.8 c锦纶锦纶924dtex/136f，捻系数：，捻系数：13.2 28.7 314.9 428.9 537.3 654.2
20、761.7d涤纶涤纶110dtex/48f，捻系数：，捻系数：113.6 220.5 327.6 442.5 557.9 683.0 7113.9v低捻长丝纱和高捻长丝纱的断裂破坏过程有很大的差别。低捻长丝纱断裂时，各根单丝之间的关联很小，他们分别在各自到达自身的断裂伸长值时断裂。但各根单丝之间断裂伸长值的差别不是很大，所以长丝纱中单丝的断裂几乎是同时发生的。而高捻长丝纱却不是这样，长丝纱中各根单丝断裂不是同时发生的，整个断裂破坏过程是在一个较长的伸长区间完成的。它的断裂强力随捻度的增加而下降，它的断裂必早与低丝长丝纱，并在开始断裂以后，它的拉伸曲线出现一个较长的延伸部分，如图所示： 捻系数：
21、捻系数：18.9 231.6 343.3 466.8 594.9 v混纺纱的拉伸性质混纺纱的拉伸性质v混纺纱的强度和混纺比有很大关系，而且这个关系比较复杂。它与混纺纤维的性质差异，特别是伸长能力的差异密切相关。v混纺纱的强度同混纺纱的强度不同，不完全取决于纤维本身的强度。当用两种纤维进行混纺时，由于两种纤维的强度和伸长率不同，从而影响了混纺纱织物的强度。因此，要生产一种特定强度要求的混纺纱和织物，就必须了解混用纤维的特性、混纺比与成纱强度的关系。v为了简化问题的分析，假定只考虑纱的断裂是由于纤维断裂而引起的，混纺纱中纤维的混合是均匀的，并假设混纺在一起的纤维粗细相同。混纺纱的断裂强度按混纺纱所
22、能承受的最大负荷来表示，在此假设下来分析两组分混纺纱的两种典型情况：v（1）当混纺在一起的两种纤维断裂伸长率接近时，两种纤维的断裂不同时性不明显，基本上是同时断裂的。当两种纤维同时断裂时，混纺纱的断裂长度由下式计算：v式中：L1由纤维1纯纺时的细纱断裂长度； L2由纤维2纯纺时的细纱断裂长度； X混纺纱中纤维1的含量（按重量%计算）。v如果纤维1和纤维2，其断裂伸长率1=2，而断裂强度P1P221100100100LXLXLv（2）当混纺在一起的两种纤维断裂伸长率差异大时，受拉身后明显的有两个断裂阶段。第一阶段是伸长能力小的纤维先断；第二阶段是伸长能力大的纤维断裂。当两种纤维不同时断裂时，混纺
23、纱的断裂长度则由另外公式计算。v因此，计算混纺纱的断裂长度就必须：在相同设备与参变数下，纺制同样支数的纯纺纱，用标准是研方法求出每一种纯纺纱的断裂长度（即L1和L2）和断裂伸长率（即1和2）；求出由伸长较大的纤维纺成的细纱的负荷伸长曲线，以确定P1；按公式LBC =LAB的条件，求出临界混纺比XB；如果伸长率较小的纤维含量小于XB，则可按公式LBC计算混纺纱的断裂长度；如果伸长率较小的纤维含量大于XB，则可按公式LAB计算混纺纱的断裂长度。 v有两种不同情况：v当用伸长小的纤维纺成的细纱断裂负荷P1P1时，则随着其含量X在由100%到XB范围内的减少，混纺纱的强度下降，如图所示：混纺纱的断裂长
24、度与混纺比之间的关系：（混纺纱的断裂长度与混纺比之间的关系：（P1P1） v棉纤维的强度较高，但其断裂伸长率远比涤纶及锦纶为低，当棉与这类合成纤维混纺时，P1大于P1，故随着混纺纱中棉纤维含量的下降，混纺纱的强度也下降，只但其含量X3m/min以上。v初张力：张力。v张力，正压力，但F正压力，。v（6）温湿度的影响 v温度：T变化油剂变化纤维性能变化vT；到一定数值时，T。v湿度：RH%，则（v，E）vRH%=100%时，最大。（接触面积）v在水中，则水RH%=100%。v加工中RH%必须加以控制，太湿，加工困难；太干，发脆。动态性能 v由于纤维材料固有的粘弹性本质和/或不同加载速度条件下的变
25、形和破坏机制的不同，在冲击载荷作用下其力学性能会发生不同程度的应变率效应，即拉伸应力应变本构关系随应变率的不同而不同。v材料在弹道侵彻和碰撞时一般要经受断裂时间在50-150s，应变率在500-1500 s-1范围的瞬态冲击。由于加载机制的不同，普通的力学性能试验机无法产生瞬态高应变率的加载载荷。分离式Hopkinson压杆（SHPB）装置是有效的产生应变率水平在103 s-1左右的冲击装置，加上纤维束试样的大长径比和短的试样长度能够基本保证该装置的一维应力波传递和应力应变在试样内是近似均匀的设计原理要求，自从Kawata和Harding之后，Hopkinson杆冲击装置是目前普遍采用的纤维束
26、中、高应变率冲击拉伸力学性能测试装置。SHPB装置是国际上目前普遍采用的用来测试纤维束中、高应变率冲击拉伸力学性能的测试装置。试验装置图 v利用一维弹性应力波理论的二波或三波公式计算材料的动态压缩或拉伸性能：应力应变曲线、应力时间曲线、应变时间曲线和应变率时间曲线。测试原理示意图 v依据一维应力波理论及试件中应力、应变均匀性假设，可导出应力、应变和应变率方程：v其中：C为弹性波在杆中的波速，l0为试件试验段的原长（即两夹持口纤维长度），i(t)、r(t)、t(t)分别为作用在试件上的入射波、反射波和透射波的应变值，A和As分别为杆和试样的初始横截面积，E为杆的模量。 )()()()()()()
27、()()()()(2)(000tttlCtdttttlCttttAEAttrittritrisv上述三公式称为三波处理公式，又因为在大多数情况下，输入杆和输出杆均采用材料相同、截面积相等的两根杆子，根据均匀假定，则有irt，所以三波处理公式简化为下式：v上述三公式称为二波处理公式。通过上述公式，根据记录到的应变信号便可得到冲击载荷下的应力时间、应变时间、应力应变及应变率时间曲线。 tAAEtttlCdtttlCtstitttit000v例如对碳纤维束在三种不同应变率的拉伸曲线，其应变率分别为：1500/s，2000/s，3000/s，下图为同一应变率下碳纤维束的应力应变曲线。 碳纤维冲击拉伸下
28、的断口形态及断裂机理 v碳纤维束的力学性能与应变率基本上是不相关的，随着应变率的增大，碳纤维束的初始模量、破坏应力及其失稳应变都变化不大。因此碳纤维束在力学性能上是不敏感材料。v碳纤维束的破坏断口与冲击拉伸实验的应变率密切相关。随着应变率的增大，断面结构逐渐规则，碳纤维颗粒逐渐细化，断面的凹度逐渐增大。其颗粒的变化影响了碳纤维束的破坏应力值。v在力学性能上对应变率不敏感的材料，在其破坏形式上可能对应变率是相关的，材料在应变率不同的冲击拉伸中其破坏过程可能是不同的。v应变率应变率1500/s时的断口形态时的断口形态 应变率应变率2000/s时的断口形态时的断口形态 应变率2000/s时的断口形态 应变率应变率3000/s时的断口形态时的断口形态
