第9章纺织材料的基本力学性质.ppt

第九第九章章 纺织纺织材料的基本力学材料的基本力学性质性质 纺织材料的基本力学性质是指纤维、纱线、织物等在外力作用时的性质，总体包括了拉伸、压缩、弯曲、扭转、摩擦、磨损、疲劳等各方面的作用。如对纺织材料施加拉伸作用时，它们将出现伸长、断裂等现象。第一节第一节 纤维和纱线的拉伸性质纤维和纱线的拉伸性质一、纺织材料拉伸断裂性质的基本指标 纺织材料在外力作用下破坏时，主要和基本纺织材料在外力作用下破坏时，主要和基本的方式是被拉断。的方式是被拉断。表达纺织材料抵抗拉伸能力的指标很多，主要有以下指标。（一）（一）拉伸断裂强力和拉伸断裂比强度拉伸断裂强力和拉伸断裂比强度（第二章第六节）1 1、拉伸断裂强力：指纺织材料能够承受的最大拉、拉伸断裂强力：指纺织材料能够承受的最大拉伸外力。伸外力。单位：牛顿(牛顿是使1kg质量的物体得到1m/s2加速度所需的力)，强力与纤维的粗细有关，所以对不同粗细的纤维、纱线没有可比性。2 2、断裂比强度：、断裂比强度：为了便于比较不同粗细的纤维、纱线的拉伸断裂性质的指标，将强力折合成规定将强力折合成规定粗细时的力。粗细时的力。电子纤维强力仪电子纤维强力仪束纤维强力仪束纤维强力仪（二）拉伸变形曲线及有关指标（二）拉伸变形曲线及有关指标 纺织材料在拉伸过程中，应力和变形同时发展，发展过纺织材料在拉伸过程中，应力和变形同时发展，发展过程的曲线图叫程的曲线图叫“拉伸图拉伸图”。横坐标为伸长率横坐标为伸长率()，纵坐标，纵坐标为拉伸应力为拉伸应力，拉伸曲线为拉伸曲线为应力应力应变曲线应变曲线n（一）应力（一）应力应变曲线（负荷应变曲线（负荷伸长曲线，拉伸图）伸长曲线，拉伸图）n 纤维的种类很多，实际得到的应力纤维的种类很多，实际得到的应力应变曲线具有各应变曲线具有各种各样的形状。基本上分为三类：种各样的形状。基本上分为三类：常用纺织纤维的拉伸曲线 高强低伸型曲线：高强低伸型曲线：棉、麻等拉伸曲线近似于直线，斜率很大，该类纤维的聚合度、结晶度、取向度都比较高，大分子链属刚性分子链之故。低强高伸型曲线：低强高伸型曲线：如羊毛、醋酯纤维，主要原因这些纤维大分子聚合度虽不低，但分子链柔曲性高，结晶度、取向度较低，分子间不能形成良好的排列，且分子间易产生滑脱。高强高伸型曲线：高强高伸型曲线：如涤纶、锦纶。拉伸变形曲线有关指标：拉伸变形曲线有关指标：1 1、初始模量、初始模量：obob段斜率较大，斜率即拉伸模段斜率较大，斜率即拉伸模量量E E。在曲线。在曲线obob段接近段接近0 0点附近，模量较高，点附近，模量较高，即为初始模量，即为初始模量，它代表纺织纤维、纱线和织它代表纺织纤维、纱线和织物在受拉伸力很小时抵抗变形的能力。物在受拉伸力很小时抵抗变形的能力。单位为单位为cNcNtextex或或cNcNdtex.dtex.其大小与纤维材其大小与纤维材料的分子结构及聚集状态有关。料的分子结构及聚集状态有关。2 2、屈服应力、应变、屈服应力、应变 曲线上的曲线上的b b点为屈服点，这一点对应的拉点为屈服点，这一点对应的拉伸应力为屈服应力（伸应力为屈服应力（b b），对应的伸长率就），对应的伸长率就是屈服应变（是屈服应变（b b）。）。屈服点所代表的物理概念是什么呢？屈服点所代表的物理概念是什么呢？对于纺织材料来说，在屈服点以下时，变形绝大对于纺织材料来说，在屈服点以下时，变形绝大部分是弹性变形（完全可恢复部分是弹性变形（完全可恢复)，而屈服点以上部分，而屈服点以上部分所产生的主要是塑性变形（不可恢复）。所产生的主要是塑性变形（不可恢复）。屈服点高的纤维，其织物的保形性就好，不易起皱。屈服点高的纤维，其织物的保形性就好，不易起皱。如图所示，曲如图所示，曲线线oaoa下的面积下的面积即为材料抵抗即为材料抵抗外力破坏所具外力破坏所具有的能量即拉有的能量即拉伸断裂功。伸断裂功。3 3、拉伸断裂功、拉伸断裂功二、纺织材料断裂机理及主要影响因素（一）纺织纤维断裂机理及主要影响因素 1.纺织纤维的断裂机理 纤维受力开始时，首先首先是纤维中各结晶区之间的非晶区内长度最短的大分子链伸直，成为接近于与纤维轴线平行而且弯曲最小的大分子，其后其后这些大分子受力拉伸，使化学价键长度拉长、键角拉大，之后之后一部分最伸直、最紧张的大分子链或基原纤逐步地被从结晶区中抽拔出来，这时个别的大分子主链破拉断，各结晶区逐步产生相对位移，使结晶区之间沿纤维轴向的距离拉大。大分子或基原纤在结晶区被抽拔移动越来越多,被拉断的大分子也逐步增多，结晶区中大分子之间或基原纤之间的结合力抵抗不住拉伸力的作用，从而产生明显滑移，大批分子被抽拔，伸长变形迅速断开，达到拉伸曲线的断裂点。2.2.影响纺织纤维拉伸断裂强度的主要因素影响纺织纤维拉伸断裂强度的主要因素 （1 1）纤维的内部结构）纤维的内部结构 大分子的聚合度：大分子的聚合度：聚合度愈大，分子结合力愈大，纤维强度愈高。n小-纤维的强度较低而伸长率较大n大-纤维的强度较高而伸长率较小纤维的取向度纤维的取向度：取向度取向度-大分子较挺直，分子间结合力大，承担断裂应力的大分子较多-纤维的纤维的强度高、伸长小。强度高、伸长小。纤维的结纤维的结晶度：晶度：结晶度结晶度-大分子排列规大分子排列规整，缝隙孔洞整，缝隙孔洞较少，而且较少，而且纤纤维的强度高、维的强度高、伸长小、屈服伸长小、屈服应力和初始模应力和初始模量较高，量较高，但脆但脆性可能也增加。性可能也增加。纤维形态结构纤维形态结构:纤维的裂缝孔洞裂缝孔洞等缺陷和形态结构的不均一会使纤维的强度下降。使纤维的强度下降。（2 2）温湿度）温湿度 温度：温度：在回潮率一定时，温度温度-大分子热运动能高，大分子柔曲性提高，分子间结合力削弱-强度强度 伸长伸长 相对湿度和纤维回潮率：相对湿度和纤维回潮率：相对湿度相对湿度-纤维回潮率-分子间结合力越弱，结晶区松散-强度强度伸长伸长初始模量初始模量。棉、麻由于聚合度、结晶度都较高，水分子进入后大分子间的结合力减弱不显著，同时可将一些大分子链上的缠结点拆开，分子链舒展和受力分子链的增加，平均地承担纤维上所受的力，所以吸湿后棉、麻纤维强力增加。(3)(3)试验条件试验条件 试样长度试样长度较长时，测得的强度较低、试样越长试样越长，可能出现的最薄弱环节的机会多，测得的强度就较低。强度就较低。试样根数多试样根数多，由于断裂的伸长率不均匀，纤维断裂不同时，故测得的平均强度越小，(根数根数-差异越大差异越大-强度强度)拉伸速度越大，拉伸速度越大，拉伸至断裂的时间越短，测得的强力较大测得的强力较大而伸长较小。而伸长较小。1.纱线拉伸断机理 当纱线开始受到拉伸时，当纱线开始受到拉伸时，纤维本身的皱曲减少，伸直度提高，表现出初始阶段的伸长变形。表现出初始阶段的伸长变形。这时纱线截面开始收缩，增加了纱中外层纤维对内层纤维的压力，继继续拉伸的过程中，纱中外层纤维、短的部分滑脱被抽拔，续拉伸的过程中，纱中外层纤维、短的部分滑脱被抽拔，纤维受到最紧张的拉伸到一定程度后到一定程度后，即纤维受力达到拉断强度时，外层纤维逐步断裂，外层纤维逐步断裂，承受外力的纤维根数减少了，由外层向内层逐渐断裂或滑脱。由外层向内层逐渐断裂或滑脱。一般纱线断裂的原因既有纤维的断裂，又有纤维的滑脱，断口是不整齐的。当捻度较大时，纤维滑脱的可能性很小，纤维由外向内逐层扩展断裂，此时纱线断口比较整齐。（二）纱线拉伸断机理及主要影响因素 2.2.影响纱线一次拉伸断裂的因素影响纱线一次拉伸断裂的因素（1 1）纤维的性能）纤维的性能 纤维的长度较长，细度较细时，纤维的长度较长，细度较细时，纤维较柔软，在纱中互相抱合就较紧贴，滑脱长度缩短，纱截面中纤维根数可以较多，使纤维在纱内外层转移的机会增加，各根纤维受力比较均匀，因而成纱强度较高。成纱强度较高。纤维长度整齐高好纤维长度整齐高好，纤维细而均匀，成纱条干好，成纱强力高成纱强力高。纤维强度大，成纱强度大。纤维强度大，成纱强度大。（2 2）纱线结构）纱线结构 捻度：捻度：单纱强度随着捻度的增加，开始上升，后来又单纱强度随着捻度的增加，开始上升，后来又下降，极大值处于临界捻度。下降，极大值处于临界捻度。在临界捻系数以内，单纱捻度-纱线强度 股线捻向与单纱捻向相同时，股线加捻同单纱继续股线捻向与单纱捻向相同时，股线加捻同单纱继续加捻相似。加捻相似。股线捻向与单纱捻向相反时，开始合股反向加捻使单纱退捻而结构变松，强度下降，但继续加捻时，纱线结构又扭紧，股线强度增加，比合股中单纱强度之和还大，达到临界时，甚至为单纱强度之和的1.4倍左右。混纺比：混纺比：A A、当混纺在一起的两种纤维断裂伸长率相近时、当混纺在一起的两种纤维断裂伸长率相近时,随着强度大的纤随着强度大的纤维的混纺比的增加维的混纺比的增加,混纺纱的强度增加。混纺纱的强度增加。B B、当混纺在一起的两种纤维断裂伸长率差异大时、当混纺在一起的两种纤维断裂伸长率差异大时,随随着着强力大的强力大的纤维的混纺比的增加纤维的混纺比的增加,开始下降开始下降,以后上升。以后上升。三、纺织材料的蠕变、松驰三、纺织材料的蠕变、松驰（一）蠕变、松驰的基本概念（一）蠕变、松驰的基本概念 纺织材料在一定拉伸外力作用下纺织材料在一定拉伸外力作用下,它的变形它的变形量与拉伸力的某种关系。量与拉伸力的某种关系。1-ab为一加上外力立即产生的瞬时变形。2-bc为保持外力不变,随时间延长,伸长逐渐增加的曲线。3-cd去除外力立即恢复的变伸。4-de去除外力逐渐恢复的变伸。5-去除外力后不能恢复的变形。蠕变：蠕变：纺织材料在一定恒定拉伸外力的作用下纺织材料在一定恒定拉伸外力的作用下,变变形随时间而变化的现象称为蠕变。形随时间而变化的现象称为蠕变。松驰：松驰：纺织材料在拉伸变形一定条件下纺织材料在拉伸变形一定条件下,内部应力内部应力随时间的延长而逐渐减小的现象称松驰。随时间的延长而逐渐减小的现象称松驰。从图中可以看出纤维和纱线的拉伸变形可分为以下三种：1 1、急弹性变形：、急弹性变形：加上外力，几乎立即产生的伸长变形，如ab段；外力去除后,键角和键长立即复原，即立即产生回缩变形，如ce段。2 2、缓弹性变形：、缓弹性变形：拉伸力不变的情况下，伸长变形或回缩变形随着时间变化的变形称为缓弹性变形，如bc段、dc段。3 3、塑性变形、塑性变形:外力去除后,不能恢复的这一部分变形称为塑性变形。这是因为外力作用下,大分子间产生相对滑移造成不可恢复的变形。纤维的蠕变和松弛的原因：纤维的蠕变和松弛的原因：纤维在一定恒定拉伸外力的作用下纤维在一定恒定拉伸外力的作用下,纤维内基原纤、大分子纤维内基原纤、大分子皱曲状态的变化，特别是大分子链键长的伸长或缩短、键角的皱曲状态的变化，特别是大分子链键长的伸长或缩短、键角的张开或收合，只需要极短的时间完成，这是急弹性变形。随着张开或收合，只需要极短的时间完成，这是急弹性变形。随着时间的延续，大分子主链局部旋转，微原纤间位置的调整和基时间的延续，大分子主链局部旋转，微原纤间位置的调整和基原纤的取向度逐渐增加，特别是大分子在结晶区中被抽拔滑移，原纤的取向度逐渐增加，特别是大分子在结晶区中被抽拔滑移，使纤维伸长不断变化，使纤维伸长不断变化，呈蠕变现象。呈蠕变现象。在恒定的拉伸变形一定时拉伸变形一定时,相邻大分子相互滑移错位，各大分相邻大分子相互滑移错位，各大分子逐渐自动皱曲，张力逐渐减少，出现应力松驰现象。子逐渐自动皱曲，张力逐渐减少，出现应力松驰现象。纱线的蠕变和松弛与纤维的蠕变和松弛基纱线的蠕变和松弛与纤维的蠕变和松弛基本相似本相似.原因：（1）纤维蠕变和松弛的存在。（2）纱线内纤维相互滑移和错位。（二）纺织材料拉伸弹性回复率（二）纺织材料拉伸弹性回复率 1.1.弹性指标弹性指标:弹性回复率：弹性回复率：R=(3+4)/a 100%3-急弹性回缩率 4-缓弹性回复率 a-拉伸变形总量(1+2)2.影响弹性回复率的因素:影响纤维、纱线弹性的因素有纤维、纱线的结构和材纤维、纱线的结构和材 料的温度和回潮率。料的温度和回潮率。第二节 压缩性能 纤维和纱线的压缩主要表现在径向受压（横向受压）,如纺织加工中加压是罗拉皮棍间，经纬交织点处的受压以及纤维及制品打包时的受压等。受横向压缩后，纤维或纱线在受力方向被压扁,而在受力垂直方向则变宽。纤维一般在强压缩条件下才会产生破坏，大多可能产生压伤。单纤维的压缩研究很困难，结论很少，大多数是研究集合体的压缩特性。第三节第三节 弯曲性质弯曲性质 纺织材料在纺织加工和使用过程中都会遇到弯曲力作用，产生弯曲变形。一、纺织材料的抗弯刚度纺织材料在受横向力F的作用下产生弯曲变形挠度Y为：当纺织材料的EI值较大，Y值较小，表示纺织材料较刚硬，故EIEI值称为抗弯刚度：值称为抗弯刚度：纤维和纱线的抗弯刚度（cN.cm2）E：弯曲作用下的弹性模量（cN/cm2）I：纤维和纱线的断面惯性距（cm4）弯曲变形挠度：抗弯刚度是指在外力作用下抵抗弯曲变形的抗弯刚度是指在外力作用下抵抗弯曲变形的能力。能力。抗弯刚度就大，纤维、纱线的弯曲变形就小。1、抗弯刚度小的纤维和纱线制成的织物柔软贴身,软糯舒适，但易起球。2、抗弯刚度大的纤维或纱线制成的织物比较挺爽。纤维和纱线的弯曲性能常用勾接强度或打弯曲性能常用勾接强度或打结强度来反映结强度来反映,勾接强度或打结强度大,则弯曲性能就好,不易弯折损坏。第四节 剪切性质 纤维和纱线在垂直于其轴线的平面内受到外力矩的作用就产生扭转变形和剪切应力，纱线的加捻就是扭转。（一）指标扭转角 L:长度 Et:剪切弹性模量(cN/cm2)Ip:截面的极断面惯性矩(cm4)T:扭矩(cN.cm):扭转角（二）纤维和纱线的扭转破坏 T为外力矩,Q为扭转角。当外力矩很大时,纤维和纱线产生的扭转角和剪切应力就大,从而纤维中的大分子或纱线中纤维因剪切产生滑移而被破坏。纤维和纱线的剪切强度比拉伸强度小得多。常用断裂捻角来表示纤维或纱线的耐扭而不被破常用断裂捻角来表示纤维或纱线的耐扭而不被破坏的性能，断裂捻角就是指纤维或纱线扭转到破坏的性能，断裂捻角就是指纤维或纱线扭转到破坏时所转过的螺旋角角度。坏时所转过的螺旋角角度。涤纶、锦纶、羊毛的断裂捻角较大,故耐扭；麻的断裂捻角较小,玻璃的断裂捻角的极小。第六节第六节 表面磨擦性质表面磨擦性质 纺织材料在纺织加工和使用过程中都会遇到摩擦作用,纤维和纱线的磨擦性质具有两重性,一方面要利用它,如是拉牵伸过程中要利用纤维间的磨擦力来良好地控制牵伸区中纤维的运动；另一方面要避免纱线在加工过程中的磨擦阻力,易产生断头,增加断头率。一、摩擦性质的指标与测试 1 1、摩擦系数。、摩擦系数。纤维的摩擦系数也有静、动之分,使相互接触的两物体开始滑动时所需的切向力与正压力的比值称为静磨擦系数s表示。纤维相互接触的两物体滑动时所需的切向力与正压力的比值称为动摩擦系数d表示。一般静磨擦系数sd动磨擦系数 静磨擦系数大,且与动磨擦系数差值也大的纤维,手感硬而涩 静磨擦系数小,且与动磨擦系数差值也小的纤维,手感柔软二、纤维摩擦性质与可纺性 纤维摩擦性质与可纺性关系很大。纺纱各工序对摩擦抱合性能要求并不一致，从开松性来看,纤维的动摩擦系数要小些；但从纤维成卷性来看,希望纤维抱合性能要好些；梳理工程,为使纤维成条优良,不蓬松,不堵塞喇叭口,希望纤维抱合力要好些,并条,粗纱,细纱中,牵伸时要纤维平滑些,但也不可太小,否则影响成纱强力。总之,为使纤维可纺性优良,必须有良好的抱合性,但又要比较平滑,摩擦系数不能太大,并且静摩擦系数比动摩擦系数适当大些。第七节 力学疲劳性质 指当低于破坏(拉断、折裂)强度的应力施加于材料，经过一段时间的作用后导致材料失效的现象。疲劳分为两种类型：1、指对纤维材料恒定拉伸力连续作用下，开始时纤维材料迅速伸长,接着较慢地逐步伸长,到达一定时间后,纤维材料在最薄弱的一点发生断裂的现象。2、指纤维材料经受多次加负荷,去负荷的反复循环作用,因为塑性变形的逐渐积累,纤维内部局部损伤,形成裂痕,最后被破坏的现象。拉伸疲劳弯曲疲劳