常见纺织纤维拉伸曲线省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第六章第六章纤维和纱线机械性质纤维和纱线机械性质第一节纤维和纱线拉伸性质第一节纤维和纱线拉伸性质一纤维拉伸性质及断裂机理一纤维拉伸性质及断裂机理v测试标准主要性测试标准主要性v标准测试条件举例标准测试条件举例v指标体系指标体系v经典拉伸曲线分析经典拉伸曲线分析v常见纺织纤维拉伸曲线常见纺织纤维拉伸曲线v常见纤维拉伸性质指标常见纤维拉伸性质指标v纤维拉伸机理及影响拉伸性原因纤维拉伸机理及影响拉伸性原因v拉伸性能测试拉伸性能测试v纤维拉伸破坏形态纤维拉伸破坏形态第1页v1.1测试标准主要性测试标准主要性v（1）材料力学性质取决于组成该材料分子排列，在不一样纤维种类、同类纤维不一样本、或者一样本不一样环境条件都会引发被测力学性质指标差异，必须标准化测试环境；v（2）不一样横截面或不一样长度纤维因为弱环(或称为缺点)存在几率不一样，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，要取得统计意义上平均值，必须有足够纤维根数。Back第2页v1.2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;Relativehumidity(R.H.):655%vvBack第3页v1.3指标体系指标体系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是纤维能够承受最大拉伸外力。单位：牛顿（N）；厘牛（cN）；克力（gf）。v对不一样粗细纤维，强力没有可比性。第4页v1.3.2强度强度v用以比较不一样粗细纤维拉伸断裂性质指标。v依据采取线密度指标不一样，强度指标有以下几个：v（1）比强度（相对强度）(specificstrength或tenacity)是指每特（或每旦）纤维所能承受最大拉力。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；gf/dtex）；Pden旦数制断裂强度（N/d；cN/d；gf/d）；P纤维强力（N；cN；gf）；Ntex纤维特数（tex，dtex）；Nden纤维旦数（d）。第5页v（2）断裂应力（强度极限）指纤维单位截面上能承受最大拉力。v单位为N/mm2（即MPa）。v其计算式为：v式中：纤维断裂应力（MPa）；P纤维强力（N）；S纤维截面积（mm2）。第6页v（3）断裂长度（Lp）是指纤维本身重量与其断裂强力相等时所含有长度。v即一定长度纤维，其重量可将本身拉断，该长度即为断裂长度。v其计算公式为：v式中：Lp纤维断裂长度（km）；P纤维强力（N）；g重力加速度（等于9.8m/s2）；Nm纤维公制支数。第7页v纤维强度三个指标之间换算式为：v式中：纤维密度（g/cm3）；Ptex纤维特数制断裂强度（gf/tex）；Pden纤维旦数制断裂强度（gf/d）；g重力加速度（等于9.8m/s2）；LR纤维断裂长度（km）。能够看出，相同断裂长度和断裂强度，其断裂应力随纤维密度而异，只有当纤维密度相同时，断裂长度和断裂强度才含有可比性。第8页v1.3.3断裂伸长率断裂伸长率第9页v1.3.4其它指标其它指标（1）模量（刚度）：材料在低载荷时抵抗变形能力，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点负荷（N）；LM点伸长（mm）；L试样拉伸测试区段（mm）；Ntex试样线密度（tex）。第10页（2）屈服点确定：第11页第12页（3）功WorkBack第13页1.4经典拉伸曲线分析经典拉伸曲线分析vOO：表示拉伸早期未能伸直纤维由卷曲逐步伸直；：表示拉伸早期未能伸直纤维由卷曲逐步伸直；vOM：（虎克区）大分子链键长和键角改变，外力去除变形可回复，类似弹簧；：（虎克区）大分子链键长和键角改变，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，在新位置上重建连接键。变形显著且不易回复，模量对应也逐步变小；模量对应也逐步变小；vSA：（增强区）错位滑移大分子基本伸直平行，相互靠拢，使大分子间横向结协力有所增：（增强区）错位滑移大分子基本伸直平行，相互靠拢，使大分子间横向结协力有所增加，形成新结合键，曲线斜率增大直至断裂。加，形成新结合键，曲线斜率增大直至断裂。vQ：屈服点；：屈服点；vA：断裂点。：断裂点。Back第14页v1.5常见纺织纤维拉伸曲线常见纺织纤维拉伸曲线第15页v拉伸曲线可分为三类：（1）强力高，伸长率很小拉伸曲线（棉、麻等纤维素纤维）拉伸曲线近似直线，斜率较大（主要是纤维取向度、结晶度、聚合度都较高缘故）；（2）强力不高，伸长率很大拉伸曲线（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之间拉伸曲线（涤纶、锦纶、蚕丝等纤维）。Back第16页1.6常见纤维相关拉伸性质指标常见纤维相关拉伸性质指标第17页纤维纤维品种品种断裂断裂强强度（度（N/tex）钩钩接接强强度度（N/tex）断裂伸断裂伸长长率率（%）初始模量初始模量（N/tex）定伸定伸长长回回弹弹率（率（%）（伸（伸长长3%）干干态态湿湿态态干干态态湿湿态态涤涤纶纶高高强强低伸低伸型型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丙丙纶纶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粘粘纤纤0.18-0.260.11-0.160.06-0.1316-2221-293.53-5.2955-80富富纤纤0.31-0.400.25-0.290.05-0.069-1011-137.06-7.9460-85醋醋纤纤0.11-0.140.07-0.090.09-0.1225-3535-502.21-3.5370-90棉棉0.18-0.310.22-0.407-126.00-8.2074（伸（伸长长2%）绵绵羊毛羊毛0.09-0.150.07-0.1425-3525-502.12-3.0086-93家蚕家蚕丝丝0.26-0.350.19-0.2515-2527-334.4154-55（伸（伸长长5%）苎苎麻麻0.49-0.570.51-0.680.40-0.411.5-2.32.0-2.417.64-22.0548（伸（伸长长2%）氨氨纶纶0.04-0.090.03-0.09450-80095-99（伸（伸长长50%）第18页v1.7纤维拉伸断裂机理及影响纤维拉伸性能原因纤维拉伸断裂机理及影响纤维拉伸性能原因1.7.1纤维断裂原因：纤维断裂原因：大分子主链断裂；大分子之间滑脱。1.7.2影响纤维拉伸性能原因影响纤维拉伸性能原因（一）内因：（一）内因：（1）大分子结构）大分子结构（大分子柔曲性、大分子聚合度）：纤维断裂取决于大分子相对滑移和分子链断裂两个方面。大分子平均聚合度，大分子结协力，轻易产生滑移，则纤维强度较低而伸度较大；反之，大分子平均聚合度，大分子结协力，不易产生滑移，所以纤维强度就较高而伸度较小。比如：第19页在不一样拉伸倍数下粘胶纤维聚合度对纤维强力影响在不一样拉伸倍数下粘胶纤维聚合度对纤维强力影响第20页v开始时，纤维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，纤维强度就不再增加。因为，此时断裂强度已到达了足以使分子链断裂程度，再增加聚合度对纤维强度就不再其作用。第21页v（2）超分子结构）超分子结构（取向度、结晶度）v比如：（见下页）v由图可见，伴随取向度增加，粘胶纤维断裂点强度增加，断裂伸长率降低。第22页v（3）形态结构）形态结构（裂缝孔洞缺点、形态结构、不均一性）等。第23页（二）外因：（二）外因：v（1）温湿度：）温湿度：空气温湿度影响到纤维温湿度和回潮率，从而影响纤维强伸度。v温度对各种纤维影响即使不一致，但都含有普通规律：在纤维回潮率一定条件下，温度高，纤维大分子热动能高，大分子柔曲性提升，分子间结协力消弱，所以，纤维强度降低，断裂伸长率增大，拉伸模量下降。第24页第25页v几个常见应力应变曲线于相对湿度间关几个常见应力应变曲线于相对湿度间关系：系：第26页v多数纤维随相对湿度提高，纤维中所含水分增多，分子间结协力越弱，结晶区越涣散，所以纤维强度降低，伸长增大、初始模量下降。但天然纤维素棉、麻断裂强度和断裂伸长却随相对湿度提升而上升。化学纤维中，涤纶、丙纶基本不吸湿，它们强度和伸长率几乎不受相对湿度影响。相对湿度对纤维强度与伸长度影响，视各自吸湿性能强弱而不一样，吸湿能力越大，影响较显著，吸湿能力小，影响不大。v（2）测试条件）测试条件：a.试样长度：L，出现弱环机会；b.试样根数：根数，折算成单纤维强度；c.拉伸速度：v，强力，E。Back第27页v1.8纤维拉伸性能测试纤维拉伸性能测试用于测定纤维拉伸断裂性质仪器称做断裂强力仪。依据断裂强力仪结构特点不一样，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。比如，INSTRON断裂强力仪如图：第28页第29页v仪器拉伸试样速度在0.00050.5m/min之间。仪器还能够进行卸载过程试验，而且统计滞后圈。新型INSTRON断裂强力仪带有计算处理程序，能够处理测试结果，统计并积累普通统计量指标（平均数、变异系数、试验误差等）。Back第30页v1.9纤维破坏形态纤维破坏形态当前对纤维拉伸失效过程了解已相当成熟。当前对纤维拉伸失效过程了解已相当成熟。比如：由比如：由HearleandCross发觉尼龙纤维发觉尼龙纤维破坏形态：破坏形态：NylonfibrebrokeninatensiletestBreakinprogressinacoarsenylonbristle第31页Breakagezonesinnylonbristle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。第32页二二纱线拉伸性质及断裂机理纱线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试验单根纱线强力试验机可采取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；Y36130型，强力范围为030103g，以适应不一样单纱强力需要。vY361型单纱强力试验机结构如图：第33页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第34页v几个纱线一次拉伸断裂特征指标经典数据几个纱线一次拉伸断裂特征指标经典数据:v常见几个纱线一次拉伸断裂特征指标经典数据。v纱线和长丝拉伸曲线：第35页第36页v影响纱线一次拉伸断裂特征指标原因影响纱线一次拉伸断裂特征指标原因v影响纱线强、伸度原因主要是组成纱线纤维性质和纱线结构两个方面。对混纺纱来说，它强、伸度还与混纺纤维性质差异和混纺比亲密相关。至于温、湿度和强力机测试条件等外因对纱线强、伸度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。当纤维长度整齐度很好，纤维细而均匀时，成纱条干均匀，弱环少而不显著，有利于成纱强力提升。纤维强、伸度大时，则成纱强、伸度也大；纤维强、伸度不匀率小，则成纱强度高。纤维表面性质对纤维间摩擦阻力直接有影响，所以对成纱强度关系也很亲密。第37页v（2）纱线结构v短纤维纱结构对其强、伸度影响，主要反应在捻度上。纱线捻度对强、伸度影响已在加捻对纱线性质影响一节中述及。传统纺纱纱线对断裂伸长率影响如图所表示：第38页1精梳毛纱精梳毛纱2棉纱棉纱3粗疏毛纱粗疏毛纱4亚麻纱亚麻纱第39页v当纱线条干不匀、结构不匀时会使纱线强度下降。有捻长丝纱拉伸断裂特征，随所加捻度多少而异。v四种有捻长丝纱拉伸曲线如图所表示：第40页a粘纤粘纤330dtex/100f，捻系数：，捻系数：16.3217.8329.5442.2557.5694.3b醋纤醋纤110dtex/28f，捻系数：，捻系数：115.6221.2327.6441.3569.16101.8c锦纶锦纶924dtex/136f，捻系数：，捻系数：13.228.7314.9428.9537.3654.2761.7d涤纶涤纶110dtex/48f，捻系数：，捻系数：113.6220.5327.6442.5557.9683.07113.9第41页v低捻长丝纱和高捻长丝纱断裂破坏过程有很大差异。低捻长丝纱断裂时，各根单丝之间关联很小，他们分别在各自抵达本身断裂伸长值时断裂。但各根单丝之间断裂伸长值差异不是很大，所以长丝纱中单丝断裂几乎是同时发生。而高捻长丝纱却不是这么，长丝纱中各根单丝断裂不是同时发生，整个断裂破坏过程是在一个较长伸长区间完成。它断裂强力随捻度增加而下降，它断裂必早与低丝长丝纱，并在开始断裂以后，它拉伸曲线出现一个较长延伸部分，如图所表示：第42页捻系数：捻系数：18.9231.6343.3466.8594.9第43页v混纺纱拉伸性质混纺纱拉伸性质v混纺纱强度和混纺比有很大关系，而且这个关系比较复杂。它与混纺纤维性质差异，尤其是伸长能力差异亲密相关。v混纺纱强度同混纺纱强度不一样，不完全取决于纤维本身强度。当用两种纤维进行混纺时，因为两种纤维强度和伸长率不一样，从而影响了混纺纱织物强度。所以，要生产一个特定强度要求混纺纱和织物，就必须了解混用纤维特征、混纺比与成纱强度关系。v为了简化问题分析，假定只考虑纱断裂是因为纤维断裂而引发，混纺纱中纤维混合是均匀，并假设混纺在一起纤维粗细相同。混纺纱断裂强度按混纺纱所能承受最大负荷来表示，在此假设下来分析两组分混纺纱两种经典情况：第44页v（1）当混纺在一起两种纤维断裂伸长率靠近时，两种纤维断裂不一样时性不显著，基本上是同时断裂。当两种纤维同时断裂时，混纺纱断裂长度由下式计算：v式中：L1由纤维1纯纺时细纱断裂长度；L2由纤维2纯纺时细纱断裂长度；X混纺纱中纤维1含量（按重量%计算）。v假如纤维1和纤维2，其断裂伸长率1=2，而断裂强度P1P2第45页第46页v（2）当混纺在一起两种纤维断裂伸长率差异大时，受拉身后显著有两个断裂阶段。第一阶段是伸长能力小纤维先断；第二阶段是伸长能力大纤维断裂。当两种纤维不一样时断裂时，混纺纱断裂长度则由另外公式计算。第47页v所以，计算混纺纱断裂长度就必须：在相同设备与参变数下，纺制一样支数纯纺纱，用标准是研方法求出每一个纯纺纱断裂长度（即L1和L2）和断裂伸长率（即1和2）；求出由伸长较大纤维纺成细纱负荷伸长曲线，以确定P1；按公式LBC=LAB条件，求出临界混纺比XB；假如伸长率较小纤维含量小于XB，则可按公式LBC计算混纺纱断裂长度；假如伸长率较小纤维含量大于XB，则可按公式LAB计算混纺纱断裂长度。第48页v有两种不一样情况：v当用伸长小纤维纺成细纱断裂负荷P1P1时，则伴随其含量X在由100%到XB范围内降低，混纺纱强度下降，如图所表示：第49页混纺纱断裂长度与混纺比之间关系：（混纺纱断裂长度与混纺比之间关系：（P1P1）第50页v棉纤维强度较高，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，故伴随混纺纱中棉纤维含量下降，混纺纱强度也下降，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）温湿度影响v温度：T改变油剂改变纤维性能改变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。第104页动态性能v因为纤维材料固有粘弹性本质和/或不一样加载速度条件下变形和破坏机制不一样，在冲击载荷作用下其力学性能会发生不一样程度应变率效应，即拉伸应力应变本构关系随应变率不一样而不一样。v材料在弹道侵彻和碰撞时普通要经受断裂时间在50-150s，应变率在500-1500s-1范围瞬态冲击。因为加载机制不一样，普通力学性能试验机无法产生瞬态高应变率加载载荷。分离式Hopkinson压杆（SHPB）装置是有效产生应变率水平在103s-1左右冲击装置，加上纤维束试样大长径比和短试样长度能够基本确保该装置一维应力波传递和应力应变在试样内是近似均匀设计原理要求，自从Kawata和Harding之后，Hopkinson杆冲击装置是当前普遍采取纤维束中、高应变率冲击拉伸力学性能测试装置。SHPB装置是国际上当前普遍采取用来测试纤维束中、高应变率冲击拉伸力学性能测试装置。第105页试验装置图v利用一维弹性应力波理论二波或三波公式计算材料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。第106页测试原理示意图第107页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为弹性波在杆中波速，l0为试件试验段原长（即两夹持口纤维长度），i(t)、r(t)、t(t)分别为作用在试件上入射波、反射波和透射波应变值，A和As分别为杆和试样初始横截面积，E为杆模量。第108页v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取材料相同、截面积相等两根杆子，依据均匀假定，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。经过上述公式，依据统计到应变信号便可得到冲击载荷下应力时间、应变时间、应力应变及应变率时间曲线。第109页v比如对碳纤维束在三种不一样应变率拉伸曲线，其应变率分别为：1500/s，/s，3000/s，下列图为同一应变率下碳纤维束应力应变曲线。第110页第111页碳纤维冲击拉伸下断口形态及断裂机理v碳纤维束力学性能与应变率基本上是不相关，伴随应变率增大，碳纤维束初始模量、破坏应力及其失稳应变都改变不大。所以碳纤维束在力学性能上是不敏感材料。v碳纤维束破坏断口与冲击拉伸试验应变率亲密相关。伴随应变率增大，断面结构逐步规则，碳纤维颗粒逐步细化，断面凹度逐步增大。其颗粒改变影响了碳纤维束破坏应力值。v在力学性能上对应变率不敏感材料，在其破坏形式上可能对应变率是相关，材料在应变率不一样冲击拉伸中其破坏过程可能是不一样。v第112页应变率应变率1500/s时断口形态时断口形态应变率应变率/s时断口形态时断口形态第113页应变率/s时断口形态应变率应变率3000/s时断口形态时断口形态第114页