纖維的力學(xué)性質(zhì)

第五章纖維的力學(xué)性質(zhì)

mechanicalproperty1精選ppt纖維的力學(xué)性質(zhì)纖維的拉伸性質(zhì)拉伸性能指標(biāo)拉伸曲線拉伸斷裂機理及其影響因素拉伸性質(zhì)的測量纖維力學(xué)性能的時間依賴性應(yīng)力松弛與蠕變纖維的彈性纖維的疲勞纖維的彎曲、扭轉(zhuǎn)與壓縮2精選ppt紡織纖維的拉伸曲線（

load-elongationcurve）3精選ppt1、斷裂強力〔breakingstrength〕Pb纖維能承受的最大拉伸外力，或單根纖維受外力拉伸到斷裂時所需要的力，單位：N，cN，gf2、斷裂強度〔breakingtenacity〕pb簡稱比強度或比應(yīng)力，指單位線密度纖維所能承受的拉伸力，單位為N/tex，常用cN/dtex〔或cN/d〕3、斷裂應(yīng)力〔breakingstress〕sb指單位纖維橫截面上纖維所那承受的最大拉力，標(biāo)準(zhǔn)單位為N/m2(即帕)，常用MPa(N/mm2)4、斷裂長度〔breakinglength〕Lb纖維本身重力等于其斷裂強力時的纖維長度，單位為km4精選ppt纖維相對強度指標(biāo)間的關(guān)系5精選ppt纖維相對強度指標(biāo)間的關(guān)系Lp－－纖維的斷裂長度〔km〕；P－－纖維的強力〔克力〕；σ－－斷裂應(yīng)力〔kgf/mm2〕；Nm――纖維的公制支數(shù)；Ptex－－特數(shù)制斷裂強度〔gf/tex〕；Pden－－旦數(shù)制斷裂強度〔gf/d〕；γ－－纖維的密度〔g/cm3〕。6精選ppt3、斷裂伸長率〔extensionatbreak〕表示纖維承受最大負(fù)荷時的伸長變形能力4、初始模量〔initialmodulus〕定義：纖維應(yīng)力－應(yīng)變曲線初始階段的斜率表征在小變形條件下，纖維受外力時抵抗變形能力的大小7精選ppt5、屈服點〔yieldpoint〕纖維拉伸曲線上“虎克區(qū)〞和屈服區(qū)的轉(zhuǎn)變點在纖維的拉伸曲線上伸長變形突然變得較容易時的轉(zhuǎn)折點稱為屈服點。超過屈服點后，纖維將產(chǎn)生較高比例的塑性變形屈服點的求法曼列狄斯法、考潑倫法、角平分線法、導(dǎo)數(shù)法8精選ppt屈服點確實定方法考潑倫法曼列狄斯法9精選ppt6、功〔work〕斷裂功〔workofrupture〕W〔cN·mm〕：指拉伸纖維至斷裂時外力所作的功，是纖維材料抵抗外力破壞所具有的能量。斷裂功的大小與試樣粗細(xì)和長度有關(guān)dlPaLa10精選ppt斷裂比功〔specificworkofrupture〕拉斷單位體積纖維所需作的功，單位為N/mm2，即折合成同樣截面積，同樣試樣長度時的斷裂功。重量斷裂比功，N/tex，是指拉斷單位線密度與單位長度纖維材料所需做的功11精選ppt功系數(shù)η纖維的斷裂功與斷裂強力(Pb)和斷裂伸長的乘積之比各種纖維的功系數(shù)在0.46～0.65之間12精選ppt纖維的力學(xué)性質(zhì)纖維的拉伸性質(zhì)拉伸性能指標(biāo)常見纖維拉伸曲線拉伸斷裂機理及其影響因素拉伸性質(zhì)的測量纖維力學(xué)性能的時間依賴性應(yīng)力松弛與蠕變纖維的彈性纖維的疲勞纖維的彎曲、扭轉(zhuǎn)與壓縮13精選ppt常見纖維的拉伸曲線麻棉滌綸錦綸蠶絲腈綸粘膠醋纖羊毛14精選ppt產(chǎn)業(yè)用纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

15精選ppt拉伸曲線可分為三類：強力高，伸長率很小的拉伸曲線棉、麻等纖維素纖維拉伸曲線近似直線，斜率較大；強力不高，伸長率很大的拉伸曲線羊毛、醋酯纖維等；表現(xiàn)為模量較小，屈服點低和強力不高；介于上述之間的拉伸曲線滌綸、錦綸、蠶絲等纖維。16精選ppt纖維的力學(xué)性質(zhì)纖維的拉伸性質(zhì)拉伸性能指標(biāo)拉伸曲線拉伸斷裂機理及其影響因素拉伸性質(zhì)的測量纖維力學(xué)性能的時間依賴性應(yīng)力松弛與蠕變纖維的彈性纖維的疲勞纖維的彎曲、扭轉(zhuǎn)與壓縮17精選ppt纖維的拉伸破壞機理虎克區(qū)OA：大分子鏈鍵長和鍵角的變化，根本符合虎克定律；屈服區(qū)AB：大分子間產(chǎn)生相對滑移，在新的位置上重建連接鍵。變形顯著且不易恢復(fù)，模量相應(yīng)逐漸變小；增強區(qū)BC：錯位滑移的大分子根本伸直平行，互相靠攏，使大分子間的橫向結(jié)合力有所增加，形成新的結(jié)合鍵，曲線斜率增大至斷裂。18精選ppt纖維的斷裂：1、非結(jié)晶區(qū)中大分子從結(jié)晶區(qū)抽拔出來或被拉裂。2、結(jié)晶區(qū)大分子結(jié)合力被破壞，大分子產(chǎn)生相對滑移，結(jié)晶區(qū)逐步松散。纖維的伸長：1、大分子的伸直、伸長〔鍵長鍵角的增大，取向度的提高〕2、大分子之間的相互滑移。19精選ppt纖維拉伸破壞形態(tài)

伸長較小的彈性纖維如玻璃纖維，表現(xiàn)為經(jīng)典的脆斷模式，斷裂面光滑。粘彈性纖維如錦綸和滌綸，在拉伸過程中除斷裂擴展外，開始時先形成一〞V〞字型缺口〔A〕，并擴展〔A→B〕，最后斷裂〔B→C〕。20精選ppt21精選ppt影響纖維拉伸性能的因素〔1〕纖維結(jié)構(gòu)－內(nèi)因相對分子質(zhì)量〔或聚合度〕分子鏈的剛?cè)嵝院蜆O性基團(tuán)的數(shù)量分子鏈堆砌的緊密程度、結(jié)晶度分子鏈的取向〔取向度〕交聯(lián)22精選ppt聚丙烯纖維結(jié)晶度對拉伸性能的影響

23精選ppt不同取向度纖維的應(yīng)力應(yīng)變曲線

24精選ppt影響纖維拉伸性能的因素〔2〕測試條件－外因溫濕度隔距或試樣長度〔弱環(huán)定律〕試樣長度越長，弱環(huán)出現(xiàn)的概率越大，纖維的強力越低試樣根數(shù)應(yīng)變率〔拉伸速度〕拉伸方式25精選ppt溫度對滌綸拉伸性能的影響

回潮率一定，溫度↑，纖維大分子熱運動↑，大分子柔曲性↑，分子間結(jié)合力(次價鍵力)↓→纖維斷裂強度↓，斷裂伸長率↑，初始模量↓，

26精選ppt相對濕度對富強纖維和棉的影響

相對濕度對細(xì)羊毛拉伸性能的影響

27精選ppt試樣長度弱環(huán)定律(weak-linktheory)纖維長度方向上各處截面的面積和結(jié)構(gòu)不均勻，因而同一根纖維上的截面的強度不完全相同，斷裂總是發(fā)生在纖維最弱處。當(dāng)試樣長度長時，最弱的弱環(huán)被測到的時機就多，那么平均強力偏低。這一概念稱為～。試樣越長，弱環(huán)出現(xiàn)的概率越大，測得的斷裂強度越低。28精選ppt試樣根數(shù)束纖維中的纖維根數(shù)愈多，由束纖維強力計算得的平均單纖維強力愈低，而且比單根測量時的平均強力低。P為束纖維強力機測得的束纖維平均斷裂強力(cN)；f為單纖維強力機測得的單纖維平均斷裂強力(cN)；n為束纖維中的單纖維根數(shù)；NB和Nf分別為束纖維和單纖維的線密度；k為修正系數(shù)。29精選ppt拉伸速度

拉伸速度v大(即拉伸至斷裂經(jīng)歷的時間短)，纖維強力偏高，初始模量E0偏大，斷裂伸長率

b無規(guī)律。

拉伸試驗機類型等加負(fù)荷型CRL(ConstantRateofLoad)等速伸長型CRE(ConstantRateofElongation)－國際推廣型等速牽引型

CRT(ConstantRateofTransverse)30精選ppt纖維的力學(xué)性質(zhì)纖維的拉伸性質(zhì)拉伸性能指標(biāo)拉伸曲線拉伸斷裂機理及其影響因素拉伸性質(zhì)的測量纖維力學(xué)性能的時間依賴性應(yīng)力松弛與蠕變纖維的彈性纖維的疲勞纖維的彎曲、扭轉(zhuǎn)與壓縮31精選ppt擺錘式強力儀

種類：Y161型單纖維強力機，Y162束纖維強力機，Y371型縷紗強力機和Y361型單紗強力機等

屬于等速牽引式強力儀，上下夾頭同時以不同速度下降，力施加呈非線性，試樣的拉伸變形無一定規(guī)律。

32精選ppt秤桿式強力儀又稱杠桿式強力儀，如早期采用的測定棉纖維的卜氏(Pressley)強力儀，Uster公司生產(chǎn)的Dynamat自動單紗強力儀(斜面式)。下夾頭不動，上夾頭上移量就是試樣的伸長。屬于等加負(fù)荷型。33精選ppt電子強力儀Instron材料試驗機〔萬能材料試驗機〕，屬于等速伸長型。備有不同負(fù)荷容量的傳感器，可以分別測定纖維、紗線、織物或繩索的拉伸性能。配有不同形式的夾頭裝置和附件，可以作拉伸、壓縮、剪切、彎曲和摩擦等性能。可以進(jìn)行定負(fù)荷或定伸長反復(fù)拉伸疲勞實驗。配有專門小氣候，可在不同濕度條件下進(jìn)行力學(xué)性能測定。34精選ppt纖維的力學(xué)性質(zhì)纖維的拉伸性質(zhì)拉伸性能指標(biāo)拉伸曲線拉伸斷裂機理及其影響因素拉伸性質(zhì)的測量纖維力學(xué)性能的時間依賴性應(yīng)力松弛與蠕變動態(tài)力學(xué)性能纖維的彈性纖維的疲勞纖維的彎曲、扭轉(zhuǎn)與壓縮纖維的外表力學(xué)性質(zhì)35精選ppt應(yīng)力松弛(stressrelaxation)

定義：在一定變形條件下，纖維內(nèi)力隨時間增加而逐漸衰減的現(xiàn)象圖例36精選ppt蠕變creep

定義：纖維在一定負(fù)荷作用下，變形隨時間而逐漸增加的現(xiàn)象圖例ε1、ε3，急彈性變形，與時間無關(guān)ε2、ε4，緩彈性變形，與時間有關(guān)ε5，塑性變形37精選ppt纖維變形機理形變e3：由纖維大分子鏈鍵長鍵角改變引起，形變產(chǎn)生和消失的時間很短，稱為急彈性形變形變e4：與大分子鏈之間的次價鍵不斷破壞與重建有關(guān)，外力除去后，由于分子的熱運動，分子鏈依靠內(nèi)旋轉(zhuǎn)能克服次價鍵使變形回復(fù)，這局部變形需要一定時間才能完成，稱為緩彈變形形變e5：在外力作用下，大分子鏈間產(chǎn)生不可逆的位移，即分子鏈在新的狀態(tài)下重新建立較強的次價鍵，使分子鏈節(jié)的熱運動不可能克服新的次價鍵力而回復(fù)，即產(chǎn)生了塑性變形。38精選ppt羊毛纖維在不同溫度下的蠕變羊毛在不同相對濕度下的應(yīng)力松弛對時間和溫度的依賴性39精選ppt羊毛纖維在不同負(fù)荷下的蠕變40精選ppt提高溫度和相對濕度可使纖維中大分子鏈間的次價鍵力減弱，促使蠕變和應(yīng)力松弛過程加速完成。生產(chǎn)上可用高溫高濕來消除纖維材料的內(nèi)應(yīng)力。如織造或針織前對緯紗的蒸紗或給濕可以促進(jìn)加捻時引起的內(nèi)應(yīng)力消除，防止織造時紗線的退捻和可能形成的緯縮甚至小辮子等疵點。41精選ppt纖維的動態(tài)力學(xué)性質(zhì)動態(tài)力學(xué)性質(zhì)：纖維在交變負(fù)荷(或形變)作用下的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系及由此表現(xiàn)出來的力學(xué)性能特征對于纖維高聚物，在動態(tài)交變應(yīng)力作用下，其應(yīng)變總是落后應(yīng)力一相位角δ，且0<δ<π/2

42精選ppt稱為動態(tài)彈性模量，代表材料的彈性局部作用 稱為動態(tài)損耗模量，代表材料中粘性流動的響應(yīng)，產(chǎn)生能量損耗單位體積粘彈性體材料在一個周期的正弦交變后，所消耗的功〔W〕為E″越大，粘彈性材料的能量損耗越大，因此稱E″為動態(tài)損耗模量，E′為貯能模量正切損耗43精選ppt纖維的動態(tài)力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)－復(fù)數(shù)形式44精選ppt線性粘彈性力學(xué)模型mechanicalmodel胡克彈簧牛頓粘壺Eη力學(xué)模型的根本單元45精選pptMaxwell模型本構(gòu)關(guān)系：Maxwell模型及其應(yīng)力松弛曲線46精選pptMaxwell模型－應(yīng)力松弛e＝ec＝常數(shù)初始條件：t＝0時，s＝s

0＝E·ec

解微分方程得t=h/E，為應(yīng)力松弛時間，其物理含義是當(dāng)應(yīng)力衰減為初始應(yīng)力的1/e倍時所需的時間，它是代表材料粘彈性比例的參數(shù)，τ值越大，材料的彈性表現(xiàn)越顯著

47精選pptMaxwell模型－蠕變當(dāng)應(yīng)力s＝sc＝常數(shù)時，由本構(gòu)關(guān)系和初始條件〔當(dāng)t=0時，e〔0〕＝sc\E〕，可以得到模型的蠕變方程式為該式說明，Maxwell模型在恒定應(yīng)力作用下，變形是無止境的，且不能回復(fù)，本質(zhì)上是一個粘流體，不能用來描述纖維的蠕變行為48精選pptVoigtorKelvin模型本構(gòu)關(guān)系伏歐脫模型及其蠕變和蠕變回復(fù)曲線49精選pptVoigtorKelvin模型－蠕變本構(gòu)方程：s=sc=常數(shù)初始條件：t=0時，e=0蠕變方程在恒定應(yīng)力下，模型的應(yīng)變隨時間t增加按指數(shù)規(guī)律遞增，當(dāng)t→∞時，應(yīng)變到達(dá)一恒定值sc/Etk＝h/E為推遲時間，是當(dāng)變形值到達(dá)恒定值的〔1－1/e〕倍時所需的時間，它也是表示材料粘彈性本質(zhì)的一個參數(shù)50精選pptVoigtorKelvin模型－蠕變回復(fù)蠕變回復(fù)當(dāng)t=t1時，模型卸去恒應(yīng)力sc，即將s=0代入本構(gòu)關(guān)系式得：積分上式，根據(jù)初始條件：當(dāng)t=t1

時，可得蠕變回復(fù)曲線：51精選pptVoigtorKelvin模型的缺乏不適用于描述應(yīng)力松弛現(xiàn)象在恒定應(yīng)變下，s＝Eec，那么模型表現(xiàn)為虎克體，沒有應(yīng)力松弛現(xiàn)象。在蠕變過程中，變形趨于某一定值sc\E，而不是無限止的流動→該模型本質(zhì)上是一個彈性固體52精選ppt三元件等效模型〔標(biāo)準(zhǔn)線性固體模型〕(a)53精選ppt三元件模型(a)---本構(gòu)關(guān)系根本關(guān)系式：消去e1、e2，將e1=s/E1，e2=e-e1代入〔2〕:e1e2e2(a)54精選ppt三元件模型(a)---蠕變當(dāng)s＝sc＝常數(shù)時初始條件：t＝0時，e(0)＝sc/E1得出常數(shù)：c＝－sc/E2模型的蠕變方程為：推遲時間τ＝η/E255精選ppt三元件模型(a)---應(yīng)力松弛當(dāng)e＝ec＝常數(shù)時應(yīng)力松弛方程式應(yīng)力松弛模量松弛時間τ＝η/〔E1+E2〕56精選ppt三元件模型的缺點僅能描述急彈性、緩彈性和塑性變形三種變形中的兩種急彈性+緩彈性 塑性+緩彈性實際纖維的變形既有急彈性和緩彈性，又有塑性變形，因此需要多元件模型57精選ppt四元件模型58精選ppt纖維的力學(xué)性質(zhì)纖維的拉伸性質(zhì)拉伸性能指標(biāo)拉伸曲線拉伸斷裂機理及其影響因素拉伸性質(zhì)的測量纖維力學(xué)性能的時間依賴性應(yīng)力松弛與蠕變纖維的彈性纖維的疲勞纖維的彎曲、扭轉(zhuǎn)與壓縮59精選ppt紡織纖維的回彈性回彈性(elasticresilience

)纖維承受負(fù)荷后產(chǎn)生變形，負(fù)荷除去后，纖維具有恢復(fù)原來尺寸和形狀的能力，簡稱回彈性或彈性

全面衡量纖維的彈性應(yīng)包括以下三方面：纖維的彈性模量變形的恢復(fù)能力斷裂伸長率60精選ppt纖維回彈性指標(biāo)彈性回復(fù)率e

彈性功回復(fù)率ew

等速伸長和等加負(fù)荷試驗機拉伸圖61精選ppt影響回彈性能的因素〔1〕纖維結(jié)構(gòu)的影響纖維大分子間具有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合點或交聯(lián)點，結(jié)合點間的大分子鏈又有較大的局部流動性，那么其彈性就好。羊毛、錦綸、滌綸的彈性優(yōu)良棉、麻、粘膠纖維彈性較差纖維的回彈性好應(yīng)包含彈性回復(fù)率高和斷裂伸長率大兩項內(nèi)容例如玻璃纖維的回彈性比羊毛和滌綸差62精選ppt影響回彈性能的因素〔2〕測試條件的影響其他條件相同，當(dāng)初始拉伸應(yīng)力或伸長率較大時，測得的彈性回復(fù)率較??；負(fù)荷停頓的時間較長，塑性變形有充分的時間開展時，測得的彈性回復(fù)率較??；去負(fù)荷后停頓的時間較長，緩彈變形恢復(fù)充分，彈性回復(fù)率較大溫度和相對濕度的影響影響較為復(fù)雜，沒有一定規(guī)律63精選ppt纖維的力學(xué)性質(zhì)纖維的拉伸性質(zhì)拉伸性能指標(biāo)拉伸曲線拉伸斷裂機理及其影響因素拉伸性質(zhì)的測量纖維力學(xué)性能的時間依賴性應(yīng)力松弛與蠕變纖維的彈性纖維的疲勞纖維的彎曲、扭轉(zhuǎn)與壓縮64精選ppt纖維的疲勞破壞(fatiqueproperty

)靜態(tài)疲勞或蠕變疲勞蠕變過程中，外力對材料不斷作功，直至材料被破壞。屢次拉伸(或動態(tài))疲勞纖維材料經(jīng)受屢次加負(fù)荷、減負(fù)荷的反復(fù)循環(huán)作用，因塑性變形的逐漸積累，纖維內(nèi)部的局部損傷，形成裂痕，最后被破壞的現(xiàn)象65精選ppt疲勞破壞機理纖維內(nèi)部存在著結(jié)構(gòu)缺陷，如微觀裂縫和孔洞，由于應(yīng)力集中的影響，當(dāng)裂縫長度增長到臨界值時，材料就會產(chǎn)生突然斷裂。纖維材料的力學(xué)衰減(tanδ)與疲勞性能關(guān)系密切。當(dāng)材料的正切損耗較大時，在疲勞過程中，材料發(fā)熱量增大，溫度升高，使材料性能下降，疲勞壽命縮短。66精選ppt纖維的重復(fù)拉伸疲勞圖〔b〕定伸長疲勞曲線：纖維每次被拉伸到一設(shè)定伸長率時停頓一定時間，然后卸負(fù)荷?？棛C上經(jīng)紗所受的拉伸接近這一形式?！瞐〕定負(fù)荷疲勞曲線：是采用纖維被拉伸到一設(shè)定負(fù)荷時，保持纖維伸長值一段時使纖維產(chǎn)生應(yīng)力松弛，然后卸去負(fù)荷，再停頓一定時間后，進(jìn)行第二次拉伸，依次重復(fù)。疲勞試驗方法67精選ppt纖維疲勞破壞的影響因素〔1〕、纖維的結(jié)構(gòu)與性能纖維的拉伸斷裂功大，彈性回復(fù)性能好，塑性變形不易積累，疲勞壽命↑；纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷、外表裂痕、裂縫等是材料受力時的應(yīng)力集中源→材料疲勞破壞加速；纖維材料的正切內(nèi)耗tgδ，材料易發(fā)熱，產(chǎn)生熱老化，影響其疲勞壽命，如輪胎簾子線、運輸帶等。68精選ppt〔2〕、作用方式：負(fù)荷大小、作用時間，恢復(fù)時間，頻率等在反復(fù)循環(huán)負(fù)荷過程中，如果：加荷的值較小或循環(huán)伸長率較小；加負(fù)荷停頓時間較短；卸負(fù)荷后停頓時間較長；纖維材料都不易產(chǎn)生不可回復(fù)的塑性變形，累積的功耗小，→纖維材料的耐久度↑。69精選ppt疲勞曲線疲勞破壞次數(shù)與最大應(yīng)力或應(yīng)力幅值間的關(guān)系為疲勞曲線。疲勞極限：當(dāng)最大應(yīng)力低于某一臨界應(yīng)力時，材料不會發(fā)生破壞，此臨界應(yīng)力稱為疲勞極限70精選ppt纖維的力學(xué)性質(zhì)纖維的拉伸性質(zhì)拉伸性能指標(biāo)拉伸曲線拉伸斷裂機理及其影響因素拉伸性質(zhì)的測量纖維力學(xué)性能的時間依賴性應(yīng)力松弛與蠕變纖維的彈性纖維的疲勞纖維的彎曲、扭轉(zhuǎn)與壓縮71精選ppt拉伸應(yīng)力=F/A0〔A0為材料的起始截面積〕拉伸應(yīng)變〔相對伸長率〕e=〔l-l0〕/l0=Dl/l0簡單拉伸示意圖A0l0lDlAFF材料在拉伸作用下產(chǎn)生的形變稱為拉伸應(yīng)變，也稱相對伸長率〔e〕?！瞚〕簡單拉伸〔drawing)：72精選ppt〔ii〕簡單剪切(shearing)材料受到與截面平行、大小相等、方向相反，但不在一條直線上的兩個外力作用，使材料發(fā)生偏斜。其偏斜角的正切值定義為剪切應(yīng)變〔〕。A0FF

簡單剪切示意圖剪切應(yīng)變=tg

剪切應(yīng)力s=F/A073精選ppt〔iii〕均勻壓縮〔pressurizing)材料受到均勻壓力壓縮時發(fā)生的體積形變稱壓縮應(yīng)變〔V〕。A0材料經(jīng)壓縮以后，體積由V0縮小為V，那么壓縮應(yīng)變：V=〔V0-V〕/V0=DV/V074精選ppt材料受力方式除以上三種根本類型外，還有彎曲和扭轉(zhuǎn)?！瞚v〕彎曲〔bending)對材料施加一彎曲力矩，使材料發(fā)生彎曲。主要有兩種形式：F一點彎曲〔1-pointbending〕F三點彎曲〔3-pointbending〕75精選ppt〔v〕扭轉(zhuǎn)〔torsion〕：對材料施加扭轉(zhuǎn)力矩。FF76精選ppt纖維的彎曲

纖維的彎曲剛度RB