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纺织材料学课件第十章 纺织材料的力学性质,2,本章主要内容,第一节 纺织材料的拉伸性质第二节 表面摩擦性质第三节 拉伸疲劳,3,第一节 纺织材料的拉伸性质,一、拉伸性能的基本指标 P51（一）拉伸断裂强力 Pb 定义：将纤维或纱线拉伸至断裂时所需的力，又称绝对强力、断裂强力。单位：牛顿（N）、厘牛（cN）、克力（gf）对不同粗细的纤维或纱线，没有可比性。,4,（二）相对强度,将强力折合成规定粗细时的力，用以比较不同粗细的纤维或纱线拉伸断裂性质的指标。因折合的细度标准不同，故相对强度指标有多种：1.断裂应力纤维或纱线单位截面上能承受的最大拉力。=Pb/S 标准单位N/m2(帕)，常用N/mm2(兆帕，MPa)。因纤维或纱线的截面积难以测量，生产上应用较少，多应用于理论研究中。,5,5,2.比强度P0（相对强度）纤维或纱线1tex粗细时能承受的最大拉伸力。,单位为N/tex，常用cN/dtex,6,3.断裂长度L 纤维或纱线的自身重量与其断裂强力相等时所具有的长度。式中：L断裂长度（Km）；P0断裂比强度（cN/dtex）；g重力加速度。,7,各指标间的换算关系见表2-11：,式中单位：N/mm2;g/cm3;Lpkm;,8,（三）断裂伸长率(应变率，或应变)a 材料拉伸时一般要伸长，纤维或纱线拉伸到断裂时的伸长率，叫断裂伸长率a。式中：L0试样原长；La试样拉断时的长度。,9,9,（四）拉伸变形曲线和有关指标,1.拉伸变形曲线（1）负荷伸长曲线(P l)：负荷为纵坐标，伸长为横坐标。对不同粗细和不同试样长度的材料没有可比性。,10,10,（2）应力-应变曲线(-),相对负荷（应力、比强度等）为纵坐标，伸长率为横坐标。,11,11,断裂应力a：断裂点a对应的拉伸应力。断裂伸长率a：断裂时的伸长率。,拉伸应力伸长率曲线,12,不同的材料拉伸曲线形状不同，如图。分三类：,高强低伸型：如麻、棉高强高伸型：如锦纶、涤纶低强高伸型：如羊毛,拉伸应力伸长率曲线,13,2.有关指标,（1）初始模量 应力-应变曲线上初始一段直线部分的应力应变比值。（简便求法：应变1处应力的100倍）,物理意义：表示材料在小负荷下变形的难易程度，即材料的刚性。E小，材料柔软，如羊毛、粘胶等；涤纶的E高，故织物挺括；E的大小与分子结构及聚集状态有关。,14,14,(2)屈服应力和应变 屈服点：拉伸曲线图上斜率由较大转向较小时的转折点。屈服点所对应的应力和伸长率为屈服应力和屈服应变(伸长率)。意义：屈服点以前的变形是弹性变形，屈服点以后的变形既有弹性变形也有塑性变形。屈服点高（屈服应力和屈服伸长率大），不易产生塑性变形，织物弹性好、尺寸稳定。,15,15,屈服点Y的求法：纺织材料屈服点不明显，而是一区域，常用作图法求屈服点。角平分线法，图(a)；/X轴法，图(a)；/OA法，切点为Y点，图(b)。,A,16,16,(3)断裂功和断裂比功,a.断裂功 拉伸纤维或纱线至断裂时外力所作的功，是材料抵抗外力破坏所具有的能量，单位cNmm。意义：断裂功是强力和伸长的综合指标，它可以有效地评定材料的坚牢度和耐用性能。大，韧性好、耐磨损、坚牢度好。,17,17,b.功系数（充满系数）断裂功/（强力断裂伸长）。c.断裂比功 拉断单位体积（折合成同样截面积，同样试样长度）的纤维或纱线所需作的功，单位N/mm2。,18,18,二、纺织材料的拉伸断裂机理及影响因素,（一）纤维拉伸断裂机理及影响因素1.断裂机理 受力开始，非结晶区内最短的大分子链伸直；继续拉伸，受拉大分子的键长、键角增加，部分最伸展的大分子从结晶区抽拔出，个别被拉断，结晶区间的距离增大，非结晶区中大分子的平行度提高；,19,19,继续进行，分子间的横向联系破坏，大批分子抽拔，伸长迅速增大；继续拉伸，大分子基本沿纤维轴向排列，结晶区松散，分子间结合力可能又会增加；再继续拉伸，结晶区更松散，部分大分子被拉断或抽拔，最后在整根纤维最薄弱的截面上断开。,20,20,综上：纤维的断裂：大分子的断裂和大分子间结合力的破坏而引起；纤维的伸长：大分子的伸直、伸长、取向度的改善以及大分子的滑移等引起。,21,2.影响纤维强伸性的因素,（1）纤维的内部结构 聚合度n：随n而（大分子不易抽拔出，且横向结合力更大），但增加到一定值再继续，强度不再。取向度：取向度增大（受力的大分子数增多）强度增加，但大分子滑移量减少使得断裂伸长率降低。如麻的取向度大，强度高。结晶度：结晶度愈高（缝隙孔洞少，分子结合力大），断裂强度、屈服应力和初始模量较高，伸长小，脆性大。,22,聚合度,23,取向度,Flash文件粘胶拉伸图_.exe,取向度,24,结晶度,聚丙烯纤维,25,（2）大气的温湿度 空气的温湿度高，则纤维的温湿度高。温度 温度高，强力减小，伸长率增加。温度升高，大分子热运动能高，柔曲性提高，分子间结合力削弱，因此强力减小。湿度 纤维回潮率大，一般纤维强力减小，伸长增大。棉、麻例外，因其聚合度高，分子链长，回潮率提高后，分子间的氢键减弱，增强了大分子间的滑移能力，拉伸时使同时受力的大分子数增加，因此纤维的强力增加。,26,湿度的影响,温度的影响,27,（3）试验条件,试样长度 指夹头之间的长度，试样长度长测得的强度较低（弱环定理）。弱环定理：沿纤维长度方向，强度是不均一的，纤维总是在最薄弱处断裂，试样愈长，出现最薄弱环节的概率越大，越容易发生断裂，则平均强力下降。试样根数 试样根数增加，束纤维强度折算成单纤维强度下降。（断裂的不同时性、有的纤维未被夹持）,28,拉伸速度 拉伸速度大，测得强力较大而伸长小。拉伸速度快时，大分子还未来得及滑脱，承受拉力的根数多，所以强力高。,29,29,（二）纱线的断裂机理及影响因素,1.纱线断裂机理（1）传统环锭纱 外层纤维螺旋倾角大，纤维伸长大，张力大；内层纤维张力小；中心纤维皱曲状态；故拉伸时受力不匀，外层纤维受力大，先断裂。拉力由更少的纤维承担，且外层对内层的压力解除，内层纤维很快滑脱或被拉断。纱线拉伸断裂时，纤维的断裂与滑移并存。,30,30,纤维断裂和滑脱的判别 取决于断裂截面两端周围的纤维对该纤维的摩擦力（F1，F2）。P为纤维的断裂强力。F1P 且F2P，纤维断裂；F1P 或F2P，纤维滑脱；F1和F2与纤维伸出断裂截面的长度有关，开始被抽拔出的长度Lc，称为“滑脱长度”。纤维伸出断裂截面一端的长度小于Lc时，纤维滑脱。当纤维的长度小于2 Lc时，纱线拉伸断裂时纤维必定滑脱。,31,31,断口形式齐口式 纤维以断裂为主，如捻度很高的短纤纱。毛笔头式 纤维以滑脱为主，如捻度很低的短纤纱和无捻长丝纱。,32,32,（2）混纺短纤纱 拉伸过程还受其它因素的影响。当两种纤维断裂伸长率接近时，随强度大的纤维含量，混纺纱的强度。图a。当两种纤维强度差异不大而断裂伸长率差异大时，伸长能力小的纤维先断，伸长能力大的纤维后断。曲线下凹，图b。,（a）,（b）,33,33,（3）长丝纱 有捻长丝纱，外层纤维比较伸直和紧张，受拉时先断裂，内层纤维后断裂。（4）膨体纱 部分纤维承担外力，其它纤维松弛，不同时断裂导致膨体纱的强度比环锭纱小。,34,34,（5）变形丝（纱）和弹力丝 纤维呈螺旋弹簧形的空间皱曲曲线，断裂伸长率很高。开始时拉伸力小，变形大。各拉伸曲线如下图。,力丝拉伸图变形纱和弹,35,35,2.影响纱线拉伸断裂的因素,（1）纤维的性能纤维长度：其它条件相同时，纤维长度越长，成纱强力越大；纤维强度：其它条件相同时，纤维强力越大，成纱强力越大；纤维细度：其它条件相同时，纤维越细，成纱强力越大。,36,36,（2）纱线的结构（特种纱线的结构对拉伸性的影响已述）环锭纱：影响因素有纤维平行伸直程度、内外转移次数、捻度等。捻度影响最大，随捻度，股线：同向加捻，和单纱加捻对强力的影响相似；反向加捻，如下图。股线强度大于合股中单纱的强度之和。,结构松散，强力下降；结构紧密，强力上升；内外层纤维均匀受力，强力最大；,强度先后。,37,（三）织物拉伸测试方法、断裂机理及影响因素,1.测试方法机织物、非织造布：扯边纱条样法、抓样法、剪切条样法,38,针织物：梯形试条、环形试条。因为矩形针织物试样拉伸时，夹口处的应力特别集中而使试样在钳口附近断裂。,39,(1)拉伸曲线负荷伸长曲线 与构成纤维的拉伸曲线基本相似。,2.织物拉伸断裂机理,40,断裂功与断裂比功 断裂功：拉伸断裂时外力对织物所做的功，即织物具有的抵抗外力破坏的内在结合能。与织物的穿着牢度一致。应该指出的是，断裂功是一次拉伸概念，而实际穿着中织物破坏不是一次外力作用的结果，而是小负荷或小变形下的反复多次作用。断裂比功：.外力对单位质量的织物所做的功。,拉伸力（P）,41,受拉系统纱线变直，非受拉系统纱线变得更为弯曲。交织点作用力增加，切向阻力增加。拉伸初始织物伸长主要因纱线弯曲减小；后阶段伸长主要因纤维和纱线的伸长与变细，且使织物变薄。非受拉伸纱线弯曲增加，长度缩短，夹口处变形较小，中间较大，试样逐渐收缩，出现束腰现象。,(2)拉伸断裂机理,42,拉伸中的束腰现象与断裂,纱线的强力利用系数K：一般大于1，也有时小于1。,43,3.影响织物拉伸强度的因素,（1）织物密度与织物组织密度 经密增加，经纬向强力都增加（交织阻力大）；纬密增加，纬向强力增加，经向强力减小（经纱开口次数增加，拉伸、摩擦增加）织物组织 交错次数越多，强力越高。同条件下，平纹的断裂强力和伸长率大于斜纹，斜纹又大于缎纹。,44,（2）纱线的线密度（即特数）和结构 纱线特数大，强度高；线织物大于同特纱织物的强度（因线织物条干好，捻度不匀小）。捻度，在接近临界捻度时，织物强力开始下降；捻向的配置，同捻向，强力高（纱线交叉处纤维相互啮合，交织阻力大）；,纱线捻向对织物性质的影响,45,（3）纤维品种与混纺比纤维品种 是织物强伸性的决定因素。混纺比 混纺纱中两种纤维的断裂伸长率不同时，混纺织物的强力有时会比强力最差的纯纺织物的强力低；（见下表）合成纤维与羊毛混纺的织物，随合成纤维的增加，混纺织物的强力增加。（右图）,46,46,三、纺织材料的蠕变和松弛 纺织材料突然加力、力保持、力卸载、再力保持（P=0）所对应的变形如下图所示。（一）蠕变 保持拉伸力不变，材料的变形随时间而变化的现象。,蠕变图,47,47,（二）三种变形 1、急弹性变形：外力作用立即变形，外力去除立即恢复。主要是纤维大分子的键长、键角变化引起。2、缓弹性变形：外力作用变形逐渐增加，外力去除缓慢恢复。大分子的伸展，取向度的增加，特别是大分子的滑移引起。,1,3,2,4,48,48,3、塑性变形：外力作用产生的变形，外力去除不能恢复。大分子在新的位置重新建立分子间的连接，产生不可逆的滑移。这三种变形同时产生。,5,49,49,（三）松弛 保持拉伸变形不变，材料的内应力随时间而逐渐下降的现象。,松弛图,50,50,蠕变、松弛产生的原因：大分子之间的滑移。在纺织加工和使用过程中，必须注意不使材料长期处于紧张状态，以避免蠕变或应力松弛现象。如，布机长期停车要处于综平状态；各卷装贮藏太久会松烂。影响蠕变和应力松弛的因素主要是温湿度，提高温湿度可促使蠕变和应力松持加速完成，如生产中的蒸纱定捻。纺织加工中积累的缓弹性伸长，在出厂后遇热水缓弹性变形大量回缩，织物缩短或变窄，即“缩水”。,51,51,四、纺织材料的拉伸弹性,拉伸弹性是指纤维或纱线拉伸变形的恢复能力。用拉伸弹性恢复率R（或称回弹率，%）表示，指急弹性回缩率和一定时间的缓弹性回缩率占总变形的百分率。,52,52,一些纤维的拉伸弹性恢复率如下图，一般是初始拉伸力或初始变形较大时，拉伸弹性恢复率小，即剩余变形较大。,53,第二节 表面摩擦性质,摩擦力：外力作用下使物体在接触面间发生相对运动所需要的切线方向的阻力。f=N式中：f摩擦力，cN；静摩擦因数；N物体间正压力，cN。,54,54,一、纤维间的摩擦力 纤维间的摩擦力不符合经典的摩擦定律（正压力为零时，摩擦力不为零）。正压力为零时，纤维因卷曲、转曲等，将其从纤维集合体中抽拔出所受的切向阻力不为零，称为“抱合力”。因此，纤维间的摩擦力F：F=F1+F2 F1正压力为零时的切向阻力（抱合力）F2由正压力引起的切向阻力,摩擦因数不再是常数，随正压力的增加而减小。,55,二、抱合力指标及影响因素 1.抱合力指标抱合系数h(cN/mm):单位长度纤维上的抱合力 式中：F1 抱合力（cN）l纤维长度（mm）,56,抱合长度Ln(m)：没有正压力的纤维条的断裂长度 式中：F1 纤维条强力，即抱合力（gf）Nt 纤维条特数2.影响因素 纤维结构、表面结构、表面油剂、纤维长度、卷曲度、排列形状、纤维弹性、温湿度等。,57,三、静摩擦力和动摩擦力 静摩擦力大于动摩擦力。两者的差异影响织物的手感和风格，如“丝鸣”，即摩擦过程“粘-滑”效应引起的振动所致。,58,58,第三节 拉伸疲劳性质,指当低于破坏（拉断或折裂）强度的应力施加于材料，经过一定时间的作用材料失效的现象。（一）疲劳破坏的形式1.静态（或蠕变）疲劳 材料在一不大的恒定拉伸力作用下，开始时迅速伸长，然后伸长逐步缓慢，最后趋于不明显，到达一定时间后，材料在最虚弱的地方发生断裂。原因：外力对材料做功的积累，即材料破坏的积累。,59,59,2.动态（或循环拉伸）疲劳 材料经受多次加负荷、去负荷的反复作用，因塑性变形的累积，纤维局部损伤，形成裂痕，最后被破坏的现象。原因：塑性变形的累积。,一个循环拉伸图,oa逐渐加负荷；ab加负荷停顿；bc逐渐去负荷；cd去负荷停顿,60,60,61,第一次拉伸外力对材料做功：Soabe回缩时材料释放拉伸储存的能量（对外力做功）：Sbec 第一次拉伸净功：Soabe-Sbec=Soabc，材料局部破坏拉伸功恢复系数：Rw(Sbec/Soabe)100%，Rw越大，材料受的破坏越小，耐疲劳性越好。,62,两次拉伸交叉部分：代表回缩和停顿中局部被破坏的部分得到修补，再次拉伸中需要外力继续做功，才能破坏修补起来的部分，因此多次拉伸的断裂功大于一次拉伸的断裂功。因此，创造卸除载荷和停顿的条件，尤其是创造缓弹性变形回缩更多的条件，可延长使用寿命，所以衣服勤洗勤换更耐穿。,63,63,（二）疲劳破坏的影响因素1.纤维材料方面的因素 拉伸断裂功大、弹性恢复性好、材料结构缺陷少，耐疲劳性好。2.试验或实际应用条件方面 每次加负荷小、加负荷时间短、卸负荷时间长、卸负荷时温湿度高，耐疲劳性好。,