纤维和纱线的机械性质

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十章 纤维和纱线的机械性质,本章主要内容,第一节 纤维和纱线的拉伸性质,第二节 纤维和纱线的蠕变、松弛和疲劳,第三节 纤维和纱线的弯曲、扭转和压缩,第四节 纤维与纱线的摩擦与抱合,2,第一节 纤维和纱线的拉伸性质,一、拉伸性能基本指标,（一）断裂强力,P,b,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。,3,（二）强度,用以比较不同粗细的纤维或纱线拉伸断裂性质的指标。,相对强度指标有以下几种：,1.,断裂应力,纤维或纱线单位截面上能承受的最大拉力。,=,P,b,/,S,标准单位,N/m,2,(,帕,),，常用,N/mm,2,(,兆帕，,M,Pa,),。,生产上应用较少，多应用于理论研究中。,4,5,2.,比强度,P,0,（相对强度）,纤维或纱线每特粗细时能承受的最大拉伸力。,单位为,N/,tex,，常用,cN/dtex,5,3.,断裂长度,L,b,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,b,断裂长度（,Km,）；,P,b,强力（,N,）；,g,重力加速度。,6,各指标间的换算关系：,绞纱的绝对强度（公斤力）,4.,品质指标,式中单位：,N/mm,2,;,g/cm,3,;,L,p,km;,7,（三）断裂伸长率,(,应变率，或应变,),a,式中：,L,0,试样原长；,L,a,试样拉断时的长度。,8,9,（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。,9,10,（,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。,10,11,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。,应力,伸长率,(%),11,不同的材料拉伸曲线形状不同，分三类：,常见纤维的拉伸曲线,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,12,13,2.,有关指标,（,1,）初始模量,纺织材料应力,-,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。小，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。,应力,伸长率,(%),13,14,(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。,应力,伸长率,(%),14,15,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。,分角线法，图,(a),；,/X,轴法，图,(a),；,/OA,法，切点为,Y,点,，,图,(b),。,O,A,O,A,15,16,(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,cN,mm,。,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。,16,17,b.,功系数（充满系数）,断裂功,/,（,强力,断裂伸长）。,c.,断裂比功,拉断单位体积的纤维或纱线所需作的功，单位,N/mm,2,。,17,18,二、纤维拉伸断裂机理及影响因素,（一）纤维拉伸断裂机理,受力开始，非结晶区内最短的大分子链伸直；,继续拉伸，大分子键长、键角增加，部分最伸展的从结晶区抽拔出，个别被拉断，结晶区顺向纤维轴，更多大分子被拉断或拔脱；,继续进行，分子间的横向联系破坏，相互滑移，纤维伸长增大；,18,19,继续拉伸，大分子基本沿纤维轴向排列，结合力增加（,e,）,再继续拉伸，结晶区更松散，部分大分子被拉断或抽拔，最后在最薄弱的截面上断开。,19,20,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。,20,（二）影响纤维强伸性的因素,1.,纤维的内部结构,聚合度,n,：随,n,而强度 （不易滑移、抽拔），但增加到一定值再继续时，强度不再 。,取向度,：取向度增大，断裂强度增加，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。,21,聚合度,22,取向度,粘胶纤维,Flash,文件,粘胶拉伸图,_.exe,取向度,23,结晶度,聚丙烯纤维,24,2.,温湿度, 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，强力减小。, 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，使同时受力的分子数增加，因此纤维的强力增加。,25,湿度的影响,温度的影响,26,3.,试验条件,(1),试样长度,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。,(2),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）,27,(3),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。,28,29,三、纱线拉伸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，外层纤维先断。,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。,29,30,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阻力（,F,1,，,F,2,）。,F,1,P,且,F,2,P,，断裂；,F,1,P,或,F,2,P,，滑脱；,F,1,和,F,2,与纤维伸出断裂截面的长度有关。摩擦阻力,F,等于纤维强力时的长度称为“,滑脱长度”,L,c,。,纤维伸出断裂截面一端的长度小于,L,c,时，纤维滑脱。当纤维的长度小于,2,L,c,时，纱线拉伸断裂时,必定为滑脱,。,30,31,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。,31,32,（,2,）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。,（,3,）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。,（,4,）变形丝和弹力丝,开始拉伸力小，变形大。,力丝拉伸图变形纱和弹,32,33,（,5,）混纺纱, 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。曲线渐升（降），图,a,。,当两种纤维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,）,33,34,2.,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。,34,35,（,2,）纱线的结构（特种纱线的拉伸性已述）, 环锭纱：影响因素有纱中纤维排列状态、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。,合股反向加捻对股线强度的影响,单纱强度,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。,35,36,第二节 纤维和纱线的蠕变、松弛和疲劳,一、蠕变和松弛,材料突然加力、力保持、力卸载所对应的变形如下图所示。,1.,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,36,37,2.,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。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。卷曲的,大分子伸展要克服分子间和分子内的各种次价键力，过程缓慢,。,37,38,（,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力，产生不可逆的滑移。,这三种变形同时产生。,38,39,3.,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,39,40,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。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。,40,41,4.,弹性,弹性是指纤维或纱线变形的恢复能力。,用弹性恢复率,R,（或称回弹率）表示，指急弹性变形和一定时间的缓弹性变形占总变形的百分率。,41,42,二、疲劳,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后导致材料失效的现象。,（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。,42,43,2.,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,。,伸长,应力,图,7-31,拉伸、恢复都有停顿的拉伸图,oa,加负荷；,ab,加负荷停顿；,bc,去负荷；,cd,去负荷停顿,43,第一次拉伸净功,：,S,oabe,-,S,bec,=,S,oabc,两次拉伸交叉部分,：代表材料在第一次拉伸中被破坏的部分重新得到恢复，这一过程实际是材料休息和补充能量的过程，因此多次拉伸的断裂功大于一次拉伸的断裂功。,拉伸功恢复系数,：,R,w,(,S,bec,/S,oabe,),100%,伸长,应力,图,7-31,拉伸、恢复都有停顿的拉伸图,44,45,（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。,45,第四节 纤维与纱线的摩擦与抱合,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,。,46,47,一、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，将纤维抽拔出所受的切向阻力称为“抱合力”。,因此纤维间的摩擦力,F,：,F=F,1,+F,2,F,1,正压力为零时的切向阻力,F,2,由正压力引起的切向阻力,纤维间的摩擦力可用,f=,N,n,n,为常数。,47,二、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：,F,1,抱合力（,cN,）,l,纤维长度（,mm,）,抱合长度,L,n,(m),：没有正压力的纤维条的断裂长度,式中：,F,1,纤维条强力，即,抱合力,（,gf,）,Nt,纤维条特数,48,2.,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、纤维弹性等。,温湿度、纤维的比热。,二、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”。,49,50,三、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、纤维弹性等,。,温湿度、纤维的比热。,50,三、磨损,纤维或纱线相互间或与其它物体间摩擦过程中会产生磨损。,纤维受刨刮、劈削、犁割等作用而变细、破坏、断裂；纱中纤维断裂或从纱体中抽拔出使纱线解体。,51,52,思考题及难点：,1.,纤维、纱线拉伸断裂指标及断裂机理,2.,蠕变、松弛、疲劳,3.,摩擦与抱合,53,