第六章： 纤维材料的机械性质 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系.

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1 第六章： 纤维材料的机械性质 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

2 影响拉伸、摩擦的因素，粘弹体的基本力学特征。难点是影响因素的分析和蠕变、应力松弛、疲劳 解决方法：
内容提要： 描述纤维拉伸性质的指标；影响纤维断裂强伸度的测试条件；粘弹体的基本力学特征；纤维的表面力学性质；纤维弯曲、扭转、压缩破坏的形式及基本指标。 重点难点： 影响拉伸、摩擦的因素，粘弹体的基本力学特征。难点是影响因素的分析和蠕变、应力松弛、疲劳 解决方法： 注意深入浅出、启发式教学。多举例。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

3 纺织纤维的机械性质（或力学性质）是纤维及其制品在使用过程中的重要性质之一。纤维材料的力学性质的好与坏（优与劣）是根据它在受外力作用时，所表现的耐破坏性能（不一定拉断）来评价的。纤维在外力作用下遭到破坏的形式很多，其中以拉伸断裂为最主要的破坏形式。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

4 第一节： 拉伸性质 第二节： 影响纤维断裂的外在因素 第三节： 粘弹体力学特征 第四节： 纤维表面的力学性质
第五节： 纺织纤维的弯曲、扭转和压缩 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

5 第一节 拉伸性质 各种材料都有自己所独有的拉伸性质，要表征这一客观变化规律，我们要借助于各种指标，这些指标可告诉我们这些变化规律的变化状况及特征，从而帮助我们了解拉伸断裂的本质、拉伸断裂的机理。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

6 一、拉伸断裂指标： （对于各类指标大家应从以下几个方面理解和记忆： （1）定义，
（2）公式， （3）单位， （4）表示纺织材料的什么特征等） （一）绝对强力P 纤维材料受拉伸至断裂时，所能承受的最大负荷。单位：牛顿，厘牛顿。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

7 （二）相对强力指标： 1、断裂应力：σ，材料单位面积上承受的拉断力。单位：牛顿/毫米2 ，厘牛/毫米2。 （在前面章节的学习中，大家一定知道了，我们的纺织纤维绝大多数，其横截面是不规则的，加上有的还有空隙、孔洞等，拉伸时还在不断变化，使得其面积很难求测，所以该指标在日常应用中多用于理论研究。实际生产中很少使用。） 2、强度（比强度）：P0，单位细度的材料断裂时所能承受的最大负荷。单位：牛顿/特克斯，厘牛/分特克斯 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

8 3、断裂长度：LR，纤维由自身重力将本身拉断时所具有的长度。单位：千米。
4、湿干强度比：η，湿强度占干强度（标准大气下）的百分率。 η=湿强/干强×100% 了解材料吸湿后强度的变化状况，绝大多数纤维是η＜100%，而棉麻等天然纤维素纤维则＞100%，希望大家能够解释。 5、10%定伸长负荷 专用于棉型化纤，为混纺时性能匹配时应用的指标。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

9 （三）断裂伸长率：ε 纤维材料拉伸至断裂时的伸长量占拉伸前原长的百分率。 二、拉伸变形曲线及有关指标 以上指标只反映在断裂时的力学状况。材料在日常使用中耐破坏的能力与拉伸破坏的过程是密切相关的。
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10 （一）应力—应变曲线（负荷—伸长曲线，拉伸图） 纤维的种类是非常多的，实际得到的应力—应变曲线具有各种各样的形状。其典型形式如下。
（一）应力—应变曲线（负荷—伸长曲线，拉伸图） 纤维的种类是非常多的，实际得到的应力—应变曲线具有各种各样的形状。其典型形式如下。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

11 （二）拉伸图上的有关指标： 1、断裂点的指标（前面已经介绍） 2、初始模量：纤维材料拉伸曲线的起始较直部分伸直延长线上的应力与应变之比。 （画线作图，并定义公式，单位） 3、屈服点f的应力、应变 拉伸曲线由伸长较小部分转向伸长较大部分的转折点（产生明显塑性变形的最小应力点） 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

12 屈服点所代表的物理概念是什么呢？ 从材料力学方面，对于金属材料；屈服点的概念是相当明确的，应变在屈服点以下，是完全可恢复的，而屈服点以上就要产生塑性变形（不可恢复的变形）是有一个点的界限的。 但对于我们的纺织材料则不然，屈服转变是一个区间而不是一个点，在屈服点以下，变形绝大部分是弹性变形，有很少部分的变形是塑性，而屈服点以上部分所产生的塑性变形较多，但仍有弹性变形的存在。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

13 尽管纺织材料的屈服发生在一个区间上，但我们仍希望用一个点来表示，这样便于分析和解决问题。 屈服点高的纤维，其织造的织物的保形性就好，不易起拱，起皱，抗永久（塑性）变形的能力强。（介绍求取屈服点的作图方法） 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

14 4、断裂功 （1）断裂功W （2）体积比功Wav 拉断单位体积纤维所需要的功。 （3）质量比功Wam拉断单位质量纤维所需要的功。 （4）比功Wa 拉断单位细度单位长度纤维所需要的功。 （5）功系数η 曲线下面积/ (P0·L0)所包的矩形面积。 （上面5个指标定义式，单位，及关系，不规则面积的求法） 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

15 第二节：影响纤维断裂的外在因素 一、 温、湿度 （再次强化、总结一次） 二、 试样长度 试样愈长，强力愈低。因为沿纤维长度方向，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，强力下降——弱环定理（举例说明之） 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

16 三、 纤维根数（再次强调） 束纤维中的纤维根数愈多，由束纤维强力计算得的平均单纤维强力愈低，而且比单根测量时的平均强力低。（断裂的不同时性，亦举例说明） 四、 拉伸速度（弱环定律） 一般情况下，随拉伸速度增加，断裂强力，初始模量，屈服应力均会提高，而断裂伸长无一定规律。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

17 五、 拉伸形式（或仪器类型） （1）等速牵引（CRT） （2）等加负荷（CRL） （3）等速伸长（CRE），此方法现在为国际推广
方法。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

18 第三节 粘弹体力学特征 一、 粘弹性的概念： 粘弹性质也叫流变性质。物体（包括液态）在力的作用下，会发生形状尺寸的变化——即形变（变形）常用应变来表示（变形量与原尺寸之比）。 最单纯的形变形式有两种：理想弹性变形（虎克变形）；纯粘性流动（牛顿变形）。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

19 这两种基本变形的应力应变关系如下： 虎克变形：
；σ-应力，E-模量，ε-应变 牛顿变形： ； —粘滞系数，t-时间 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

20 对以高分子为主要组成物质的纤维来讲，它不仅具有弹性，而且也具有粘性，这种粘性与弹性的组合即为粘弹性，具有粘弹性的物体即为粘弹体，从应力应变的变化特性方面看，可以将 “材料在外力作用下，应力～应变的关系随时间而变的性能”叫做粘弹性。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

21 二、 三种变形 （一）、急弹性变形 （二）、缓弹性变形 （三）、塑性变形 虽然我们把纤维的变形分为三类逐一来说明，但实际上他们之间是互相联系，互相制约的，使总变形是时间的条件值，在材料受外力时，它们同时出现，只是在不同时间，不同负荷或不同拉伸阶段时它们间的比例不同而己。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

22 三、 蠕变与应力松驰 蠕变：在一定（固定）的拉伸（负荷）条件下，
纤维的变形随时间逐渐增加的现象。 应力松驰：当纤维被拉伸到一定变形值，保持恒 定时，其内应力随时间逐渐减小的现象。 蠕变和应力松弛实质上是一个问题的两个方面：都是反映大分子链不断作构象改变的运动 情况。（举一二个例子再说明之） 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

23 四、 纤维的弹性与疲劳 （一）、纤维的弹性： 纤维的弹性是指纤维承受负荷后产生变形，负荷取除后，具有恢复原来尺寸和形状的能力，它影响到纺织材料的：耐磨性，抗折皱性，手感，尺寸稳定性，耐冲击性，抗废劳性等许多性能。 纤维的弹性包含变形能力与变形的恢复能力两方面。通常只讲变形的恢复能力。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

24 （根据恢复时间可分为急，缓两种弹性恢复，根据作用形式又可分为：定负荷弹性恢复和定伸长弹性恢复）
常用两类指标来表示： 弹性恢复率= （根据恢复时间可分为急，缓两种弹性恢复，根据作用形式又可分为：定负荷弹性恢复和定伸长弹性恢复） （通过拉伸曲线获得，这一指标与织物的抗折皱性，耐疲劳破坏关系密切。） 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

25 (二)、疲劳 小应力长期作用下发生的破坏，就叫疲劳。这是一种最普遍的破坏形式。 影响疲劳的因素主要有： （1）纤维的结构与性能（分子链的变形能力及变形后的恢复能力大，则耐疲劳） （2）负荷大小 （3）作用方式 （引出：疲劳耐久限）：作用时间，恢复时间，频率等 （4）温湿度 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

26 一、 基本指标： （一）、摩擦力 cN （二）、摩擦系数 f （三）、抱合力 F抱 （四）、切向阻抗系数
第四节 纤维的表面力学性质 一、 基本指标： （一）、摩擦力 cN （二）、摩擦系数 f （三）、抱合力 F抱 （四）、切向阻抗系数 （五）、抱合系数h （六）、抱合长度Ln 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

27 二、 影响摩擦的因素： （一）法向压力（或张力） 切向阻力的增加率不随正压力上升成等比例增加，但切向阻力是增加的。切向阻抗系数随法向压力的增加而下降，逐渐趋于一定值。见教材第425页图7-58、7-59。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

28 （二）温、湿度 在通常情况下切向阻抗系数随温度的上升而降低，但在90℃以上的高温情况下切向阻抗系数却上升。切向阻抗系数随相对湿度的增加而增加，出现液态水时有一个下跳。见教材第426页图7-60、7-61，第428页图7-66。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

29 （三）表面润滑剂状况： 纤维表而后润滑情况对摩擦力影响很大，为了减少摩擦纤维表面常涂一些润滑剂（毛有和毛油，化纤有化纤油剂，棉有天然棉腊等）。润滑剂的粘滞系数和滑动速度构成对摩擦力的影响（举例画图）。 （四）表面粗糙度 物理表面的粗糙程度对摩擦性状影响很大，因为摩擦力是由于两物体间接触产生的，所以摩擦力的大小与接触表面的情况有关。规律：见教材第428页图7-64。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

30 滑现象变小 ②纤维受的张力（正压力）越大粘滑现象越严重。 ③纤维动、静摩擦系数差异越大，粘滑现象越大。
（四）滑动速度： 滑动速度对切向阻力的影响规律如教材第427页图7-62，7-63。 在低速区切向阻力是一个在一定范围内波动的变值，我们把这种现象叫“粘滑现象”，粘滑现象发生在滑动速度很小的区域。“粘滑现象”还有下列现象： ①切向阻力值的波动范围随速度增加而缩小即粘 滑现象变小 ②纤维受的张力（正压力）越大粘滑现象越严重。 ③纤维动、静摩擦系数差异越大，粘滑现象越大。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

31 三、 摩擦抱合的测定方法 具体的测量方法很多，大致可分为三类。 （一）测量无粘纤维条拉断时所需的力。可测量纤维的抱合力。若在纤维束侧向加一压力，则可测纤维的切向阻力。 （二）测量单纤维在纤维或其他物体（如金属的，陶瓷的，橡胶）上产生相对运动（刚开始运动时，即静摩擦，或保持恒定速度运动时，即动摩擦）所需的力。这类方法中最常用的是绞盘法，用欧拉公式可计算出摩擦系数。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

32 （三）测量两个纤维片发生对滑动时所需的力 这一类方法中常用的有斜面法，牵伸法。这也是传统方法。
四、 纤维的磨损 （这部分内容为可选部分） （一）概念：互相接触并滑移的两物体，在接触面上所产生的破坏——磨损。 广义概念：在非表面接触的其它作用下引起的表面破坏也称为磨损。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

33 （二）造成磨损的主要客观因素 1.力学作用：（1）犁耕（纵向划槽）；（2）刮削；（3）切割（横向划槽）；（4）咬啮剪切； （5）撕剥；（6）疲劳性脱落（疲劳龟裂，脱下局部颗粒）等 2.热学作用：表面热熔（从高温体擦过）而被揩拭落下。（局部过热） 3.化学作用：在化学试剂等作用的同时，受力摩擦使表面局部被揩掉。 磨损使纤维的尺寸、体积、重量、强度、刚性、外形（观）乃至结构发生改变（变化）。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

34 （三）描述（衡量）磨损程度的指标 1. 因磨损某些性能的绝对损失量。如直径或线密度，重量，强伸性能，光泽等 2
（三）描述（衡量）磨损程度的指标 1.因磨损某些性能的绝对损失量。如直径或线密度，重量，强伸性能，光泽等 2. 因磨损某些性能的损失率。（或变化率） 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

35 实验室测试与实际耐磨程度的关系： 要模拟实际或正确反映实际的耐磨程度有一定的困难，因为①实验它只能单因素或几个因素测试，各因素的综合比例很难确定。②磨损终点的判断，实验室是按磨断来判定，而实际环境中是按使用价值判定。③纤维耐磨规律的不一致性或复杂性给正确评价带来困难<如：轻、重负荷时不同的下降率，实际使用是轻（或很轻）的负荷，长时间，而实验室是重负荷， 短时间。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

36 第五节 纺织纤维的弯曲、扭转和压缩 一、纤维的弯曲 （一）、概念 纤维是极易变直为弯的，有的本身就是卷曲的。我们这里所说的弯曲则是指外力作用下的弯曲变形。 （二）、影响因素： 形状，粗细，模量 （三）、破坏形式： 弯断，实质是弯曲外缘的拉断或内缘的挤裂。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

37 （四）实用指标 1．抗弯刚度 2．打结强度（率） 3．勾结强度（率） 二、纤维的扭转 （一）、概念 纤维在剪切扭矩作用下，产生的扭转弯形。 （二）、影响因素： 形状，粗细，模量 （三）、破坏形式： 纵向劈裂 （四）实用指标 断裂捻角，常用圈数表示。 2019/4/26 纺织与材料学院纺织工程系

38 三、纤维的压缩 （一）、概念 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（或弹性）
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