第7_2章纖維的力學(xué)性質(zhì)(2)

1、第9_2章 纖維的力學(xué)性質(zhì)（2） 第2節(jié) 纖維力學(xué)性能的時(shí)間依賴性 time dependent 力學(xué)性能具有顯著的粘彈性特征或稱時(shí)間依賴性 。 典型表現(xiàn) 1. 應(yīng)力松弛 2. 蠕變 3. 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能（自學(xué)） 相關(guān)內(nèi)容 1. 形變類型及分布 2. 纖維的（回）彈性 3. 基本力學(xué)模型（自學(xué)為主） 4. 纖維的疲勞 1. 形變類型及分布 三種形變 急彈性形變 緩彈性形變 塑性形變 （1）急彈性變形 特點(diǎn)： 伸長變形與外力成正比 變形速率與原子的熱振動(dòng)速率相當(dāng)，可看作是瞬時(shí)的 實(shí)質(zhì)： 纖維大分子主鏈的鍵長和鍵角增加 分子鍵之間次價(jià)鍵的伸長 1 1t2t t （2）緩彈性變形 特點(diǎn)：變形隨時(shí)間而逐

2、步變化 實(shí)質(zhì)：非晶區(qū)中一部分分子鏈段從卷曲狀態(tài)沿力 場方向伸展 變形要克服分子間或分子內(nèi)的次價(jià)鍵力，次價(jià)鍵 的拆開和重建需要時(shí)間，變形比較緩慢 （3）塑性形變 特點(diǎn)：外力去除不可恢復(fù) 實(shí)質(zhì)：大分子鏈（質(zhì)心）間產(chǎn)生不可逆的位移 形變分布 一般認(rèn)為： 屈服點(diǎn)以前主要是急彈性變形 屈服點(diǎn)以后才出現(xiàn)明顯的緩彈性變形和塑 性變形 醋酯纖維的變形分布 羊毛 醋酯 粘膠 醋酯 腈綸 蠶絲 錦綸 滌綸 棉 錦綸 比應(yīng)力 苧麻 亞 麻 應(yīng)變 (%) 2. 應(yīng)力松弛和蠕變 2.1 定義定義 應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛：纖維在拉伸變形恒定條件下，應(yīng)力隨 時(shí)間的延長而逐漸減小的現(xiàn)象。 t 0 變形 t1 張力 0 t t1 (

3、t) 或 P(t) 蠕變?nèi)渥?概念及應(yīng)力應(yīng)變圖概念及應(yīng)力應(yīng)變圖 蠕變?nèi)渥儯豪w維在一恒定拉伸外力作用下，變形隨受 力時(shí)間的延長而逐漸增加的現(xiàn)象 P0 31 P 1 2 4 5 3 t t t t2 t1 O O t2 t1 2.3 對(duì)時(shí)間和溫度的依賴性 纖維的應(yīng)力松弛和蠕變是一個(gè)性質(zhì)的兩種表現(xiàn)。 其主要原因是由于在外力作用下纖維中大分子鏈 的構(gòu)象變化和大分子鏈之間的相互滑移，即大分 子鏈的重新排列所引起。 溫度較高時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)能較大，大分子鏈鏈節(jié) 的旋轉(zhuǎn)、大分子鏈的伸展和皺曲、結(jié)晶區(qū)方向和 位置的調(diào)整移動(dòng)容易 回潮率較大時(shí)，纖維大分子之間的結(jié)合力減弱 蠕變和松弛圖例 時(shí)間 (s) 負(fù)荷 (cN

4、) 伸長 (%) 時(shí)間 (s) 溫度 定張力 伸長 (%) 羊毛纖維羊毛纖維 蠕變和松弛圖例 時(shí)間 (s) 應(yīng)力 (N/mm2) 空氣相對(duì)濕度 時(shí)間 (s) 應(yīng)力 (N/mm2) 空氣相對(duì)濕度 羊毛纖維羊毛纖維 滌綸纖維滌綸纖維 蠕變松弛現(xiàn)象 縮水 布機(jī)：停車，綜平位置應(yīng)力松弛 半制品：長期儲(chǔ)存，松爛應(yīng)力松弛 蒸紗：促使加速 還有其他例子嗎？還有其他例子嗎？ 3. 纖維的（回）彈性 彈性（彈性回復(fù)性能、回彈性）的含義 指纖維變形的回復(fù)能力 含義： （1）變形難易 不易變形硬 （2）回復(fù)能力 不能恢復(fù)軟 （3）變形能力 斷裂伸長率 3.1 彈性的指標(biāo) 彈性回復(fù)率 100100 T 41 oe d

5、e e 31 1 2 4 5 3 t t O t2 t1 彈性功回復(fù)率或功回復(fù)系數(shù) 100100 w oabe cbe W W e e 面積 面積 3.2 影響纖維彈性的因素 （1）纖維結(jié)構(gòu) 羊毛（螺旋，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)）； 棉、麻、粘膠（剛性強(qiáng)，氫鍵極性強(qiáng)）； 錦綸（鋸齒形，鏈段柔曲性好）； 滌綸（急彈形變比錦綸大） （2）測(cè)試條件 當(dāng)伸長或負(fù)荷較大時(shí)，彈性回復(fù)性降低； 停頓時(shí)間較長，彈性回復(fù)增加； 溫濕度較高時(shí)，彈性回復(fù)率降低 彈性好，織物耐疲勞性能優(yōu)良。如錦綸 測(cè)試條件對(duì)纖維彈性的影響 羊毛 醋酯 粘膠 醋酯 腈綸 蠶絲 錦綸 滌綸 棉 錦綸 比應(yīng)力 苧麻 亞 麻 應(yīng)變 (%) 測(cè)試條件對(duì)纖維彈

6、性的影響 測(cè)試條件對(duì)纖維彈性的影響 測(cè)試條件對(duì)纖維彈性的影響 4. 基本力學(xué)模型（自學(xué)） 4.1 力學(xué)模型的基本元件力學(xué)模型的基本元件 描述粘彈性力學(xué)性能的基本元件有二個(gè)，在線性 粘彈性理論中，一個(gè)是虎克彈簧，另一個(gè)是牛頓 粘壺。 E = E 為 常數(shù) t (a) 虎克彈簧模型 (b) 牛頓粘壺模型 t 0 4.2 馬克思威爾(Maxwell)模型 虎克彈簧和牛頓粘壺串聯(lián) 用來模擬應(yīng)力松弛現(xiàn)象 t o 0 0.367 0 E 1 1 4.3 伏歐脫(Voigt)模型 虎克彈簧和牛頓粘壺并聯(lián) 用來描述纖維高聚物的蠕變和蠕變回復(fù)性能(即緩 彈性變形)。 E 0 E t 1 t k E 0 633.

7、 0 4.4 標(biāo)準(zhǔn)線性固體力學(xué)模型(三元件模型) 由兩個(gè)虎克彈簧和一個(gè)牛頓粘壺組成 有兩種互為等效的排列方式 2 E 1 E 2 E 1 E a O t1 d t d b c 0 21 21 EE EE (a) (b) (c) 5.纖維的疲勞纖維的疲勞 5.1 疲勞破壞形式疲勞破壞形式 （1）靜態(tài)疲勞或蠕變疲勞 材料在一不大的恒定拉伸力作用下，經(jīng)過長時(shí)間 的作用，材料發(fā)生破壞。 原因：蠕變過程中，外力對(duì)材料不斷作功，直至 材料被破壞。 疲勞破壞形式疲勞破壞形式 （2）多次拉伸(或動(dòng)態(tài))疲勞 材料經(jīng)受多次加負(fù)荷、減負(fù)荷的反復(fù)循環(huán)作用， 因?yàn)樗苄宰冃蔚闹饾u積累，纖維內(nèi)部的局部損傷， 形成裂痕，最后

8、被破壞的現(xiàn)象。 4 1 2 5 e d a b c O 3 0 疲勞測(cè)試圖例 P P0=const d O P0 a b c e 0 0 c d a b O e P 0=const (a)定負(fù)荷 (b)定伸長 5.2 纖維疲勞破壞的影響因素 指標(biāo)：耐久度或疲勞壽命。 指纖維材料能承受的加負(fù)荷、減負(fù)荷的反復(fù) 循環(huán)的次數(shù) 每次拉伸最大力 c 5.2.1 纖維材料性能方面 （1）拉伸斷裂功大，功纖維彈性回復(fù)性能好 塑性變形不易積累 不易很快達(dá)到纖維的斷裂伸長率或外力做功不易很快 積累到纖維的斷裂 （2）纖維結(jié)構(gòu)缺陷 應(yīng)力集中 （3）纖維正切損耗 越大，易發(fā)熱熱老化 5.2.2 試驗(yàn)或?qū)嶋H應(yīng)用條件 受

9、力小或伸長率小，或加負(fù)荷時(shí)間短、去 負(fù)荷時(shí)間長塑性變形小，累加功耗小 第3節(jié) 紗線中纖維的摩擦與抱合 1. 摩擦機(jī)理 2. 纖維摩擦中的基本現(xiàn)象 3 纖維摩擦性能測(cè)量與影響因素 對(duì)材料加工和性能的影響 纖維的摩擦抱合性質(zhì)與可紡性、織物的手感、起 毛起球、耐磨和抗皺等有關(guān)。 與紡紗工藝的關(guān)系：貫穿于整個(gè)紡紗過程； 與紗、布關(guān)系：紗、布才具有一定服用價(jià)值； 與磨損的關(guān)系：纖維、機(jī)件磨損，降低使用價(jià)值； 與發(fā)熱的關(guān)系：高速縫紉可能達(dá)300，使縫針 彎曲，縫線熔融； 與靜電的關(guān)系：摩擦起靜電，靜電聚集，干擾紡 紗工藝正常進(jìn)行，特別是化纖。 1. 摩擦機(jī)理 摩擦是指兩物體間接觸并發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生相對(duì)滑移時(shí)

10、的現(xiàn) 象 （1）分子學(xué)說微觀學(xué)說 從微觀力學(xué)角度來說，是兩物質(zhì)接觸面分子間的相互作用， 在切向外力作用下產(chǎn)生剪切和分離的過程 兩物體接觸面積越大，兩接 觸面靠得越近，分子間的作 用就越多越強(qiáng) 分子間的有效作用與兩接觸 物體的表面平整光滑度和接 觸壓力有關(guān) 分子間相互作用的解脫，與 外力作用時(shí)間有關(guān)，即與相 對(duì)滑移速度有關(guān) 摩擦機(jī)理 （2）糙面學(xué)說宏觀學(xué)說 從物體作用的宏觀形態(tài)來看，兩物體接觸存在著高低起伏 的峰與谷，在摩擦作用過程中變成兩接觸物體間的碰撞、 擠壓和錯(cuò)位 一硬一軟：耕犁和刨刮 均較軟：軟化、剪切變形 均較硬：錯(cuò)位、抬起 與兩物體的硬度或屈服應(yīng)力、剪切模量、壓縮模量、碰撞 和粘結(jié)點(diǎn)

11、的數(shù)量以及正壓力的大小有關(guān) 發(fā)生鎖結(jié)變形，變形的打開與時(shí)間有關(guān)，尤其是高聚物材 料 摩擦系數(shù)與正壓力與移動(dòng)速度密切相關(guān)，不是一個(gè)常數(shù) 2. 纖維摩擦中的基本現(xiàn)象 2.1 切向阻力 （1）抱合力F1纖維間在法向壓力為零時(shí)， 做相對(duì)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的切向阻力。 原因：纖維具有卷曲、轉(zhuǎn)曲、鱗片、表面粗糙凹 凸不平，且細(xì)長柔軟； 用途：棉卷、棉條才具有一定強(qiáng)力，紡紗工藝才 能順利進(jìn)行。 纖維摩擦中的基本現(xiàn)象 （2）摩擦力F2 纖維之間或纖維與機(jī)件之間，在一定正壓力 作用下，作相對(duì)滑動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的阻力。 用途：加捻、織物形成 （3）切向阻力F抱合力F1摩擦力F2 切向阻抗系數(shù)： fNFuN 1 fNFu 1 3

12、. 纖維摩擦性能測(cè)量與影響因素 3.1 抱合力的指標(biāo)與測(cè)定 抱合系數(shù)h(cN/cm)單位長度纖維上的抱合力。 測(cè)試方法：從沒有法向壓力的纖維條中夾取一根纖維，測(cè)定 出這根纖維所需的力F1（cN，即抱合力）和纖維的長l（cm） 的比值。 抱合長度Lk（m） 方法：將纖維制成一定規(guī)格的沒有法向壓力的纖維條，在強(qiáng) 力儀上以大于纖維長度的適當(dāng)上下夾持距離拉斷，測(cè)得它的 強(qiáng)力和纖維條的特?cái)?shù)。 式中：F1纖維條的強(qiáng)力（N）； Ntex纖維條的特?cái)?shù)（tex）； g重力加速度（9.8m/s2）。 lFh 1 6 1 10 texk NgFL 3.2 影響纖維抱合力的因素 纖維的幾何形態(tài)（表面結(jié)構(gòu)、纖維長度、卷

13、曲度）； 排列形狀；纖維彈性；表面油劑；溫濕度。 纖維卷曲或轉(zhuǎn)曲多，細(xì)長而較柔軟抱合力較大。 纖維種類纖維種類纖維線密度纖維線密度 (dtex) 纖維長度纖維長度 (mm) 20C時(shí)的抱合時(shí)的抱合 長度長度 (mgf/tex) 50C時(shí)的抱合時(shí)的抱合 長度長度 (mgf/tex) 羊毛羊毛23m5530 48 滌綸滌綸 4.470 65 75 腈綸腈綸 3.85904745 錦綸錦綸 3.37095156 3.3 切向阻抗系數(shù)的影響因素 （1）法向壓力：壓力大，系數(shù)大 （2）回潮率（相對(duì)濕度）：回潮率大，系數(shù)大 （3）滑動(dòng)速度：速度低于一定值，系數(shù)不穩(wěn)定； 實(shí)際測(cè)試中應(yīng)高于一定值 （4）粗糙度

14、 （5）摩擦熱 摩擦圖例 T=75g T=50g T=25g 80 100 60 40 20 0 10-410-310 -2 10-1100101102 滑移速度(m/min) 摩擦力(g) 粗 糙 度r 摩 擦 系 數(shù) O 硬 體 軟 體 3.4 測(cè)試方法 （1）絞盤法 F T1T0 mm (a)絞盤法機(jī)構(gòu)(b)絞盤法原理 T0 T1 dS d T T+dT R 測(cè)試方法 （2）抽拔法 （3）刮動(dòng)法 F0f(Ff) NN L (a) 刮桿 刀片 纖維架 W W可調(diào) ,可以互換 移動(dòng)v 力傳感器 第4節(jié) 纖維的彎曲 1. 纖維的彎曲剛度 2. 纖維彎曲時(shí)的破壞 1. 纖維的彎曲剛度 決定材料抵

15、抗彎曲變形的能力 與材料半徑（等效直徑）的四次方成正比 與纖維的線密度平方成正比 纖維相對(duì)彎曲剛度或比彎曲剛度 舉例 天然纖維中，羊毛最柔軟，麻最剛硬 化學(xué)纖維，錦綸最柔軟，滌綸最剛硬 彎曲剛度小的纖維，織物柔軟貼身、舒適，但易起球 異形截面或中空截面的化纖比圓形截面的化纖彎曲剛 度大而不易起球 纖維種類f (g/cm3) E (cN/tex) Rfr (cNcm2)/tex2 長絨棉0.791.51877.13.6610-4 細(xì)絨棉0.701.50653.72.4610-4 細(xì)羊毛0.881.31220.51.1810-4 粗羊毛0.751.29265.61.2310-4 桑蠶絲0.591.

16、32741.92.6510-4 苧麻0.801.522224.69.3210-4 亞麻0.871.511166.24.9610-4 普通粘膠0.751.52515.52.0310-4 強(qiáng)力粘膠0.771.52774.23.1210-4 富強(qiáng)纖維0.781.521419.05.810-4 滌綸0.911.381107.45.8210-4 腈綸0.801.17670.33.6510-4 維綸0.781.28596.82.9410-4 錦綸60.921.14205.81.3210-4 錦綸660.921.14214.61.3810-4 玻璃纖維1.002.522704.88.5410-4 石棉0.8

17、72.481979.65.5410-4 2. 纖維彎曲時(shí)的破壞 2.1 最小曲率半徑 纖維彎曲時(shí)，截面各部位的變形不一樣，外層最 大 曲率半徑越小，各層變形差異也越大 當(dāng)外層變形增大到等于纖維斷裂應(yīng)變時(shí)，外層開 始破裂，引起纖維斷裂 2.2 勾接和打結(jié)強(qiáng)度 耐彎曲破壞性能表征 上夾頭 下夾頭 纖維 勾接 實(shí)驗(yàn) 打結(jié) 實(shí)驗(yàn) 勾接和打結(jié)強(qiáng)度 總是小于其拉伸斷裂強(qiáng)度 原因：彎曲變形，截面上應(yīng)力不均勻，彎曲邊緣 處最大，截面斷裂不同時(shí) 應(yīng)力不均勻分布會(huì)隨著纖維斷裂伸長率的增大而 減少 斷裂伸長率 (%) 纖維勾接強(qiáng)度 (%) 思考題 1. 簡述拉伸性能指標(biāo)，并推導(dǎo)其相互關(guān)系式。 2. 繪制纖維典型拉伸

18、曲線，并指出據(jù)此可獲得物 理指標(biāo)？這些指標(biāo)的物理意義是什么。 3. 根據(jù)纖維拉伸曲線描述棉、羊毛、麻、滌綸、 蠶絲屬于何種類型纖維。 4. 纖維被拉伸后形變的組成。其特征及實(shí)質(zhì)是什 么？有沒有截然分開的界限。 5. 拉伸中蠕變和應(yīng)力松馳的現(xiàn)象是怎樣的? 蠕變 和松馳的速度主要受哪些因素的影響?試舉出現(xiàn)實(shí) 生活中常見的蠕變或松弛的例子。 7. 纖維彈性測(cè)量的方法有哪些？應(yīng)力應(yīng)變圖中的 形變分布？如何求得彈性性能指標(biāo)。 思考題 8. 什么是纖維的疲勞破壞？產(chǎn)生的原因是 什么。 9. 纖維疲勞測(cè)試的方法有哪些？疲勞測(cè)試 圖中的形變組成是什么？ 10. 紗線中纖維間的切向阻力組成有哪些？ 影響因素有哪些。 11. 抱合力的概念是什么？有什么用途。 12. 為什么纖維的打結(jié)強(qiáng)度低于拉伸強(qiáng)度 計(jì)算題 1. 今測(cè)得3dtex滌綸纖維的絕對(duì)強(qiáng)度為18CN, 試樣夾持距 離為20mm, 又測(cè)得6dtex錦綸纖維的絕對(duì)強(qiáng)度為36CN, 夾 持距離為10mm, 問三種纖維的相對(duì)強(qiáng)度何者為大? 為什 么? 2. 有一批紡織纖維,