第三章纤维的力学性质
第一节纤维的拉伸性质
纺织纤维在纺织加工和纺织品的使用过程中，会受到各种外力的作用，要求纺织纤维具有一定的抵抗外力作用的能力。纤维的强度也是纤维制品其他物理性能得以充分发挥的必要基础，因此，纤维的力学性质是最主要的性质，它具有重要的技术意义和实际意义。纺织纤维的长度比直径大1000倍以上，这种细长的柔性物体，轴向拉伸是受力的主要形式，其中，纤维的强伸性质是衡量其力学性能的重要指标。
一、拉伸曲线及拉伸性质指标
1．纤维的拉伸曲线特征
纤维的拉伸曲线由拉伸试验仪得到，图3-1是一试样长度为20cm，线密度为0.3 tex，密度为
1．5R/cm3的纤维在初始负荷为零开始一直拉伸至断裂时的一根典型的纤维拉伸曲线。它可以分成3个不同的区域：A为线性区(或近似线性区)；B为屈服区，在B区负荷上升缓慢，伸长变形增加较快；C为强化区，伸长变形增加较慢，负荷上升较快，直至纤维断裂。
图3-1 纤维的拉伸曲线
纤维的拉伸曲线可以是负荷-伸长曲线，也可以将它转换成应力-应变曲线，图形完全相同，仅坐标标尺不同而已。纤维拉伸曲线3个不同区域的变形机理是不同的。当较小的外力作用于纤维时，纤维产生的伸长是由于分子链本身的伸长和无定形区中缚结分子链伸展时，分子链间横向次价键产生变形的结果。所以，A区的变形是由于分子链键长(包括横向次价键)和键角的改变所致。变形的大小正比于外力的大小，即应力-应变关系是线性的，服从虎克定律。当外力除去，纤维的分子链和横向连接键将回复到原来位置，是完全弹性回复。由于键的变形速度与原子热振动速率相近，回复时间的数量级是10-13s，因此，变形的时间依赖性是可以忽略的，即变形是瞬时的。
当施加的外力增大时，无定形区中有些横向连接键因受到较大的变形而不能承受施加于它们的力而发生键的断裂。这样，允许卷曲分子链伸直，接着分子链之间进行应力再分配，使其他的横向连接键受力增加而断裂，分子链进一步伸展。在这一阶段，纤维伸长变得较容易，而应力上升很缓慢。应力-应变曲线具有较小的斜率，这是B区产生的屈服现象。当外力除去后，变形的回复是不完全的。因为许多横向连接键已经断裂不能回到原来的位置，或者在新的位置上已经重新形成新的横向次价键变成较稳定的结构状态。
当进一步增加外力时，由于纤维千讦多大分子链经过屈服流动后，分子链因充分伸直，进一步拉伸分子链比较困难。这时，拉伸曲线斜率增加，如C区，即为强化区，这时增加的变形主要是纤维大分子链键长和键角的改变所引起，最后直至纤维断裂。
不同纺织纤维由于内部结构不同，其拉伸曲线有很大差异，几种常见纺织纤维的应力-应变曲线如图3-2所示。天然纤维因品种不同，或生长、饲养条件的差异，化学纤维则由于大分子链结构以及纺丝工艺参数的差别，其拉伸性能也会有很大的差别。常见纺织纤维的有关拉伸性质指标列于表3-1。
图3-2 不同纤维的应力-应变曲线
2．拉伸性能指标
由纤维拉伸曲线可提取表征纤维拉伸性能的许多重要力学性能指标。
(1)断裂强力和断裂强度
纤维断裂强力表示纤维能承受拉伸负荷的最大能力，单位为牛顿(N)，或厘牛(cN)。单根纤维的断裂强力称绝对强力，它与纤维粗细有关，为了相互比较，通常采用断裂强度(或相对强度)来表征。表示纤维断裂强度常用以下3种指标：
①断裂应力：它是单位纤维横截面上纤维所能承受的最大拉力，单位为Pa(N/m2)或 cN/cm2，因Pa的单位很小，常用MPa，且1MPa＝106Pa。
②比应力：它是指单位线密度纤维所能承受的最大拉力，单位为N/tex。
③断裂长度：它是指纤维本身重力等于其断裂强力时的纤维长度，单位为千米(km)，即
(3-1)其中，P为纤维的强力(N)；若为重力加速度(9．8m/s2)；Nm为纤维的公制支数(m/g)。
纤维相对强度的3个指标间关系为
(3-2)
(3-3)式中，σ为纤维断裂应力(N/mm2)；p t为纤维的比应力(N/tex)；g为重力加速度(9．8m/s2)；L 为纤维的断裂长度(km)；ν为纤维密度(g/cm3)。
(2)断裂伸长率
纤维拉伸断裂时产生的伸长占原来长度的百分率。它表示纤维承受最大负荷时的伸长变形能力。
(3)初始模量
它是纤维应力-应变曲线起始一段直线部分的斜率，其物理含义是表示当试样保持初始斜率不变时，拉伸试样至原来长度的两倍时所需的应力值。它表征在小变形条件下，纤维承受外力作用时抵抗变形能力的大小，是衡量纤维刚性的指标。
纺织纤维的初始模量与纺织制品的耐磨、耐疲劳、耐冲击、手感、悬垂性和起拱性能等关系密切。
许多纺织品多半是在小变形条件下工作的，因此，初始模量是纤维力学性能中的重要指标。
对于纺织纤维拉伸曲线的起始部分是否存在线性区是有争议的。前苏联学者库金和索洛维也夫认为，纺织纤维与金属材料不同，拉伸曲线的起始部分是凹向应变轴的，只能近似地接近直线。澳大利亚学者E．G．Bendit(1978)认为纺织纤维拉伸曲线的起始部分不存在“虎克区”，对粘弹性材料，在理论上其应力-应变曲线是凹向应变轴的。然而由于纤维截面的转曲和天然卷曲以及试样夹头夹持不当等影响，会使应力-应变曲线的起始部分凹向应力轴，由于这2个相反的弯曲，使应力-应变曲线在外表上似乎有一个不变斜率的“虎克区”。
当有些纤维拉伸曲线起始部分不成直线时，其初始模量常取伸长率为1％(或0．5％)时的应力值，按定义：初始模量＝应力/应变计算得到，也称为割线模量。
(4)屈服点
纤维拉伸曲线上“虎克区”和屈服区的转变点称为屈服点，所对应的应力和应变分别称为屈服应力和屈服应变。实验表明：当纤维超过屈服点后，将产生较高比例的塑性变形，纤维的力学性质将起较大的变化，所以在纺织加工和纺织品使用过程中，确定和掌握纤维的屈服点很重要。有数种确定纤
维屈服点的方法可供选择。
①曼列狄斯(Meredith)法
如图3-3(a)所示。连结应力-应变曲线原点O和断裂点A；平行于OA作平行线并与拉伸曲线相切，得切点Y；Y点所对应的应力为屈服应力(σy)，对应的应变为屈服应变(εy)。
