纺织材料拉伸变形曲线和有关指标

纺织材料在拉伸过程中，应力和变形同时发展，发展过程的曲线图叫“拉伸图”。当横坐标为伸长率ε（％），纵坐标为拉伸应力（σ、ｐ０或Ｌ）时，拉伸曲线称为应力应变曲线。典型曲线如下图所示，断裂点（ｂｒｅａｋｉｎｇｐｏｉｎｔ）ａ对应的拉伸应力σ_ａ就是断裂应力，对应的伸长率ε_ａ就是断裂伸长率。

图1  拉伸应力曲线伸长率曲线图

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不同材料的拉伸变形曲线形状不同，如下图所示，基本上分为三类。
（１）高强低伸型：如麻、棉纤维表现出脆性特征。
（２）高强高伸型：如锦纶、涤纶表现出延展性特征。
（３）低强高伸型：如羊毛纤维表现出弹性特征。
当然上述分类并不很严格，化学纤维的加工工艺、加工条件不同，它的拉伸变形曲线也会不同，如涤纶短纤维可以有高强低伸（棉型）、低强高伸（毛型）等。
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图2   不同纤维应力应变曲线图

拉伸变形曲线有关指标如下。
１．初始模量　
拉伸应力曲线伸长率曲线图1中Ｏｂ线段斜率较大，斜率即拉伸模量Ｅ。
: ]5 M+ k$ l* G) DＥ＝ｄσ/ｄε
: A. t+ M) P6 j! Z4 a& H5 [0 b5 @因此，在曲线Ｏｂ段接近Ｏ点附近，模量较高，即为初始模量，它代表纺织纤维、纱线和织物在受拉伸力很小时抵抗变形的能力。初始模量的简便求法是：伸长率为１％时的纤维应力的１００倍，即为初始模量，单位为ｃＮ／ｔｅｘ或ｃＮ／ｄｔｅｘ，一般用Ｅ_０表示。它的大小与纤维材料的分子结构及聚集状态有关，如苎麻纤维Ｅ０为１７６～２２０ｃＮ／ｄｔｅｘ，棉纤维Ｅ_０为６０～８２ｃＮ／ｄｔｅｘ，绵羊毛纤维Ｅ_０为８．５～２２ｃＮ／ｄｔｅｘ，这是由于麻纤维聚合度高（约为３万）；而棉纤维聚合度略低（１～１．５万），分子链伸展并且氧六环刚硬；毛纤维分子链柔软，且有α螺旋，聚合度也低（１００～３００），毛织物的手感较柔软，与纺织制品的手感、悬垂、起拱性能等关系密切。
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２．屈服应力和应变　
) G) H4 t/ @9 v. R. f* j) d% w图１中曲线上的ｂ点为屈服点（ｙｉｅｌｄｐｏｉｎｔ），这一点对应的拉伸应力为屈服应力（σ_ｂ），对应的伸长率就是屈服应变（ε_ｂ）。屈服点是在拉伸变形曲线上，由斜率较大转向斜率较小时的转折点，或者说纺织材料经过弹性变形区后进入到黏弹性区域（在此区域变形迅速增加），从弹性变形到黏弹性变形的转折点。
' T  y4 r# n. T; a纤维材料的屈服点不明显，往往表现为一区段，由作图法定出，常见有三种方法。
" \8 ~! A" _% `$ [. f) v' ^9 T" x（１）角平分线法：如图３所示，拉伸曲线在屈服点前后二个区域的切线交于一点，过这点作两切线的角平分线，交拉伸曲线于Ｙ，则Ｙ为屈服点。

图３　纤维屈服点的确定

（２）考泊兰（Ｃｏｐｌａｎ）法：按上述方法，过两切线交点，作平行于应变轴的直线，交拉伸曲线于Ｙ_ｃ，则Ｙ_ｃ为屈服点。
1 Z& W% J9 A1 ]（３）梅列狄斯（Ｍｅｒｅｄｉｔｈ）法：如图３所示，从原点到拉伸曲线断裂点连一直线，作与此直线平行线切于曲线，以此切点Ｙ_ｍ 为屈服点。
# Q. M" x# H- y8 @5 `; X- j* o  T过屈服点后，纺织材料伸长率明显增加，其中不可回复的伸长量和回复缓慢的伸长量占较大的比例，因此，在其他指标相同的情况下，屈服点高的纤维不易产生塑性变形，织成的织物尺寸稳定性较好。
+ H! H: }6 S3 h  T- u有些纤维（如锦纶）在拉伸过程中会出现第二个屈服点，如图２中锦纶的二次屈服点，为了考核这一性能，引入强伸余效（强力余效和伸长余效的总称）的指标，强伸余效是拉伸断裂强伸值与第二个屈服点强伸值之差对拉伸断裂强伸值的百分数。
强力余效＝［（σ_ａ－σ_１）／σ_ａ］×１００
' O. p6 y5 o) \6 ?  ?# w2 f. i4 \伸长余效＝［（ε_ａ－ε_１）／ε_ａ］×１００
! e0 y) x0 ?) d式中：σ_ａ———拉伸断裂强度；
ε_ａ———拉伸断裂伸长率，％；
σ_１———第二个屈服点强度；
9 S* `0 s7 R( r) v( E( z6 ?ε_１———第二个屈服点伸长率，％。
第二个屈服点强伸余效与服用性能密切相关，强伸余效愈高，服用性能愈好。如某些化学纤维中低强高伸型的强伸余效较高，服用性能较好。

+ `1 j5 ~  R# q' t, S* h6 Q& w' P３．断脱强度和断脱伸长率　
材料拉伸中，一部分材料在拉伸过程中达到最大力点（图１中ａ）之后，并未直接断脱，而缓慢下降一段之后应力才急剧下降并断脱，因此在断裂点ａ之外，还有一个断脱点ｄ（ｒｕｐｔｕｒｅｐｏｉｎｔ）。这点的强度称为断脱强度（ｒｕｐｔｕｒｅｔｅｎａｃｉｔｙ），其伸长率称断脱伸长率（ｒｕｐｔｕｒｅｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）。

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6 ]2 \& F1 d- b" H４．断裂功（ｂｒｅａｋｉｎｇｗｏｒｋ）和断裂比功　
在直接测定中，所得的拉伸曲线如图４所示。曲线Ｏａ下的面积就是拉断纤维、纱线或织物过程中外力对它作的功，也就是材料抵抗外力破坏具有的能量即“拉伸断裂功”。因此，有时将拉伸图称为示功图。
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直接记录的拉伸图

Ｗ ＝∫ｌａ０ｐｄｌ
式中：Ｗ———拉伸断裂功，１０－５Ｊ（或ｃＮ·ｍｍ）。
图4中，曲线Ｏａ下的面积占矩形Ｏｐａａｌａ的面积的比例为η，称为充满系数，断裂功的计算式如下。
Ｗ＝ｐａｌａη
  a" e) E% ~" E0 e& m式中：ｐａ———拉伸断裂强力，ｃＮ；
ｌａ———断裂伸长量，ｍｍ；
. ?+ {; x! H. M9 Q0 w& Nη———充满系数。
8 n$ @" G" @! ]纤维或纱线的粗细不同时，拉伸断裂功不能反映材料的相对强弱，故为比较起见，要取它的相对值，即折合成单位体积（ｍｍ３）时拉断纤维或纱线所需作的功（即折合成同样截面积、同样试样长度时的断裂功），称为拉伸断裂比功。
Ｗｄ＝ Ｗ/(Ｓ·Ｌ０)
式中：Ｗｄ———拉伸断裂比功，１０－５Ｊ／ｍｍ３；
, ]  S5 }9 z# j5 p! B/ kＳ———试样实际截面积，ｍｍ２；
Ｌ０———试样拉伸时的名义隔距长度，ｍｍ。
' _7 H+ v$ R5 L: p8 h7 ?+ |2 X5 H当断裂点之后有断脱点时，也有断脱功和断脱比功。
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