紡織材料拉伸變形曲線(xiàn)和有關(guān)指標

紡織材料在拉伸過(guò)程中，應力和變形同時(shí)發(fā)展，發(fā)展過(guò)程的曲線(xiàn)圖叫“拉伸圖”。當橫坐標為伸長(cháng)率ε（％），縱坐標為拉伸應力（σ、ｐ０或Ｌ）時(shí)，拉伸曲線(xiàn)稱(chēng)為應力應變曲線(xiàn)。典型曲線(xiàn)如下圖所示，斷裂點(diǎn)（ｂｒｅａｋｉｎｇｐｏｉｎｔ）ａ對應的拉伸應力σ_ａ就是斷裂應力，對應的伸長(cháng)率ε_ａ就是斷裂伸長(cháng)率。

圖1  拉伸應力曲線(xiàn)伸長(cháng)率曲線(xiàn)圖

1 I' p1 R1 h1 L; n
不同材料的拉伸變形曲線(xiàn)形狀不同，如下圖所示，基本上分為三類(lèi)。
（１）高強低伸型：如麻、棉纖維表現出脆性特征。
3 d' P" |4 C! s. x* W（２）高強高伸型：如錦綸、滌綸表現出延展性特征。
5 d8 ~% q# E& U: J4 \& a（３）低強高伸型：如羊毛纖維表現出彈性特征。
當然上述分類(lèi)并不很?chē)栏?，化學(xué)纖維的加工工藝、加工條件不同，它的拉伸變形曲線(xiàn)也會(huì )不同，如滌綸短纖維可以有高強低伸（棉型）、低強高伸（毛型）等。

圖2   不同纖維應力應變曲線(xiàn)圖

拉伸變形曲線(xiàn)有關(guān)指標如下。
１．初始模量　
: L# a: z8 @+ U) v2 q拉伸應力曲線(xiàn)伸長(cháng)率曲線(xiàn)圖1中Ｏｂ線(xiàn)段斜率較大，斜率即拉伸模量Ｅ。
Ｅ＝ｄσ/ｄε
$ `& `$ h2 R, K1 t( r# d) T因此，在曲線(xiàn)Ｏｂ段接近Ｏ點(diǎn)附近，模量較高，即為初始模量，它代表紡織纖維、紗線(xiàn)和織物在受拉伸力很小時(shí)抵抗變形的能力。初始模量的簡(jiǎn)便求法是：伸長(cháng)率為１％時(shí)的纖維應力的１００倍，即為初始模量，單位為ｃＮ／ｔｅｘ或ｃＮ／ｄｔｅｘ，一般用Ｅ_０表示。它的大小與纖維材料的分子結構及聚集狀態(tài)有關(guān)，如苧麻纖維Ｅ０為１７６～２２０ｃＮ／ｄｔｅｘ，棉纖維Ｅ_０為６０～８２ｃＮ／ｄｔｅｘ，綿羊毛纖維Ｅ_０為８．５～２２ｃＮ／ｄｔｅｘ，這是由于麻纖維聚合度高（約為３萬(wàn)）；而棉纖維聚合度略低（１～１．５萬(wàn)），分子鏈伸展并且氧六環(huán)剛硬；毛纖維分子鏈柔軟，且有α螺旋，聚合度也低（１００～３００），毛織物的手感較柔軟，與紡織制品的手感、懸垂、起拱性能等關(guān)系密切。
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２．屈服應力和應變　
& @4 ]/ u9 g; l, ^' d0 o圖１中曲線(xiàn)上的ｂ點(diǎn)為屈服點(diǎn)（ｙｉｅｌｄｐｏｉｎｔ），這一點(diǎn)對應的拉伸應力為屈服應力（σ_ｂ），對應的伸長(cháng)率就是屈服應變（ε_ｂ）。屈服點(diǎn)是在拉伸變形曲線(xiàn)上，由斜率較大轉向斜率較小時(shí)的轉折點(diǎn)，或者說(shuō)紡織材料經(jīng)過(guò)彈性變形區后進(jìn)入到黏彈性區域（在此區域變形迅速增加），從彈性變形到黏彈性變形的轉折點(diǎn)。
纖維材料的屈服點(diǎn)不明顯，往往表現為一區段，由作圖法定出，常見(jiàn)有三種方法。
（１）角平分線(xiàn)法：如圖３所示，拉伸曲線(xiàn)在屈服點(diǎn)前后二個(gè)區域的切線(xiàn)交于一點(diǎn)，過(guò)這點(diǎn)作兩切線(xiàn)的角平分線(xiàn)，交拉伸曲線(xiàn)于Ｙ，則Ｙ為屈服點(diǎn)。

圖３　纖維屈服點(diǎn)的確定

  U8 ]$ f, d3 T  R: r（２）考泊蘭（Ｃｏｐｌａｎ）法：按上述方法，過(guò)兩切線(xiàn)交點(diǎn)，作平行于應變軸的直線(xiàn)，交拉伸曲線(xiàn)于Ｙ_ｃ，則Ｙ_ｃ為屈服點(diǎn)。
（３）梅列狄斯（Ｍｅｒｅｄｉｔｈ）法：如圖３所示，從原點(diǎn)到拉伸曲線(xiàn)斷裂點(diǎn)連一直線(xiàn)，作與此直線(xiàn)平行線(xiàn)切于曲線(xiàn)，以此切點(diǎn)Ｙ_ｍ 為屈服點(diǎn)。
5 {* f- z9 l+ |" n! z, \9 h* F! `2 A過(guò)屈服點(diǎn)后，紡織材料伸長(cháng)率明顯增加，其中不可回復的伸長(cháng)量和回復緩慢的伸長(cháng)量占較大的比例，因此，在其他指標相同的情況下，屈服點(diǎn)高的纖維不易產(chǎn)生塑性變形，織成的織物尺寸穩定性較好。
有些纖維（如錦綸）在拉伸過(guò)程中會(huì )出現第二個(gè)屈服點(diǎn)，如圖２中錦綸的二次屈服點(diǎn)，為了考核這一性能，引入強伸余效（強力余效和伸長(cháng)余效的總稱(chēng)）的指標，強伸余效是拉伸斷裂強伸值與第二個(gè)屈服點(diǎn)強伸值之差對拉伸斷裂強伸值的百分數。
9 E) I$ O: t  s/ P* H. e; M, e強力余效＝［（σ_ａ－σ_１）／σ_ａ］×１００
伸長(cháng)余效＝［（ε_ａ－ε_１）／ε_ａ］×１００
式中：σ_ａ———拉伸斷裂強度；
% ?' p8 O9 i% f( ]ε_ａ———拉伸斷裂伸長(cháng)率，％；
σ_１———第二個(gè)屈服點(diǎn)強度；
ε_１———第二個(gè)屈服點(diǎn)伸長(cháng)率，％。
+ r& K2 _" {! N. j8 l% `. Z第二個(gè)屈服點(diǎn)強伸余效與服用性能密切相關(guān)，強伸余效愈高，服用性能愈好。如某些化學(xué)纖維中低強高伸型的強伸余效較高，服用性能較好。

３．斷脫強度和斷脫伸長(cháng)率　
2 c' k  h4 g' ?' e材料拉伸中，一部分材料在拉伸過(guò)程中達到最大力點(diǎn)（圖１中ａ）之后，并未直接斷脫，而緩慢下降一段之后應力才急劇下降并斷脫，因此在斷裂點(diǎn)ａ之外，還有一個(gè)斷脫點(diǎn)ｄ（ｒｕｐｔｕｒｅｐｏｉｎｔ）。這點(diǎn)的強度稱(chēng)為斷脫強度（ｒｕｐｔｕｒｅｔｅｎａｃｉｔｙ），其伸長(cháng)率稱(chēng)斷脫伸長(cháng)率（ｒｕｐｔｕｒｅｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）。

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４．斷裂功（ｂｒｅａｋｉｎｇｗｏｒｋ）和斷裂比功　
在直接測定中，所得的拉伸曲線(xiàn)如圖４所示。曲線(xiàn)Ｏａ下的面積就是拉斷纖維、紗線(xiàn)或織物過(guò)程中外力對它作的功，也就是材料抵抗外力破壞具有的能量即“拉伸斷裂功”。因此，有時(shí)將拉伸圖稱(chēng)為示功圖。

直接記錄的拉伸圖

& k9 T2 F6 d! a! _" D  ^Ｗ ＝∫ｌａ０ｐｄｌ
( T; H2 w' Y  u- m' U' g5 C" n式中：Ｗ———拉伸斷裂功，１０－５Ｊ（或ｃＮ·ｍｍ）。
/ V3 y8 T% o6 f, P; H' J圖4中，曲線(xiàn)Ｏａ下的面積占矩形Ｏｐａａｌａ的面積的比例為η，稱(chēng)為充滿(mǎn)系數，斷裂功的計算式如下。
# c3 p$ _5 q/ R" O- F: T& E/ GＷ＝ｐａｌａη
式中：ｐａ———拉伸斷裂強力，ｃＮ；
/ M; V+ i5 t6 b# X! Y6 a' jｌａ———斷裂伸長(cháng)量，ｍｍ；
η———充滿(mǎn)系數。
纖維或紗線(xiàn)的粗細不同時(shí)，拉伸斷裂功不能反映材料的相對強弱，故為比較起見(jiàn)，要取它的相對值，即折合成單位體積（ｍｍ３）時(shí)拉斷纖維或紗線(xiàn)所需作的功（即折合成同樣截面積、同樣試樣長(cháng)度時(shí)的斷裂功），稱(chēng)為拉伸斷裂比功。
5 X/ T5 W& r, {% a4 o1 u3 dＷｄ＝ Ｗ/(Ｓ·Ｌ０)
式中：Ｗｄ———拉伸斷裂比功，１０－５Ｊ／ｍｍ３；
! L2 |2 y, \3 c6 [8 f' aＳ———試樣實(shí)際截面積，ｍｍ２；
Ｌ０———試樣拉伸時(shí)的名義隔距長(cháng)度，ｍｍ。
當斷裂點(diǎn)之后有斷脫點(diǎn)時(shí)，也有斷脫功和斷脫比功。
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