紡織材料拉伸變形曲線和有關指標

紡織材料在拉伸過程中，應力和變形同時發展，發展過程的曲線圖叫“拉伸圖”。當橫坐標為伸長率ε（％），縱坐標為拉伸應力（σ、ｐ０或Ｌ）時，拉伸曲線稱為應力應變曲線。典型曲線如下圖所示，斷裂點（ｂｒｅａｋｉｎｇｐｏｉｎｔ）ａ對應的拉伸應力σ_ａ就是斷裂應力，對應的伸長率ε_ａ就是斷裂伸長率。

圖1  拉伸應力曲線伸長率曲線圖

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' j8 N6 [5 ^" I8 Z/ L" a4 e不同材料的拉伸變形曲線形狀不同，如下圖所示，基本上分為三類。
0 S+ i0 p0 r" \/ Q& l3 g, k% n（１）高強低伸型：如麻、棉纖維表現出脆性特征。
- p1 d5 N0 r  I" S; u& U3 W（２）高強高伸型：如錦綸、滌綸表現出延展性特征。
（３）低強高伸型：如羊毛纖維表現出彈性特征。
% H! a' R5 w9 x( X# E* {當然上述分類并不很嚴格，化學纖維的加工工藝、加工條件不同，它的拉伸變形曲線也會不同，如滌綸短纖維可以有高強低伸（棉型）、低強高伸（毛型）等。
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圖2   不同纖維應力應變曲線圖

拉伸變形曲線有關指標如下。
１．初始模量　
拉伸應力曲線伸長率曲線圖1中Ｏｂ線段斜率較大，斜率即拉伸模量Ｅ。
& L* j+ y+ X. aＥ＝ｄσ/ｄε
# y. q6 Y0 [, e6 n2 |因此，在曲線Ｏｂ段接近Ｏ點附近，模量較高，即為初始模量，它代表紡織纖維、紗線和織物在受拉伸力很小時抵抗變形的能力。初始模量的簡便求法是：伸長率為１％時的纖維應力的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有關，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）；而棉纖維聚合度略低（１～１．５萬），分子鏈伸展并且氧六環剛硬；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、起拱性能等關系密切。
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２．屈服應力和應變　
5 q, J' i' z( s: D' }8 n7 u. A- p圖１中曲線上的ｂ點為屈服點（ｙｉｅｌｄｐｏｉｎｔ），這一點對應的拉伸應力為屈服應力（σ_ｂ），對應的伸長率就是屈服應變（ε_ｂ）。屈服點是在拉伸變形曲線上，由斜率較大轉向斜率較小時的轉折點，或者說紡織材料經過彈性變形區后進入到黏彈性區域（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。
纖維材料的屈服點不明顯，往往表現為一區段，由作圖法定出，常見有三種方法。
& Q$ _/ e+ [% I（１）角平分線法：如圖３所示，拉伸曲線在屈服點前后二個區域的切線交于一點，過這點作兩切線的角平分線，交拉伸曲線于Ｙ，則Ｙ為屈服點。
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圖３　纖維屈服點的確定

（２）考泊蘭（Ｃｏｐｌａｎ）法：按上述方法，過兩切線交點，作平行于應變軸的直線，交拉伸曲線于Ｙ_ｃ，則Ｙ_ｃ為屈服點。
（３）梅列狄斯（Ｍｅｒｅｄｉｔｈ）法：如圖３所示，從原點到拉伸曲線斷裂點連一直線，作與此直線平行線切于曲線，以此切點Ｙ_ｍ 為屈服點。
過屈服點后，紡織材料伸長率明顯增加，其中不可回復的伸長量和回復緩慢的伸長量占較大的比例，因此，在其他指標相同的情況下，屈服點高的纖維不易產生塑性變形，織成的織物尺寸穩定性較好。
9 I: @% w" p6 l* {' L有些纖維（如錦綸）在拉伸過程中會出現第二個屈服點，如圖２中錦綸的二次屈服點，為了考核這一性能，引入強伸余效（強力余效和伸長余效的總稱）的指標，強伸余效是拉伸斷裂強伸值與第二個屈服點強伸值之差對拉伸斷裂強伸值的百分數。
強力余效＝［（σ_ａ－σ_１）／σ_ａ］×１００
: V) m3 A3 U% a; B" Y伸長余效＝［（ε_ａ－ε_１）／ε_ａ］×１００
式中：σ_ａ———拉伸斷裂強度；
- M" n: k6 o& O+ U( |ε_ａ———拉伸斷裂伸長率，％；
σ_１———第二個屈服點強度；
3 W, S7 p' [+ uε_１———第二個屈服點伸長率，％。
第二個屈服點強伸余效與服用性能密切相關，強伸余效愈高，服用性能愈好。如某些化學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率　
材料拉伸中，一部分材料在拉伸過程中達到最大力點（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ａ之外，還有一個斷脫點ｄ（ｒｕｐｔｕｒｅｐｏｉｎｔ）。這點的強度稱為斷脫強度（ｒｕｐｔｕｒｅｔｅｎａｃｉｔｙ），其伸長率稱斷脫伸長率（ｒｕｐｔｕｒｅｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）。

４．斷裂功（ｂｒｅａｋｉｎｇｗｏｒｋ）和斷裂比功　
  b/ o6 V( e7 _在直接測定中，所得的拉伸曲線如圖４所示。曲線Ｏａ下的面積就是拉斷纖維、紗線或織物過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，有時將拉伸圖稱為示功圖。

直接記錄的拉伸圖

Ｗ ＝∫ｌａ０ｐｄｌ
式中：Ｗ———拉伸斷裂功，１０－５Ｊ（或ｃＮ·ｍｍ）。
( N2 E" E  H  d4 b: D圖4中，曲線Ｏａ下的面積占矩形Ｏｐａａｌａ的面積的比例為η，稱為充滿系數，斷裂功的計算式如下。
/ p$ m5 U7 u+ C8 V, r7 ?0 M7 GＷ＝ｐａｌａη
式中：ｐａ———拉伸斷裂強力，ｃＮ；
ｌａ———斷裂伸長量，ｍｍ；
3 g/ o: Q3 M- C* U! Fη———充滿系數。
纖維或紗線的粗細不同時，拉伸斷裂功不能反映材料的相對強弱，故為比較起見，要取它的相對值，即折合成單位體積（ｍｍ３）時拉斷纖維或紗線所需作的功（即折合成同樣截面積、同樣試樣長度時的斷裂功），稱為拉伸斷裂比功。
Ｗｄ＝ Ｗ/(Ｓ·Ｌ０)
式中：Ｗｄ———拉伸斷裂比功，１０－５Ｊ／ｍｍ３；
Ｓ———試樣實際截面積，ｍｍ２；
6 v8 N) ]. {- l& Q$ P, G1 h1 ?# [6 sＬ０———試樣拉伸時的名義隔距長度，ｍｍ。
當斷裂點之后有斷脫點時，也有斷脫功和斷脫比功。