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化学纤维拉伸性能的测定一、实验目的应力-应变曲线又称S-S曲线，即纤维的负荷-延伸曲线。它反映了纤维在受到逐渐增加的轴向作用力而产生延伸直至最终断裂的全过程中，张力（负荷）与伸长的依赖关系。不同品种纤维有不同的应力-应变曲线（如图24-1所示）。即使同一品种纤维在于态与湿态等不同状态，或长丝与短纤维等不同形态，或由于工艺条件的差别等，其应力一应变曲线都会不同。因此常将该曲线称为纤维的特性曲线。通过应力一应变曲线图可以求得纤维一系列重要的机械力学性能指标，这对手纤维的纺织加工及产品的服用性能均有很大关系，所以测定纤维的拉伸性能，进而绘制应力一应变曲线受到了广泛的重视。本实验是化学纤维结构性能测试中的基本实验之一。通过本实验应达到以下目的：1、了解应力-应变曲线的涵义，并从中求出纤维有关的机械力学性能参数：2、掌握电子强力仪的使用方法及测定应力-应变曲线的基本原理。二、实验原理由于成纤高聚物大分子的结构特点，使其长链分子具有多重运动单元，因此在外力作用下的力学行为是一个松弛过程，具有明显的粘弹性质。在拉伸过程中因实验条件的不同，其拉伸行为有很大的差别。典型的应力-应变曲线如图24-1所示。起始时随应力增大应变也增大，在起始段应力与应变成正比关系，符合虎克定律，呈理想弹性体。从oa直线段的斜率可求出材料的初始模量。随着应变的增大，应力出现明显的极大值或拐点f，常称为屈服点。越过屈服点后，bc段的斜率称为屈服后模量。继续增大应变，又出现明-2
- 2 - 化学纤维拉伸性能的测定 一、实验目的 应力-应变曲线又称 S-S 曲线，即纤维的负荷-延伸曲线。它反 映了纤维在受到逐渐增加的轴向作用力而产生延伸直至最终断裂 的全过程中，张力（负荷）与伸长的依赖关系。 不同品种纤维有不同的应力-应变曲线（如图 24-1 所示）。即 使同一品种纤维在干态与湿态等不同状态，或长丝与短纤维等不同 形态，或由于工艺条件的差别等，其应力-应变曲线都会不同。因 此常将该曲线称为纤维的特性曲线。通过应力-应变曲线图可以求 得纤维一系列重要的机械力学性能指标，这对于纤维的纺织加工及 产品的服用性能均有很大关系，所以测定纤维的拉伸性能，进而绘 制应力-应变曲线受到了广泛的重视。 本实验是化学纤维结构性能测试中的基本实验之一。通过本实 验应达到以下目的： 1、 了解应力-应变曲线的涵义，并从中求出纤维有关的机械 力学性能参数； 2、 掌握电子强力仪的使用方法及测定应力-应变曲线的基本 原理。 二、实验原理 由于成纤高聚物大分子的结构特点，使其长链分子具有多重运 动单元，因此在外力作用下的力学行为是一个松弛过程，具有明显 的粘弹性质。在拉伸过程中因实验条件的不同，其拉伸行为有很大 的差别。典型的应力-应变曲线如图 24-1 所示。起始时随应力增大， 应变也增大，在起始段应力与应变成正比关系，符合虎克定律，呈 理想弹性体。从 oa 直线段的斜率可求出材料的初始模量。随着应 变的增大，应力出现明显的极大值或拐点 f，常称为屈服点。越过 屈服点后，bc 段的斜率称为屈服后模量。继续增大应变，又出现明
显的应变硬化现象，de段的斜率称为增强模量。过了此段后继续拉伸，曲线的斜率又变小，最后在g点发生断裂。断裂点的应力和应变称为断裂强度和断裂伸长率。直变（%）图24-1不同纤维的应力-应变曲线1-高强涤纶2-锦纶3-普强涤纶4-粘胶纤维5-醋酯纤维本实验采用YG-001型单纤维强力仪。以一定长度的单纤维为样品，负荷以cN（或gf）为单位，伸长以cm（或mm）为单位。在记录纸上记录纤维所受负荷与伸长之间的关系，得负荷一伸长曲线（如图24-3）。（百小酒图24-2典型的应力-应变曲线-3
- 3 - 显的应变硬化现象，de 段的斜率称为增强模量。过了此段后继续拉 伸，曲线的斜率又变小，最后在 g 点发生断裂。断裂点的应力和应 变称为断裂强度和断裂伸长率。 图 24-1 不同纤维的应力-应变曲线 1-高强涤纶 2-锦纶 3-普强涤纶 4-粘胶纤维 5-醋酯纤维 本实验采用 YG-001 型单纤维强力仪。以一定长度的单纤维为 样品，负荷以 cN（或 gf）为单位，伸长以 cm（或 mm）为单位。 在记录纸上记录纤维所受负荷与伸长之间的关系，得负荷-伸长曲 线（如图 24-3）。 图 24-2 典型的应力-应变曲线
URNO)M钟长Lmm）图24-3负荷-伸长曲线在物理和工程上，应力是指在外力作用下材料单位面积上所受到的力。纤维在受力而伸长的过程中，其截面积是逐渐缩小的，但为了测定方便，一般就以纤维的初始截面积计算，称为名义应力。又因为各种纤维的密度不同，为了便于对各种纤维的拉伸性能进行比较，通常根据负荷一伸长曲线的数据，把负荷除以纤维纤度得强度，把伸长除以试样的夹持长度得伸长率。以强度做纵坐标，伸长率做横坐标，即得应力-应变曲线（如图24-2。根据应力-应变曲线，各种纤维在强度和伸长率单位统一的基础上，就有了可比性。从应力-应变曲线可得到纤维材料的以下几项主要性能参数：（1）断裂强度：被拉伸的纤维在断裂时所需要的稳恒作用力。表征强度的方法有几种，本实验用相对强度来表示，即纤维的绝对强度与纤度的比值。单位为N/tex、cN/dtex（gf/旦、gf/tex）。在应力-应变曲线中以断裂点的高度gK表示。（2）断裂伸长：指纤维在断裂时所达到的伸长率。计量单位通常用纤维试样原长的百分增长率表示（%）。在应力一应变曲线图上oK的长度即为断裂伸长率。（3）初始模量：伸长1%时，单位纤度的纤维所需要负荷的cN（或gf）数。此参数表征纤维对小延伸的抵抗能力。常用单位Pa（dyn/cm2、gf/tex、gf/旦）。其值在图24-2中以oa线段的斜率表-4
- 4 - 图 24-3 负荷-伸长曲线 在物理和工程上，应力是指在外力作用下材料单位面积上所受 到的力。纤维在受力而伸长的过程中，其截面积是逐渐缩小的，但 为了测定方便，一般就以纤维的初始截面积计算，称为名义应力。 又因为各种纤维的密度不同，为了便于对各种纤维的拉伸性能进行 比较，通常根据负荷-伸长曲线的数据，把负荷除以纤维纤度得强 度，把伸长除以试样的夹持长度得伸长率。以强度做纵坐标，伸长 率做横坐标，即得应力-应变曲线（如图 24-2）。根据应力-应变曲 线，各种纤维在强度和伸长率单位统一的基础上，就有了可比性。 从应力-应变曲线可得到纤维材料的以下几项主要性能参数： （1）断裂强度：被拉伸的纤维在断裂时所需要的稳恒作用力。 表征强度的方法有几种，本实验用相对强度来表示，即纤维的绝对 强度与纤度的比值。单位为 N/tex、cN/dtex（gf/旦、gf/tex）。在应 力-应变曲线中以断裂点的高度 gK 表示。 （2）断裂伸长：指纤维在断裂时所达到的伸长率。计量单位 通常用纤维试样原长的百分增长率表示（%）。在应力-应变曲线图 上 oK 的长度即为断裂伸长率。 （3）初始模量：伸长 1%时，单位纤度的纤维所需要负荷的 cN （或 gf）数。此参数表征纤维对小延伸的抵抗能力。常用单位 Pa （dyn/cm2、gf/tex、gf/旦）。其值在图 24-2 中以 oa 线段的斜率表
示。（4）屈服点：在典型的应力-应变曲线上自原点出发，最初的线段近似直线，斜率较大，随后进入延伸性能突然变的较大的一个区域，斜率急剧变小，在这两个区域之间往往有二个转折点，即为屈服点。由屈服点的位置可以得到屈服强度和屈服伸长率。纤维在屈服点以前产生的形变主要是可以恢复的弹性形变，在屈服点以后的形变中有不可恢复的塑性形变。所以在其他指标一定的情况下，屈服点高的纤维不易产生塑性变形。特别是屈服伸长率高的纤维，拉伸弹性比较好，其织物的尺寸稳定性较好。皮变直变(a)(b)皮变(c)图24-4屈服点的求法屈服点的求法有以下三种，如图24-4（a）、（b）、（c)所示。(a）作原点与断裂点的连线oP，平行于oP作应力-应变曲线的切线，切点f即为屈服点。-5
- 5 - 示。 （4）屈服点：在典型的应力-应变曲线上自原点出发，最初的 线段近似直线，斜率较大，随后进入延伸性能突然变的较大的一个 区域，斜率急剧变小，在这两个区域之间往往有一个转折点，即为 屈服点。由屈服点的位置可以得到屈服强度和屈服伸长率。纤维在 屈服点以前产生的形变主要是可以恢复的弹性形变，在屈服点以后 的形变中有不可恢复的塑性形变。所以在其他指标一定的情况下， 屈服点高的纤维不易产生塑性变形。特别是屈服伸长率高的纤维， 拉伸弹性比较好，其织物的尺寸稳定性较好。 图 24-4 屈服点的求法 屈服点的求法有以下三种，如图 24-4 (a)、(b)、(c)所示。 (a) 作原点与断裂点的连线 oP，平行于 oP 作应力-应变曲线 的切线，切点 f 即为屈服点
（b）作应力-应变曲线转折点前后两个区域的切线，两切线相交与K点，过K点作一直线与横轴平行，交曲线与f点，即为屈服点。(c）作应力-应变曲线转折点前后两个区域的切线，相交与K点从K点作交角的平分线，此平分线交曲线于f点，即为屈服点（5）断裂功：外力对纤维所作的总功，即纤维受拉伸至断裂时所吸收的总能量。用负荷一伸长曲线下面所包含的面积表示，单位为N·cm（或gf·cm）。为了对各种纤维和原始长度不同的纤维作相互比较，又常采用断裂比功来表示：断裂比功=断裂功/（试样纤度×试样长度）断裂比功的单位常用N/tex、cN/dtex（gf/旦、gf/tex）来表示。断裂比功是纤维韧性的量度。断裂比功大，表示纤维断裂时所需要的能量大。它可以用来衡量纤维及其织物承受冲击的能力。（6）细颈应力：某些纤维的应力-应变曲线图，过了屈服点f后增加少量应力就出现较大的应变（细颈），此时应力-应变曲线上出现一段水平线即bc段（见图24-5），在线段上取一点e（平均高度值），其相应的应力称为细颈应力。牛按变-6
- 6 - (b)作应力-应变曲线转折点前后两个区域的切线，两切线相交 与 K 点，过 K 点作一直线与横轴平行，交曲线与 f 点，即为屈服 点。 (c)作应力-应变曲线转折点前后两个区域的切线，相交与 K 点， 从 K 点作交角的平分线，此平分线交曲线于 f 点，即为屈服点。 （5）断裂功：外力对纤维所作的总功，即纤维受拉伸至断裂 时所吸收的总能量。用负荷-伸长曲线下面所包含的面积表示，单 位为 N·cm（或 gf·cm）。 为了对各种纤维和原始长度不同的纤维作相互比较，又常采用 断裂比功来表示： 断裂比功 = 断裂功 /（试样纤度 × 试样长度） 断裂比功的单位常用 N/tex、cN/dtex（gf/旦、gf/tex）来表示。 断裂比功是纤维韧性的量度。断裂比功大，表示纤维断裂时所需要 的能量大。它可以用来衡量纤维及其织物承受冲击的能力。 （6）细颈应力：某些纤维的应力-应变曲线图，过了屈服点 f 后增加少量应力就出现较大的应变（细颈），此时应力-应变曲线上 出现一段水平线即 bc 段（见图 24-5），在线段上取一点 e（平均高 度值），其相应的应力称为细颈应力
图24-5涤纶出生纤维的应力-应变曲线三、实验仪器本实验采用的YG-001电子强力仪是通过传感器的作用，将纤维被拉伸时所受的力转换成电信号，经放大推动记录笔移动，指示负荷。在下夹头等速下降的同时，记录纸以等速前移，记录纸的走纸量与纤维伸长成正比。随着下夹头的下降，纤维伸长形变逐渐增加，受力不断增大，记录仪将纤维所受负荷和伸长之间的关系画成曲线，即得负荷一伸长曲线。仪器主要由下列各部分组成：1、负荷测量装置一一传感器负荷测量主要是通过传感器将拉伸纤维时所受到的力转换成电信号。本仪器配有一个四臂线性电阻电桥式传感器，用电阻丝作转换元件。电阻丝直接绕制在两根玻璃柱之间，受力的电阻丝发生变形，便阻值发生变化，则便电桥两端有电压输出。2、负荷记录装置一一应变仪应变仪由测量电桥、直流放大器、模数转换、负荷显示等部分组成，并与记录仪相连。传感器中的四组电阻丝组成测量电桥。在试样未受力时，电桥处于平衡状态，无信号输出，记录笔指示在零位。当拉伸纤维试样时，电阻丝受力变形，电桥失去平衡而有信号电压输出。输出电压大小正比于所受外力，经过直流放大后带动记录笔移动，并通过模数转换便之直接显示负荷值。3、伸长测量装置一一下夹头运动控制与伸长数字显示伸长测量主要通过下头的升降运动控制装置来完成的。下夹头的升降由步进电机通过涡轮涡杆带动丝杆控制的。由振荡器产生的脉冲信号，一方面送入步进电机，带动下夹头下降：另一方面送入计数电路进行计数，其数值即代表纤维的伸长值。YG-001电子强力仪的外形结构及主要控制旋钮如图24-6所示。-7-
- 7 - 图 24-5 涤纶出生纤维的应力-应变曲线 三、实验仪器 本实验采用的 YG-001 电子强力仪是通过传感器的作用，将纤 维被拉伸时所受的力转换成电信号，经放大推动记录笔移动，指示 负荷。在下夹头等速下降的同时，记录纸以等速前移，记录纸的走 纸量与纤维伸长成正比。随着下夹头的下降，纤维伸长形变逐渐增 加，受力不断增大，记录仪将纤维所受负荷和伸长之间的关系画成 曲线，即得负荷-伸长曲线。 仪器主要由下列各部分组成： 1、负荷测量装置——传感器 负荷测量主要是通过传感器 将拉伸纤维时所受到的力转换成电信号。本仪器配有一个四臂线性 电阻电桥式传感器，用电阻丝作转换元件。电阻丝直接绕制在两根 玻璃柱之间，受力的电阻丝发生变形，使阻值发生变化，则使电桥 两端有电压输出。 2、负荷记录装置——应变仪 应变仪由测量电桥、直流放 大器、模数转换、负荷显示等部分组成，并与记录仪相连。 传感器中的四组电阻丝组成测量电桥。在试样未受力时，电桥 处于平衡状态，无信号输出，记录笔指示在零位。当拉伸纤维试样 时，电阻丝受力变形，电桥失去平衡而有信号电压输出。输出电压 大小正比于所受外力，经过直流放大后带动记录笔移动，并通过模 数转换使之直接显示负荷值。 3、伸长测量装置——下夹头运动控制与伸长数字显示 伸 长测量主要通过下夹头的升降运动控制装置来完成的。下夹头的升 降由步进电机通过涡轮涡杆带动丝杆控制的。由振荡器产生的脉冲 信号，一方面送入步进电机，带动下夹头下降；另一方面送入计数 电路进行计数，其数值即代表纤维的伸长值。 YG-001 电子强力仪的外形结构及主要控制旋钮如图 24-6 所示
8a?C图24-6YG-001单纤维电子强力仪外形结构及主要控制旋钮图1-指示电表2-负荷显示3-伸长显示4-定伸长选择开关5-负荷旋程选择旋钮6-粗调旋钮7-细调电位器8-校准电位器9-倍率开关10-速度方式开关11-测量选择开关12-下降速度微调电位器13-下降速度选择旋钮14-总电源开关15-传感器16-上限指示灯17-上夹持器18-下夹持器19-电动机开关20-计数置零按钮21-上升按钮停止按钮22-测量按钮测量开关23-记录仪电源开关24-记录纸走纸速度旋钮25-调零电位器26-调满电位8
- 8 - 图 24-6 YG-001 单纤维电子强力仪外形结构及主要控制旋钮图 1-指示电表 2-负荷显示 3-伸长显示 4-定伸长选择开关 5-负荷旋程选择旋钮 6-粗调旋钮 7-细调电位器 8-校准电位器 9-倍率开关 10-速度方式开关 11-测量选择开关 12-下降速度微调电位器 13-下降速度选择旋钮 14-总电源开关 15-传感器 16-上限指示灯 17-上夹持器 18-下夹持器 19-电动机开关 20-计数置零按钮 21-上升按钮停止按钮 22-测量按钮测量开 关 23-记录仪电源开关 24-记录纸走纸速度旋钮 25-调零电位器 26-调满电位
器四、实验步骤1、仪器使用前，需对仪器进行预热、调零、满刻度调整和传感器线性调整。此项工作由实验室教师预先进行。2、调零：根据测量需要，把“负荷量程选择”旋钮5旋在所需测量档上。挂上夹持器17，撤“置零”按钮20，然后调节“粗调”旋钮6和“细调”电位器7，使负荷显示值为[000]。需要注意的是，不管负荷量程选择多少，本仪器在测试时达到负荷满量程时，负荷数字均显示「20011因此采用不同的量程时需按比例进行换算。如试样的断裂强度不高，可把负荷量程放在20g档，以便于换算。3、试样准备：约取10mg纤维样品，用手扯法整理成一端整齐的纤维束。整理时用力不宜过大，以免使纤维伸长。然后先用稀梳，再用密梳，梳去其中短纤维，并扯去过长纤维，最后把整理平直的纤维束放在黑绒板上。4、夹取纤维试样：把“测量”开关24关闭，取下上夹持器17（这一点需要特别注意，若在测量开关打开的情况下装取夹持器，将会损坏传感器！）。用张力夹仔细的在黑绒板上夹取单纤维一端，将其另一端夹入已取下的上持器中。用手旋紧上夹持器的螺丝，但不宜过紧或过松。然后小心的将上夹持器挂在传感器下面的挂钩上。将挂有张力夹的纤维一端夹入下夹持器18内，旋紧下夹持器的螺丝，取下张力夹。选用张力夹的重量是根据纤维试样的粗细和卷曲程度而定，一般选用200mg。5、一次拉伸实验：（1）把“测量选择”开关11拨至“拉伸”档，“速度方式”-9
- 9 - 器 四、实验步骤 1、 仪器使用前，需对仪器进行预热、调零、满刻度调整和传 感器线性调整。此项工作由实验室教师预先进行。 2、 调零：根据测量需要，把“负荷量程选择”旋钮 5 旋在所 需测量档上。挂上夹持器 17，揿“置零”按钮 20，然后调节“粗 调”旋钮 6 和“细调”电位器 7，使负荷显示值为[000]。 需要注意的是，不管负荷量程选择多少，本仪器在测试时达到 负荷满量程时，负荷数字均显示[200]，因此采用不同的量程时需 按比例进行换算。如试样的断裂强度不高，可把负荷量程放在 20g 档，以便于换算。 3、 试样准备：约取 10mg 纤维样品，用手扯法整理成一端整 齐的纤维束。整理时用力不宜过大，以免使纤维伸长。然后先用稀 梳，再用密梳，梳去其中短纤维，并扯去过长纤维，最后把整理平 直的纤维束放在黑绒板上。 4、 夹取纤维试样：把“测量”开关 24 关闭，取下上夹持器 17（这一点需要特别注意，若在测量开关打开的情况下装取夹持器， 将会损坏传感器！）。 用张力夹仔细的在黑绒板上夹取单纤维一端，将其另一端夹入 已取下的上夹持器中。用手旋紧上夹持器的螺丝，但不宜过紧或过 松。然后小心的将上夹持器挂在传感器下面的挂钩上。将挂有张力 夹的纤维一端夹入下夹持器 18 内，旋紧下夹持器的螺丝，取下张 力夹。 选用张力夹的重量是根据纤维试样的粗细和卷曲程度而定，一 般选用 200mg。 5、 一次拉伸实验： （1）把“测量选择”开关 11 拨至“拉伸”档，“速度方式
开关10拨至“定值”档，这时下夹持器的下降速度是一定的。下夹持器下降速度选择开关13从2mm/min至60mm/min共分十一档。根据试样品种，按计算结果选择一定的下降速度，通常要求维能在203s的时间内拉断。例：设某纤维试样长度为10mm，已知该纤维断裂相对伸长一般在25%左右。现要求纤维在20s左右时间内拉断，则下夹持器下降速度可以根据下式进行计算：S.L10×25%=7.5(mm/min)=60×V=60×20t式中：v一一下夹持器下降速度（mm/min）S一一试样长度（mm）L一一试样断裂伸长率估计值（2）打开“测量”开关24，“置零”按钮20，再撤“下降”按钮23，这时步进电机开始转动，下夹持器下移，纤维受力拉伸。纤维一断裂，下夹持器在断裂自停信号控制下快速自动回升至实验开始时的位置，为第二次拉伸作好准备。而“负荷”、“伸长”数码管则自动记录，并保留纤维断裂时的强力和伸长数字。在记录仪上可得负荷-伸长曲线（如图24-3）。一次测定完毕。（3）如此重复测定，每一种样品需进行10～20次，可得到相应的负荷一伸长曲线图。五、实验结果与数据整理从记录仪记录的负荷一伸长曲线，可求下列性质指标：（1）断裂强度：断裂强力=（断裂点g的纵坐标格子数×满量程克数）／纵坐标满量程格子数断裂强度=断裂强力/纤维纤度-10
- 10 - 开关 10 拨至“定值”档，这时下夹持器的下降速度是一定的。下 夹持器下降速度选择开关 13 从 2 mm/min 至 60 mm/min 共分十一 档。根据试样品种，按计算结果选择一定的下降速度，通常要求纤 维能在 20±3 s 的时间内拉断。 例：设某纤维试样长度为 10 mm，已知该纤维断裂相对伸长一 般在 25%左右。现要求纤维在 20 s 左右时间内拉断，则下夹持器 下降速度可以根据下式进行计算： 10 25% 60 60 7.5( / min) 20 S L v mm t = = = 式中： v——下夹持器下降速度 (mm/min) S ——试样长度（mm） L ——试样断裂伸长率估计值 （2）打开“测量”开关 24，揿“置零”按钮 20，再揿“下降” 按钮 23，这时步进电机开始转动，下夹持器下移，纤维受力拉伸。 纤维一断裂，下夹持器在断裂自停信号控制下快速自动回升至实验 开始时的位置，为第二次拉伸作好准备。而“负荷”、“伸长”数码 管则自动记录，并保留纤维断裂时的强力和伸长数字。在记录仪上， 可得负荷-伸长曲线（如图 24-3）。一次测定完毕。 （3）如此重复测定，每一种样品需进行 10～20 次，可得到相 应的负荷-伸长曲线图。 五、实验结果与数据整理 从记录仪记录的负荷-伸长曲线，可求下列性质指标： （1） 断裂强度： 断裂强力 = （断裂点 g 的纵坐标格子数×满量程克数）/ 纵坐 标满量程格子数 断裂强度 = 断裂强力 / 纤维纤度