第19次课-力学性质-应力与应变木材的粘弹性塑性木材的强度和韧性

128第19次课授课时间：2006年4月30日（星期日）1、2节课程名称木材学年级木材科学与工程04专业层次本科教师罗蓓专业技术职务助教学时40授课题目（章、节）第八章木材的力学性质（应力与应变、木材的粘弹性、塑性木材的强度和韧性）基本教材参考用书《木质资源材料学》刘一星赵广杰主编中国林业出版社2004年8月第一版教学目的与要求：木材的力学性质是度量木材抵抗外力的能力，研究木材应力与应变有关的性质以及影响这些性质的因子，因此要求学生理解和掌握木材的弹性性能，木材的粘弹性能，通过对这部分知识系统的学习，能够使木材的力学性质得到充分的利用，使木材的性能得到极大改进。教学内容与时间安排：1.木材的应力和应变。20min2.木材的蠕变。20min3.木材的松弛。10min4.木材的塑性。20min5.木材的强度。10min6.木材的韧性。10min7.木材的破坏。10min教学重点、难点：1.木材的应力—应变曲线。2.木材的蠕变曲线。3.木材的塑性变形。4.强度与韧性的区别。授课方法及手段：授课方法:以课堂讲授、自由提问和老师解答为教学方法，以及多媒体图片演示等手段相结合，着重在于引导。129第八章木材的力学性质木材力学主要探讨的是木材在外力作用下的机械性质，包括度量木材抵抗外力的能力，木材应力与变形的关系。木材是一种非均质的、各向异性的天然高分子材料，因此其力学性质与其他均质材料有着明显的差异。比如：它所有的力学性质指标参数都会因其含水率的变化而产生很大程度的改变；木材还会表现出介于弹性体和非弹性体之间的粘弹性，会发生蠕变现象，并且其力学性质还会受到载荷时间和环境条件的影响。木材的力学性质主要包括：应力与应变、弹性、粘弹性（塑性和蠕变）、强度（抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、扭曲强度、冲击纫性等）、硬度、抗劈力以及耐磨性等。1、应力与应变1.1应力物体在受到外力时具有发生形变的趋势，其内部会产生相应的抵抗形变的力，称为内力，当物体处于平衡状态时，内力与外力大小相等，方向相反。应力就是指物体在外力作用下单位面积上的内力。它的单位是：N/mm2（=MPa）1.2应变在外力作用下，物体单位长度上的尺寸或形状的变化称为应变。应变可用百分率（%）来表示，也可以作为一个无量纲的量。1.3应力与应变的关系P158的图9—1。纵轴表示试件受到的载荷，横轴表示试件的变形量。这根应力—应变曲线由从原点O开始的直线部分OA和连续的曲线部分ABC组成，曲线的终点C表示物体的破坏点，它能概括性的描述试件从受外力开始直到破坏时的力学行为。图9—1应力-应变曲线1301.3.1比例极限与永久变形（1）直线部分的上端点A对应的应力叫做比例极限应力，对应的应变叫做比例极限应变。（2）B点对应的应力叫做弹性极限应力，A点与B点间不再是直线关系，但是应力在弹性极限以下时，其变形仍然是弹性的，一旦去除外力，试件的应变就会完全恢复，这样的应变叫做弹性应变。（3）应力一旦超过弹性极限，应力—应变曲线的斜率减少，应变显著增大，这时如果去除应力，应变不会完全恢复，其中一部分会永久残留，这样的应变叫做塑性应变或永久应变。1.3.2破坏应力与破坏应变随着应力进一步增加，在C点达到最大值，试件产生破坏。C点对应的最大应力叫做破坏应力或极限强度。与破坏应力对应的应变叫做破坏应变。1.3.3屈服应力有时，当应力值超过弹性极限值并保持一定或基本上一定，而应变急剧增大，这种现象叫做屈服。而使应变突然转为急剧增大的应力就叫做屈服应力。（画图示意试件由弹性变形转变为直线屈服时的情况）木材受力以后的变形特性既不像真正的弹性材料，又不像真正的塑性材料，而属于既有弹性又有塑性的粘弹性材料。（但是在较小的应力范围和较短的加载时间内，木材的性能是十分接近于弹性材料的。）2、木材的粘弹性木材在长期载荷作用下，变形将逐渐增加，若载荷很小，经过一段时间后，变形就不再增加，但是当载荷超过某极限值时，变形会随着时间而增加，直至使木材破坏。所以，讨论木材的变形时，需对木材的弹性和粘性同时予以考虑，人们将木材这种同时体现弹性固体和粘性流体的综合特性称作粘弹性。蠕变和松弛是粘弹性的主要内容。它们会随着温度、载荷时间、加荷速度和应变幅度等因素的影响而改变，其中温度和时间的影响尤为明显。1312.1木材的蠕变2.1.1蠕变的定义在恒定的应力下，木材的应变随时间的延长而逐渐增大的现象称为蠕变。提问：生活中有哪些例子是属于木材的蠕变的？（书架上的隔板因为放置着很多书，会慢慢被压弯，时间一长会出现明显的变形。又比如：房屋的木梁经过一定时间的使用后，它的形状也有所改变，尤其是在夏天，它的变形会更明显）这些现象都与木材的蠕变特性有关。2.1.2蠕变曲线木材作为高分子材料，在受到外力作用时，由于其粘弹性会产生3种变形：瞬时弹性变形、粘弹性变形和塑性变形。P164的图9—4。横坐标为时间，纵坐标为应变。（1）瞬时弹性变形：在t0时施加应力于木材，即产生应变OA，它是与加荷速度相适应的变形，称为瞬时弹性变形。OA与应力之间的关系服从于虎克定律。（2）粘弹性变形：在这个不变的应力的作用下，随着时间的延长，变形继续慢慢的增加，产生了蠕变AB。在时间t1时解除应力，木材会立即产生弹性恢复BC1（=OA），到时间t2时，又出现部分蠕变恢复。也就是C1D部分，它是应力释放后随时间推移而递减的弹性变形，称为粘弹性变形（弹性后效变形）。（3）塑性变形：时间t2以后，变形恢复不大，可以忽略不计，于是剩下的DE部分就是残留的永久变形，又称作塑性变形。2.1.3机理为什么有的变形是可以恢复的，而有的变形则不能恢复呢？这是因为：（1）粘弹性变形：纤维素分子链的卷曲和伸展造成的，因此变形是可逆的，但与弹性变形相比它具有时间滞后性。图9—4木材的蠕变曲线132（2）塑性变形：纤维素分子链因载荷而彼此滑动，所以变形是不可逆转的。2.1.4蠕变规律P1651～52.1.5单向应力循环加载时的蠕变特点假设以一个方向的应力循环作用于木材，那么每个应力加载—卸载周期都会残留一个变形。随着作用次数的增多，木材蠕变的不可恢复部分也越来越大。因此，在木制品使用过程中，或者在产品设计过程中，一定要考虑应力的循环次数对材料性能及使用期限的影响。2.1.6建筑木构件的蠕变问题2.2木材的松弛在日常生活中，人们常发现刚刚钉入的钉子或榫比较紧固，但经过一段时间以后就容易发生松动，这种现象就与木材的松弛有关。2.2.1松弛的定义若使木材这类粘弹性材料产生一定的变形，并且在时间的推移中保持此状态，就要使产生此变形的应力随着时间的延长而逐渐减小。这种在恒定应变条件下应力随时间的延长而逐渐减小的现象称为应力松弛，简称松弛。能产生蠕变的材料必然会产生松弛。松弛与蠕变的区别在于：①在蠕变中：应力是常数，应变是随时间变化的可变量。②在松弛中：应变是常数，应力是随时间变化的可变量。2.2.2松弛曲线木材的松弛过程我们用应力—时间曲线来表示，P166的图9—6。3、木材的塑性木材作为承重构件使用时，必须要避免塑性变形的产生，因此设计应力或载荷重应控制在弹性极限或蠕变极限范围之内。但在弯曲木、压缩木、人造板成型加工时，又必须要掌握使木材产生塑性变形的条件，尽快增加它的变形。1333.1木材塑性的影响因素影响木材发生塑性变形的因素很多，比如：木材的多孔性、木材的含水率和温度等。（1）多孔性的影响：多孔性的树种比如：栎木、白蜡木、榆木等在承受弯曲加工时塑性比较大，是因为变形时强度比较大的木纤维对邻近的导管施加压力，使导管的强度降低，因而导管壁被迫向腔内溃陷，木纤维填充进空隙中，从而产生塑性变形。（2）含水率的影响：木材的塑性会随着含水率的↑而↑，但在0℃以下，木材细胞内所含的水分结冰，会使其塑性↓。（3）温度的影响：木材的塑性会随着温度的↑而↑，这比含水率起的作用更明显，因此将这种性质称为木材的热塑性。但是，在温度升高以后，木材也会变的比较脆，因此要加大木材的塑性，既要提高含水率也要提高温度，最常用的方法是水蒸气处理或水热处理。（4）除此之外，提高木材的塑性还可以添加增塑剂，使高分子的分子间结合力减弱，从而使塑性变形易于发生。3.2木材塑性的实质需要注意的是：木材的塑性有别于其他塑性材料。（1）通常的塑性材料：在外力去除后，形状并不发生改变，且这个变形一般不随温度、湿度等外部条件的影响而改变，所以被称为永久变形。（2）木材的塑性：①表现为外力去除后的一段时间内变形不发生改变，外力施加的能量被木材的结合机构（在外力施加时形成的一些氢键结合）所束缚，其变形被暂时固定，这时木材处于一种稳态。②但实际上这种稳态需要一个“外界条件也不变化”的前提才能够维持下去。一旦外界条件发生了变化，如温度升高、含水率加大时，木材内部活性化学基团的活动程度和连接方式都将发生改变，这时原先固定住的能量随结构的松动而被释放，在宏观上就表现为木材的变形逐渐恢复、消失。③所以，一般情况下（如压缩后或干燥变形固定）木材的塑性是相对的、有条件的、134非永久性的。只有采用化学处理、水热处理、水蒸气处理等方式或者消除木材的内部应力、或者使分子基团间产生交联结合、高凝聚态结合等，才有可能使木材的变形达到永久固定的目的。4、木材的强度和韧性4.1强度强度是指材料抵抗所施加的应力而不发生破坏的能力，它以N/mm2（=MPa）为单位。比如：抵抗拉伸应力的最大临界能力叫做抗拉强度，抵抗压缩应力的最大临界能力叫做抗压强度。当应力超过了材料的某项强度时，就会出现破坏。4.2韧性韧性是指材料在不至破坏的情况下所能抵御的瞬时最大冲击能量值，它以KJ/m2为单位。材料的韧性越大，它被扩展出一个裂隙乃至破坏所需的能量就越高，同时，达到破坏之前所能承受的应变值也越大。提问：韧性比较大的材料往往强度也大，这样的说法对吗？（其实这两个参数并没有因果关系，比如：陶瓷是强度很大的材料，但是却很脆，在很小的应变条件下就会破坏，在受到冲击力时也很容易破坏。又比如：铝，它能够承受很大的应变而不至断裂，但是其强度却很弱。因此，虽然强度和韧性最终都会达到被破坏的水平，但二者所表述的概念的不同，注意不要混淆。）小结本节首先复习了应力与应变的关系，然后着重介绍了木材的蠕变与松弛特性，最后分析探讨了增强木材塑性的方法。在这里面关于蠕变与塑性的研究是重点要求掌握的部分，对于后续木材加工类课程的学习有着重要的影响。复习思考题1.名词解释：弹性、塑性、蠕变、松驰2.木材的蠕变曲线。3.木材塑性的实质。4.增加木材塑性的方法。135