木材学双语教案-第8章

第八章木材的力学性质(TheMechanicalPropertiesofWood)木材抵抗外部机械力作用的能力称木材的力学性质。木材的力学性质包括弹性、粘弹性、硬度、韧性、各类强度和工艺性质等。第一节木材力学性质的基本概念（fundamentalconceptofwoodymechanicalproperties）1.应力(stress)：材料在外力作用下，单位面积上所产生的内力。2.应变(strain)：单位长度上所产生的变形。3.应力—应变图(stress-straincurve)：以应力为纵坐标，以应变为横坐标，表示应力和应变关系的曲线。)(kPaAP)/(cmcml简单应力中，当压力方向平行于纹理作用于短柱上时，则产生顺纹压应力。当在同一直线上两个方向相反，平行于木材纹理的外力作用于木材时，则产生顺纹拉伸应力。当平行于木材纹理的外力作用于木材，欲使其一部分与他它由内在联结的另一部分相脱离，会产生顺纹剪应力。当作用力与木材纹理相垂直时，木材上则会产生横纹的压、拉、剪应力或剪断应力。横纹应力又有径向和弦向之分。同一木材受力的性质和方向不同，应力和应变值亦各不相同。一、基本概念（一）弹性和塑性1.弹性(elasticity)—物体在卸除发生变形的载荷后，恢复其原有形状、尺寸或位置的能力。2.塑性(plasticity)—物体在外力作用下，当应变增长的速度大于应力增长的速度，外力消失后木材产生的永久残留变形部分，即为塑性变形，木材的这一性质称塑性。图9—1为杉木弯曲时的应力—应变图。木材在比例极限应力下可近似看作弹性，在这极限以上的应力就会产生塑性变形或发生破坏。直线部分的顶点a为比例极限，从a到b虽不是直线，但属弹性范围，b点为弹性极限。a、b两点非常接近，一般不加区分。a应变（%）图9-1杉木弯曲时应力与应变图解应力（MPa）b比例极限弹性极限破坏（二）柔量(compliance)和模量(modulus)在弹性极限范围，大多数材料的应力和应变之间存在着一定的指数关系：—应变—应力实践证明，木材的n=1，因此上式可写成：а—柔量α—为应力、应变曲线的直线部分与水平轴的夹角。柔量的倒数а-1，即为弹性模量E，简称模量。弹性模量E(modulusofelasticity)—在弹性极限范围内，物体抵抗外力改变其形状或体积的能力。它是材料刚性的指标。木材的拉伸、压缩和弯曲模量大致相等，但压缩的弹性极限比拉伸的要低得多。n二、分类（一）按力学性质分1.强度(strength)—是抵抗外部机械力破坏的能力。2.硬度(hardness)—是抵抗其它刚性物体压入的能力。3.刚性(rigidity)—是抵抗外部机械力造成尺寸和形状变化的能力。4.韧性(toughness)—是木材吸收能量和抵抗反复冲击载荷，或抵抗超过比例极限的短期应力的能力。（二）按载荷形式分1.静力载荷（statictestload）是缓慢而均匀的施载形式。木材强度测试除冲击外，都为静力载荷；胶合板在热压机中的加载形式也属静力载荷。2.冲击载荷（shockload）集中全部载荷在瞬间猛击的施载形式。如锻锤机下垫木所承受的载荷形式。3.振动载荷依次改变力的大小和方向的一种载荷形式。如枕木在铁轨下承受的载荷形式。4.长期载荷（long-periodload）力作用时间相当长的一种施载形式。如木屋架、木梁和木柱的承载形式。（三）按作用力的方式分有拉伸（tension）、压缩（conpression）、剪切（shearing）、弯曲（bending;curve）、扭转（twist）及纵向弯曲（longitudinalbending）等。（四）按作用力的方向分有顺纹（alongthegrain）和横纹（acrosstothegrain）。横纹又分为径向（radial）和弦向（tangential）。（五）按工艺要求分1.抗劈力（cleavageability）是木材在尖削作用下，抵抗沿纹理方向劈开的能力。它与木材加工时劈开难易、握钉牢度和切削阻力等都有密切的关系。2.握钉力（nail-holdingability）是木材抵抗钉子拔出的能力。它的大小取决于木材与钉子间的摩擦力、木材含水率、密度、硬度、弹性、纹理方向、钉子种类及与木材接触状况等。3.弯曲能力（bendingability）是指木材弯曲破坏前的最大弯曲能力。可以用曲率半径的大小来度量。它与树种、树龄、部位、含水率和温度等有关。4.耐磨性（abrasionofwood）是木材抵抗磨损的能力。木材磨损是在表面受摩擦、挤压、冲击和剥蚀等，以及这些因子综合作用时，所产生的表面化过程。第二节木材的正交异向性和弹性一、木材的正交异向性（一）概述木材是天然生长的生物材料，由于组织构造的因素决定了木材的各向异性（anisotropy）。木材的圆柱对称性—由于树干包括许多同心圆的年轮层次，所以赋予木材圆柱对称性（近似的），即从圆心到外径，各个同心圆层次上的木材微单元的性质是相同的（弹性、强度、热、电性质等）。同时，由于组成木材的绝大多数细胞和组织是平行树干呈轴向排列的，而射线组织是垂直于树干呈径向排列的；另外构成木材细胞壁的各层，其微纤丝的排列方向不同；以及纤维素的结晶为单斜晶体等，使木材成为柱面对称的正交异向性材料。（如物理性质干缩、湿胀、扩散、渗透等和力学性质如弹性、强度、加工性能等）。（二）强度的异向性木材的强度根据方向和断面的不同而异。压缩、拉伸、弯曲和冲击韧性等，当应力方向和纤维方向为平行时，其强度值最大，随两者间倾角变大，强度锐减。1.拉伸强度σt：σtl＜σtr＜σtT，即纵向远大于横向，横向中径向大于弦向。2.压缩强度σcp：σcpL＞＞σcpR＞σcpT3.弯曲强度σb和冲击韧性u（1）σbR＞σbT（2）①针叶材：uR＞uT；②阔叶材通常关系不定。4.剪切强度τ：τ∥/τ⊥=2.2~6.15.硬度H和磨损阻抗①HRT＞HLT≥HLR，断面大于弦面，弦面大于或等于径面。同时，硬度的异向性随密度增加而减少。②木材磨损量A越大，表示磨损阻抗越小。ALR≥ALT＞ART6.抗劈力S：径面和弦面的差异根据纹理通直性和射线组织的发达程度而异。二、木材的正交对称弹性木材的正交对称弹性—将正交对称原理应用于木材，借以说明木材的弹性的各向异性。根据树干解剖构造，它有一个圆柱对称性，在离髓心一定部位锯取一个相切于年轮的立方体试样。试样有3个对称轴，平行于纵向作L轴，平行于径向作R轴，平行于弦向作T轴。它们彼此近似垂直，三轴中每两轴可构成一平面，分别为RT面（横切面）、LR（径切面）和LT（弦切面）。木材的正交对称弹性是研究木材的物理性质的一个基本的重要手段。相对三个主轴的应力所表示的应变的方程式如下：式中：E—杨氏模量或弹性模量；u—泊松比（Poisson’sRations）=侧向应变与纵向应变之比＜1。如：其中，第一个R代表应力方向，第二个字母表示横向应变。即在径向应力下，纵向的泊松比。RRTTTREELLRRRLEETTLLLTEERLRLRL方向的应变在方向的应变在木材正交异向性综述如下：1.木材是高度异向性材料。拉伸、压缩和弯曲的弹性模量E近似相等。三个主轴方向的E因显微和超微构造的不同而异：EL＞＞ER＞ET2.木材的剪切模量G，横断面最小：GLR（径面）＞GLT（弦面）＞GRT（横断面）其中，GLR≈ER,GLT≈ET,即径面和弦面的剪切模量分别与径向和弦向的弹性模量数值相近。3.木材的弹性E和剪切G，均随密度的增加而增加。4.木材的泊松比均小于1，且有uRT＞uLT＞uLR。第三节木材的粘弹性（viscoelasticityofwood）一、基本概念1.木材的弹性(elasticityofwood)—木材在受某一定应力范围内的外力而变形，外力除去同时变形消失，回复原状的性质。2.木材的塑性(plasticityofwood)—木材在某些条件下，受外力后产生永久变形的性质。塑性变形(plasticdeformation)—又称残余变形，指物体受外力发生变形，在外力解除后仍不能恢复的部分变形。3.木材的粘弹性（viscoelasticityofwood）—木材（塑料）等高分子物在外力作用下表现出粘性和弹性兼有的性质。当其受到较长时间的外力作用时，就像极粘的液体出现粘性的变形。二、木材的蠕变现象（creepphenomenonofwood）蠕变(creep)：在应力不变的条件下，应变随时间的延长而逐渐增大的现象。（一）蠕变曲线（curveofcreep）木材属高分子结构材料，受外力作用时产生3种变形：1.瞬时弹性变形（instantelasticdeformation）：木材承载时，产生与加载速度相适应的变形，它服从于虎克定律。2.弹性后效变形（粘弹性变形）（elasticaftereffectdeformation）：加载过程终止，木材立即产生随时间递减的弹性变形。它是因纤维素分子链的卷曲或伸展造成，这种变形是可逆的，与瞬时弹性变形相比它具有时间滞后性质。3.塑性变形（plasticitydeformation）：纤维素分子链因载荷而彼此滑动所造成的变形。该变形是不可逆的。木材的蠕变曲线如图9—2所示：OA-----加载后的瞬间弹性变形AB-----蠕变过程，（t0→t1）t↗→ε↗BC1----卸载后的瞬间弹性回复，BC1==OAC1D----蠕变回复过程，t↗→ε缓慢回复故蠕变AB包括两个组分：弹性的组分C1C2——初次蠕变（弹性后效变形）剩余永久变形C2C3=DE——二次蠕变（塑性变形）t0t2t1时间（t）应变（ε）BAOC1C2C3DE图9—2木材的蠕变曲线（二）建筑木构件的蠕变问题1.针叶树材在含水率不发生变化的条件下，施加静力载荷小于木材比例极限强度的75%时，可以认为是安全的。但在含水率变化条件下，大于比例极限强度20%时，就可能产生蠕变，随时间延长最终会导致破坏。2.静载荷产生变形，若其变形速率（连续相等时间间隔内变形的差值）逐渐降低，则变形经一定时间后最终会停止，木结构是安全的。相反，变形速率是逐渐增加的，则设计不安全，最终会导致破坏。3.所施静载荷低于弹性极限，短期受载即卸载，能恢复其原具有的极限强度和弹性。4.含水率会增加木材的塑性和变形。5.温度对蠕变有显著的影响。当空气温度和湿度增加时，木材的总变形和变形速度也增加。三、木材的松弛（relaxationofwood）松弛(stressrelaxation)—在应变不变的条件下，应力随时间的增加而逐渐减少的现象。松弛曲线（relaxationcurve）—表示松弛过程的荷重（应力）—时间曲线。木材的松弛曲线如图9—3所示。松弛弹性模量—单位应变的松弛应力。方泽（1947）给出木材松弛表达式如下：式中：—在t时间时的应力，随时间的延长而下降；—在单位时间内的应力；m—松弛系数，随树种和应力种类而不同。时间t应力σ图9—3应力松弛曲线tmtlg111t四、长期载荷的影响（effectoflong-periodload）在长期载荷作用下的木材强度，随作用时间的延长而减小，长期载荷强度远比瞬间强度小。这是由于木材中弹性和塑性两种变形同时反应的结果。短时间内，在一定应力范围内的变形，几乎完全是弹性的。但在长期载荷下塑性已成为左右木材变形的更重要的因素。时间因素对木材的力学性质有很大的影响。木材的持久强度（长期强度）σch—当木材的应力小于一定的极限时，木材不会由于长期受力而发生破坏的应力极限。（1）当σ＜σch时，载荷作用时间无论多长，试件均不会被破坏。（2）当σ＞σch时，试件经过一定时间后发生破坏。五、木材的塑性(plasticityofwood)木材作为承重结构材使用时，设计应力或荷重应控制在弹性极限或蠕变极限范围之内，必须避免塑性变形的产生。但在弯曲木、压缩木和人造板成型等加工时，又必须掌握增加木材塑性的条件，尽可能增加木材的塑性变形。（一）木材的塑性变形(plast