木材的力学性质-ppt课件

1、第八章 木材的力学性质(The Mechanical Properties of Wood) 木材抵抗外部机械力作用的才干称木材的力学性质。木材的力学木材抵抗外部机械力作用的才干称木材的力学性质。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。性质包括弹性、粘弹性、硬度、韧性、各类强度和工艺性质等。 第一节第一节 木材力学性质的根本概念木材力学性质的根本概念fundamental concept of woody mechanical properties 1.应力应力(stress)：资料在外力作用下，单位面积上：资料在外力作用下，单位面积上 所产生的内力。所产生的内力。2

2、.应变应变(strain)：单位长度上所产生的变形。：单位长度上所产生的变形。3.应力应力应变图应变图(stress-strain curve)：以应力为纵坐标，以应变为横坐标，：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。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，那么产简单应力中，当压力方向平行于纹理作用于短柱上时，那么产生顺纹压应力。当在同不断线上两个方向相反，平行于木材纹理的外生顺纹压应力。当在同不断线上两个方向相反，平行于木材纹理的外力作用于木材时，那么产生顺纹拉伸应力。当平行于木材纹理的外力力作用于木材时

3、，那么产生顺纹拉伸应力。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结合的另一部分相脱离，会作用于木材，欲使其一部分与他它由内在结合的另一部分相脱离，会产生顺纹剪应力。当作用力与木材纹理相垂直时，木材上那么会产生产生顺纹剪应力。当作用力与木材纹理相垂直时，木材上那么会产生横纹的压、拉、剪应力或剪断应力。横纹应力又有径向和弦向之分。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一样。同一木材受力的性质和方向不同，应力和应变值亦各不一样。一、根本概念一、根本概念一弹性和塑性一弹性和塑性1.弹性弹性(elasticity)

4、物体在卸除发生变形的载荷后，恢复其原有外形、尺物体在卸除发生变形的载荷后，恢复其原有外形、尺寸或位置的才干。寸或位置的才干。2.塑性塑性(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，外力消逝后木材产生的永久残留变形部分，即为塑性变形，的速度，外力消逝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。木材的这一性质称塑性。 图图91为杉木弯曲时的应力为杉木弯曲时的应力应变图。木材在应变图。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

5、或发生破坏。直线部分的顶应力就会产生塑性变形或发生破坏。直线部分的顶点点a为比例极限，从为比例极限，从a到到b虽不是直线，但属弹性范围，虽不是直线，但属弹性范围，b点为弹性极限。点为弹性极限。a、b两点非常接近，普通不加区分。两点非常接近，普通不加区分。a应变应变%图图9-1 杉木弯曲时应力与应变图解杉木弯曲时应力与应变图解应力应力MPab比例极限比例极限弹性极限弹性极限破坏破坏二柔量二柔量(compliance)和模量和模量(modulus) 在弹性极限范围，大多数资料的应力和应变之间在弹性极限范围，大多数资料的应力和应变之间存在着一定的指数关系：存在着一定的指数关系： 应变应变 应力应力

6、实际证明，木材的实际证明，木材的n=1，因此上式可写成：，因此上式可写成： 柔量柔量 为应力、应变曲线的直线部分与程度轴的夹角。为应力、应变曲线的直线部分与程度轴的夹角。柔量的倒数柔量的倒数-1，即为弹性模量，即为弹性模量E，简称模量。，简称模量。弹性模量弹性模量E(modulus of elasticity) 在弹性极限范围在弹性极限范围内，物体抵抗外力改动其外形或体积的才干。它内，物体抵抗外力改动其外形或体积的才干。它是资料刚性的目的。是资料刚性的目的。 木材的拉伸、紧缩和弯曲模量大致相等，但紧缩木材的拉伸、紧缩和弯曲模量大致相等，但紧缩的弹性极限比拉伸的要低得多。的弹性极限比拉伸的要低得

7、多。n二、分类二、分类一按力学性质分一按力学性质分1.强度强度(strength) 是抵抗外部机械力破坏的才干。是抵抗外部机械力破坏的才干。2.硬度硬度(hardness) 是抵抗其它刚性物体压入的才干。是抵抗其它刚性物体压入的才干。3.刚性刚性(rigidity) 是抵抗外部机械力呵斥尺寸和外形是抵抗外部机械力呵斥尺寸和外形变化的才干。变化的才干。4.韧性韧性(toughness) 是木材吸收能量和抵抗反复冲击是木材吸收能量和抵抗反复冲击载荷，或抵抗超越比例极限的短期应力的才干。载荷，或抵抗超越比例极限的短期应力的才干。二按载荷方式分二按载荷方式分1.静力载荷静力载荷static test

8、load 是缓慢而均匀的施载是缓慢而均匀的施载方式。木材强度测试除冲击外，都为静力载荷；方式。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方式也属静力载荷。胶合板在热压机中的加载方式也属静力载荷。2.冲击载荷冲击载荷shock load 集中全部载荷在瞬间猛击集中全部载荷在瞬间猛击的施载方式。如锻锤机下垫木所接受的载荷方式。的施载方式。如锻锤机下垫木所接受的载荷方式。3.振动载荷振动载荷 依次改动力的大小和方向的一种载荷方依次改动力的大小和方向的一种载荷方式。如枕木在铁轨下接受的载荷方式。式。如枕木在铁轨下接受的载荷方式。4.长期载荷长期载荷long-period load 力作

9、用时间相当长力作用时间相当长的一种施载方式。如木屋架、木梁和木柱的承载的一种施载方式。如木屋架、木梁和木柱的承载方式。方式。三按作用力的方式分三按作用力的方式分 有拉伸有拉伸tension 、紧缩、紧缩conpression 、剪切剪切shearing 、弯曲、弯曲bending ; curve 、改、改动动twist及纵向弯曲及纵向弯曲longitudinal bending等。等。四按作用力的方向分四按作用力的方向分 有顺纹有顺纹along the grain和横纹和横纹across to the grain 。横纹又分为径向。横纹又分为径向radial和弦向和弦向tangential 。

10、五按工艺要求分五按工艺要求分1.抗劈力抗劈力cleavage ability 是木材在尖削作用下，是木材在尖削作用下，抵抗沿纹理方向劈开的才干。它与木材加工时劈抵抗沿纹理方向劈开的才干。它与木材加工时劈开难易、握钉牢度和切削阻力等都有亲密的关系。开难易、握钉牢度和切削阻力等都有亲密的关系。2.握钉力握钉力 nail-holding ability 是木材抵抗钉子拔是木材抵抗钉子拔出的才干。它的大小取决于木材与钉子间的摩擦出的才干。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、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情况等。钉子种类及与木材接

11、触情况等。3.弯曲才干弯曲才干bending ability 是指木材弯曲破坏是指木材弯曲破坏前的最大弯曲才干。可以用曲率半径的大小来度前的最大弯曲才干。可以用曲率半径的大小来度量。它与树种、树龄、部位、含水率和温度等有量。它与树种、树龄、部位、含水率和温度等有关。关。4.耐磨性耐磨性abrasion of wood 是木材抵抗磨损的是木材抵抗磨损的才干。木材磨损是在外表受摩擦、挤压、冲击和才干。木材磨损是在外表受摩擦、挤压、冲击和剥蚀等，以及这些因子综协作用时，所产生的外剥蚀等，以及这些因子综协作用时，所产生的外表化过程。表化过程。第二节第二节 木材的正交异向性和弹性木材的正交异向性和弹性一

12、、木材的正交异向性一、木材的正交异向性一概述一概述 木材是天然生长的生物资料，由于组织构造的木材是天然生长的生物资料，由于组织构造的要素决议了木材的各向异性要素决议了木材的各向异性anisotropy 。 木材的圆柱对称性木材的圆柱对称性 由于树干包括许多同心圆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，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一样的弹性、强度、热、电性质等。的性质是一样的弹性、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同时，由于组成木材的

13、绝大多数细胞和组织是平行树干呈轴向陈列的，而射线组织是垂直于树干呈径树干呈轴向陈列的，而射线组织是垂直于树干呈径向陈列的；另外构成木材细胞壁的各层，其微纤丝向陈列的；另外构成木材细胞壁的各层，其微纤丝的陈列方向不同；以及纤维素的结晶为单斜晶体等，的陈列方向不同；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资料。如物理使木材成为柱面对称的正交异向性资料。如物理性质干缩、湿胀、分散、浸透等和力学性质如弹性、性质干缩、湿胀、分散、浸透等和力学性质如弹性、强度、加工性能等。强度、加工性能等。二强度的异向性二强度的异向性 木材的强度根据方向和断面的不同而异。紧缩、拉伸、木材的强度根据方向

14、和断面的不同而异。紧缩、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。度值最大，随两者间倾角变大，强度锐减。1.拉伸强度拉伸强度t： tl tr tT ，即纵向远大于横向，横向中，即纵向远大于横向，横向中径向大于弦向。径向大于弦向。2.紧缩强度紧缩强度 cp： cpL cpR cpT3.弯曲强度弯曲强度b和冲击韧性和冲击韧性u 1 bR bT 2针叶材：针叶材：uR uT ；阔叶材通常关系不定。阔叶材通常关系不定。4.剪切强度剪切强度 ： /=2.26.15.硬度硬度H和磨损阻抗和磨损阻抗HR

15、T HLTHLR，断面大于弦面，弦面大于或等于径面。，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添加而减少。同时，硬度的异向性随密度添加而减少。木材磨损量木材磨损量A越大，表示磨损阻抗越小。越大，表示磨损阻抗越小。ALR ALT ART6.抗劈力抗劈力S：径面和弦面的差别根据纹理通直性和射线组织的兴：径面和弦面的差别根据纹理通直性和射线组织的兴隆程度而异。隆程度而异。二、木材的正交对称弹性二、木材的正交对称弹性木材的正交对称弹性木材的正交对称弹性 将正交对称原理运用于木材，借以阐明将正交对称原理运用于木材，借以阐明木材的弹性的各向异性。木材的弹性的各向异性。 根据树干解剖构造，

16、它有一个圆柱对称性，在离髓心一根据树干解剖构造，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个对称个对称轴，平行于纵向作轴，平行于纵向作L轴，平行于径向作轴，平行于径向作R轴，平行于弦向作轴，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，分别轴。它们彼此近似垂直，三轴中每两轴可构成一平面，分别为为RT面横切面、面横切面、LR径切面和径切面和LT弦切面。木材弦切面。木材的正交对称弹性是研讨木材的物理性质的一个根本的重要手的正交对称弹性是研讨木材的物理性质的一个根本的重要手段。段。 相对三个主轴的应力所表示

17、的应变的方程式如下：相对三个主轴的应力所表示的应变的方程式如下：式中：式中：E 杨氏模量或弹性模量；杨氏模量或弹性模量； u 泊松比泊松比Poissons Rations=侧向应变与纵向应变侧向应变与纵向应变之比之比1。 如：如： 其中，第一个其中，第一个R代表应力方向，第二个字母表示横向应变。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。即在径向应力下，纵向的泊松比。RRTTTREELLRRRLEETTLLLTEERLRLRL方向的应变在方向的应变在木材正交异向性综述如下：木材正交异向性综述如下：1.木材是高度异向性资料。拉伸、紧缩和弯曲的木材是高度异向性资料。拉伸、紧

18、缩和弯曲的弹性模量弹性模量E近似相等。三个主轴方向的近似相等。三个主轴方向的E 因显因显微和超微构造的不同而异：微和超微构造的不同而异： EL ER ET2.木材的剪切模量木材的剪切模量G，横断面最小：，横断面最小： GLR 径径面面 GLT 弦面弦面 GRT横断面横断面 其中，其中， GLR ER , GLTET , 即径面和弦即径面和弦面的剪切模量分别与径向和弦向的弹性模量面的剪切模量分别与径向和弦向的弹性模量数值相近。数值相近。3.木材的弹性木材的弹性E和剪切和剪切G，均随密度的添加而添，均随密度的添加而添加。加。4.木材的泊松比均小于木材的泊松比均小于1，且有，且有uRT uLT uL

19、R。 第三节第三节 木材的粘弹性木材的粘弹性viscoelasticity of wood一、根本概念一、根本概念1.木材的弹性木材的弹性(elasticity of wood) 木材在受某一定应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逝，力范围内的外力而变形，外力除去同时变形消逝，回复原状的性质。回复原状的性质。2.木材的塑性木材的塑性(plasticity of wood) 木材在某些条件下，木材在某些条件下，受外力后产生永久变形的性质。受外力后产生永久变形的性质。 塑性变形塑性变形(plastic deformation) 又称剩余变形，指又称剩余变形，指物体受外力发生变

20、形，在外力解除后仍不能恢复的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。部分变形。3.木材的粘弹性木材的粘弹性viscoelasticity of wood 木材塑木材塑料等高分子物在外力作用下表现出粘性和弹性兼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。当其遭到较长时间的外力作用时，就像有的性质。当其遭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。极粘的液体出现粘性的变形。二、木材的蠕变景象二、木材的蠕变景象creep phenomenon of wood 蠕变蠕变(creep)：在应力不变的条件下，应变随时间的：在应力不变的条件下，应变随时间的延伸而逐渐增大的景象

21、。延伸而逐渐增大的景象。一蠕变曲线一蠕变曲线curve of creep 木材属高分子构造资料，受外力作用时产生木材属高分子构造资料，受外力作用时产生3种种变形：变形：1.瞬时弹性变形瞬时弹性变形instant elastic deformation ：木材：木材承载时，产生与加载速度相顺应的变形，它服从于承载时，产生与加载速度相顺应的变形，它服从于虎克定律。虎克定律。2.弹性后效变形粘弹性变形弹性后效变形粘弹性变形elastic after effect deformation ：加载过程终止，木材立刻产生随时：加载过程终止，木材立刻产生随时间递减的弹性变形。间递减的弹性变形。 它是因纤维素

22、分子链的卷曲或伸展呵斥，这种它是因纤维素分子链的卷曲或伸展呵斥，这种变形是可逆的，与瞬时弹性变形相比它具有时间滞变形是可逆的，与瞬时弹性变形相比它具有时间滞后性质。后性质。3.塑性变形塑性变形plasticity deformation ：纤维素分子链：纤维素分子链因载荷而彼此滑动所呵斥的变形。该变形是不可逆因载荷而彼此滑动所呵斥的变形。该变形是不可逆的。的。木材的蠕变曲线如图木材的蠕变曲线如图92所示：所示：OA-加载后的瞬间弹性变形加载后的瞬间弹性变形AB-蠕变过程，蠕变过程， t0t1t BC1 -卸载后的瞬间卸载后的瞬间 弹性回复，弹性回复，BC1=OAC1D-蠕变回复过程，蠕变回复过

23、程， t 缓慢回复缓慢回复 故蠕变故蠕变AB包括两个组分：包括两个组分： 弹性的组分弹性的组分C1C2初次蠕变弹性后效变形初次蠕变弹性后效变形 剩余永久变形剩余永久变形C2C3=DE二次蠕变塑性变形二次蠕变塑性变形t0t2t1时间时间t应变应变BAOC1C2C3DE图图92 木材的蠕变曲线木材的蠕变曲线二建筑木构件的蠕变问题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载荷小于木材比例极限强度的75%时，可以以为时，可以以为是平安的。但在含水率变化条件下，大于比例极是平安的。但在含水率变化条件下，大于

24、比例极限强度限强度20%时，就能够产生蠕变，随时间延伸最时，就能够产生蠕变，随时间延伸最终会导致破坏。终会导致破坏。2.静载荷产生变形，假设其变形速率延续相等时间静载荷产生变形，假设其变形速率延续相等时间间隔内变形的差值逐渐降低，那么变形经一定间隔内变形的差值逐渐降低，那么变形经一定时间后最终会停顿，木构造是平安的。相反，变时间后最终会停顿，木构造是平安的。相反，变形速率是逐渐添加的，那么设计不平安，最终会形速率是逐渐添加的，那么设计不平安，最终会导致破坏。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。复其原具

25、有的极限强度和弹性。4.含水率会添加木材的塑性和变形。含水率会添加木材的塑性和变形。5.温度对蠕变有显著的影响。当空气温度和湿度添加温度对蠕变有显著的影响。当空气温度和湿度添加时，木材的总变形和变形速度也添加。时，木材的总变形和变形速度也添加。三、木材的松弛三、木材的松弛relaxation of wood 松弛松弛(stress relaxation) 在应变不变的条件下，应力随时间在应变不变的条件下，应力随时间的添加而逐渐减少的景象。的添加而逐渐减少的景象。松弛曲线松弛曲线relaxation curve 表示松弛过程的荷重表示松弛过程的荷重 应力应力 时间曲线。时间曲线。木材的松弛曲线如

26、图木材的松弛曲线如图93所示。所示。松弛弹性模量松弛弹性模量 单位应变的松弛应力。单位应变的松弛应力。方泽方泽1947给出木材松弛表达式如下：给出木材松弛表达式如下：式中：式中： 在在t时间时的应力，随时间的延伸而下降；时间时的应力，随时间的延伸而下降； 在单位时间内的应力；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。松弛系数，随树种和应力种类而不同。时间时间 t应力应力图图93 应力松弛曲线应力松弛曲线tmtlg111t四、长期载荷的影响四、长期载荷的影响effect of long-period load 在长期载荷作用下的木材强度，随作用时间的在长期载荷作用下的木材强度，

27、随作用时间的延伸而减小，长期载荷强度远比瞬间强度小。这是延伸而减小，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响的结果。由于木材中弹性和塑性两种变形同时反响的结果。短时间内，在一定应力范围内的变形，几乎完全是短时间内，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要素。时间要素对木材的力学性质有很的更重要的要素。时间要素对木材的力学性质有很大的影响。大的影响。木材的耐久强度长期强度木材的耐久强度长期强度 ch 当木材的应力小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于一

28、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。坏的应力极限。1当当 ch时，载荷作用时间无论多长，试件均不时，载荷作用时间无论多长，试件均不会被破坏。会被破坏。2当当 ch时，试件经过一定时间后发生破坏。时，试件经过一定时间后发生破坏。五、木材的塑性五、木材的塑性(plasticity of wood) 木材作为承重构造材运用时，设计应力或荷重木材作为承重构造材运用时，设计应力或荷重应控制在弹性极限或蠕变极限范围之内，必需防止应控制在弹性极限或蠕变极限范围之内，必需防止塑性变形的产生。但在弯曲木、紧缩木和人造板成塑性变形的产生。但在弯曲木、紧缩木和人造板成型等加工时，又必需掌握添加木材

29、塑性的条件，尽型等加工时，又必需掌握添加木材塑性的条件，尽能够添加木材的塑性变形。能够添加木材的塑性变形。一木材的塑性变形一木材的塑性变形(plastic deformation of wood) 当施加于木材上的应力在弹性极限以内时，去当施加于木材上的应力在弹性极限以内时，去除外力后变形回复原尺寸。当超越弹性极限时，除除外力后变形回复原尺寸。当超越弹性极限时，除去外力，残留永久变形，这一性质称为塑性。固体去外力，残留永久变形，这一性质称为塑性。固体资料的塑性变形产生于屈服点以上。对超越屈服点资料的塑性变形产生于屈服点以上。对超越屈服点的应力，以一定的变形速度进展稳定流动的形状称的应力，以一定

30、的变形速度进展稳定流动的形状称塑性流动。再，即使在极小的应力作用下，经过充塑性流动。再，即使在极小的应力作用下，经过充分的时间，同样也能产生流动，而构成永久变形，分的时间，同样也能产生流动，而构成永久变形，将这称为粘性流动。木材同其它资料相比，特别是将这称为粘性流动。木材同其它资料相比，特别是气干材，因屈服点不明显，且破坏变形也较小的缘气干材，因屈服点不明显，且破坏变形也较小的缘故，所以普通以为木材是塑性较小的资料。故，所以普通以为木材是塑性较小的资料。二添加木材的塑性二添加木材的塑性improving the plasticity of wood 木材的塑性变形较小，在加工利用方面遭到一定木

31、材的塑性变形较小，在加工利用方面遭到一定限制。典型的塑性变形在金属等结晶资料上受热承载限制。典型的塑性变形在金属等结晶资料上受热承载后能明显看到，由于晶格的转位和滑移，可产生出数后能明显看到，由于晶格的转位和滑移，可产生出数倍于常温下的塑性变形，可利用于作压延、拉伸、挤倍于常温下的塑性变形，可利用于作压延、拉伸、挤压等塑性加工。压等塑性加工。 木材是高分子资料，它的塑性是由于在应力作用木材是高分子资料，它的塑性是由于在应力作用下，高分子的变形及相互间能产生相对挪动的结果。下，高分子的变形及相互间能产生相对挪动的结果。在常温下为了提高高分子资料的塑性，要添加可塑剂，在常温下为了提高高分子资料的塑

32、性，要添加可塑剂，使分子间结合力减弱。此外，经过加热使木材基体物使分子间结合力减弱。此外，经过加热使木材基体物质软化，也能添加木材塑性，将资料的这类性质称为质软化，也能添加木材塑性，将资料的这类性质称为热塑性。热塑性。 木素是热塑性物质，其热软化点在全干形状下为木素是热塑性物质，其热软化点在全干形状下为127193，在潮湿形状下显著降低，为，在潮湿形状下显著降低，为77128 ；半纤维素由于吸着水的存在，其热化点的降低和木素半纤维素由于吸着水的存在，其热化点的降低和木素有类似的情况。作为木材骨架物质的纤维素的热软化有类似的情况。作为木材骨架物质的纤维素的热软化点在点在232 以上，其结晶性不受

33、水分的影响，而纤维以上，其结晶性不受水分的影响，而纤维素的玻璃态转化点随含水率的添加而降低。素的玻璃态转化点随含水率的添加而降低。 对饱水形状的木材，对饱水形状的木材，Hillis等发如今等发如今7080 和和80100 呈两个延续的热软化点似的温度域，以为前者是半纤维素呈两个延续的热软化点似的温度域，以为前者是半纤维素的，的， 后者相当于木素的玻璃态转化点。木材在潮湿形状下加后者相当于木素的玻璃态转化点。木材在潮湿形状下加热时，有显著软化的能够性。日饭田等指出：如把气干热时，有显著软化的能够性。日饭田等指出：如把气干形状形状20 时的木材弹性模量作为时的木材弹性模量作为1，饱水形状，饱水形状

34、20 时就为时就为0.52，饱水形状，饱水形状100 就为就为0.09，弹性模量随温度和水分添加，弹性模量随温度和水分添加而明显降低。所以木材的破坏变形随温度和水分添加而明显而明显降低。所以木材的破坏变形随温度和水分添加而明显添加，阐明温度和水分是添加木材塑性的重要要素。添加，阐明温度和水分是添加木材塑性的重要要素。第四节第四节 单轴应力下木材的变形特点单轴应力下木材的变形特点一、胞壁化学组分在木材力学性质中的作用一、胞壁化学组分在木材力学性质中的作用the chemical composition of cell wall effect the mechanical properties 木

35、材胞壁中的骨架物质纤维素赋予木材弹性和木材胞壁中的骨架物质纤维素赋予木材弹性和强度。木素为硬固物质，赋予木材硬度和刚性。在强度。木素为硬固物质，赋予木材硬度和刚性。在细胞壁中起填充和部分胶着作用的是半纤维素，它细胞壁中起填充和部分胶着作用的是半纤维素，它赋予木材剪切强度。赋予木材剪切强度。 纤维素链状分子大多沿胞壁的长轴平行陈列，纤维素链状分子大多沿胞壁的长轴平行陈列，横向以氢键结合构成微纤丝，微纤丝间除借助于侧横向以氢键结合构成微纤丝，微纤丝间除借助于侧面的氢键结合，部分尚以果胶质胶着，胞壁与胞壁面的氢键结合，部分尚以果胶质胶着，胞壁与胞壁之间借胞间质胶着。因此木材横向强度远低于纵向之间借胞

36、间质胶着。因此木材横向强度远低于纵向本身的联接强度。从细胞壁的构造和构造物质的性本身的联接强度。从细胞壁的构造和构造物质的性质看，可以以为木材破坏的缘由是由于微纤丝和填质看，可以以为木材破坏的缘由是由于微纤丝和填充物的撕裂或剪切，或者纤维被压溃所呵斥。充物的撕裂或剪切，或者纤维被压溃所呵斥。二、单轴应力下的破坏特点二、单轴应力下的破坏特点一顺纹紧缩一顺纹紧缩compression along the grain 平行于木材纹理方向的紧缩称顺纹紧缩。平行于木材纹理方向的紧缩称顺纹紧缩。1.顺压破坏宏观表现顺压破坏宏观表现 木材顺压破坏试件上，常可见延续破坏木材顺压破坏试件上，常可见延续破坏线总出

37、如今弦面，阐明木材刚性径面大于弦线总出如今弦面，阐明木材刚性径面大于弦面。因木射线在径面起骨架和支撑作用；此面。因木射线在径面起骨架和支撑作用；此外微纤丝在胞壁径面与木射线相交，产生了外微纤丝在胞壁径面与木射线相交，产生了部分改动，对剪切方向也有影响。破坏线与部分改动，对剪切方向也有影响。破坏线与主轴的倾角常取决于木材密度，密度大者，主轴的倾角常取决于木材密度，密度大者，倾角小。破坏外形决议于木材含水率和硬度倾角小。破坏外形决议于木材含水率和硬度等要素。湿材和软材以端部压溃为常见。干等要素。湿材和软材以端部压溃为常见。干的木材常在未发生明显扭曲之前，因劈裂而的木材常在未发生明显扭曲之前，因劈裂

38、而破坏。破坏。2.顺压破坏微观表现顺压破坏微观表现 由显微镜可察看到顺压破坏有由显微镜可察看到顺压破坏有3个阶段。首先在个阶段。首先在胞壁上会产生单一错位的裂纹状细线，称滑移线或胞壁上会产生单一错位的裂纹状细线，称滑移线或滑移面。而后滑移面彼此相连而构成称微观紧缩皱滑移面。而后滑移面彼此相连而构成称微观紧缩皱纹的综合横带。纹的综合横带。 上述两阶段属初期破坏。微纤丝产生错位，在上述两阶段属初期破坏。微纤丝产生错位，在低于破坏载荷的低于破坏载荷的25%应力的程度下已开场产生。这应力的程度下已开场产生。这种错位使木材纤维缩短，属永久的塑性变形。木材种错位使木材纤维缩短，属永久的塑性变形。木材纤维与

39、木射线接触部位易产生错位，错位所产生的纤维与木射线接触部位易产生错位，错位所产生的滑移面与胞壁主轴普通成滑移面与胞壁主轴普通成5070 角。角。 继初期破坏之后，木材纤维会产生扭曲。扭曲继初期破坏之后，木材纤维会产生扭曲。扭曲是木材纤维受力后弯曲而偏离原轴线，但纤维间仍是木材纤维受力后弯曲而偏离原轴线，但纤维间仍坚持彼此平行。它是木材受压破坏后厚壁细胞的特坚持彼此平行。它是木材受压破坏后厚壁细胞的特征。到破坏后期，早材细胞常发生扭曲，以顺应木征。到破坏后期，早材细胞常发生扭曲，以顺应木材破坏的外形。材破坏的外形。二二 横纹紧缩横纹紧缩 compression perpendicular to

40、the grain 垂直于木材纹理方向的紧缩称为横纹紧垂直于木材纹理方向的紧缩称为横纹紧缩。木材横纹紧缩可分为部分受压和全部受缩。木材横纹紧缩可分为部分受压和全部受压。前者抗压强度高于后者。铁轨架在枕木压。前者抗压强度高于后者。铁轨架在枕木上属部分受压，胶合板制造的加压属全部受上属部分受压，胶合板制造的加压属全部受压。木材横纹抗压结果是用比例极限值，或压。木材横纹抗压结果是用比例极限值，或用试件厚度用试件厚度2.5%紧缩率时的应力值来表示。紧缩率时的应力值来表示。1.横压破坏宏观表现横压破坏宏观表现 首先是纤维受压变严密。部分横压时，乘首先是纤维受压变严密。部分横压时，乘压板凹堕入木材，上部的

41、纤维破坏，较内部压板凹堕入木材，上部的纤维破坏，较内部的纤维未受影响。当荷载继续添加时，试样的纤维未受影响。当荷载继续添加时，试样未受压的端部会突出，或呈程度劈裂。试样未受压的端部会突出，或呈程度劈裂。试样突出部分添加了直接荷载下的木材强度。突出部分添加了直接荷载下的木材强度。2.顺压破坏微观表现顺压破坏微观表现 木材横压时，细胞的横断面变形，假设木材横压时，细胞的横断面变形，假设备加的紧缩荷载为足够大时，这种变形将继备加的紧缩荷载为足够大时，这种变形将继续扩展，直至荷载超越木材的弹性极限后，续扩展，直至荷载超越木材的弹性极限后，木材外部纤维及其临近纤维溃坏，并变得严木材外部纤维及其临近纤维溃

42、坏，并变得严密，产生永久变形。外部纤维破坏最大，也密，产生永久变形。外部纤维破坏最大，也最严密。横压试件由外向内纤维蒙受的破坏最严密。横压试件由外向内纤维蒙受的破坏和被压程度也依次变小。木材这种重新分配和被压程度也依次变小。木材这种重新分配应力和吸收能量的才干，对于用木材作承重应力和吸收能量的才干，对于用木材作承重垫板，特别是木构造的节点结合处尤为重要。垫板，特别是木构造的节点结合处尤为重要。三顺纹拉伸三顺纹拉伸tension along the grain 木材顺纹拉伸破坏主要是纵向撕裂和微纤丝木材顺纹拉伸破坏主要是纵向撕裂和微纤丝间的剪切。因微纤丝纵向的结合非常结实，所以间的剪切。因微纤丝

43、纵向的结合非常结实，所以顺拉破坏时的变形很小，通常应变值小于顺拉破坏时的变形很小，通常应变值小于 1%3%，而强度值却很高。即使在这种情况下，微纤丝本而强度值却很高。即使在这种情况下，微纤丝本身的拉伸强度也未充分发扬。由于木材顺纹剪切身的拉伸强度也未充分发扬。由于木材顺纹剪切强度特别低，通常只需顺拉强度的强度特别低，通常只需顺拉强度的6%10%，顺，顺纹拉伸时，微纤丝间的撕裂破坏是微纤丝间的滑纹拉伸时，微纤丝间的撕裂破坏是微纤丝间的滑移所致，其破坏断面常呈锯齿状、或细裂片状和移所致，其破坏断面常呈锯齿状、或细裂片状和针状撕裂。其断面外形的不规那么程度，取决于针状撕裂。其断面外形的不规那么程度，

44、取决于木材顺拉强度和剪切强度之比值。普通健全材该木材顺拉强度和剪切强度之比值。普通健全材该比值较大，破坏常在强度弱的部位剪切开，破坏比值较大，破坏常在强度弱的部位剪切开，破坏断面不平整，呈锯齿状。而腐朽材和热带脆心材，断面不平整，呈锯齿状。而腐朽材和热带脆心材，两者比值较小，且由于腐朽所产生的酸质使纤维两者比值较小，且由于腐朽所产生的酸质使纤维素解聚，对大气湿度敏感性添加，这两个要素大素解聚，对大气湿度敏感性添加，这两个要素大大减弱了木材的顺拉强度，微纤丝很少出现滑移大减弱了木材的顺拉强度，微纤丝很少出现滑移景象，而呵斥拉断破坏，断面处常较为平整。景象，而呵斥拉断破坏，断面处常较为平整。四横纹

45、拉伸四横纹拉伸tension end-grain 木材径向受拉时，除木射线细胞的微纤丝受轴木材径向受拉时，除木射线细胞的微纤丝受轴向拉伸外，其他细胞的微纤丝都受垂直方向的拉伸，向拉伸外，其他细胞的微纤丝都受垂直方向的拉伸，组成木材细胞一系列链状分子受横拉应力时会发生组成木材细胞一系列链状分子受横拉应力时会发生扭曲。由于木射线组织体积百分比较小，故木材横扭曲。由于木射线组织体积百分比较小，故木材横向拉伸强度远远小于顺纹拉伸强度。向拉伸强度远远小于顺纹拉伸强度。五顺纹剪切五顺纹剪切shear parallel to the grain 木材顺纹剪切的破坏特点是木材纤维在平行于木材顺纹剪切的破坏特点

46、是木材纤维在平行于纹理方向发生了相互滑移。顺纹剪切又有弦面和径纹理方向发生了相互滑移。顺纹剪切又有弦面和径面之分。面之分。1.剪切面平行于年轮的弦面剪切：其破坏常出现于早材剪切面平行于年轮的弦面剪切：其破坏常出现于早材部分，在早材和晚材交界处滑行，破坏外表较光滑，部分，在早材和晚材交界处滑行，破坏外表较光滑，但略有起伏，面上带有细丝状木毛。但略有起伏，面上带有细丝状木毛。2.剪切面垂直于年轮的径面剪切：其破坏外表较粗糙，剪切面垂直于年轮的径面剪切：其破坏外表较粗糙，不均匀而无明显木毛。在扩展镜下，早材的一些星不均匀而无明显木毛。在扩展镜下，早材的一些星散区域上带有细木毛。散区域上带有细木毛。第

47、五节第五节 木材的主要力学性质及其相互关系木材的主要力学性质及其相互关系一、抗压强度一、抗压强度(compressive strength) 木材受压荷载运用最广泛，是木材力学性质中最木材受压荷载运用最广泛，是木材力学性质中最重要的特性。重要的特性。一顺纹抗压强度一顺纹抗压强度(compressive strength parallel to grain of wood) 顺纹抗压强度是木材作为构造和建筑资料的主顺纹抗压强度是木材作为构造和建筑资料的主要力学性质，它可在一定程度上阐明木材总的力学要力学性质，它可在一定程度上阐明木材总的力学性质的好坏。性质的好坏。 顺纹抗压强度主要取决于细胞壁的

48、化学成分顺纹抗压强度主要取决于细胞壁的化学成分为为 木素赋予木材抗压强度和刚性，把木材分子木素赋予木材抗压强度和刚性，把木材分子粘合在一同。粘合在一同。 顺纹抗压强度试件的断面径、弦向名义尺寸为顺纹抗压强度试件的断面径、弦向名义尺寸为2020mm，高度为，高度为30mm。 顺纹抗压强度的计算公式为：顺纹抗压强度的计算公式为： MPa 式中：式中：b、t 试样宽度、厚度试样宽度、厚度mm。tbPAPcmaxmax二横纹抗压强度二横纹抗压强度(compressive strength perpendicular to grain of wood) 根据作用力与年轮位置的不同，分为径根据作用力与年轮

49、位置的不同，分为径向和弦向受压。全部受压试件尺寸为向和弦向受压。全部受压试件尺寸为2020 30mm ，部分受压试件为，部分受压试件为2020 60mm ，后一尺寸均为顺纹尺寸。横压因无法准确测后一尺寸均为顺纹尺寸。横压因无法准确测定破坏强度，故需从绘制的荷载定破坏强度，故需从绘制的荷载 变形图上变形图上确定比例极限荷载确定比例极限荷载P，分别以下式计算横压比，分别以下式计算横压比例极限应力。例极限应力。 全部横压：全部横压： MPa 部分横压：部分横压： MPa 式中：式中：P为比例极限荷载为比例极限荷载N，b为试为试件宽度件宽度mm，L为试件长度为试件长度mm，t为为加压钢板宽度加压钢板宽

50、度mm。bLPycbtPpc 木材横压比例极限应力，部分横压高于木材横压比例极限应力，部分横压高于全部横压。部分横压运用范围较广，故测定全部横压。部分横压运用范围较广，故测定也以它为主。径向和弦向横压值的大小与木也以它为主。径向和弦向横压值的大小与木材构造有极其亲密的关系。具有宽木射线和材构造有极其亲密的关系。具有宽木射线和木射线含量较高的树种栎木、米槠等，木射线含量较高的树种栎木、米槠等，径向横压比例极限应力高于弦向；其它阔叶径向横压比例极限应力高于弦向；其它阔叶树材窄木射线，径向和弦向值相近。对树材窄木射线，径向和弦向值相近。对于针叶树材，特别是早、晚材区清楚显的树于针叶树材，特别是早、晚

51、材区清楚显的树种如落叶松等，那么弦向大于径向。当径向种如落叶松等，那么弦向大于径向。当径向受压时，主要是较松软的早材易构成变形；受压时，主要是较松软的早材易构成变形；而在弦向受压时，从实验一开场即由晚材承而在弦向受压时，从实验一开场即由晚材承载。载。二、抗拉强度二、抗拉强度(tensile strength) 根据拉力与木材纹理的平行和垂直可分为顺拉根据拉力与木材纹理的平行和垂直可分为顺拉和横拉。横拉根据拉力与年轮的平行和垂直又可分和横拉。横拉根据拉力与年轮的平行和垂直又可分弦向和径向。拉伸强度按以下公式计算：弦向和径向。拉伸强度按以下公式计算： MPa式中：式中： Pmax最大荷载最大荷载N

52、，b试件宽度试件宽度mm， t 试件宽度试件宽度mm。一顺纹抗拉强度一顺纹抗拉强度 (tensile strength parallel to grain of wood) 木材顺纹抗拉强度取决于木材纤维的强度、长木材顺纹抗拉强度取决于木材纤维的强度、长度、纹理方向和木材密度等。纤维长度是左右木材度、纹理方向和木材密度等。纤维长度是左右木材顺纹抗拉强度的主要因子，纤维长度与微纤丝倾角顺纹抗拉强度的主要因子，纤维长度与微纤丝倾角间有一定相关，即纤维越长，微纤丝倾角越小，顺间有一定相关，即纤维越长，微纤丝倾角越小，顺纹抗拉强度也越大。此外，木材密度大，顺纹抗拉纹抗拉强度也越大。此外，木材密度大，顺

53、纹抗拉强度也大。木材强度也大。木材3种主要化学组成成分中，木材的顺种主要化学组成成分中，木材的顺纹抗拉强度主要取决于纤维素，因纤维素分子根本纹抗拉强度主要取决于纤维素，因纤维素分子根本按细胞纵轴陈列的。木材顺纹抗拉强度是各类强度按细胞纵轴陈列的。木材顺纹抗拉强度是各类强度中最大者。中最大者。tbPAPpmaxmax二横纹抗拉强度二横纹抗拉强度 (tensile strength perpendicular to grain of wood) 由于木材细胞陈列和胞壁上微纤丝走向由于木材细胞陈列和胞壁上微纤丝走向等缘由，木材横纹抗拉强度值很低，通常仅等缘由，木材横纹抗拉强度值很低，通常仅为顺纹抗拉

54、强度的为顺纹抗拉强度的1/101/65。因此，在任何。因此，在任何木构造的部件中应尽能够防止横纹拉力，这木构造的部件中应尽能够防止横纹拉力，这不仅是由于横纹抗拉强度很低，而且由于木不仅是由于横纹抗拉强度很低，而且由于木材的干缩能够引起径裂和轮裂，使木材完全材的干缩能够引起径裂和轮裂，使木材完全丧失横纹抗拉强度。丧失横纹抗拉强度。三、抗剪强度三、抗剪强度(shearing strength parallel to grain of wood) 木材几种抗剪强度中，顺纹剪切强度最小，故木材几种抗剪强度中，顺纹剪切强度最小，故通常只测顺纹剪切强度。顺剪又分径面和弦面破坏通常只测顺纹剪切强度。顺剪又分

55、径面和弦面破坏两种。两种。1.剪切面平行于年轮的弦面剪切：破坏常出现于早材，剪切面平行于年轮的弦面剪切：破坏常出现于早材，在早、晚材交界处滑行，破坏面较光滑，有细纤毛。在早、晚材交界处滑行，破坏面较光滑，有细纤毛。2.剪切面垂直于年轮的径面剪切：破坏面较粗糙、不均剪切面垂直于年轮的径面剪切：破坏面较粗糙、不均匀且无明显木毛。匀且无明显木毛。 木材顺纹剪切强度较小，平均只需顺纹抗压强木材顺纹剪切强度较小，平均只需顺纹抗压强度的度的10%30%。纹理较斜的木材，如交错纹理、涡。纹理较斜的木材，如交错纹理、涡纹、乱纹等其剪切强度会明显添加。阔叶材的顺纹纹、乱纹等其剪切强度会明显添加。阔叶材的顺纹剪切

56、强度平均比针叶材高出剪切强度平均比针叶材高出1/2。阔叶材弦面抗剪强。阔叶材弦面抗剪强度较径面高出度较径面高出10%30%，其木射线越兴隆，这种差，其木射线越兴隆，这种差别也越大。针叶材径面和弦面的抗剪强度大致一样。别也越大。针叶材径面和弦面的抗剪强度大致一样。四、抗弯强度四、抗弯强度(bending strength)和抗弯弹性模量和抗弯弹性模量(the modulus of elasticity in static bending ) 在静力弯曲时，木梁构件上层受压，下层受拉，在静力弯曲时，木梁构件上层受压，下层受拉，其间受剪。在拉、压间有一层既不伸长，也不缩短其间受剪。在拉、压间有一层既

57、不伸长，也不缩短的纤维层叫中性层。正应力在距中性层最远的边缘的纤维层叫中性层。正应力在距中性层最远的边缘纤维达最大值，剪应力最大值在中性层上。由于木纤维达最大值，剪应力最大值在中性层上。由于木材的顺拉强度远大于顺压强度，中性层偏向受拉区材的顺拉强度远大于顺压强度，中性层偏向受拉区一侧。一侧。 抗弯强度抗弯强度bw 和抗弯弹性模量和抗弯弹性模量Ew的计算公式如的计算公式如下：下： 式中：式中：Pmax 最大荷载最大荷载N；P 上、下限荷载上、下限荷载之差；之差；L 两支座间隔两支座间隔mm；b 试件宽度试件宽度mm ；h试件高度试件高度mm ；f 上、下荷载上、下荷载间试件中部的变形值。间试件中

58、部的变形值。 木材抗弯强度值介于顺拉和顺压强度之间，个木材抗弯强度值介于顺拉和顺压强度之间，个树种平均值约为树种平均值约为90MPa左右。径向和弦向抗弯强度左右。径向和弦向抗弯强度间的差别主要表如今针叶材上，弦向比径向高出间的差别主要表如今针叶材上，弦向比径向高出10%12%；阔叶材两个方面上的差别普通不明显。；阔叶材两个方面上的差别普通不明显。MPabhLPbw2max23MPaEfbhLPw3310823五、冲击韧性五、冲击韧性(toughness) 冲击韧性采用中央施加冲击荷载，使试样产生冲击韧性采用中央施加冲击荷载，使试样产生弯曲破坏的实验方式。它不测定破坏试样所需求的弯曲破坏的实验方

59、式。它不测定破坏试样所需求的力，而是用破坏试样所耗费的功来表示。冲击破坏力，而是用破坏试样所耗费的功来表示。冲击破坏耗费的功愈大，木材韧性愈大，亦即脆性愈小。试耗费的功愈大，木材韧性愈大，亦即脆性愈小。试件尺寸为件尺寸为2020 300mm，后者为顺纹尺寸。支座，后者为顺纹尺寸。支座间隔为间隔为240mm 。冲击韧性按下式计算：。冲击韧性按下式计算： 式中：式中：Q 试样破坏时的吸收能量试样破坏时的吸收能量J； b 试样宽度试样宽度mm ； h试样高度试样高度mm。 木材冲击韧性按我国规范只做弦向实验。早、木材冲击韧性按我国规范只做弦向实验。早、晚材区别明显的树种，其弦向和径向冲击韧性有明晚材

60、区别明显的树种，其弦向和径向冲击韧性有明显的差别，如落叶松径向冲击韧性比弦向高显的差别，如落叶松径向冲击韧性比弦向高50%。早、晚材区别不明显的树种，径、弦向几乎一样。早、晚材区别不明显的树种，径、弦向几乎一样。阔叶材冲击韧性与针叶材相比，约为阔叶材冲击韧性与针叶材相比，约为0.52倍。倍。21000/ mkJAbtQ六、硬度六、硬度(hardness) 我国木材硬度实验是采用半径为我国木材硬度实验是采用半径为5.64 mm的钢球，的钢球，在静荷载下压入试样深度为在静荷载下压入试样深度为5.64 mm时，其横断面积时，其横断面积恰好为恰好为100 mm2。对于压入后试样易裂的树种，钢。对于压入