第6章木材力学性质学习教案

1、会计学1第第6章木材章木材(mci)力学性质力学性质第一页，共85页。 与一般钢材、混凝土及石材等材料不同与一般钢材、混凝土及石材等材料不同(b tn)(b tn)，木材属生物，木材属生物 材料，其构造的各向异性导致其力学性质的各向异性。材料，其构造的各向异性导致其力学性质的各向异性。 因此，木材力学性质指标有顺纹、横纹、径向、弦向因此，木材力学性质指标有顺纹、横纹、径向、弦向 之分。之分。学习学习(xux)木材力学性质的意义木材力学性质的意义 掌握木材的特性，合理选才、用材。掌握木材的特性，合理选才、用材。第1页/共84页第二页，共85页。 木材力学木材力学(l xu)(l xu)性质基本概

2、念的理解、木材力学性质基本概念的理解、木材力学(l xu)(l xu)性性 质特点及其影响因素。质特点及其影响因素。本章本章(bn zhn)重点重点 掌握木材主要力学性质的种类、受力方式及掌握木材主要力学性质的种类、受力方式及 其测定方法。其测定方法。 木材允许应力的确定。木材允许应力的确定。 第2页/共84页第三页，共85页。 6.1.1 应力应力(yngl)与应变与应变 应力应力(yngl)：分布内力的集度（：分布内力的集度（Nm2）6.1.1.1 应力应力应力的基本类型：应力的基本类型：拉应力、压应力、剪应力拉应力、压应力、剪应力第3页/共84页第四页，共85页。u拉应力拉应力(yngl

3、)=P/Au压应力压应力(yngl)=-P/Au剪应力剪应力=P/AQ第4页/共84页第五页，共85页。 6.1.1.2 应变应变(yngbin) 6.1.1.3 应力应力(yngl)、应变应变 的关系的关系=L / L在弹性在弹性(tnxng)范围内，有范围内，有LLP第5页/共84页第六页，共85页。引入的比例引入的比例(bl)常数常数 E 式中：式中：E 拉压弹性模量，与材料拉压弹性模量，与材料(cilio)有关有关，由，由 实验获得，是材料实验获得，是材料(cilio)的刚性指的刚性指标。标。= E (胡克胡克(h k)定理定理)实验表明实验表明: 木材的抗压、抗拉及抗弯时的木材的抗压

4、、抗拉及抗弯时的 E 值值 大大 致相等。致相等。第6页/共84页第七页，共85页。 6.1. 2 比例极限比例极限(jxin)、弹性变形、永久变形、弹性变形、永久变形实验表明实验表明: 木材木材(mci)抗抗压比例压比例 极限极限P 比抗比抗 拉时小得多。拉时小得多。（1）比例极限）比例极限(jxin)（P） （比例极限（比例极限(jxin)工程意义）工程意义）（2）弹性变形）弹性变形（3）永久变形）永久变形第7页/共84页第八页，共85页。 6.1. 3 刚度、脆性刚度、脆性(cuxng)、韧性和塑、韧性和塑性性 木材(mci)具有较高的刚度密度比，故可用于建筑材料。（1）刚度）刚度材料抵

5、抗变形材料抵抗变形(bin xng)的能力的能力 （2）脆性）脆性材料在破坏之前无明显变形的材料在破坏之前无明显变形的 性质。性质。第8页/共84页第九页，共85页。 木材的脆性(cuxng)与树种、生长环境、遗传、生长 应力、缺陷和腐朽有关。 脆性脆性(cuxng)大的木大的木材，一材，一 般质量较轻，纤维般质量较轻，纤维 素的含量低。素的含量低。 生长轮特别宽的针叶树材及生长轮特别窄的生长轮特别宽的针叶树材及生长轮特别窄的 阔叶树材易形成阔叶树材易形成(xngchng)脆性木材。脆性木材。第9页/共84页第十页，共85页。（3）韧性）韧性材料材料(cilio)抵抗冲击的能力（抵抗冲击的能力

6、（KJm2） 韧性大的木材(mci)抗冲击能力强，抗劈性也强。所以工程中用木材(mci)的抗冲击性和抗劈性来表示木材(mci)的韧性。（4）塑性）塑性材料所具有的保持不可材料所具有的保持不可(bk)恢复的变形恢复的变形 的性质。的性质。第10页/共84页第十一页，共85页。l木材属于非完全弹性材料，仅在一定范围木材属于非完全弹性材料，仅在一定范围(fnwi)内具有弹性，超过此范围内具有弹性，超过此范围(fnwi)后，木材即产生后，木材即产生塑性变形。塑性变形。l木材的塑性与树种、树龄、温度、含水率有关木材的塑性与树种、树龄、温度、含水率有关(yugun)。一般地，木材的塑性随温度及含水。一般地

7、，木材的塑性随温度及含水率的升高而增大。（木材的主要成分）率的升高而增大。（木材的主要成分）l木材木材(mci)塑性的工程应用塑性的工程应用第11页/共84页第十二页，共85页。6.1.4 木材木材(mci)的粘弹性的粘弹性6.1.4.1 弹性弹性(tnxng)固体与粘性流体的变形特性固体与粘性流体的变形特性（1）弹性）弹性(tnxng)固固体体 具有确定的形状，变形只与外力有关，与时间无具有确定的形状，变形只与外力有关，与时间无关。卸除外力后，变形消失，恢复原形。关。卸除外力后，变形消失，恢复原形。第12页/共84页第十三页，共85页。（2）粘性流体）粘性流体 无确定的形状，取决于容器。变形

8、除与外力有关外还与时间有关，产生(chnshng)不可逆的流动变形。6.1.4.2 木材木材(mci)的的粘弹性粘弹性 木材为生物高分子材料，具有弹性固体和粘性流体的特性。同时具有弹性和粘性两种不同机制的变形(bin xng)。体现着弹性固体和流体的综合特性。木材的这种特性称为木材的粘弹性。如蠕变及松弛。第13页/共84页第十四页，共85页。（1）木材）木材(mci)蠕变蠕变 木材蠕变木材在恒应力下其变形随时间(shjin)的增加 而增大的现象。木材蠕变过程木材蠕变过程(guchng)的三的三种变形：种变形：瞬时弹性变形瞬时弹性变形（服从胡克定理）（服从胡克定理）弹性滞后变形弹性滞后变形（粘弹

9、性）（粘弹性）纤维素分纤维素分子链的卷曲子链的卷曲或或伸展所致。伸展所致。塑性变形塑性变形（塑性）（塑性）纤维素分子链间的相对滑动所致。纤维素分子链间的相对滑动所致。第14页/共84页第十五页，共85页。（2）木材）木材(mci)松弛现松弛现象象l有蠕变有蠕变(r bin)必有必有松弛，反之亦然。松弛，反之亦然。l蠕变及松弛与木材的树种蠕变及松弛与木材的树种（密度（密度(md)）有关，还）有关，还与温度及含水率有关。与温度及含水率有关。（3）蠕变与松弛对工程的影响）蠕变与松弛对工程的影响 木材松弛木材松弛木材在恒应变下应力随时间的增长木材在恒应变下应力随时间的增长 而减小的现象。而减小的现象。

10、第15页/共84页第十六页，共85页。（4）木材）木材(mci)蠕变特性研究蠕变特性研究简介简介 木材木材(mci)的蠕变特性的蠕变特性曲线是一曲线是一 粘弹性曲线。粘弹性曲线。 木材的蠕变变形木材的蠕变变形(bin xng)由三个部由三个部 分组成：分组成：NoImage0)()(ttJ第一部分第一部分 是由木材内部高度结晶的微纤丝构架而引起的是由木材内部高度结晶的微纤丝构架而引起的 弹性变形，这种变形是瞬间完成；弹性变形，这种变形是瞬间完成；第16页/共84页第十七页，共85页。（4）木材蠕变特性）木材蠕变特性(txng)研究简研究简介介第二部分是链段的伸展第二部分是链段的伸展(shnzh

11、n)而而 引起的延迟弹性引起的延迟弹性 变形，这种变形变形，这种变形 是随时间而变化是随时间而变化 的；的；第三部分第三部分(b fen)是高分子是高分子的相的相 互滑移引起的互滑移引起的 粘性流动。粘性流动。 第17页/共84页第十八页，共85页。， 力学力学(l xu)模型模型第18页/共84页第十九页，共85页。， 根据流变学理论根据流变学理论(lln)，其任一瞬时的蠕变柔量，其任一瞬时的蠕变柔量J（t）为：）为：)1 ()(/100iztniieJtJtJ 数学模型数学模型第19页/共84页第二十页，共85页。第20页/共84页第二十一页，共85页。第21页/共84页第二十二页，共85

12、页。第22页/共84页第二十三页，共85页。第23页/共84页第二十四页，共85页。第24页/共84页第二十五页，共85页。第25页/共84页第二十六页，共85页。第26页/共84页第二十七页，共85页。木材顺纹抗拉力学试样木材顺纹抗拉力学试样(sh yn)及其受力方向及其受力方向 试验时采用附有自动对直和拉紧夹具的试验机进行试验时采用附有自动对直和拉紧夹具的试验机进行(jnxng)，试验以均匀速度加荷，在，试验以均匀速度加荷，在1.5-2.0分钟内使试样破坏。顺纹抗拉强度按下式计算。分钟内使试样破坏。顺纹抗拉强度按下式计算。wP/a.b式中：式中：P最大荷载最大荷载,N；a，b一试样工作部位

13、横断面一试样工作部位横断面(cm2)；W一试验时的木材含水率一试验时的木材含水率()。 第27页/共84页第二十八页，共85页。 木材木材(mci)横纹抗拉试样及其受力方向横纹抗拉试样及其受力方向 木材的横纹拉力比顺纹拉力低得多，一般只有顺木材的横纹拉力比顺纹拉力低得多，一般只有顺纹拉力的纹拉力的l/301/40。因为木材径向受拉时，除。因为木材径向受拉时，除木射线细胞的微纤丝受轴向拉伸外，其余细胞的木射线细胞的微纤丝受轴向拉伸外，其余细胞的微纤丝都受垂直方向的拉伸；横纹方向微纤丝上微纤丝都受垂直方向的拉伸；横纹方向微纤丝上纤维素链间是以氢键纤维素链间是以氢键(qn jin)（-OH）接合的）

14、接合的，这种键的能量比木材纤维素纵向分子间，这种键的能量比木材纤维素纵向分子间C-C、C-O键接合的能量要小得多。此外，横纹拉力试键接合的能量要小得多。此外，横纹拉力试验时，应力不易均匀分布在整个受拉上，往往先验时，应力不易均匀分布在整个受拉上，往往先在一侧被拉劈，然后扩展到整个断面而破坏，并在一侧被拉劈，然后扩展到整个断面而破坏，并非真正横纹抗拉强度。非真正横纹抗拉强度。第28页/共84页第二十九页，共85页。第29页/共84页第三十页，共85页。第30页/共84页第三十一页，共85页。木材木材(mci)顺纹抗压破坏时常见的六种形态顺纹抗压破坏时常见的六种形态 第31页/共84页第三十二页，

15、共85页。第32页/共84页第三十三页，共85页。木材横纹抗压强度测定试样与受力方向木材横纹抗压强度测定试样与受力方向1-径向全部径向全部(qunb)抗压抗压 2-径向局部抗压径向局部抗压 第33页/共84页第三十四页，共85页。针叶材及阔叶树环孔材径向受压时应力与应变针叶材及阔叶树环孔材径向受压时应力与应变(yngbin)间的关系间的关系 第34页/共84页第三十五页，共85页。第35页/共84页第三十六页，共85页。木材承受弯曲木材承受弯曲(wnq)荷载时受力方式与应力分荷载时受力方式与应力分布情况布情况 第36页/共84页第三十七页，共85页。第37页/共84页第三十八页，共85页。第3

16、8页/共84页第三十九页，共85页。木材木材(mci)抗弯强度的抗弯强度的测定测定 抗弯强度用下式计算抗弯强度用下式计算w 3PL/2bh2 (Mpa)12w 1+0.04（W-12） (Mpa)式中：式中： w 木材试样气干状态木材试样气干状态(zhungti)下的抗弯强度下的抗弯强度P破坏时的荷载，破坏时的荷载，N；L跨度，跨度，240mm；b试样宽度，试样宽度，mm；h试样高度，试样高度，mm；W试验时试样的含水率试验时试样的含水率 ()。 第39页/共84页第四十页，共85页。第40页/共84页第四十一页，共85页。木材木材(mci)抗弯弹性模量的测定抗弯弹性模量的测定 第41页/共8

17、4页第四十二页，共85页。第42页/共84页第四十三页，共85页。第43页/共84页第四十四页，共85页。第44页/共84页第四十五页，共85页。木材抗剪试样与受力支架木材抗剪试样与受力支架1附件附件(fjin)主杆主杆 2块块 3L形块形块 4，5螺杆螺杆 6压块压块 7试样试样 8圆头螺钉圆头螺钉 第45页/共84页第四十六页，共85页。第46页/共84页第四十七页，共85页。第47页/共84页第四十八页，共85页。树种树种密度密度端面硬度端面硬度(Mpa)(Mpa)产地产地泡桐泡桐杉木杉木紫椴紫椴香樟香樟水曲柳水曲柳柞木柞木槭木槭木黄檀黄檀蚬木蚬木0.2830.2830.3760.376

18、0.4510.4510.5350.5350.6430.6430.7480.7480.8800.8800.9230.9231.1281.12819.519.526.526.534.434.440.240.259.959.972.972.9108.8108.8112.4112.4142.3142.3河南河南湖南湖南黑龙江黑龙江安徽安徽黑龙江黑龙江黑龙江黑龙江安徽安徽浙江浙江广西广西木材木材(mci)密度与硬度的关系密度与硬度的关系 第48页/共84页第四十九页，共85页。木材硬度测定方法木材硬度测定方法1半圆形的钢压头；半圆形的钢压头； 2调整螺丝（上触点）；调整螺丝（上触点）；3具有弹具有弹簧簧

19、(tnhung)装置的下触点；装置的下触点；4套筒套筒 第49页/共84页第五十页，共85页。第50页/共84页第五十一页，共85页。第51页/共84页第五十二页，共85页。第52页/共84页第五十三页，共85页。第53页/共84页第五十四页，共85页。第54页/共84页第五十五页，共85页。第55页/共84页第五十六页，共85页。木材径面木材径面(A)与弦面与弦面(B)抗劈力的试样抗劈力的试样(sh yn)形状形状 第56页/共84页第五十七页，共85页。第57页/共84页第五十八页，共85页。第58页/共84页第五十九页，共85页。第59页/共84页第六十页，共85页。含水率对松木力学强度

20、的影响含水率对松木力学强度的影响A横向抗弯；B顺纹抗压；C顺纹抗剪木材含水率对木材力学性质的影响木材含水率对木材力学性质的影响，主要是由于单位体积，主要是由于单位体积(tj)内纤维内纤维素和木素分子的数目增多，分子间素和木素分子的数目增多，分子间的结合力增强所致。含水率高于纤的结合力增强所致。含水率高于纤维饱和点，自由水含量增加，其强维饱和点，自由水含量增加，其强度值不再减小，基本保持恒定。经度值不再减小，基本保持恒定。经过长期的研究证实，含水率在纤维过长期的研究证实，含水率在纤维饱和点以下，强度的对数值与含水饱和点以下，强度的对数值与含水率成一直线关系。率成一直线关系。 第60页/共84页第

21、六十一页，共85页。第61页/共84页第六十二页，共85页。树种树种木材顺纹抗压强度木材顺纹抗压强度 回归方程回归方程 相关系数相关系数木材抗弯强度木材抗弯强度回归方程回归方程 相关相关系数系数杉木杉木14551510.740.74红松红松10671510.640.64落叶松落叶松11922090.740.74马尾松马尾松油松油松1903.431903.43-101.210.780.78水曲柳水曲柳11312460.740.74紫椴紫椴817200.740.74第62页/共84页第六十三页，共85页。第63页/共84页第六十四页，共85页。第64页/共84页第六十五页，共85页。第65页/共8

22、4页第六十六页，共85页。1卵圆形、卵圆形、2长条形和长条形和3掌状节掌状节 1活节和2死节(s ji) 第66页/共84页第六十七页，共85页。木节对横纹抗压强度的影响不明显，当节子位于受力点下方，节子走向与施木节对横纹抗压强度的影响不明显，当节子位于受力点下方，节子走向与施力方向一致时，强度不仅不降低反而出现增高的现象。力方向一致时，强度不仅不降低反而出现增高的现象。木节对抗木节对抗(dukng)剪强度的影响研究得还不多，当弦面受剪时，节子起到增剪强度的影响研究得还不多，当弦面受剪时，节子起到增强抗剪强度的作用。强抗剪强度的作用。 第67页/共84页第六十八页，共85页。第68页/共84页第六十九页，共85页。斜纹理对木材顺纹抗拉、抗弯