第八章++木材的力学性质

第八章木材的力学性质TheMechanicalPropertiesofWood本章主要介绍了木材的力学特性应力与应变弹性与木材的正交异向弹性木材的黏弹性木材的强度、韧性与破坏木材的主要力学性能指标影响木材力学性质的主要因素木材的容许应力第一节应力与应变

一、应力与应变

1、应力(σ)：物体在受到外力作用时，物体自身产生的抵抗外力而保持平衡的力。在外力P作用下，材料单位面积A上所受的内力称应力。通常用σ表示，单位为MPa(N/mm2)

。应力与应变压缩应力和拉伸应力：短柱材受压或受拉状态下产生的正应力。剪应力：当作用于物体的一对力或作用力与反作用力不在同一条作用线上，而使物体产生平行于应力作用面方向被剪切的应力。顺纹理加压与顺纹理剪切应力与应变2、应变(ε)：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。

通常用ε表示。式中:δ为总变形，L为试件在受力方向的长度。应变无量纲。分为正应变ε与剪应变γ。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，欲使其一部分与其它部分相脱离，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。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。应力与应变二、应力－应变图（应力与应变的关系）

应力—应变曲线：表示应力与应变的关系曲线。

比例极限和弹性极限永久变形（塑性变形）

破坏应力和破坏应变屈服应力

屈服应力应力与应变应力-应变曲线（模式图）

比例极限应力：直线部分的上端点P对应的应力。比例极限应变：直线部分的上端点P对应的应变。

弹性极限:直线部分的上端点E.

塑性变形（永久变形）：应力超过弹性限度，这时如果除去应力，应变不会完全回复，其中一部分会永久残留。应力与应变破坏应力、极限强度：应力在M点达到最大值，物体产生破坏(σM)。破坏应变：M点对应的应变(εM)

。

应力－应变曲线应力与应变屈服应力

当应力值超过弹性限度值并保持基本上一定,而应变急剧增大,这种现象叫屈服,而应变突然转为急剧增大的转变点处的应力叫屈服应力(σY)。应力与应变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

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木材应力与应变的关系

木材的应力与应变的关系属于既有弹性又有塑性的材料——黏弹性材料。在较小应力和较短时间的条件下，木材的性能十分接近于弹性材料；反之，则近似于黏弹性材料。应力与应变一、弹性与塑性

弹性:指木材在外力作用下发生变形，撤除外力后变形完全恢复的性质。塑性:指木材在外力作用下发生变形，撤除外力后产生永久残留变形的性质。第二节弹性与木材的正交异向弹性应力－应变曲线弹性常数1、弹性模量和柔量弹性模量（E）：物体产生单位应变所需要的应力，它表征材料抵抗变形能力的大小，它是材料刚性的指标。

E=应力╱应变

σ＝Eε这里比例常数E叫做弹性模量或杨氏模量,单位为Mpa。

它表征材料抵抗变形能力的大小。物体的弹性模量值愈大，在外力作用下愈不易变形，材料的强度也愈大。木材的拉伸、压缩和静曲弹性模量大致相等,但压缩的弹性极限比拉伸弹性极限低得多。

弹性柔量a:弹性模量的倒数。柔量的物理意义是单位应力的变形，表征材料产生变形的难易程度。式中：ε为相对变形（应变）；σ为应力；n为常数，取决于材料的性质。试验表明铸铁、铜、花岗石、砂石、混凝土n>1；皮革、麻绳n＜1；钢、铝和木材n＝1。因此木材的应力和应变可用下列关系式表示：

ε＝aσ

ε＝aσn弹性2、剪切弹性模量剪切应力τ与剪切应变γ之间符合：

τ＝Gγ或γ=τ/GG为剪切弹性模量，或刚性模量。3、泊松比物体的弹性应变在产生应力主轴方向收缩（拉伸）的同时还伴随有垂直于主轴方向的横向应变，将横向应变与轴向应变之比称为泊松比（）。

=-´/

分子表示横向应变，分母表示轴向应变。4、弹性常数

弹性模量E、剪切弹性模量G、泊松比弹性（１）木材是高度异向性的材料，弹性模量Ｅ在三个主方向上各不相同。纵向弹性模量可大于横向１０─几十倍，横向中径向大于弦向。（２）刚性模量Ｇ，端面最小，径、弦面刚性模量分别与径、弦向弹性模量数值相近。（３）弹性模量Ｅ和刚性模量Ｇ均随密度ρ的增加而增加。（４）木材的泊松比μ（横向变形系数）均小于１，而木材在横向受力时，对纵向的泊松比远小于其他泊松比，并以弦向受力时的泊松比为最小。

弹性木材的正交异向性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）。使木材成为近似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、木材的正交对称性与正交异向弹性木材的正交对称性与正交异向性木材正交对称性木材由于树木生长的周期性，而形成生长轮从而具有层次性.木材层次性柱面对称性正交异向弹性木材为正交异性体。弹性的正交异性为正交异向弹性。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。

如图所示木材具有圆柱对称性，使它成为近似呈柱面对称的正交对称性物体。符合正交对称性的材料，可以用虎克定律来描述它的弹性。1、木材的正交对称性

RT、LR、LT分别对应橫切面、径切面和弦切面。

木材正交对称性

如图，小试件具三个轴L、R、T

但：R轴实际上是发散的；

LT面并非平面木材的正交对称性与正交异向性在各向同性材料上，各主轴上的弹性常数相同。如施一静压于同性立方体上，仅使立方体体积变小，但保持原有的形状性质---仍为立方体。施剪力于立方体时，受拉、受压两相对方向所产生应变相等，但符号相反，形状改变成矩形，由于弹性常数相同，面积、体积无变化。在各向异性材料上，施流体静压力成剪力时，各轴产生不同变形，立方体的体积和形状均改变。这证明了异性材料各主轴方向上弹性常数是不同的。

木材的正交对称性与正交异向性2、木材的正交异向弹性常数

方程中9个独立的弹性常数来反映木材的正交异向性，这些常数是：3个弹性模量、3个剪切弹性模量和3个泊松比。EL、ER、ET、GLT、GLR、

GTR、μRT、μLR、μLT不同树种间的这9个常数值是存在差异。木材的正交对称性与正交异向性材料密度g/cm3含水率%ELMPaERMPaETMPaGLTMPaGLRMPaGTRMPaμRTμLRμLT针叶树材云杉0.3901211583896496690758390.430.370.47松木0.550101627211035736761172660.680.420.51花旗松0.59091640013009009101180790.630.430.37阔叶树材轻木0.20096274296103200310330.660.230.49核桃木0.590111123911726216908962280.720.490.63白蜡木0.670915790151682789613102690.710.460.51山毛榉0.750111370022401140106016104600.750.450.51几种木材的弹性常数木材的正交对称性与正交异向性（１）木材是高度异向性的材料，拉伸、压缩和弯曲的弹性模量E近似相等。弹性模量Ｅ在三个主方向上各不相同。纵向弹性模量可大于横向１０─几十倍，横向中径向大于弦向。EL＞＞ER＞

ET

针叶树材的

ER/ET＝1.8,EL/ET

＝24，EL/ER

＝13.3

阔叶树材的ER/ET＝1.9,EL/ET

＝18.5，EL/ER

＝9.5（２）刚性模量Ｇ，横断面最小：GLR

（径面）＞GLT（弦面）＞

GRT（横断面）橫切面最小,针叶树材三者之比为20.5:17:1,阔叶树材三者之比为4.3:3.2:1，径、弦面刚性模量分别与径、弦向弹性模量数值相近即GLR≈ER,GLT≈ET。（３）弹性模量Ｅ和刚性模量Ｇ均随密度ρ的增加而增加。（４）木材的泊松比μ（横向变形系数）均小于１，而木材在横向受力时，对纵向的泊松比远小于其他泊松比，并以弦向受力时的泊松比为最小，有uRT＞uLT＞

uLR。。

木材的正交对称性与正交异向性第三节木材的粘弹性

流变学：讨论材料荷载后的弹性和黏性的科学。(讨论材料荷载后应力---应变之间关系随时间变化的规律)木材的粘弹性（viscoelasticityofwood）—木材等高分子物在外力作用下表现出粘性流体和弹性固体兼有的性质。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。

蠕变和松弛：是黏弹性的主要内容。木材的黏弹性同样依赖于温度、负荷时间、加荷速率和应变幅值等条件，其中温度和时间的影响尤为明显。木材的粘弹性一.木材的蠕变概念(creep)：指在一定的温度和较小的恒定外力作用下(应力不变),材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象.木材属高分子结构材料，受外力作用时产生3种变形：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。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。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。木材的粘弹性2、木材的典型蠕变曲线

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缓慢回复木材的蠕变曲线O故蠕变AB包括两个组分：弹性的组分C1C2——弹性后效变形剩余永久变形C2C3=DE——塑性变形木材蠕变曲线变化表现的正是木材的黏弹性质。木材的粘弹性3、蠕变规律

（1）对木材施载产生瞬时变形后，变形有一随时间推移而增大的蠕变过程；（2）卸载后有一瞬时弹性恢复变形，在数值上等于施载时的瞬时变形；木材的粘弹性（3）卸载后有一随时间推移而变形减小的蠕变恢复，在此过程中的是可恢复蠕变部分；（4）在完成上述蠕变恢复后，变形不再回复，而残留的变形为永久变形，即蠕变的不可恢复部分；（5）蠕变变形值等于可恢复蠕变变形值（一次蠕变）和不可恢复蠕变变形值（二次蠕变）之和。木材的粘弹性4、单向应力循环加载时的蠕变特点

以一个方向的应力循环作用于木材，每个应力加载—卸载周期都会残留一个变形，在热力学上，曲线所包围的面积相当于各周期中能量的消耗。

能量的损耗随着每个周期增大，意味着在变形中做了更多的功，同时造成材料蠕变的不可恢复部分越来越大。反复加载-卸载的应力-应变周期图木材的粘弹性5、蠕变的消除对木材施加一荷载，荷载初期产生应力—应变曲线OA′，卸载产生曲线A’B’，残留了永久变形OB’。为了使永久变形消失而重新获得物体的原来形状，必须施加与产生曲线应力符号相反的应力OC’，而形成这段曲线B’C’。多向应力作用下蠕变的消除木材的粘弹性

当OC’继续增大到等于A’P’

，B’C’将延至C’D’；卸去这个符号相反的应力，产生应力—应变曲线D’E’，也不能恢复到原形，残留负向的永久变形E’O。多向应力作用下蠕变的消除木材的粘弹性再次通过反向应力OF’

，材料才能恢复原形。如果再继续增大应力，则产生曲线F’A’，与原曲线构成一个环状闭合。A’B’D’F’封闭曲线所包围的面积相当于整个周期中的能量损耗。多向应力作用下蠕变的消除木材的粘弹性6.蠕变的影响因素(1)时间：(2)木材的含水率：含水率升高时，同样荷载下木材的变形会增加。(3)温度：温度增高，变形量与变形速率会增加

木材的粘弹性（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。木材的粘弹性7、建筑木构件的蠕变问题（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。木材的粘弹性二.木材的松弛1.概念(stressrelaxation)：指在恒定温度和形变保持不变的情况下,木材内部的应力随时间延长而逐渐衰减的现象。松弛与蠕变的区别在于：在蠕变中，应力是常数，应变是随时间变化的可变量；而在松弛中，应变是常数，应力是随时间变化的可变量。木材的粘弹性松弛曲线

松弛曲线:应力—时间曲线

m为松弛系数。松弛系数随树种和应力种类而有不同，但更受密度和含水率影响，m值与密度成反比，与含水率成正比。松弛弹性模量：单位应变的松弛应力E(t)。黏弹性材料的松弛曲线(应变的速度为常数)木材的粘弹性三.木材的长期荷载1.长期载荷的影响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。（木材的长期荷载）木材的粘弹性（木材的长期荷载）2.长期强度(或持久强度)：如果木材的应力小于一定极限时,木材不会由于长期受力而发生破坏,这个应力极限称为木材的持久强度,一般只有瞬间强度的0.5~0.7。木材的粘弹性（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。四、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。1、塑性与塑性变形

塑性变形:当施加于木材的应力超过木材的弹性限度时，去除外力后，木材仍会残留一个当前不能恢复的变形，将这个变形称为塑性变形。

塑性:木材所表现出的这一性质称为塑性。木材的塑性是由于在应力作用下，高分子结构的变形及相互间相对移动的结果。木材属于塑性较小的材料。木材的粘弹性2.木材塑性的影响因素

影响木材塑性的重要因素有木材的多孔性、木材的含水率和温度，其中含水率和温度的影响十分显著。

含水率:随W增大而增大。

温度:随T增大而加大，这种性质往往被称为热塑性。木材的粘弹性3.木材塑性的应用干燥时，木材由于不规则干缩所产生的内应力会破坏其组织的内聚力，而塑性的产生可以抵消一部分木材的内应力。木材横纹压缩变形的定型处理等木材加工工艺中就需增大木材的塑性。

木材的粘弹性第四节木材的强度、韧性与破坏木材的强度、韧性与破坏

一、木材的强度

强度是指材料抵抗外部机械力破坏的能力，表示单位截面积上材料的最大承载能力。单位N/mm2(=MPa)

木材是各向异性的高分子材料，根据所施加应力的方式和方向的不同，木材具有顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、横纹抗压强度、抗弯强度等多项力学强度指标参数。抗拉强度：抵御拉伸应力的最大临界能力。抗压强度：抵御压缩应力的最大临界能力。抗弯强度：抵御被弯曲的最大临界能力。木材的强度、韧性与破坏二.木材的韧性：

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载荷的能力。也是材料在不致破坏的情况下所能抵御的瞬时最大冲击能量值。单位KJ/m2

。

木材的强度、韧性与破坏韧性材料往往是强度大的材料，但也有不符合这个关系的。三、木材的破坏

1、破坏木材结构破坏是指其组织结构在外力或外部环境作用下发生断裂、扭曲、错位，而使木材宏观整体完全丧失或部分丧失原有物理力学性能的现象。

木材的强度、韧性与破坏从细胞壁结构和细胞壁结构物质的性质来看，木材发生破坏的原因是微纤丝和纤维素骨架的填充物的撕裂，或纤维素骨架的填充物的剪切，或纤维被压溃所引起。任何条件对木材破坏的决定性作用都取决于应力状态的类型。

2、木材破坏的原因

纤维素赋予木材弹性和强度；木质素赋予木材硬度和刚性；半纤维素起填充作用，它赋予木材剪切强度。木材的强度、韧性与破坏四、单轴应力下木材的变形与破坏特点1、顺纹压缩（compressionalongthegrain）:平行于木材纹理方向的压缩称顺纹压缩。

顺纹压缩破坏的宏观征状：最初现象是横跨侧面的细线条，随着作用力加大，变形随之增加，材面上开始出现皱褶。木材顺压破坏试件上，常可见连续破坏线总出现在弦面，说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；此外微纤丝在胞壁径面与木射线相交，产生了局部扭转，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，倾角小。破坏形状和破坏部位常取决于木材含水率和硬度等因素。湿材和软材以端部压溃破坏最为常见，破坏出现在应力集中即木材荷载与之接触的地方。干的木材常在未发生明显扭曲之前，因劈裂而破坏，这是由于纤维或木射线的撕裂，而非木射线与邻接的构造分子之间的分离。干的硬材只会发生剪切破坏。中等硬度的木材即可以发生端部压溃，又可以发生剪切破坏。木材的强度、韧性与破坏顺纹压缩破坏的微观征状：由显微镜可观察到顺压破坏有3个阶段。首先在次生壁上会产生横向的细线纹（错位形成），与细胞长轴约成57°角。随压力增大变形增加，这些细线纹越来越多，直到最后细线纹彼此相连而形成纵横交错的网纹为止。最后在细胞壁的这些细线纹处产生剪切破坏，剪切破坏多了，整个细胞壁便被扭曲。受压的皱痕使整个破坏区的细胞壁都扭曲。前两阶段属初期破坏。微纤丝产生错位，在低于破坏载荷的25%应力的水平下已开始产生。这种错位使木材纤维缩短，属永久的塑性变形。木材纤维与木射线接触部位易产生错位，错位所产生的滑移线与胞壁主轴一般成50°~70°角。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，但纤维间仍保持彼此平行。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，以适应木材破坏的外形。

2、横纹压缩（compressionperpendiculartothegrain）木材横纹压缩是指作用力方向与木材纹理方向相垂直的压缩。木材横纹压缩可分为局部受压和全部受压。前者抗压强度高于后者。铁轨架在枕木上属局部受压，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，或用试件厚度2.5%压缩率时的应力值来表示。木材进行压缩时，应力—应变关系是一条非线性的曲线.木材的强度、韧性与破坏a.横压破坏宏观表现木材横压时，宏观变化首先是纤维受压变紧密。局部横压时，承压板凹陷入木材，上部的纤维破坏，较内部的纤维未受影响。当荷载继续增加时，试样未受压的端部会突出，或呈水平劈裂。试样突出部分增加了直接荷载下的木材强度。b.横压破坏微观表现木材横压时微观变化主要是细胞的横断面变形，若施加的压缩荷载为足够大时，这种变形将继续扩大，直至荷载超过木材的弹性极限后，木材外部纤维及其邻近纤维溃坏，并变得紧密，产生永久变形。外部纤维破坏最大，也最紧密。横压试件由外向内纤维遭受的破坏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能力，对于用木材作承重垫板，特别是木结构的节点联结处尤为重要。在用连接件（螺栓等）将木构件连在一起时，常用来传递构件的内力。3、顺纹拉伸木材顺纹拉伸破坏主要是纵向撕裂和微纤丝之间的剪切。微纤丝纵向结合非常牢固，所以顺纹拉伸时的变形不大，通常应变值小于1%～3%，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能充分发挥，因为木材的纤维会在微纤丝之间撕开。木材顺纹剪切强度特别低，通常只有顺纹抗拉强度的6%～10%。顺纹拉伸时，微纤丝之间产生滑移使微纤丝撕裂破坏，其破坏断面通常呈锯齿状、细裂片状或针状撕裂。其断面形状的不规则程度，取决于木材顺拉强度和顺剪强度之比值。一般健全材该比值较大，破坏常在强度较弱的部位剪切开，破坏断面不平整，呈锯齿状木茬。腐朽材和热带脆心材，两者比值较小，而且由于腐朽所产生的酸质使纤维素解聚，对大气湿度敏感性增加，这两个因素大大削弱了木材的顺拉强度，微纤丝很少出现滑移现象，，木茬较短。木材的强度、韧性与破坏4、横纹拉伸木材横纹拉伸分径向拉伸和弦向拉伸。木材的横纹拉伸强度很低，只有顺纹拉伸强度的1/65～1/35。木材在径向和弦向拉伸时的强度差，取决于木材密度及射线的数量与结构。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。针叶树材和环孔材弦向拉伸时，参与拉伸的微纤丝数量比径向多。散孔材参与拉伸的微纤丝数量径向弦向都一样多，但径向有木射线细胞壁微纤丝是轴向拉伸，所以散孔材横纹拉伸强度径向大于弦向。木材的强度、韧性与破坏5、顺纹剪切按剪切力与木材纹理方向之间的关系，可分为顺纹剪切、横纹剪切和切断。木材使用中最常见的为顺纹剪切，又分为弦切面和径切面。木材顺纹剪切的破坏特点是木材纤维在平行于纹理的方向发生了相互滑移。a.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，破坏表面较光滑，但略有起伏，面上带有细丝状木毛。b.剪切面垂直于年轮的径面剪切：其破坏表面较粗糙，不均匀而无明显木毛。在扩大镜下，早材的一些星散区域上带有细木毛。木材的强度、韧性与破坏第五节木材主要力学性能指标按作用力方向分：順纹和橫纹（弦向、径向）；按荷载形式分：静力荷载、冲击荷载、振动荷载、长期荷载；按作用力方式分：拉伸、压缩、剪切、弯曲、扭转及纵向弯曲；按工艺要求分：抗劈力、握钉力、弯曲能力、耐磨性。木材受压荷载应用最广泛，是木材力学性质中最重要的特性。1.顺纹抗压强度(compressivestrengthparalleltograinofwood)概念：力的方向平行于木材纹理，给试件全部加压面施加载荷时的强度。木材顺纹抗压顺纹抗压

木材的各种力学强度有纵向和横向之分，横向有分为径向和弦向。一、抗压强度(compressivestrength)

顺纹抗压强度是木材作为结构和建筑材料的主要力学性质，它可在一定程度上说明木材总的力学性质的好坏。由于其强度变化较少，且易于测定，在研究与木材强度有密切关系事项时，如含水率等与强度关系均采用此项试验。顺纹抗压强度主要取决于细胞壁的化学成分为—木素（赋予木材抗压强度和刚性，把木材分子粘合在一起）。

测定试件断面的径、弦向尺寸为20×20mm，高度为30mm。顺压强度可用下式计算：

式中：σ为顺压强度（MPa）；Ｐmax为破坏荷载（N）；b和t分别为试件的宽度、厚度尺寸（mm）。

我国木材顺压强度平均值约为450×105Pa，顺压比例极限与强度的比值约为0.70，其中，针叶材为0.78左右，软阔叶材为0.70，硬阔叶材为0.66。针叶材具有较高比例极限的原因有结构较规则，硬阔叶材中环孔材由于结构不规则，因此比例极限最低。2.横纹抗压强度(compressivestrengthperpendiculartograinofwood)根据作用力与年轮位置的不同，分为径向和弦向受压。(1)概念：(2)分局部受压和全部受压：全部受压试件名义尺寸为20×20×30mm，局部受压为20×20×60mm，后一尺寸均为顺纹尺寸。(3)根据作用力与年轮的位置不同又可分径向和弦向。又可以分为径向和弦向受压：

因横纹压力无法准确测定破坏强度，故从绘制荷载－变形曲线上确定比例极限荷载Ｐ，分别以下式计算横压比例极限强度：全部横压（MPa）局部横压（MPa）式中：Ｐ为比例极限荷载（N），ｂ为试样宽度（mm），Ｌ为试样长度(mm)，t为加压钢块宽度(mm)。横纹抗压（全部）横纹抗压（局部）木材横压比例极限强度，局部横压高于全部横压，前者应用范围较广，测定以前者为主。径向与弦向横压值的大小与木材构造有极其密切的关系。具有宽木射线和木射线含量较高的树种（栎木、米槠等），径向横压强度高于弦向；其它阔叶树（窄木射线），径向与弦向值相近；对于针叶材，特别是早、晚材显明的如落叶松等树种，则弦向大于径向。当径向受压时主要是较松软的早材部分易形成变形；而弦向受压时试验一开始即由晚材承载。二、抗拉强度(tensilestrength)1.顺纹抗拉强度：(tensilestrengthparalleltograinofwood)

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，顺纹抗拉强度也越大。木材密度大，顺纹抗拉强度也大木材顺纹抗拉强度是各类强度中最大者。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弦向和径向。

拉伸强度按以下公式计算：式中：Pmax—最大荷载（N）b—试件宽度（mm）t—试件厚度（mm）（MPa）图8-3木材顺纹抗拉强度测定试件数值范围：120～150MPa，高的可达300MPa。是木材最大的强度。测定：试件制作与测定按国标GB1938-1991《木材順纹抗拉强度实验方法》破坏：试件中部局部消弱部分产生拉伸破坏。2.横纹抗拉强度(tensilestrengthperpendiculartograinofwood)

木材抵抗垂直于纹理拉伸的最大应力。分径向和弦向的抗拉强度由于木材细胞排列和胞壁上微纤丝走向等原因，木材的横纹抗拉强度约为顺纹抗拉强度的1/65～1/10。因此，在任何木结构的部件中应尽可能避免横纹拉力，这不仅是因为横纹抗拉强度很低，而且由于木材的干缩可能引起径裂和轮裂，使木材完全丧失横纹抗拉强度。三、木材的抗弯强度(bendingstrength)和抗弯弹性模量(themodulusofelasticityinstaticbending)图8-6木材的弯曲形式在静力弯曲时，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。由于木材的顺拉强度远大于顺压强度，中性层偏向受拉区一侧。抗弯强度试件和弯曲模量试件尺寸均为20×20×300mm后者为顺纹尺寸。支座距均为240mm。抗弯强度采用中央加载，弯曲模量则采用离支座各三分之一处两点荷载。两者均仅作弦向弯曲。抗弯强度σM和弯曲模量ＥM分别用下式计算：(MPa)

(MPa)式中：Ｐmax为最大荷载（Ｎ）；Ｌ为支座间距离（mm）；b为试样宽度（mm）；h为试样高度(mm)；f为上、下荷载间的变形值(mm)。

木材抗弯强度值介于顺拉与顺压强度之间，各树种平均约900×105Pa。径向与弦向弯曲强度间的差异仅表现在针叶材上，弦向比径向高出10━12%。阔叶材两方向上几乎相等。抗弯强度可分五级（105pa）500以下,甚低501━800，低802━1200，中1201━1700，高1700以上，甚高弯曲模量也分五级（108Pa）90以下，甚低91━120，低

121━150，中151━190，高190以上，甚高木材抗弯强度与抗弯弹性模量之间的关系：柯病凡根据356个树种在含水率15％时的木材抗弯强度与抗弯弹性模量，发现了二者之间的相关性并得出关系式：

Ew=0.086σbw+33.7(MPa)

四、冲击韧性(toughness)1、冲击韧性采用中央施加冲击荷载使试样产生弯曲破坏的试验形式。它不测定破坏试件所需要的力，而是用破坏试件所消耗的功来表示。消耗的功愈大，木材韧性愈大，脆性愈小。试件尺寸为20×20×300mm，后者为顺纹尺寸。冲击韧性按下式计算：

(KJ/m2)式中：Ｑ为试样破坏时吸收能量(J)；b为试样宽度(mm)；h为试样高度(mm)。木材冲击韧性按我国标准只做弦向试验。早晚材区别明显的树种，其弦向与径向冲击韧性有明显的差别，如落叶松径向冲击比弦向高50%，云杉高35%，水曲柳高20%。早晚材区别不明显的树种，径、弦向几乎相同。阔叶材冲击韧性比针叶材平均高0.5－2倍。冲击韧性可分为五级（KJ/m2）：30以下为甚低；31－60为低；61－90为中；91－120为高；120以上为甚高。

2、影响因素：

a.方向性

b.木材构造

c.木材缺陷

d.木材腐朽

3.破坏形式木材冲击韧性试材破坏情况五、抗剪切强度与扭曲强度剪力作用于木材纹理方向的不同可分顺剪(shearingstrengthparalleltograinofwood)、横剪和切断三类。木材顺剪强度最小，故通常只测顺剪。顺剪又分径面和弦面破坏两种。：1、抗剪切强度(shearingstrength)如图所示。试样缺角部分角度为106°42′，θ角为16°42′。1——附件主体2——楔块3——L型垫块4——螺杆5——螺杆6——压块7——试样8——圆头螺钉图顺纹抗剪试样及试验装置式中：Ｐmax为最大荷载(Ｎ)；ｂ为试样宽度(mm)；Ｌ为试样受剪面长度(mm)。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。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。木材顺纹剪切强度较小，平均只有顺纹抗压强度的10%~30%。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增加。阔叶材的顺纹剪切强度平均比针叶材高出1/2。阔叶材弦面抗剪强度较径面高出10%~30%，其木射线越发达，这种差异也越大。针叶材径面和弦面的抗剪强度大致相同。顺剪强度分五级（105Pa）：50以下,甚低；51－100，低；101－150，中；151－200，高；200以上，甚高。（MPa）2、扭曲强度当木杆因外力而扭曲时，杆环绕其纵轴旋转，这时产生的内阻力矩成为扭曲。木材因扭曲而破坏时所产生的相应应力称为扭曲强度。扭曲强度在木材作为螺旋桨、回转轴、车轴、农机零部件等使用中较重要。计算公式见书P202。六、木材硬度(hardness)与耐磨性1、硬度：是材料抵抗其它不产生残余变形物体压入的抗凹能力。我国木材硬度试验是采用改进的布氏硬度试验法。用直径为11.28mm的钢球，在静荷载下压入试样深度为5.64mm时，其横断面积恰好为100mm2。对于压入后试样易裂的树种，钢半球压入的深度允许减至2.82mm，此时截面积为75mm2。硬度试件尺寸为50×50×70mm，后一尺寸为顺纹尺寸。可分径面、弦面和端面硬度。硬度其计算公式为：ＨM＝Ｋ·Ｐ(N)式中：P为钢球半径面压入时的荷载（N）；Ｋ为系数，当压入深度为2.82mm和5.64mm时,K值分别为1和4/3。

木材端面硬度高于侧面硬度，针叶材平均高出35%，阔叶材高出25%；木射线发达的麻栎、青冈栎等树种的木材硬度，弦面较径面可高出5-10%，大多数树种径面和弦面硬度相近。木材密度对硬度影响极大，密度愈大，硬度愈大。2、耐磨性

木材与任何物体的摩擦，均产生磨损，其变化大小以磨损部分损失的质量或体积来计算。常用的磨耗仪有科尔曼磨耗仪、泰伯磨耗仪和斯塔特加磨耗仪阔叶材径面抗劈力较弦面为小。这种差异对木射线发达的树种尤为显著。针叶材恰恰相反，即弦面小于径面，这是由于早材部分强度小，弦面易于劈开。七、抗劈力抗劈力是木材抵抗在尖楔作用下顺纹劈开的力。试样尺寸为20×20×50mm,形状如图：C=Pmax/b(N/mm)八、握钉力木材的握钉力是指钉子在从木材中被拔出时的阻力。是以平行于钉身方向的拉伸力计算，常用经验公式见书P206。主要力学性质间的关系木材的各种力学性质间存在着相关关系。如能找出某种力学性质与其它力学性质的相关方程，就能通过实测一、二种力学性质值，来估断该木材的其它力学性能，并为非破坏性测试提供理论依据。如木材无损强度试验，即采用非破坏性的弹性模量的测试，然后利用弹性模量与抗弯强度的关系，估测出抗弯强度，以达到木材应力分等的目的。据统计，我国250多个树种的力学性质的平均值范围(MPa)大致如下：顺压强度40~50MPa

；抗弯强度80~100MPa

；顺拉强度120~150MPa

；顺剪强度12~15MPa

。因此主要强度间有以下比例关系：顺压：弯曲：顺拉：顺剪=1：2：3：0.30。第六节木材力学性质的影响因素木材密度的影响含水率的影响温度的影响长期荷载的影响纹理方向及超微构造的影响缺陷的影响一.木材密度:木材的力学性质与木材密度有着极为密切的关系。木材密度是决定木材强度和刚度的物质基础。密度增大，木材强度和刚性增高；密度增大，木材的弹性模量呈线性增高；剪切弹性模量与密度相关性小；顺拉强度与密度相关性不大；密度增大，木材韧性也成比例地增长。两者的关系可用以下数学式表示：

σ=aγn＋b，σ表示各类力学性质，γ

是木材密度，a，b是比例常数，n是关系曲线的形状指数(斜率)，a和b随力学性质类型不同而异。二.含水率木材吸附水存在于细胞壁中的微纤丝之间，起着润滑作用，允许微纤丝之间有一定的滑移或相对位移。若水分散失了，微纤丝之间紧密靠拢，吸引力增大，对滑动位移有很强的摩擦阻力。所以，（1）当含水率低于纤维饱和点时，木材强度随细着水的增加而降低；（2）当含水率在纤维饱和点时，强度达最低值；（3）当含水率高于纤维饱和点时，自由水含量增加，其强度值不再减少，基本保持恒定。含水率对松木力学强度的影响A—横向抗弯；B—顺纹抗压；C—顺纹抗剪强度的含水率调整系数α—木材在吸着水范围内，含水率每改变1%时的强度变化百分率。通常用α

表示。木材各类强度的α是各不相同的。我国木材物理力学性质试验国家标准规定的各种强度α值如下：顺压强度0.05，横压强度0.045，静曲强度0.04，硬度0.03，顺剪强度0.03，横拉强度0.025，顺拉强度和静曲模量0.015，冲击韧性和抗劈力均为0。为了统计和相互比较，应将不同含水率的木材强度换算成同一含水率下的强度。我国国家标准所规定的含水率为12%，可采用以下公式计算：

σ12=σW[1+α(W-12)]

式中：σ12和σW分别为含水率为12%和W%时的强度值。α为含水率换算系数，随强度性质而异。上式适用的含水率范围为8%~15%，试验时应采用气干材。三.温度温度对强度的影响甚为复杂，它与温度的高低、受热时间的长短、木材密度、含水率、树种和强度性质等诸多因子有关。此外尚会形成个因子与温度对强度的综合影响。木材强度随温度升高而较为均匀地下降。湿材随温度升高而强度下降的程度明显高于干材。温度-含水率对木材力学强度的影响正温度正温度的变化会导致木材含水率及其分布产生变化，由此造成内应力和干燥等缺陷。正温度除通过它们对木材强度的有间接影响外，还对木材强度有直接影响。造成这种影响的因素有二，一是因热促使细胞壁物质分子运动加剧，内摩擦减少，微纤丝间松动增加，木材强度下降。二是当温度超过180℃木材物质分解温度，或在83℃左右长期受热的条件下，木材中的抽提物、果胶、半纤维素等会部分或全部消失，这对强度会产生损失，特别是冲击韧性和拉伸强度会有较大的削弱。前者是暂时影响，是可逆过程；后者是永久影响，为不可逆。长时间高温的作用对木材强度的影响是可以累加的。总之，木材大多数力学强度随温度升高而降低。温度对力学性质的影响程度由大至小的顺序为：压缩强度、弯曲强度、弹性模量，最小为拉伸强度。此外加热方式对强度的影响程度也有差别，其大小顺序如下：蒸汽、水、热压机内、干热空气。负温度负温度对木材强度的影响如下：冰冻的湿木材，除冲击韧性有所降低外，其它各种强度均较正温度有所增加，特别是抗剪强度和抗劈力的增加尤甚。冰冻木材强度增加的原因，对于全干材可能是纤维的硬化及组织物质的冻结；而湿材除上述因素外，水分在木材组