木材的力学性质.ppt

1、第六章木材力学性质、木材力学性质：木材在外力作用下出现变形和破坏的性质。 木材的力学性质主要包括弹性、塑性、蠕变、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、冲击韧性、断裂力、抗扭强度、硬度和耐磨耗性等。 木材力学性质的各向异性(材料力学的基本假设)，与一般的钢材、混凝土及石材等材料不同，木材是生物材料，其结构的各向异性会引起其力学性质的各向异性。 因此，木材力学性质的指标有顺纹、横纹、径向、弦向分。 学习木材力学性质的意义，掌握木材特性，合理选材才能。 学习难点、木材力学性质的基本概念的理解、木材力学性质的特征及其影响因素。 本章着重把握木材的主要力学性质的种类、受力方式及其测定方法。 木材允许

2、应力的确定。6.1木材力学的基础理论和特征、6.1.1应力和应变、应力：分布内力的集度(Nm2)、6.1.1.1应力、应力的基本类型：拉伸应力、压缩应力、剪切应力、拉伸应力、=E (胡克定理)是：木材的耐压、拉伸及弯曲阻力时的e值实验表明，6.1. 2比例极限、弹性变形、永久变形、木材压坏比例极限p远小于拉伸时。 (1)比例极限(p ) (比例极限工程意义)、(2)弹性变形、(3)永久变形、6.1. 3刚性、脆性、韧性和塑性、木材因具有高刚性密度比，可用于建筑材料。 (1)刚性材料抵抗变形的能力，(2)脆性材料破坏之前没有明显变形的性质。 木材的脆性与树种、生长环境、遗传、生长应力、缺陷和腐败

3、有关。 脆性大的木材，一般重量轻，纤维素含量低。 生长轮特别宽的针叶树材和生长轮特别窄的阔叶材容易形成脆性木材。 (3)韧性材料对冲击的抵抗力(KJm2 )，韧性大的木材对冲击的抵抗力强，对裂纹的抵抗力也强。 因此，工程中用木材的耐冲击性和耐裂纹性来表现木材的韧性。 (4)保持塑料材料所具有的不可恢复变形的性质。 木材是不完全弹性材料，仅在一定范围内具有弹性，超过该范围时，木材会产生塑性变形。 木材的塑性与树种、树龄、温度、含水率有关。 一般来说，木材的塑性随着温度和含水率的上升而增大。 (木材的主要成分)，木材塑性的工程应用，6.1.4木材的粘弹性，6.1.4.1弹性固体和粘性流体的变形特性

4、，(1)弹性固体具有规定的形状，变形只涉及外力，与时间无关。 去除外力后，变形消失，恢复原形。 (2)粘性流体没有确定的形状，取决于容器。 变形与外力和时间有关，会产生不可逆的流动变形。 6.1.4.2木材的粘弹性，木材是生物高分子材料，具有弹性固体和粘性流体的特性。 有弹性和粘性两种不同的机构变形。 体现了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。 蠕变和松弛等(1)木材蠕动，木材蠕动，木材在恒定应力下其变形随时增大的现象。 木材蠕变过程的三个变形：瞬时弹性变形(遵循胡克定理)、弹性滞后变形(粘弹性)是由纤维素分子链的卷缩或伸展引起的。 由塑性变形(塑性)纤维素的分子链间的

5、相对折射动引起的。 (2)木材松弛现象，有蠕动必有松弛，反之亦然。 爬升和松弛与木材树种(密度)有关，也与温度和含水率有关。(3)爬升和松弛对工程的影响，木材松弛木材在恒定应变下应力随时增加减少的现象。 (4)木材蠕变特性的研究概要、木材的蠕变特性曲线为粘弹性曲线。 木材的蠕变由三部分组成：第一部分是由木材内部的高度结晶化的微原纤维框架引起的弹性变形，该变形瞬间完成(4)木材的蠕变特性的研究概要，第二部分是由节段的延伸引起的延迟弹性变形，该变形随时变化的第三部分是高分子的根据、力学模型、流变学理论，其中一种瞬时蠕变柔量J(t )、数学模型、5.1.5木材力学性质的特征、5.1.5.1木材性质的

6、分层性针叶材阔叶树的分层状是明显的，在径向截面上，朝夕材料交替地成为平行条纹的弦的截面上5.1.5.2多孔性木材主要是细胞组成，在微观结构上横截面上看到的细胞截面是作为孔的直径切断面，弦切断面是中空管状，细胞壁上有纹孔等的宏观结构上，导管分子的细孔状结构等。 5.1.5.3木材力学性质各向异性，上述木材物理性质(干缩性、热、电、声等)结构性质各向异性，同样木材力学性质也有各向异性。 木材的许多细胞沿轴向排列，只有很少的木线沿径向排列。 木材由中空的管状细胞组成，其所有方向都受到外力的作用，木材破坏时产生的极限应力不同。 例如，顺纹抗拉强度达到120.0-150.0Mpa，但横纹抗拉强度只有3.

7、0-5.0Mpa(C-H，H-O )，因此主要与其它构成分子的价键不同。 轴向的纤维蛋白链状分子通过C-C、C-O键连接，与此相对，横向的纤维蛋白链状分子通过C-H、H-O键连接，两者的价键的能量大不相同。 5.1.5.4木材的亲湿性、上述纤维饱和点是材性变化的转变点，在木材含水率在纤维饱和点以下的情况下，木材中的纤维素和半纤维素分子上的游离羟基吸收空气中的水分子时，使木材的体积、密度发生变化，使木材的强度发生变化。 5.1.5.5木材力学性质变异性，木材力学性质因树种而异。 同一树种，不同部位的力学性质不同.同一树种，不同生长条件的力学性质不同的同时，木材的不同间隙，如节子、纹理、腐烂等影响

8、木材的力学性能. 5.2木材主要力学性质的测定原理和方法，木材力学性质的研究，适用于力学种类、受力方向、静力负荷和动力负荷及加工技术等。 木材的强度和其他材料一样，可以分为拉伸、抗压、剪切、弯曲、扭转、裂纹、耐磨耗性、冲击、硬度等。 木材是非均质性各向异性材料，其纵向、径向和弦向三向力学强度有明显差异。 木材主要力学性质的测定主要采用静力负荷进行。 5.2.1木材拉伸强度、木材顺纹拉伸强度是指木材在纹理方向上承受拉伸载荷的最大能力。 木材顺筋抗拉强度大，各种木材平均约为117.7147.1MPa，是顺筋抗压强度的23倍。 木材在使用中很少被扯断破坏。 木材顺纹拉伸破坏主要是纵裂粗微原纤维丝与微

9、原纤维丝之间的剪切。 微原纤维的纵向C-C、C-O键非常牢固，因此拉伸破坏时的变形小，通常应变值小于13，但强度值高。 木材顺纹抗张力学试料及其受力方向，在试验时使用带自动对直拉夹具的试验机进行，试验以均匀的速度施加负荷，在1.5-2.0分钟以内破坏试料。 顺筋拉伸强度按照下式进行修正。 wP/a.b式中： p最大负荷、n； a、b一试样动作部横截面(cm2) w一试验时的木材含水率()。5.2.1.2横条抗拉强度、木材横条抗拉试样及其受力方向、木材横条抗拉力远低于顺条抗拉力，一般只有顺条抗拉力的l/301/40。如果沿木材的径向拉伸，则除了木线细胞的微原纤维丝被沿轴向拉伸以外，该辅助细胞的微

10、原纤维丝全部被沿垂直方向拉伸。横条纹方向的微原纤维丝上的纤维素链间通过氢键(-OH )结合，该结合的能量另外，横纹拉伸试验时，应力难以在整体上均匀分布，在单侧撕裂后，往往在整个截面上扩展而被破坏，不是真正的横纹拉伸强度。5.2.2木材抗压强度、5.2.2.1顺纹抗压强度木材顺纹抗压强度是指木材沿纹理方向承受压力载荷的最大能力，主要是指结构件和建筑件榫接类似用途的容许动作应力补正和柱件的选择等，导致木结构支柱、矿柱和家具中的柱件所承受的压力。 木柱有长柱和短柱之分。 最小截面长度与直径之比在11以下时称为短柱，11以上时称为长柱，长柱也称为欧拉柱。 长柱以材料刚性为主要因素，受压不稳定，其破坏不

11、仅仅是由于压力，还会产生纵向弯曲、扭矩，最后导致破坏，它不再属于顺纹压坏的范畴。 (1)顺纹抗压强度的测定，中国国家标准木材物理力学试验方法(GB 1927-1943-91 )规定只测定短柱的最大抗压强度。 其试样尺寸为202030mm，长度与木材纹理平行的wP/a b 12w1 0.05(W-12 )式中： p破坏负荷，n。 a、b试样截面尺寸、mm； w试验时木材含水率()； w，12木材气体干燥状态，标准含水率12%时的强度，Mpa。 我国木材的顺压强度平均值约为45Mpa，顺压比例界限与强度之比约为0.7，针叶树材之比约为0.78，软阔叶材为0.70，硬阔叶材为0.66。 针叶树材之所

12、以有高比例的极限，是因为其结构比较简单且有规律的硬阔叶环孔材结构不均匀，因此比较最低。 (2)顺纹抗压强度根据试样破坏的形状、试样破坏面的状态，顺纹抗压试样的破坏可以分为以下6种形状：压缩、楔形割断、割断、压缩和顺纹剪切和压接、木材顺纹破坏时常见的6种形态、5.2.2.2试样全部受到负荷作用、横纹全部拉伸根据负荷作用于年轮的方向，分为弦向压坏和径向压坏。 外力与年轮相接的方向是弦方向，与年轮垂直的方向是径向。 因此，横条纹抗压强度有径向全抗压、弦向全抗压和径向局部抗压、弦向局部抗压四种形式，木材横条纹抗压强度测定试样和受力方向1-径向全抗压2-径向局部抗压、针叶材料和阔叶环孔材料径向抗压时的应

13、力和应变的关系、5.2.3木材的弯曲强度、 木材的弯曲强度也称为静弯曲强度或弯曲强度，是重要的木材力学性质之一，主要用于家具中的各种柜梁、建筑物桁架、地板和桥梁等易弯构件的修订。 在静力载荷下，木材的弯曲特性主要由顺纹拉伸和顺纹抗压强度的不同决定。 这是因为木材受到静力耐弯曲负荷时，经常会因压缩而被破坏，因拉伸而产生显着的损伤。 关于弯曲强度，控制木材弯曲阻力比界限的不是顺筋拉伸阻力比界限时的应力，而是顺筋压坏比例界限时的应力。木材承受弯曲负荷时受力的方式和应力分布情况，梁承受中央负荷弯曲时，梁的变形向上凹凸，上部纤维承受应力而变短，下部纤维承受拉伸应力而伸长，其间有纤维不承受而变短或不伸长的

14、层，该层的长度不变中性层和横截面的交线称为中性轴。 受压和拉伸区域的应力的大小与离中性轴的距离成比例，中性层的纤维受到水平方向的顺筋剪切力。 由于顺筋抗拉强度是顺筋抗压强度的23倍，因此，随着梁的弯曲变形增大，中性层逐渐向下位移，直至梁的弯曲破坏。 5.2.3.2弯曲强度的测定，各树种木材弯曲强度的平均值约为90MPa左右。 针叶树材的径向和弦方向的弯曲强度有一定的差异，弦方向比径向高1012的阔叶材的两个方向的差异一般不明显。 弯曲强度的测定方法因国家而异，试样的尺寸、加载方式、加载速度的不同。 我国国家标准规定：样品截面2020mm，长300mm，跨度240mm。 中央负荷、弦方向负荷试验

15、以均匀的速度施加负荷，在12分钟以内破坏试样。 为了避免试验时在试样的支撑台和受力点产生压痕，对试验结果产生影响，请在支撑台和受力点放入钢质垫圈。 垫圈的尺寸为30205mm。木材弯曲强度的测定、弯曲强度w3pl/2bh2(MPa ) 12w 10.04 (w-12 ) (MPa )式中，w木材试样在气干状态下的弯曲强度p破坏时的负荷、n； l跨度、240mm； b试样宽度、mm； h试样高度、mm； w试验时试样的含水率()。 5.2.3.3弯曲弹性模量，木材弯曲弹性模量是指木材受力弯曲时，按比例极限内的应力与应变之比，用于修正梁、桁架等在弯曲负荷下的变形，修正安全负荷。 木材的弯曲弹性模量

16、表示木材的刚性或弹性，以比例极限表示内应力和应变的关系，即梁抵抗弯曲或变形的能力。 梁受荷时，其变形与弹性模量成反比，弹性模量大，变形小，木材刚性大。 木材弯曲弹性模量的测定，5.2.3.4弯曲弹性模量与弯曲强度的关系，弯曲强度与弯曲弹性模量之间存在比例关系。 现在试验的国产树种中，针叶材弯曲强度最大的树种是长苞铁杉122.7Mpa，最小的树种是柳杉53.2Mpa。 阔叶材弯曲强度最大的树种为海南子京183.1Mpa，最小的树种为兰考桐28.9Mpa。 针叶材弯曲弹性模量最大的树种落叶松为14.5Gpa，最小的为云杉6.2Gpa。 阔叶材弯曲弹性模量最大的树种为该树21.1Gpa，最小的树种为

17、兰考桐4.2Gpa。 木材的弯曲强度方面，我国针叶材的多个树种在60100Mpa之间，阔叶材的多个树种在60140Mpa之间。 木材的弯曲弹性模量方面，中国针叶材的多个树种在8.012Gpa之间，阔叶材的多个树种在8.014.0Gpa之间。 我国356个树种木材含水率为15%时，弯曲弹性模量e与弯曲强度的关系为线性函数，方程E=0.086 33.7，r=0.84两者高度密切相关。 弯曲强度的测定非常容易，可以用这个公式来估计木材的弯曲弹性模量。 另外，还可以无损地测量木材的弯曲弹性模量，使用该公式推定木材的弯曲强度。 5.2.4木材抗剪强度、木材抗剪应力的最大能力称为抗剪强度。 木材的抗剪强度根据外力作用于木材纹理的方向，分为顺筋抗剪强度和横筋抗剪强度。 在实际应用中，横纹剪切不仅发生的现象少见，而且横纹剪切总是横向压坏纤