木材的力学性质

第8章木材的力学性质主要介绍:木材力学性质的基本概念、木材的应力—应变关系木材的正交异向弹性、木材的黏弹性、木材的塑性木材的强度与破坏、单轴应力下木材的变形与破坏特点基本的木材力学性能指标影响木材力学性质的主要因素等目录8.1应力与应变8.3木材的粘弹性8.4木材的强度、韧性与破坏8.5木材主要力学性能指标8.6影响木材力学性质的主要因素8.7木材的容许应力8.2弹性与木材的正交异向弹性8.1.1应力与应变的概念应力:指物体在外力作用下单位面积上的内力。应变：外力作用下，物体单位长度上的尺寸或形状的变化。顺纹理加压与顺纹理剪切压缩应力和拉伸应力：把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。8.1.2应力与应变的关系8.1.2.1应力—应变曲线应力—应变曲线：表示应力与应变的关系曲线。曲线的终点M表示物体的破坏点。ab应力-应变曲线（模式图）8.1.2.2比例极限与永久变形比例极限应力：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。。塑性应变（永久应变）：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。ab应力-应变曲线（模式图）8.1.2.3破坏应力与破坏应变破坏应力、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)。ab应力-应变曲线（模式图）8.1.2.4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)。8.1.2.5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。8.2弹性与木材的正交异向弹性8.2.1弹性与弹性常数8.2.1.1弹性弹性：应力解除后即产生应变完全回复的性质。8.2.1.2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，E=应力/应变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。柔量：弹性模量的倒数，表征材料在荷载状态下产生变形的难易程度。（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、泊松比通常统称为弹性常数。'8.2.2木材的正交对称性与正交异向弹性8.2.2.1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。8.2.2.2木材的正交对称性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。木材正交对称性方程中有3个弹性模量、3个剪切弹性模量和3个泊松比。不同树种间的这9个常数值是存在差异。木材是高度各向异性材料，木材三个主方向的弹性模量即ELERET。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8.3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)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。8.3.1木材的蠕变8.3.1.1蠕变蠕变：在恒定应力下，木材应变随时间的延长而逐渐增大的现象。瞬时弹性变形:与加荷速度相适应的变形，它服从于虎克定律；黏弹性变形:加荷过程终止，木材立即产生随时间递减的弹性变形；塑性变形:最后残留的永久变形。差异：黏弹性变形是纤维素分子链的卷曲或伸展造成的，变形是可逆的，但较弹性变形它具有时间滞后性。塑性变形是纤维素分子链因荷载而彼此滑动，变形是不可逆转的。8.3.1.2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）木材蠕变曲线变化表现的正是木材的黏弹性质。木材的蠕变曲线8.3.1.3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；（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和不可恢复蠕变变形值之和。8.3.1.4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8.3.1.5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′；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′。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8.3.2木材的松弛8.3.2.1松弛松弛:在恒定应变条件下应力随时间的延长而逐渐减少的现象。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。8.3.2.2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。黏弹性材料的松弛曲线(应变的速度为常数)8.3.3木材的塑性设计木材作为承重构件,应力或荷载重应控制在弹性极限或蠕变极限范围之内。8.3.3.1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。8.3.3.2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而增大。温度:随T而加大，这种性质往往被称为热塑性。8.3.3.3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。8.4木材的强度、韧性与破坏8.4.1木材的强度强度是指材料抵抗其受施应力而不致破坏的能力，表示单位截面积上材料的最大承载能力。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。8.4.2木材的韧性韧性是指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。韧性材料往往是强度大的材料，但也有不符合这个关系的。8.4.3木材的破坏8.4.3.1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。8.4.3.2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。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。8.4.4单轴应力下木材的变形与破坏特点8.4.4.1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。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的地方。干的木材通常产生劈裂而破坏，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。8.4.4.2横纹压缩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。木材进行压缩时，应力—应变关系是一条非线性的曲线：常规型是散孔材横压时的特征，为不具平台的连续曲线。三段型是针叶树材和阔叶树材环孔材径向受压时的特征曲线:横纹压缩应力——应变曲线OA-早材的弹性曲线AB-早材压损过程曲线BC-晚材弹性曲线而当弦向压缩时不出现3段式曲线8.4.4.3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。8.4.4.4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1/35～1/65。由此可知，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。8.4.4.5顺纹剪切顺纹剪切、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。弦切面的剪切破坏（剪切面平行于生长轮）常出现于早材部分，在早材和晚材交界处滑移，破坏表面较光滑。径切面剪切破坏（剪切面垂直于年轮），其表面较粗糙。8.5木材主要力学性能指标根据外力种类划分有：压缩强度（包括顺纹抗压强度，横纹抗压强度，局部抗压强度）、拉伸强度（包括顺纹抗拉强度，横纹抗拉强度）、抗弯强度、抗剪强度、扭曲强度、冲击韧性、硬度、抗劈力等。按加载速度和作用方法划分有：静态强度、冲击强度、疲劳强度、蠕变强度。8.5木材主要力学性能指标8.5.1抗压强度8.5.2抗拉强度8.5.3抗弯强度与抗弯弹性模量8.5.4抗剪强度8.5.5冲击韧性8.5.6硬度与耐磨性8.5.7抗劈力8.6影响木材力学性质的主要因素8.6.1木材密度的影响8.6.2