第八章木材的力學(xué)性質(zhì)TheMechanicalPropertiesofWood本章主要介紹了木材的力學(xué)特性應(yīng)力與應(yīng)變彈性與木材的正交異向彈性木材的黏彈性木材的強度、韌性與破壞木材的主要力學(xué)性能指標(biāo)影響木材力學(xué)性質(zhì)的主要因素木材的容許應(yīng)力第一節(jié)應(yīng)力與應(yīng)變

一、應(yīng)力與應(yīng)變

1、應(yīng)力(σ)：物體在受到外力作用時，物體自身產(chǎn)生的抵抗外力而保持平衡的力。在外力P作用下，材料單位面積A上所受的內(nèi)力稱應(yīng)力。通常用σ表示，單位為MPa(N/mm2)

。應(yīng)力與應(yīng)變壓縮應(yīng)力和拉伸應(yīng)力：短柱材受壓或受拉狀態(tài)下產(chǎn)生的正應(yīng)力。剪應(yīng)力：當(dāng)作用于物體的一對力或作用力與反作用力不在同一條作用線上，而使物體產(chǎn)生平行于應(yīng)力作用面方向被剪切的應(yīng)力。順紋理加壓與順紋理剪切應(yīng)力與應(yīng)變2、應(yīng)變(ε)：外力作用下，物體單位長度上的尺寸或形狀的變化稱為應(yīng)變。

通常用ε表示。式中:δ為總變形，L為試件在受力方向的長度。應(yīng)變無量綱。分為正應(yīng)變ε與剪應(yīng)變γ。簡單應(yīng)力中，當(dāng)壓力方向平行于紋理作用于短柱上時，則產(chǎn)生順紋壓應(yīng)力。當(dāng)在同一直線上兩個方向相反，平行于木材紋理的外力作用于木材時，則產(chǎn)生順紋拉伸應(yīng)力。當(dāng)平行于木材紋理的外力作用于木材，欲使其一部分與其它部分相脫離，會產(chǎn)生順紋剪應(yīng)力。當(dāng)作用力與木材紋理相垂直時，木材上則會產(chǎn)生橫紋的壓、拉、剪應(yīng)力。橫紋應(yīng)力又有徑向和弦向之分。同一木材受力的性質(zhì)和方向不同，應(yīng)力和應(yīng)變值亦各不相同。應(yīng)力與應(yīng)變二、應(yīng)力－應(yīng)變圖（應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系）

應(yīng)力—應(yīng)變曲線：表示應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線。

比例極限和彈性極限永久變形（塑性變形）

破壞應(yīng)力和破壞應(yīng)變屈服應(yīng)力

屈服應(yīng)力應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力-應(yīng)變曲線（模式圖）

比例極限應(yīng)力：直線部分的上端點P對應(yīng)的應(yīng)力。比例極限應(yīng)變：直線部分的上端點P對應(yīng)的應(yīng)變。

彈性極限:直線部分的上端點E.

塑性變形（永久變形）：應(yīng)力超過彈性限度，這時如果除去應(yīng)力，應(yīng)變不會完全回復(fù)，其中一部分會永久殘留。應(yīng)力與應(yīng)變破壞應(yīng)力、極限強度：應(yīng)力在M點達(dá)到最大值，物體產(chǎn)生破壞(σM)。破壞應(yīng)變：M點對應(yīng)的應(yīng)變(εM)

。

應(yīng)力－應(yīng)變曲線應(yīng)力與應(yīng)變屈服應(yīng)力

當(dāng)應(yīng)力值超過彈性限度值并保持基本上一定,而應(yīng)變急劇增大,這種現(xiàn)象叫屈服,而應(yīng)變突然轉(zhuǎn)為急劇增大的轉(zhuǎn)變點處的應(yīng)力叫屈服應(yīng)力(σY)。應(yīng)力與應(yīng)變木材在比例極限應(yīng)力下可近似看作彈性，在這極限以上的應(yīng)力就會產(chǎn)生塑性變形或發(fā)生破壞。直線部分的頂點a為比例極限，從a到b雖不是直線，但屬彈性范圍，b點為彈性極限。a、b兩點非常接近，一般不加區(qū)分。a應(yīng)變（%）圖

杉木彎曲時應(yīng)力與應(yīng)變圖解應(yīng)力（MPa）b比例極限彈性極限破壞木材應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系

木材的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系屬于既有彈性又有塑性的材料——黏彈性材料。在較小應(yīng)力和較短時間的條件下，木材的性能十分接近于彈性材料；反之，則近似于黏彈性材料。應(yīng)力與應(yīng)變一、彈性與塑性

彈性:指木材在外力作用下發(fā)生變形，撤除外力后變形完全恢復(fù)的性質(zhì)。塑性:指木材在外力作用下發(fā)生變形，撤除外力后產(chǎn)生永久殘留變形的性質(zhì)。第二節(jié)彈性與木材的正交異向彈性應(yīng)力－應(yīng)變曲線彈性常數(shù)1、彈性模量和柔量彈性模量（E）：物體產(chǎn)生單位應(yīng)變所需要的應(yīng)力，它表征材料抵抗變形能力的大小，它是材料剛性的指標(biāo)。

E=應(yīng)力╱應(yīng)變

σ＝Eε這里比例常數(shù)E叫做彈性模量或楊氏模量,單位為Mpa。

它表征材料抵抗變形能力的大小。物體的彈性模量值愈大，在外力作用下愈不易變形，材料的強度也愈大。木材的拉伸、壓縮和靜曲彈性模量大致相等,但壓縮的彈性極限比拉伸彈性極限低得多。

彈性柔量a:彈性模量的倒數(shù)。柔量的物理意義是單位應(yīng)力的變形，表征材料產(chǎn)生變形的難易程度。式中：ε為相對變形（應(yīng)變）；σ為應(yīng)力；n為常數(shù)，取決于材料的性質(zhì)。試驗表明鑄鐵、銅、花崗石、砂石、混凝土n>1；皮革、麻繩n＜1；鋼、鋁和木材n＝1。因此木材的應(yīng)力和應(yīng)變可用下列關(guān)系式表示：

ε＝aσ

ε＝aσn彈性2、剪切彈性模量剪切應(yīng)力τ與剪切應(yīng)變γ之間符合：

τ＝Gγ或γ=τ/GG為剪切彈性模量，或剛性模量。3、泊松比物體的彈性應(yīng)變在產(chǎn)生應(yīng)力主軸方向收縮（拉伸）的同時還伴隨有垂直于主軸方向的橫向應(yīng)變，將橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比稱為泊松比（）。

=-′/

分子表示橫向應(yīng)變，分母表示軸向應(yīng)變。4、彈性常數(shù)

彈性模量E、剪切彈性模量G、泊松比彈性（１）木材是高度異向性的材料，彈性模量Ｅ在三個主方向上各不相同?？v向彈性模量可大于橫向１０─幾十倍，橫向中徑向大于弦向。（２）剛性模量Ｇ，端面最小，徑、弦面剛性模量分別與徑、弦向彈性模量數(shù)值相近。（３）彈性模量Ｅ和剛性模量Ｇ均隨密度ρ的增加而增加。（４）木材的泊松比μ（橫向變形系數(shù)）均小于１，而木材在橫向受力時，對縱向的泊松比遠(yuǎn)小于其他泊松比，并以弦向受力時的泊松比為最小。

彈性木材的正交異向性木材是天然生長的生物材料，由于組織構(gòu)造的因素決定了木材的各向異性（anisotropy）。

木材的圓柱對稱性—由于樹干包括許多同心圓的年輪層次，所以賦予木材圓柱對稱性（近似的），即從圓心到外徑，各個同心圓層次上的木材微單元的性質(zhì)是相同的（彈性、強度、熱、電性質(zhì)等）。使木材成為近似柱面對稱的正交異向性材料。（如物理性質(zhì)干縮、濕脹、擴散、滲透等和力學(xué)性質(zhì)如彈性、強度、加工性能等）。二、木材的正交對稱性與正交異向彈性木材的正交對稱性與正交異向性木材正交對稱性木材由于樹木生長的周期性，而形成生長輪從而具有層次性.木材層次性柱面對稱性正交異向彈性木材為正交異性體。彈性的正交異性為正交異向彈性。木材的正交對稱彈性—將正交對稱原理應(yīng)用于木材，借以說明木材的彈性的各向異性。

如圖所示木材具有圓柱對稱性，使它成為近似呈柱面對稱的正交對稱性物體。符合正交對稱性的材料，可以用虎克定律來描述它的彈性。1、木材的正交對稱性

RT、LR、LT分別對應(yīng)橫切面、徑切面和弦切面。

木材正交對稱性

如圖，小試件具三個軸L、R、T

但：R軸實際上是發(fā)散的；

LT面并非平面木材的正交對稱性與正交異向性在各向同性材料上，各主軸上的彈性常數(shù)相同。如施一靜壓于同性立方體上，僅使立方體體積變小，但保持原有的形狀性質(zhì)---仍為立方體。施剪力于立方體時，受拉、受壓兩相對方向所產(chǎn)生應(yīng)變相等，但符號相反，形狀改變成矩形，由于彈性常數(shù)相同，面積、體積無變化。在各向異性材料上，施流體靜壓力成剪力時，各軸產(chǎn)生不同變形，立方體的體積和形狀均改變。這證明了異性材料各主軸方向上彈性常數(shù)是不同的。

木材的正交對稱性與正交異向性2、木材的正交異向彈性常數(shù)

方程中9個獨立的彈性常數(shù)來反映木材的正交異向性，這些常數(shù)是：3個彈性模量、3個剪切彈性模量和3個泊松比。EL、ER、ET、GLT、GLR、

GTR、μRT、μLR、μLT不同樹種間的這9個常數(shù)值是存在差異。木材的正交對稱性與正交異向性材料密度g/cm3含水率%ELMPaERMPaETMPaGLTMPaGLRMPaGTRMPaμRTμLRμLT針葉樹材云杉0.3901211583896496690758390.430.370.47松木0.550101627211035736761172660.680.420.51花旗松0.59091640013009009101180790.630.430.37闊葉樹材輕木0.20096274296103200310330.660.230.49核桃木0.590111123911726216908962280.720.490.63白蠟?zāi)?.670915790151682789613102690.710.460.51山毛櫸0.750111370022401140106016104600.750.450.51幾種木材的彈性常數(shù)木材的正交對稱性與正交異向性（１）木材是高度異向性的材料，拉伸、壓縮和彎曲的彈性模量E近似相等。彈性模量Ｅ在三個主方向上各不相同?？v向彈性模量可大于橫向１０─幾十倍，橫向中徑向大于弦向。EL＞＞ER＞

ET

針葉樹材的

ER/ET＝1.8,EL/ET

＝24，EL/ER

＝13.3

闊葉樹材的ER/ET＝1.9,EL/ET

＝18.5，EL/ER

＝9.5（２）剛性模量Ｇ，橫斷面最?。篏LR

（徑面）＞GLT（弦面）＞

GRT（橫斷面）橫切面最小,針葉樹材三者之比為20.5:17:1,闊葉樹材三者之比為4.3:3.2:1，徑、弦面剛性模量分別與徑、弦向彈性模量數(shù)值相近即GLR≈ER,GLT≈ET。（３）彈性模量Ｅ和剛性模量Ｇ均隨密度ρ的增加而增加。（４）木材的泊松比μ（橫向變形系數(shù)）均小于１，而木材在橫向受力時，對縱向的泊松比遠(yuǎn)小于其他泊松比，并以弦向受力時的泊松比為最小，有uRT＞uLT＞

uLR。。

木材的正交對稱性與正交異向性第三節(jié)木材的粘彈性

流變學(xué)：討論材料荷載后的彈性和黏性的科學(xué)。(討論材料荷載后應(yīng)力---應(yīng)變之間關(guān)系隨時間變化的規(guī)律)木材的粘彈性（viscoelasticityofwood）—木材等高分子物在外力作用下表現(xiàn)出粘性流體和彈性固體兼有的性質(zhì)。當(dāng)其受到較長時間的外力作用時，就像極粘的液體出現(xiàn)粘性的變形。

蠕變和松弛：是黏彈性的主要內(nèi)容。木材的黏彈性同樣依賴于溫度、負(fù)荷時間、加荷速率和應(yīng)變幅值等條件，其中溫度和時間的影響尤為明顯。木材的粘彈性一.木材的蠕變概念(creep)：指在一定的溫度和較小的恒定外力作用下(應(yīng)力不變),材料的形變隨時間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象.木材屬高分子結(jié)構(gòu)材料，受外力作用時產(chǎn)生3種變形：瞬時彈性變形（instantelasticdeformation）：木材承載時，產(chǎn)生與加載速度相適應(yīng)的變形，它服從于虎克定律。彈性后效變形（粘彈性變形）（elasticaftereffectdeformation）

：加載過程終止，木材立即產(chǎn)生隨時間遞減的彈性變形。它是因纖維素分子鏈的卷曲或伸展造成，這種變形是可逆的，與瞬時彈性變形相比它具有時間滯后性質(zhì)。塑性變形（plasticitydeformation）：纖維素分子鏈因載荷而彼此滑動所造成的變形。該變形是不可逆的。木材的粘彈性2、木材的典型蠕變曲線

OA-----加載后的瞬間彈性變形

AB-----蠕變過程，（t0→t1）t↗→ε↗BC1----卸載后的瞬間彈性回復(fù)，BC1==OAC1D----蠕變回復(fù)過程，t↗→ε緩慢回復(fù)木材的蠕變曲線O故蠕變AB包括兩個組分：彈性的組分C1C2——彈性后效變形剩余永久變形C2C3=DE——塑性變形木材蠕變曲線變化表現(xiàn)的正是木材的黏彈性質(zhì)。木材的粘彈性3、蠕變規(guī)律

（1）對木材施載產(chǎn)生瞬時變形后，變形有一隨時間推移而增大的蠕變過程；（2）卸載后有一瞬時彈性恢復(fù)變形，在數(shù)值上等于施載時的瞬時變形；木材的粘彈性（3）卸載后有一隨時間推移而變形減小的蠕變恢復(fù)，在此過程中的是可恢復(fù)蠕變部分；（4）在完成上述蠕變恢復(fù)后，變形不再回復(fù)，而殘留的變形為永久變形，即蠕變的不可恢復(fù)部分；（5）蠕變變形值等于可恢復(fù)蠕變變形值（一次蠕變）和不可恢復(fù)蠕變變形值（二次蠕變）之和。木材的粘彈性4、單向應(yīng)力循環(huán)加載時的蠕變特點

以一個方向的應(yīng)力循環(huán)作用于木材，每個應(yīng)力加載—卸載周期都會殘留一個變形，在熱力學(xué)上，曲線所包圍的面積相當(dāng)于各周期中能量的消耗。

能量的損耗隨著每個周期增大，意味著在變形中做了更多的功，同時造成材料蠕變的不可恢復(fù)部分越來越大。反復(fù)加載-卸載的應(yīng)力-應(yīng)變周期圖木材的粘彈性5、蠕變的消除對木材施加一荷載，荷載初期產(chǎn)生應(yīng)力—應(yīng)變曲線OA′，卸載產(chǎn)生曲線A’B’，殘留了永久變形OB’。為了使永久變形消失而重新獲得物體的原來形狀，必須施加與產(chǎn)生曲線應(yīng)力符號相反的應(yīng)力OC’，而形成這段曲線B’C’。多向應(yīng)力作用下蠕變的消除木材的粘彈性

當(dāng)OC’繼續(xù)增大到等于A’P’

，B’C’將延至C’D’；卸去這個符號相反的應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力—應(yīng)變曲線D’E’，也不能恢復(fù)到原形，殘留負(fù)向的永久變形E’O。多向應(yīng)力作用下蠕變的消除木材的粘彈性再次通過反向應(yīng)力OF’

，材料才能恢復(fù)原形。如果再繼續(xù)增大應(yīng)力，則產(chǎn)生曲線F’A’，與原曲線構(gòu)成一個環(huán)狀閉合。A’B’D’F’封閉曲線所包圍的面積相當(dāng)于整個周期中的能量損耗。多向應(yīng)力作用下蠕變的消除木材的粘彈性6.蠕變的影響因素(1)時間：(2)木材的含水率：含水率升高時，同樣荷載下木材的變形會增加。(3)溫度：溫度增高，變形量與變形速率會增加

木材的粘彈性（1）針葉樹材在含水率不發(fā)生變化的條件下，施加靜力載荷小于木材比例極限強度的75%時，可以認(rèn)為是安全的。但在含水率變化條件下，大于比例極限強度20%時，就可能產(chǎn)生蠕變，隨時間延長最終會導(dǎo)致破壞。（2）靜載荷產(chǎn)生變形，若其變形速率（連續(xù)相等時間間隔內(nèi)變形的差值）逐漸降低，則變形經(jīng)一定時間后最終會停止，木結(jié)構(gòu)是安全的。相反，變形速率是逐漸增加的，則設(shè)計不安全，最終會導(dǎo)致破壞。木材的粘彈性7、建筑木構(gòu)件的蠕變問題（3）所施靜載荷低于彈性極限，短期受載即卸載，能恢復(fù)其原具有的極限強度和彈性。（4）含水率會增加木材的塑性和變形。（5）溫度對蠕變有顯著的影響。當(dāng)空氣溫度和濕度增加時，木材的總變形和變形速度也增加。木材的粘彈性二.木材的松弛1.概念(stressrelaxation)：指在恒定溫度和形變保持不變的情況下,木材內(nèi)部的應(yīng)力隨時間延長而逐漸衰減的現(xiàn)象。松弛與蠕變的區(qū)別在于：在蠕變中，應(yīng)力是常數(shù)，應(yīng)變是隨時間變化的可變量；而在松弛中，應(yīng)變是常數(shù)，應(yīng)力是隨時間變化的可變量。木材的粘彈性松弛曲線

松弛曲線:應(yīng)力—時間曲線

m為松弛系數(shù)。松弛系數(shù)隨樹種和應(yīng)力種類而有不同，但更受密度和含水率影響，m值與密度成反比，與含水率成正比。松弛彈性模量：單位應(yīng)變的松弛應(yīng)力E(t)。黏彈性材料的松弛曲線(應(yīng)變的速度為常數(shù))木材的粘彈性三.木材的長期荷載1.長期載荷的影響在長期載荷作用下的木材強度，隨作用時間的延長而減小，長期載荷強度遠(yuǎn)比瞬間強度小。這是由于木材中彈性和塑性兩種變形同時反應(yīng)的結(jié)果。短時間內(nèi)，在一定應(yīng)力范圍內(nèi)的變形，幾乎完全是彈性的。但在長期載荷下塑性已成為左右木材變形的更重要的因素。時間因素對木材的力學(xué)性質(zhì)有很大的影響。（木材的長期荷載）木材的粘彈性（木材的長期荷載）2.長期強度(或持久強度)：如果木材的應(yīng)力小于一定極限時,木材不會由于長期受力而發(fā)生破壞,這個應(yīng)力極限稱為木材的持久強度,一般只有瞬間強度的0.5~0.7。木材的粘彈性（1）當(dāng)σ＜σch時，載荷作用時間無論多長，試件均不會被破壞。（2）當(dāng)σ＞σch時，試件經(jīng)過一定時間后發(fā)生破壞。四、木材的塑性(plasticityofwood)

木材作為承重結(jié)構(gòu)材使用時，設(shè)計應(yīng)力或荷重應(yīng)控制在彈性極限或蠕變極限范圍之內(nèi)，必須避免塑性變形的產(chǎn)生。但在彎曲木、壓縮木和人造板成型等加工時，又必須掌握增加木材塑性的條件，盡可能增加木材的塑性變形。1、塑性與塑性變形

塑性變形:當(dāng)施加于木材的應(yīng)力超過木材的彈性限度時，去除外力后，木材仍會殘留一個當(dāng)前不能恢復(fù)的變形，將這個變形稱為塑性變形。

塑性:木材所表現(xiàn)出的這一性質(zhì)稱為塑性。木材的塑性是由于在應(yīng)力作用下，高分子結(jié)構(gòu)的變形及相互間相對移動的結(jié)果。木材屬于塑性較小的材料。木材的粘彈性2.木材塑性的影響因素

影響木材塑性的重要因素有木材的多孔性、木材的含水率和溫度，其中含水率和溫度的影響十分顯著。

含水率:隨W增大而增大。

溫度:隨T增大而加大，這種性質(zhì)往往被稱為熱塑性。木材的粘彈性3.木材塑性的應(yīng)用干燥時，木材由于不規(guī)則干縮所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會破壞其組織的內(nèi)聚力，而塑性的產(chǎn)生可以抵消一部分木材的內(nèi)應(yīng)力。木材橫紋壓縮變形的定型處理等木材加工工藝中就需增大木材的塑性。

木材的粘彈性第四節(jié)木材的強度、韌性與破壞木材的強度、韌性與破壞

一、木材的強度

強度是指材料抵抗外部機械力破壞的能力，表示單位截面積上材料的最大承載能力。單位N/mm2(=MPa)

木材是各向異性的高分子材料，根據(jù)所施加應(yīng)力的方式和方向的不同，木材具有順紋抗拉強度、順紋抗壓強度、橫紋抗壓強度、抗彎強度等多項力學(xué)強度指標(biāo)參數(shù)?？估瓘姸龋旱钟鞈?yīng)力的最大臨界能力?？箟簭姸龋旱钟鶋嚎s應(yīng)力的最大臨界能力?？箯潖姸龋旱钟粡澢淖畲笈R界能力。木材的強度、韌性與破壞二.木材的韌性：

木材吸收能量和抵抗反復(fù)沖擊載荷，或抵抗超過比例極限的短期載荷的能力。也是材料在不致破壞的情況下所能抵御的瞬時最大沖擊能量值。單位KJ/m2

。

木材的強度、韌性與破壞韌性材料往往是強度大的材料，但也有不符合這個關(guān)系的。三、木材的破壞

1、破壞木材結(jié)構(gòu)破壞是指其組織結(jié)構(gòu)在外力或外部環(huán)境作用下發(fā)生斷裂、扭曲、錯位，而使木材宏觀整體完全喪失或部分喪失原有物理力學(xué)性能的現(xiàn)象。

木材的強度、韌性與破壞從細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)物質(zhì)的性質(zhì)來看，木材發(fā)生破壞的原因是微纖絲和纖維素骨架的填充物的撕裂，或纖維素骨架的填充物的剪切，或纖維被壓潰所引起。任何條件對木材破壞的決定性作用都取決于應(yīng)力狀態(tài)的類型。

2、木材破壞的原因

纖維素賦予木材彈性和強度；木質(zhì)素賦予木材硬度和剛性；半纖維素起填充作用，它賦予木材剪切強度。木材的強度、韌性與破壞四、單軸應(yīng)力下木材的變形與破壞特點1、順紋壓縮（compressionalongthegrain）:平行于木材紋理方向的壓縮稱順紋壓縮。

順紋壓縮破壞的宏觀征狀：最初現(xiàn)象是橫跨側(cè)面的細(xì)線條，隨著作用力加大，變形隨之增加，材面上開始出現(xiàn)皺褶。木材順壓破壞試件上，常可見連續(xù)破壞線總出現(xiàn)在弦面，說明木材剛性徑面大于弦面。因木射線在徑面起骨架和支撐作用；此外微纖絲在胞壁徑面與木射線相交，產(chǎn)生了局部扭轉(zhuǎn)，對剪切方向也有影響。破壞線與主軸的傾角常取決于木材密度，密度大者，傾角小。破壞形狀和破壞部位常取決于木材含水率和硬度等因素。濕材和軟材以端部壓潰破壞最為常見，破壞出現(xiàn)在應(yīng)力集中即木材荷載與之接觸的地方。干的木材常在未發(fā)生明顯扭曲之前，因劈裂而破壞，這是由于纖維或木射線的撕裂，而非木射線與鄰接的構(gòu)造分子之間的分離。干的硬材只會發(fā)生剪切破壞。中等硬度的木材即可以發(fā)生端部壓潰，又可以發(fā)生剪切破壞。木材的強度、韌性與破壞順紋壓縮破壞的微觀征狀：由顯微鏡可觀察到順壓破壞有3個階段。首先在次生壁上會產(chǎn)生橫向的細(xì)線紋（錯位形成），與細(xì)胞長軸約成57°角。隨壓力增大變形增加，這些細(xì)線紋越來越多，直到最后細(xì)線紋彼此相連而形成縱橫交錯的網(wǎng)紋為止。最后在細(xì)胞壁的這些細(xì)線紋處產(chǎn)生剪切破壞，剪切破壞多了，整個細(xì)胞壁便被扭曲。受壓的皺痕使整個破壞區(qū)的細(xì)胞壁都扭曲。前兩階段屬初期破壞。微纖絲產(chǎn)生錯位，在低于破壞載荷的25%應(yīng)力的水平下已開始產(chǎn)生。這種錯位使木材纖維縮短，屬永久的塑性變形。木材纖維與木射線接觸部位易產(chǎn)生錯位，錯位所產(chǎn)生的滑移線與胞壁主軸一般成50°~70°角。繼初期破壞之后，木材纖維會產(chǎn)生扭曲。扭曲是木材纖維受力后彎曲而偏離原軸線，但纖維間仍保持彼此平行。它是木材受壓破壞后厚壁細(xì)胞的特征。到破壞后期，早材細(xì)胞常發(fā)生扭曲，以適應(yīng)木材破壞的外形。

2、橫紋壓縮（compressionperpendiculartothegrain）木材橫紋壓縮是指作用力方向與木材紋理方向相垂直的壓縮。木材橫紋壓縮可分為局部受壓和全部受壓。前者抗壓強度高于后者。鐵軌架在枕木上屬局部受壓，膠合板制造的加壓屬全部受壓。木材橫紋抗壓結(jié)果是用比例極限值，或用試件厚度2.5%壓縮率時的應(yīng)力值來表示。木材進(jìn)行壓縮時，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系是一條非線性的曲線.木材的強度、韌性與破壞a.橫壓破壞宏觀表現(xiàn)木材橫壓時，宏觀變化首先是纖維受壓變緊密。局部橫壓時，承壓板凹陷入木材，上部的纖維破壞，較內(nèi)部的纖維未受影響。當(dāng)荷載繼續(xù)增加時，試樣未受壓的端部會突出，或呈水平劈裂。試樣突出部分增加了直接荷載下的木材強度。b.橫壓破壞微觀表現(xiàn)木材橫壓時微觀變化主要是細(xì)胞的橫斷面變形，若施加的壓縮荷載為足夠大時，這種變形將繼續(xù)擴大，直至荷載超過木材的彈性極限后，木材外部纖維及其鄰近纖維潰壞，并變得緊密，產(chǎn)生永久變形。外部纖維破壞最大，也最緊密。橫壓試件由外向內(nèi)纖維遭受的破壞和被壓程度也依次變小。木材這種重新分配應(yīng)力和吸收能量的能力，對于用木材作承重墊板，特別是木結(jié)構(gòu)的節(jié)點聯(lián)結(jié)處尤為重要。在用連接件（螺栓等）將木構(gòu)件連在一起時，常用來傳遞構(gòu)件的內(nèi)力。3、順紋拉伸木材順紋拉伸破壞主要是縱向撕裂和微纖絲之間的剪切。微纖絲縱向結(jié)合非常牢固，所以順紋拉伸時的變形不大，通常應(yīng)變值小于1%～3%，強度值卻很高。即使在這種情況下，微纖絲本身的拉伸強度也未能充分發(fā)揮，因為木材的纖維會在微纖絲之間撕開。木材順紋剪切強度特別低，通常只有順紋抗拉強度的6%～10%。順紋拉伸時，微纖絲之間產(chǎn)生滑移使微纖絲撕裂破壞，其破壞斷面通常呈鋸齒狀、細(xì)裂片狀或針狀撕裂。其斷面形狀的不規(guī)則程度，取決于木材順拉強度和順剪強度之比值。一般健全材該比值較大，破壞常在強度較弱的部位剪切開，破壞斷面不平整，呈鋸齒狀木茬。腐朽材和熱帶脆心材，兩者比值較小，而且由于腐朽所產(chǎn)生的酸質(zhì)使纖維素解聚，對大氣濕度敏感性增加，這兩個因素大大削弱了木材的順拉強度，微纖絲很少出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，，木茬較短。木材的強度、韌性與破壞4、橫紋拉伸木材橫紋拉伸分徑向拉伸和弦向拉伸。木材的橫紋拉伸強度很低，只有順紋拉伸強度的1/65～1/35。木材在徑向和弦向拉伸時的強度差，取決于木材密度及射線的數(shù)量與結(jié)構(gòu)。木材徑向受拉時，除木射線細(xì)胞的微纖絲受軸向拉伸外，其余細(xì)胞的微纖絲都受垂直方向的拉伸，組成木材細(xì)胞一系列鏈狀分子受橫拉應(yīng)力時會發(fā)生扭曲。由于木射線組織體積百分比較小，故木材橫向拉伸強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于順紋拉伸強度。針葉樹材和環(huán)孔材弦向拉伸時，參與拉伸的微纖絲數(shù)量比徑向多。散孔材參與拉伸的微纖絲數(shù)量徑向弦向都一樣多，但徑向有木射線細(xì)胞壁微纖絲是軸向拉伸，所以散孔材橫紋拉伸強度徑向大于弦向。木材的強度、韌性與破壞5、順紋剪切按剪切力與木材紋理方向之間的關(guān)系，可分為順紋剪切、橫紋剪切和切斷。木材使用中最常見的為順紋剪切，又分為弦切面和徑切面。木材順紋剪切的破壞特點是木材纖維在平行于紋理的方向發(fā)生了相互滑移。a.剪切面平行于年輪的弦面剪切：其破壞常出現(xiàn)于早材部分，在早材和晚材交界處滑行，破壞表面較光滑，但略有起伏，面上帶有細(xì)絲狀木毛。b.剪切面垂直于年輪的徑面剪切：其破壞表面較粗糙，不均勻而無明顯木毛。在擴大鏡下，早材的一些星散區(qū)域上帶有細(xì)木毛。木材的強度、韌性與破壞第五節(jié)木材主要力學(xué)性能指標(biāo)按作用力方向分：順紋和橫紋（弦向、徑向）；按荷載形式分：靜力荷載、沖擊荷載、振動荷載、長期荷載；按作用力方式分：拉伸、壓縮、剪切、彎曲、扭轉(zhuǎn)及縱向彎曲；按工藝要求分：抗劈力、握釘力、彎曲能力、耐磨性。木材受壓荷載應(yīng)用最廣泛，是木材力學(xué)性質(zhì)中最重要的特性。1.順紋抗壓強度(compressivestrengthparalleltograinofwood)概念：力的方向平行于木材紋理，給試件全部加壓面施加載荷時的強度。木材順紋抗壓順紋抗壓

木材的各種力學(xué)強度有縱向和橫向之分，橫向有分為徑向和弦向。一、抗壓強度(compressivestrength)

順紋抗壓強度是木材作為結(jié)構(gòu)和建筑材料的主要力學(xué)性質(zhì)，它可在一定程度上說明木材總的力學(xué)性質(zhì)的好壞。由于其強度變化較少，且易于測定，在研究與木材強度有密切關(guān)系事項時，如含水率等與強度關(guān)系均采用此項試驗。順紋抗壓強度主要取決于細(xì)胞壁的化學(xué)成分為—木素（賦予木材抗壓強度和剛性，把木材分子粘合在一起）。

測定試件斷面的徑、弦向尺寸為20×20mm，高度為30mm。順壓強度可用下式計算：

式中：σ為順壓強度（MPa）；Ｐmax為破壞荷載（N）；b和t分別為試件的寬度、厚度尺寸（mm）。

我國木材順壓強度平均值約為450×105Pa，順壓比例極限與強度的比值約為0.70，其中，針葉材為0.78左右，軟闊葉材為0.70，硬闊葉材為0.66。針葉材具有較高比例極限的原因有結(jié)構(gòu)較規(guī)則，硬闊葉材中環(huán)孔材由于結(jié)構(gòu)不規(guī)則，因此比例極限最低。2.橫紋抗壓強度(compressivestrengthperpendiculartograinofwood)根據(jù)作用力與年輪位置的不同，分為徑向和弦向受壓。(1)概念：(2)分局部受壓和全部受壓：全部受壓試件名義尺寸為20×20×30mm，局部受壓為20×20×60mm，后一尺寸均為順紋尺寸。(3)根據(jù)作用力與年輪的位置不同又可分徑向和弦向。又可以分為徑向和弦向受壓：

因橫紋壓力無法準(zhǔn)確測定破壞強度，故從繪制荷載－變形曲線上確定比例極限荷載Ｐ，分別以下式計算橫壓比例極限強度：全部橫壓（MPa）局部橫壓（MPa）式中：Ｐ為比例極限荷載（N），ｂ為試樣寬度（mm），Ｌ為試樣長度(mm)，t為加壓鋼塊寬度(mm)。橫紋抗壓（全部）橫紋抗壓（局部）木材橫壓比例極限強度，局部橫壓高于全部橫壓，前者應(yīng)用范圍較廣，測定以前者為主。徑向與弦向橫壓值的大小與木材構(gòu)造有極其密切的關(guān)系。具有寬木射線和木射線含量較高的樹種（櫟木、米櫧等），徑向橫壓強度高于弦向；其它闊葉樹（窄木射線），徑向與弦向值相近；對于針葉材，特別是早、晚材顯明的如落葉松等樹種，則弦向大于徑向。當(dāng)徑向受壓時主要是較松軟的早材部分易形成變形；而弦向受壓時試驗一開始即由晚材承載。二、抗拉強度(tensilestrength)1.順紋抗拉強度：(tensilestrengthparalleltograinofwood)

木材順紋抗拉強度取決于木材纖維的強度、長度、紋理方向和木材密度等。纖維長度是左右木材順紋抗拉強度的主要因子，纖維長度與微纖絲傾角間有一定相關(guān)，即纖維越長，微纖絲傾角越小，順紋抗拉強度也越大。木材密度大，順紋抗拉強度也大木材順紋抗拉強度是各類強度中最大者。根據(jù)拉力與木材紋理的平行和垂直可分為順拉和橫拉。橫拉根據(jù)拉力與年輪的平行和垂直又可分弦向和徑向。

拉伸強度按以下公式計算：式中：Pmax—最大荷載（N）b—試件寬度（mm）t—試件厚度（mm）（MPa）圖8-3木材順紋抗拉強度測定試件數(shù)值范圍：120～150MPa，高的可達(dá)300MPa。是木材最大的強度。測定：試件制作與測定按國標(biāo)GB1938-1991《木材順紋抗拉強度實驗方法》破壞：試件中部局部消弱部分產(chǎn)生拉伸破壞。2.橫紋抗拉強度(tensilestrengthperpendiculartograinofwood)

木材抵抗垂直于紋理拉伸的最大應(yīng)力。分徑向和弦向的抗拉強度由于木材細(xì)胞排列和胞壁上微纖絲走向等原因，木材的橫紋抗拉強度約為順紋抗拉強度的1/65～1/10。因此，在任何木結(jié)構(gòu)的部件中應(yīng)盡可能避免橫紋拉力，這不僅是因為橫紋抗拉強度很低，而且由于木材的干縮可能引起徑裂和輪裂，使木材完全喪失橫紋抗拉強度。三、木材的抗彎強度(bendingstrength)和抗彎彈性模量(themodulusofelasticityinstaticbending)圖8-6木材的彎曲形式在靜力彎曲時，木梁構(gòu)件上層受壓，下層受拉，其間受剪。在拉、壓間有一層既不伸長，也不縮短的纖維層叫中性層。正應(yīng)力在距中性層最遠(yuǎn)的邊緣纖維達(dá)最大值，剪應(yīng)力最大值在中性層上。由于木材的順拉強度遠(yuǎn)大于順壓強度，中性層偏向受拉區(qū)一側(cè)?？箯潖姸仍嚰蛷澢Ａ吭嚰叽缇鶠?0×20×300mm后者為順紋尺寸。支座距均為240mm?？箯潖姸炔捎弥醒爰虞d，彎曲模量則采用離支座各三分之一處兩點荷載。兩者均僅作弦向彎曲?？箯潖姸圈襇和彎曲模量ＥM分別用下式計算：(MPa)

(MPa)式中：Ｐmax為最大荷載（Ｎ）；Ｌ為支座間距離（mm）；b為試樣寬度（mm）；h為試樣高度(mm)；f為上、下荷載間的變形值(mm)。

木材抗彎強度值介于順拉與順壓強度之間，各樹種平均約900×105Pa。徑向與弦向彎曲強度間的差異僅表現(xiàn)在針葉材上，弦向比徑向高出10━12%。闊葉材兩方向上幾乎相等?？箯潖姸瓤煞治寮墸?05pa）500以下,甚低501━800，低802━1200，中1201━1700，高1700以上，甚高彎曲模量也分五級（108Pa）90以下，甚低91━120，低

121━150，中151━190，高190以上，甚高木材抗彎強度與抗彎彈性模量之間的關(guān)系：柯病凡根據(jù)356個樹種在含水率15％時的木材抗彎強度與抗彎彈性模量，發(fā)現(xiàn)了二者之間的相關(guān)性并得出關(guān)系式：

Ew=0.086σbw+33.7(MPa)

四、沖擊韌性(toughness)1、沖擊韌性采用中央施加沖擊荷載使試樣產(chǎn)生彎曲破壞的試驗形式。它不測定破壞試件所需要的力，而是用破壞試件所消耗的功來表示。消耗的功愈大，木材韌性愈大，脆性愈小。試件尺寸為20×20×300mm，后者為順紋尺寸。沖擊韌性按下式計算：

(KJ/m2)式中：Ｑ為試樣破壞時吸收能量(J)；b為試樣寬度(mm)；h為試樣高度(mm)。木材沖擊韌性按我國標(biāo)準(zhǔn)只做弦向試驗。早晚材區(qū)別明顯的樹種，其弦向與徑向沖擊韌性有明顯的差別，如落葉松徑向沖擊比弦向高50%，云杉高35%，水曲柳高20%。早晚材區(qū)別不明顯的樹種，徑、弦向幾乎相同。闊葉材沖擊韌性比針葉材平均高0.5－2倍。沖擊韌性可分為五級（KJ/m2）：30以下為甚低；31－60為低；61－90為中；91－120為高；120以上為甚高。

2、影響因素：

a.方向性

b.木材構(gòu)造

c.木材缺陷

d.木材腐朽

3.破壞形式木材沖擊韌性試材破壞情況五、抗剪切強度與扭曲強度剪力作用于木材紋理方向的不同可分順剪(shearingstrengthparalleltograinofwood)、橫剪和切斷三類。木材順剪強度最小，故通常只測順剪。順剪又分徑面和弦面破壞兩種。：1、抗剪切強度(shearingstrength)如圖所示。試樣缺角部分角度為106°42′，θ角為16°42′。1——附件主體2——楔塊3——L型墊塊4——螺桿5——螺桿6——壓塊7——試樣8——圓頭螺釘圖順紋抗剪試樣及試驗裝置式中：Ｐmax為最大荷載(Ｎ)；ｂ為試樣寬度(mm)；Ｌ為試樣受剪面長度(mm)。剪切面平行于年輪的弦面剪切：破壞常出現(xiàn)于早材，在早、晚材交界處滑行，破壞面較光滑，有細(xì)纖毛。剪切面垂直于年輪的徑面剪切：破壞面較粗糙、不均勻且無明顯木毛。木材順紋剪切強度較小，平均只有順紋抗壓強度的10%~30%。紋理較斜的木材，如交錯紋理、渦紋、亂紋等其剪切強度會明顯增加。闊葉材的順紋剪切強度平均比針葉材高出1/2。闊葉材弦面抗剪強度較徑面高出10%~30%，其木射線越發(fā)達(dá)，這種差異也越大。針葉材徑面和弦面的抗剪強度大致相同。順剪強度分五級（105Pa）：50以下,甚低；51－100，低；101－150，中；151－200，高；200以上，甚高。（MPa）2、扭曲強度當(dāng)木桿因外力而扭曲時，桿環(huán)繞其縱軸旋轉(zhuǎn)，這時產(chǎn)生的內(nèi)阻力矩成為扭曲。木材因扭曲而破壞時所產(chǎn)生的相應(yīng)應(yīng)力稱為扭曲強度。扭曲強度在木材作為螺旋槳、回轉(zhuǎn)軸、車軸、農(nóng)機零部件等使用中較重要。計算公式見書P202。六、木材硬度(hardness)與耐磨性1、硬度：是材料抵抗其它不產(chǎn)生殘余變形物體壓入的抗凹能力。我國木材硬度試驗是采用改進(jìn)的布氏硬度試驗法。用直徑為11.28mm的鋼球，在靜荷載下壓入試樣深度為5.64mm時，其橫斷面積恰好為100mm2。對于壓入后試樣易裂的樹種，鋼半球壓入的深度允許減至2.82mm，此時截面積為75mm2。硬度試件尺寸為50×50×70mm，后一尺寸為順紋尺寸。可分徑面、弦面和端面硬度。硬度其計算公式為：ＨM＝Ｋ·Ｐ(N)式中：P為鋼球半徑面壓入時的荷載（N）；Ｋ為系數(shù)，當(dāng)壓入深度為2.82mm和5.64mm時,K值分別為1和4/3。

木材端面硬度高于側(cè)面硬度，針葉材平均高出35%，闊葉材高出25%；木射線發(fā)達(dá)的麻櫟、青岡櫟等樹種的木材硬度，弦面較徑面可高出5-10%，大多數(shù)樹種徑面和弦面硬度相近。木材密度對硬度影響極大，密度愈大，硬度愈大。2、耐磨性

木材與任何物體的摩擦，均產(chǎn)生磨損，其變化大小以磨損部分損失的質(zhì)量或體積來計算。常用的磨耗儀有科爾曼磨耗儀、泰伯磨耗儀和斯塔特加磨耗儀闊葉材徑面抗劈力較弦面為小。這種差異對木射線發(fā)達(dá)的樹種尤為顯著。針葉材恰恰相反，即弦面小于徑面，這是由于早材部分強度小，弦面易于劈開。七、抗劈力抗劈力是木材抵抗在尖楔作用下順紋劈開的力。試樣尺寸為20×20×50mm,形狀如圖：C=Pmax/b(N/mm)八、握釘力木材的握釘力是指釘子在從木材中被拔出時的阻力。是以平行于釘身方向的拉伸力計算，常用經(jīng)驗公式見書P206。主要力學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系木材的各種力學(xué)性質(zhì)間存在著相關(guān)關(guān)系。如能找出某種力學(xué)性質(zhì)與其它力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)方程，就能通過實測一、二種力學(xué)性質(zhì)值，來估斷該木材的其它力學(xué)性能，并為非破壞性測試提供理論依據(jù)。如木材無損強度試驗，即采用非破壞性的彈性模量的測試，然后利用彈性模量與抗彎強度的關(guān)系，估測出抗彎強度，以達(dá)到木材應(yīng)力分等的目的。據(jù)統(tǒng)計，我國250多個樹種的力學(xué)性質(zhì)的平均值范圍(MPa)大致如下：順壓強度40~50MPa

；抗彎強度80~100MPa

；順拉強度120~150MPa

；順剪強度12~15MPa

。因此主要強度間有以下比例關(guān)系：順壓：彎曲：順拉：順剪=1：2：3：0.30。第六節(jié)木材力學(xué)性質(zhì)的影響因素木材密度的影響含水率的影響溫度的影響長期荷載的影響紋理方向及超微構(gòu)造的影響缺陷的影響一.木材密度:木材的力學(xué)性質(zhì)與木材密度有著極為密切的關(guān)系。木材密度是決定木材強度和剛度的物質(zhì)基礎(chǔ)。密度增大，木材強度和剛性增高；密度增大，木材的彈性模量呈線性增高；剪切彈性模量與密度相關(guān)性??；順拉強度與密度相關(guān)性不大；密度增大，木材韌性也成比例地增長。兩者的關(guān)系可用以下數(shù)學(xué)式表示：

σ=aγn＋b，σ表示各類力學(xué)性質(zhì)，γ

是木材密度，a，b是比例常數(shù)，n是關(guān)系曲線的形狀指數(shù)(斜率)，a和b隨力學(xué)性質(zhì)類型不同而異。二.含水率木材吸附水存在于細(xì)胞壁中的微纖絲之間，起著潤滑作用，允許微纖絲之間有一定的滑移或相對位移。若水分散失了，微纖絲之間緊密靠攏，吸引力增大，對滑動位移有很強的摩擦阻力。所以，（1）當(dāng)含水率低于纖維飽和點時，木材強度隨細(xì)著水的增加而降低；（2）當(dāng)含水率在纖維飽和點時，強度達(dá)最低值；（3）當(dāng)含水率高于纖維飽和點時，自由水含量增加，其強度值不再減少，基本保持恒定。含水率對松木力學(xué)強度的影響A—橫向抗彎；B—順紋抗壓；C—順紋抗剪強度的含水率調(diào)整系數(shù)α—木材在吸著水范圍內(nèi)，含水率每改變1%時的強度變化百分率。通常用α

表示。木材各類強度的α是各不相同的。我國木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各種強度α值如下：順壓強度0.05，橫壓強度0.045，靜曲強度0.04，硬度0.03，順剪強度0.03，橫拉強度0.025，順拉強度和靜曲模量0.015，沖擊韌性和抗劈力均為0。為了統(tǒng)計和相互比較，應(yīng)將不同含水率的木材強度換算成同一含水率下的強度。我國國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的含水率為12%，可采用以下公式計算：

σ12=σW[1+α(W-12)]

式中：σ12和σW分別為含水率為12%和W%時的強度值。α為含水率換算系數(shù)，隨強度性質(zhì)而異。上式適用的含水率范圍為8%~15%，試驗時應(yīng)采用氣干材。三.溫度溫度對強度的影響甚為復(fù)雜，它與溫度的高低、受熱時間的長短、木材密度、含水率、樹種和強度性質(zhì)等諸多因子有關(guān)。此外尚會形成個因子與溫度對強度的綜合影響。木材強度隨溫度升高而較為均勻地下降。濕材隨溫度升高而強度下降的程度明顯高于干材。溫度-含水率對木材力學(xué)強度的影響正溫度正溫度的變化會導(dǎo)致木材含水率及其分布產(chǎn)生變化，由此造成內(nèi)應(yīng)力和干燥等缺陷。正溫度除通過它們對木材強度的有間接影響外，還對木材強度有直接影響。造成這種影響的因素有二，一是因熱促使細(xì)胞壁物質(zhì)分子運動加劇，內(nèi)摩擦減少，微纖絲間松動增加，木材強度下降。二是當(dāng)溫度超過180℃木材物質(zhì)分解溫度，或在83℃左右長期受熱的條件下，木材中的抽提物、果膠、半纖維素等會部分或全部消失，這對強度會產(chǎn)生損失，特別是沖擊韌性和拉伸強度會有較大的削弱。前者是暫時影響，是可逆過程；后者是永久影響，為不可逆。長時間高溫的作用對木材強度的影響是可以累加的?？傊?，木材大多數(shù)力學(xué)強度隨溫度升高而降低。溫度對力學(xué)性質(zhì)的影響程度由大至小的順序為：壓縮強度、彎曲強度、彈性模量，最小為拉伸強度。此外加熱方式對強度的影響程度也有差別，其大小順序如下：蒸汽、水、熱壓機內(nèi)、干熱空氣。負(fù)溫度負(fù)溫度對木材強度的影響如下：冰凍的濕木材，除沖擊韌性有所降低外，其它各種強度均較正溫度有所增加，特別是抗剪強度和抗劈力的增加尤甚。冰凍木材強度增加的原因，對于全干材可能是纖維的硬化及組織物質(zhì)的凍結(jié)；而濕材除上述因素外，水分在木材組