发布时间 : 星期一 文章木材的力学性质更新完毕开始阅读15c57d02312b3169a451a474
的力的作用，使木材现存的变形反向变化，在宏观上就表现为木材的变形逐渐回复、消失。所以，一般情况下（如压缩后如干燥变形固定）木材的“塑性”是相对的、有条件的、非永久性的。只有采用化学处理、水热处理、水蒸气处理等方式或者消除木材的内部应力、或者使分子基团间产生交联结合、高凝聚态结合等稳定的结合，才有可能使木材的变形达到永久固定的目的。
8.3.3.3 木材塑性的应用 木材的塑性在有些场合会发挥积极的作用。 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。
在木材横纹压缩变形的定型处理中，通常以高温和高湿条件保持住木材的形变，正是利用了温度和含水率对木材塑性变形的影响。
在微波加热弯曲木材处理时，会使木材的基体物质塑化，使其变形增加到原弹性变形的30倍，产生连续而又平滑的显著变形，而不出现弯曲压缩侧微细组织的破坏，是木材塑性增大的一个典型实例。
8.4 木材的强度、韧性与破坏
8.4.1 木材的强度
强度是材料抵抗所施加应力而不致破坏的能力，如抵御拉伸应力的最大临界能力被称为抗拉强度，抵御压缩应力的最大临界能力称为抗压强度，抵御被弯曲的最大临界能力被称为抗弯强度等。当应力超过了材料的某项强度时，便会出现破坏。强度以N/mm2（=MPa）为单位，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，又易受环境因素影响，其强度因所施加应力的方式和方向的不同而改变。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，其具体试验方法和变化规律可详见本章第5节。木材强度的各种影响因素将在本章第6节具体论述。
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。韧性以KJ/m2为单位。材料的韧性越大，则被扩展出一个裂隙乃至破坏所需的能量越高，同时，达到破坏之前所能承受的应变值也越大。
韧性材料往往是强度大的材料，但也有许多实例说明这两个参数并无因果关系。例如，陶瓷等强度很大的材料，却表现很脆（①在很小的应变条件下就会破坏；②在受到冲击力作用时容易破坏即缺乏韧性），而有些韧性材料，例如铝，能够承受很大的应变而不致断裂，却天生强度就很弱。因此，虽然强度和韧性最终都会达到被破坏的水平，但二者所表述的概念不同，应避免混淆。
木材是具有一定韧性的材料，在国家标准中采用冲击韧性参数来表征其韧性，详见本章第5节。
8.4.3 木材的破坏
8.4.3.1 破坏 对于木材，其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。破坏是木材作为建筑材料在安全设计中必须考虑的一个重要因素。木材的强度超过极限应力就会出现破坏。
除了日常生活中常见的灾难性的结构破坏，木材还有许多微（内部）破坏，如木材干燥时出现的皱裂、干裂；伐倒木出现的压裂；防腐加压浸注时的纹孔破裂等。破裂会关系到木材的强度或浸注性等。
8.4.3.2 木材破坏的原因 木材细胞壁主要由纤维素、木质素和半纤维素组成。纤维素赋予木材弹性和强度；木质素为不定型物质，赋予木材硬度和刚性；在细胞壁起填充和部分胶着作用的是半纤维素，它赋予木材剪切强度。纤维素链状分子顺着细胞壁的长轴平行排列，横向以氢键结合构成微纤丝，微纤丝侧面之间除通过氢键结合，局部尚以果胶质胶着。细胞壁与细胞壁之间靠胞间质胶着。木材横向强度远低于纵向自身的联接强度。
因此，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：肉眼见到的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。破坏线与主轴的倾角常取决于木材密度，密度大，倾角小。实验结果栎木为57°、松木为59.5°、云杉为70°、冷杉为84.5°。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，破坏一般出现在木材荷载与之接触的地方，是由应力集中引起的。干的木材通常在未发生任何明显扭曲之前，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。而干燥的硬材仅发生剪切破坏，不会发生端部压皱现象，这是由于应力集中的现象比软材小得多，并且由于空隙度小、强度大的解剖分子比软材多，不易压皱。中等硬度的木材破坏，有时端部压溃，有时产生剪切破坏。连续破坏线一般出现于弦面，因为木材径切面刚性大于弦切面，这主要是木射线在径切面为骨架，起支撑作用，以及微纤丝在细胞壁径切面与木射线相交，产生局部扭转对剪切面方位造成了影响。径向压缩制成的压缩木，当顺纹压缩破坏时，剪切出现在径切面上。弦向压缩制成的压缩木，顺纹加压破坏时，剪切仍出现在弦切面上。因此，射线被压皱会引起顺纹理加压破坏时剪切面发生转向。
顺纹压缩破坏的微观特征：最先在纤维细胞壁上产生单一错位的裂纹状细线，称滑移线或滑移面，随着压力加大，变形随之增加，这些细线纹越来越多，直到它们形成纵横交错的网纹为止，这个过程属于初期破坏。随后在细胞壁这些细线纹地方产生剪切破坏，剪切破坏多了，整个细胞壁便扭曲。受压的皱痕使整个破坏区的细胞壁都扭曲。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。对于马尾松、落叶松等早晚材急变的针叶树材，或硬阔叶树环孔材等，因致密的晚材细胞壁能承受更大的压缩载荷而未发生明显变化，这类木材的破坏形式是早材细胞的扭曲。
8.4.4.2 横纹压缩
木材是一种多孔性天然弹、塑性的高分子材料，在一定条件下可以不破坏其结构，而塑化压缩密实，以提高密度和改善其物理、力学性质。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，以往学者们认为需分为常规型和三段型两种类型。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，应力—应变曲线具有三个不同的区域，这3个区域具有不同的斜率，第一个区域为早材的弹性曲线；第二个区域是早材压损过程曲线；第三个区域是晚材的弹性曲线。弦向受压时，不出现3段式曲线。
刘一星、则元京等通过大量研究证实，上述木材横纹压缩变形时的应力—应变规律的描述存在一定不足。他们采用很宽密度范围（0.1~1.3g/cm3）的木材为试样，分别在气干20℃、饱水20℃和饱水100℃条件下进行横纹大变形范围的压缩实验，用计算机实时采集应力—应变数据进行采集，对数据分析后提出，当木材受到横纹方向的大变形范围压缩的情况下，可由屈服点应变?y和细胞壁压密化临界应变?d（即压缩过程中细胞腔完全被填充而消失时刻的应变），将应力—应变曲线为三个阶段，即细胞发生微小变形，应力与应变呈比例直线上
升的弹性变形领域（???y）；②在越过
屈服点之后较宽的变形范围，细胞逐渐被压溃，胞壁发生向腔内塌陷的弯曲和压屈变形，应变迅速增大而应力仅略有增加的应力—应变曲线平坦领域（?y????d）；③压缩进行至细胞腔被完全充填、细胞壁相互接触、细胞壁实质物质开始被压缩时，应力随应变的增加而急剧增大的领域。对于不同树种的木材，横纹压缩的应力—应变特性曲线一般都不同程度地具有这样的三段特征（见图8-8），而且横纹压缩过程中应力σ和应变ε的关系可用下式定量表达：
当
图8-8 饱水·100℃、无约束条件下的
木材横纹压缩应力－应变曲线图
当
???y，??E??
???y，
???d????1?C??1??y???d?(???y/E)??
?d?1?K
??s （8-12）
式中：E为横纹方向的弹性模量；?y为屈服点应力；?y为屈服点应变；?d为细胞壁压密化邻界应变；C为表示屈服点后应力增大速率的参数；?,?s分别为木材密度和木材细胞壁物质密度；K为由压缩试验的约束条件等因子所决定的常数，0＜K≤1。
木材横纹压缩时，宏观变化首先是纤维受压变紧密。局部横压时，承受板凹陷入木材，木材与承受板接触部分的纤维破坏，远离承受板的纤维未受影响。当荷载继续增加时，试件未受压的端部会突出，或呈水平劈裂。
木材横压时的显微变化主要是细胞的横截面变形，若施加的压缩载荷足够大时，这种变形将继续扩大，直至载荷超过木材的弹性极限后，木材外部纤维及其邻接纤维溃坏，并变得紧密，产生永久变形。外部纤维破坏最大，也压得最紧密。横压试件由外向内纤维遭受的破坏和被压程度顺次变小。木材这种重新分配应力和吸收能量的功能，对于承压垫板，特别是木结构的节点联结处尤为重要。在用螺栓、齿板等钢构件将木构件相互联结在一起的场合，常用来传递构件的内力。
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。腐朽材和热带脆心材，两者比值较小，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，微纤丝少量出现滑行现象，而造成拉断破坏，断面处常较为平整，木茬较短。
8.4.4.4 横纹拉伸
木材横纹拉伸分径向拉伸和弦向拉伸。横纹拉伸除了径向受拉时，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。木射线只占木材体积的7%～12%，该组织的细胞壁较薄，所以径向拉伸时参与轴向拉伸的微纤丝数量比顺纹拉伸时少得多。此外，细胞壁胶着物的抗拉强度对木材的横拉强度起主要作用，胶着物的抗拉强度很低。所以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。针叶材和环孔材弦向拉伸时，参与拉伸的微纤丝数量比径向拉伸时多，这是因为径向拉伸时应力集中在早材部分。散孔材参与横向拉伸的微纤丝不论在径向或弦向都是一样的，但这些树种的木材在径向拉伸时还有参与轴向拉伸的微纤丝。其中散孔材径向拉伸的强度大于弦向。木材受横拉破坏时，壁薄的细胞被纵向撕裂，壁厚的细胞常沿着初生壁拉开。
因此，在任何木结构的部件中都要尽量避免产生横纹拉应力，因为木材横纹拉伸的抗拉强度特别低，且木材在干燥过程中往往发生开裂，从而导致木材横纹拉伸的抗拉强度更低。
8.4.4.5 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。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，但略有起伏，带有细丝状木毛。径切面剪切破坏（剪切面垂直于年轮），其表面较粗糙，不均匀且无明显木毛，在放大镜下，可观察到早材的一些星散区域上带有细木毛。 在显微镜下观察，顺纹剪切破坏在晚材中剪切产生于细胞壁之间，而在较轻的木材中产生于早材细胞的细胞壁本身，最初在细胞壁上出现的细裂纹与细胞长轴成一定角度，与拉伸破坏的裂纹一样。这些裂纹逐渐增宽，直到细胞壁完全撕裂，只剩下一些细丝存在于裂缝中，也就是最后可在弦面上看到的细丝状木毛。
8.5 木材主要力学性能指标
木材的主要力学性能指标被根据外力作用的种类、载荷、加载速度等，按如下名称划分： 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。