《木材的力学性质》
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木材的力学性质主要介绍了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。
木材力学是涉及木材在外力作用下的机械性质或力学性质的科学,它是木材学的一个重要组成部分。
木材力学性质是度量木材抵抗外力的能力,研究木材应力与变形有关的性质及影响因素。
木材作为一种非均质的、各向异性的天然高分子材料,许多性质都有别于其它材料,而其力学性质和更是与其它均质材料有着明显的差异。
例如,木材所有力学性质指标参数因其含水率(纤维饱和点以下)的变化而产生很大程度的改变;木材会表现出介于弹性体和非弹性体之间的黏弹性,会发生蠕变现象,并且其力学性质还会受荷载时间和环境条件的影响。
总的来说,木材的力学性质涉及面广,影响因素多,学习时需结合力学、木材构造、木材化学性质的有关知识。
木材力学性质包括应力与应变、弹性、黏弹性(塑性、蠕变)、强度(抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、扭曲强度、冲击韧性等)、硬度、抗劈力以及耐磨耗性等。
8.1 应力与应变8.1.1 应力与应变的概念8.1.1.1 应力 物体在受到外力时具有形变的趋势,其内部会产生相应的抵抗外力所致变形作用的力,成为内力,当物体处于平衡状态时,内力与外力大小相等,方向相反。
应力就是指物体在外力作用下单位面积上的内力。
当外力均匀地作用于顺纹方向的短柱状木材端面上,柱材全长的各个断面上都将受到应力,此时,单位断面面积上的木材就会产生顺纹理方向的正应力(图8-1a )。
把短柱材受压或受拉状态下产生的正应力分别称为压缩应力和拉伸应力。
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,这种应力被称为剪应力(图8-1b )。
应力单位曾一度使用dyn/cm 2、kgf/cm 2等,近年来开始采用国际单位中的N/mm 2(=MPa )。
木材的力学性质木材的力学性质1. 抗压强度木材受到外界压力时,抵抗压缩变形破坏的能力,称为抗压强度。
其单位为Pa。
通常分为顺纹与横纹两种抗压强度。
(1)顺纹抗压强度,外部机械力与木材纤维方向平行时的抗压强度,称为顺纹抗压强度。
由于顺纹抗压强度变化小,容易测定,所以常以顺纹抗压强度来表示木材的力学性质。
一般木材顺纹可承受(30〜79) *106Pa的压力。
其计算公式如下:Dw=P/ab式中D -一含水率为W制,木材的顺纹抗压强度(Pa),P 式样最大载荷(N),a,b 试样的厚度和宽度(M)(2)横纹抗压强度:外部机械力与木材纤维方向互相垂直时的抗压强度,称为横纹抗压强度。
由于木材主要是由许多管状细胞组成,当木材横纹受压时,这些管状细胞很容易被压扁。
所以木材的横纹抗压极限强度比顺纹抗压极限强度低。
但是,横纹受压的面积往往较大,所以破坏时的载荷也相应大些,其公式如下:dw=P/ab式中D -一含水率为W制,木材的横纹抗压强度(Pa),P 式样最大载荷(N),a,b 试样的厚度和宽度(M)由于横纹压力测试较困难,所以我们常以顺纹抗压强度的白分比来估计横纹抗压强度。
但树种不同,比例也不同。
一般针叶树材横纹抗压极限强度为顺纹的10%阔叶树材的横纹抗压极限强度为顺纹的15〜20%2抗拉强度木材受外加拉力时,抵抗拉伸变形破坏的能力,称为抗拉强度。
它分为顺纹和横纹两种抗拉强度。
(1)顺纹抗拉强度;即外部机械拉力与木材纤维方向相互平行时的抗拉强度。
木材的顺纹抗拉强度是所有强度中最大的,各种树种平均为117.6*106Pa(2)横纹抗拉强度:即外部机械拉力与木材纤维方向相互垂直时的抗拉强度。
木材的顺纹抗拉强度。
木材横纹抗拉极限强度远较顺纹抗拉极限强度低,一般只有顺纹抗拉强度的1/10〜1/40。
这是因为木材纤维这间横向联系脆弱,容易被拉开。
因此,家具结构上应避免产生横纹拉力3抗剪强度使木材的相邻两部分产生相对位移的外力,称为剪力。
第六章木材力学性质木材力学性质基本慨念与特点、主要力学性质种类及其测定方法和木材允许应力的确定原理。
6.1 木材力学性质有关的基本概念6.2 木材主要力学性质测定原理与方法6.3 影响木材力学性质的因子6.4 木材容许应力及其确定方法木材力学性质是指木材抵抗使之改变其大小和形状外力的能力,也即木材适应外力作用的能力。
现实生活中使用木材大都是利用木材力学性质,例如枕木承受横纹抗压,日用家具中桌、椅、板凳等用品的腿承受顺纹压缩荷载,建筑物上洐架、家具横梁承受弯曲载荷;枪托用材要求重量适中,弹性大,缓冲性能好。
农业机具要求耐磨,硬度大等。
木材的力学性质主要分为弹性、塑性、蠕变、松弛、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、冲击韧性、抗劈力、抗扭强度、硬度和耐磨性等,其中以抗弯强度和抗弯弹性模量、抗压强度、抗剪强度及硬度等较为重要。
木材力学性质的测定要破坏试样的完整性下,多数性状测定其达到破坏状态时所能承受的最大外力;而处于使用状态下的木材,其所受外力要比其破坏状态时所能承受的最大外力小得多。
木材是生物材料,其构造导致木材的各向异性,因此木材的力学性质也是各向异性的,这与各向同性的金属材料和人工合成材料有很大的不同。
例如木材强度视外力作用于木材纹理的方向,有顺纹强度与横纹强度之分;而横纹强度视外力作用于年轮的方向,又有弦向强度与径向强度之别。
因此学习木材力学性质,掌握其材料的特性,对合理使用木材有着重要意义。
补充阅读资料:材料力学木材是生物质高分子材料,其力学性质主要取决于细胞壁结构特点和木材主要化学成份纤维素、木素和半纤维素的化学键结合特点与排列方式以及外力作用于木材的方式等。
前面木材解剖和木材化学性质知识的掌握对于本章的学习有很大的帮助。
有关物体承受拉、压、弯、剪切等受力分析是木材力学的基础,可参阅有关《材料力学》教材基础部分。
另外,由于木材属于高分子有机材料,木材力学性质带有高分子材料学的特点,因此学完本章后,有兴趣的同学可进一步阅读高分子材料方面的教材。
1.化学性质化学组成--纤维素、木质素和半纤维素是构成细胞壁的主要成分,此外还有脂肪、树脂、蛋白质、挥发油以及无机化合物等。
木材对酸碱有―定的抵抗力,对氧化性能强的酸,则抵抗力差;对强碱,会产生变色、膨胀、软化而导致强度下降。
―般液体的浸透对木材的影响较小.2.物理性质1)含水量木材中的含水量以含水率表示,指所含水的质量占干燥木材质量的百分比。
木材内部所含水分,可分为以下三种。
(1)自由水。
存在于细胞腔和细胞间隙中的水分。
自由水的得失影响木材的表观密度、保存性、燃烧性、抗腐蚀性、干燥性、渗透性.(2)吸附水.被吸附在细胞壁内细纤维间的水分。
吸附水的得失影响木材的强度和胀缩。
(3)化合水。
木材化学成分中的结合水。
对木材性能无大影响.纤维饱和点——指当木材中无自由水,仅细胞壁内充满了吸附水时的木材含水率。
树种不同,纤维饱和点随之不同,―般介于25%~35%,平均值约为30%。
纤维饱和点是木材物理力学性质发生变化的转折点.平衡含水率--木材长期处于―定温、湿度的空气中,达到相对稳定(即水分的蒸发和吸收趋于平衡)的含水率。
平衡含水率是随大气的温度和相对湿度的变化而变化的。
木材的含水率:新伐木材常在35%以上;风干木材在15%~25%;室内干燥木材在8%~15%.2)湿胀、干缩的特点当木材从潮湿状态干燥至纤维饱和点时,自由水蒸发,其尺寸不变,继续干燥时吸附水蒸发,则发生体积收缩。
反之,干燥木材吸湿时,发生体积膨胀,直至含水量达纤维饱和点为止。
继续吸湿,则不再膨胀,见图10.7.1.―般地,表观密度大的,夏材含量多的,胀缩就较大。
因木材构造不均匀,其胀缩具有方向性,同―木材,其胀缩沿弦向最大,径向次之,纤维方向最小,见图10.7.1。
这主要是受髓线的影响,其次是边材的含水量高于心材含水量。
图10.7.1含水量对松木胀缩变形的影响木材长期湿胀干缩交替,会产生翘曲开裂.因而潮湿的木材在加工或使用前应进行干燥处理,使木材的含水率达到平衡含水率,与将来使用的环境湿度相适应。
杨树木材力学性质(7)木材力学性质,是木材抵抗外力作用的性能。
木材的力学性质包括木材弹性、塑性、蠕变、抗弯强度、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、冲击韧性、抗劈力、扭曲强度、硬度、摩擦等。
其中顺纹抗压程度、木材抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗剪强度、抗拉强度和冲击韧性等更为重要。
我国48个产地的37种杨树(含山东13种)的木材力学性质测定结果如表2-18-3和表2-18-4所示。
表中就全国与山东产的杨树分别统计和分析。
1、木材顺纹抗压强度沿木材顺纹方向(轴向)缓慢施加压缩荷载,木材所能承受的最大能力,称木材顺纹抗压强度。
木材顺纹抗压强度为木材力学性质中最重要的性质之一。
根据它的强度,可求得木材容许应力,用于设计各种木材受压构件。
从表2-18-4可见, 48种杨树木材顺纹抗压强度值在25.6-51.09Mpa之间,平均值为38.13Mpa。
其中贵州天柱产的响叶杨最大,毛白杨、I -69杨、新疆杨次之;山东产的I-214杨与大关杨、大青杨等最小。
从表2-18-3可见,山东产13种杨树木材顺纹抗压强度值在25.6-38.5Mpa之间,平均值为33.95Mpa。
其中南×毛新杨最大, I-214杨最小。
2、木材抗弯强度(MOR)及抗弯弹性模量(MOE)木材抗弯强度亦称静曲极限强度或弯曲强度,是木材承受横向力(荷载)的能力。
木材抗弯强度亦是木材力学性质中最为重要的性质。
主要用于建筑物梁、屋架、地板等易于弯曲的构件强度的评估。
48种杨树木材抗弯强度值在48.7-96.11Mpa之间,平均值为72.94Mpa。
其中贵州天柱产的响叶杨,最小的为山东产的I-214杨。
而毛白杨、I-69杨、新疆杨MOR也较大,而青海产的青杨、大关杨、大青杨等较小。
从表2-18-3可见,山东产13种杨树木材顺纹抗压强度值在48.7-73.0Mpa之间,平均值为63.73Mpa。
其中I-69杨最大, I-214杨最小。
木材抗弯弹性模量代表木材的弹性或韧度,是木材产生一个一致的正应变所需要的正应力。