木材的力学性质

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。

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。

木材的力学性能参数分析整理木材作为一种常见的建筑材料，其力学性能参数对于工程设计和产品应用十分重要。

本文将对木材的力学性能参数进行分析整理，以帮助读者更好地了解木材的力学特性和应用。

1.弹性模量（E）：弹性模量是描述材料在受力后恢复原状的能力。

对于木材而言，弹性模量可以衡量其在受到拉伸或压缩力时的变形程度。

一般来说，木材的弹性模量随着纤维方向的不同而有所变化。

纵向弹性模量较高，而横向弹性模量较低。

2.抗压强度（Fc）：抗压强度是指木材在受到压力时所能承受的最大力量。

它是衡量木材抗压能力的重要指标。

抗压强度通常比抗拉强度低，且与木材的纤维方向有关。

3.抗拉强度（Ft）：抗拉强度是指木材在受到拉伸力时所能承受的最大力量。

它也是评价木材力学性能的关键参数之一、抗拉强度通常比抗压强度高，并且与木材的纤维方向有关。

4.抗剪强度（Fv）：抗剪强度是指木材在受到剪切力时所能承受的最大力量。

与抗压强度和抗拉强度不同，抗剪强度是以相对较小的截面积来计算的。

抗剪强度与木材纤维方向的垂直性有关。

5.单剪胶合强度（Iv）：单剪胶合强度是指胶合接头在受到单向剪切力时所能承受的最大力量。

对于胶合木材而言，胶合接头的强度对整个结构的稳定性和耐久性具有重要影响。

6.密度（ρ）：密度是指单位体积的木材质量。

它不仅与木材的力学性能有关，还与木材的隔热性能、声学性能和阻燃性能等方面有关。

一般来说，密度较高的木材具有较高的强度。

7.弯曲强度（Fb）：弯曲强度是指木材在受到弯曲力时所能承受的最大力量。

对于梁、桁架等结构，弯曲强度是评价其承载能力的关键指标之一除了上述参数外，还有一些其他的力学性能参数也需要在实际应用中进行考虑，例如冲击强度、抗冲击性、弹性系数等。

此外，木材的性能还受到湿度、温度、木材品种和处理方式等因素的影响。

综上所述，了解木材的力学性能参数对于正确应用木材、合理设计和评估结构的稳定性和可靠性至关重要。

通过分析和整理木材的力学性能参数，可以更好地理解木材的力学特性，选择适合的木材种类和处理方法，确保木材在工程和产品应用中能够发挥最佳效果。

学即练12、2木材的物理力学性质木材的物理力学性质主要包括物理性质（含水率、湿胀干缩、密度、热学性质、声学性质和电学性质）和力学性能，其中含水率对木材的湿胀干缩性、热学、声学、电学和力学性能影响很大。

木材的含水率是指木材中所含水的质量占干燥木材质量的百分数。

新伐木材的含水率在35%以上；风干木材的含水率为15%～25%；室内干燥木材的含水率常为8%～15%。

木材中所含水分不同，对木材性质的影响也不一样。

1、木材中的水分木材中主要有三种水，即自由水、吸附水和结合水。

自由水是指以游离态存在于木材细胞腔、细胞间隙和纹孔腔这类大毛细管中的水分，自由水的多少主要由木材空隙体积决定，影响木材质量、燃烧性、渗透性和耐久性。

吸附水是被吸附在细胞壁内细纤维之间的水分，是影响木材强度、胀缩变形和加工性能的主要因素。

结合水即为木材细胞壁物质组成牢固结合的化学化合水，相对稳定，对日常使用中的木材性质无影响。

2、木材的纤维饱和点当木材中无自由水，而细胞壁内吸附水达到饱和时的木材含水率称为纤维饱和点。

木材的纤维饱和点随树种、温度和测定方法而异，一般介于23%～33%，多数树种为30%。

纤维饱和点是木材材性变化的转折点。

3、木材的平衡含水率木材中所含的水分是随着环境的温度和湿度的变化而改变的。

当木材长时间处于一定温度和湿度的环境中时，木材吸收水分和散失水分的速度相等，达到动态平衡，这时木材的含水率称为平衡含水率（图11－4）。

它是环境温度和湿度的函数，同一环境下不同树种的木材，平衡含水率的差异不大。

木材的平衡含水率随其所在地区不同而异，我国北方为12%左右，长江流域为15%左右，海南岛约为18%。

木材的平衡含水率对于木材的加工利用意义重大。

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。

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 ）。

285 学习情境十一 木材及其制品 二、木材的物理性质木材的物理性质对木材的选用和加工有很重要的现实意义。

（一）含水率含水率指木材中水重占烘干木材重的百分数。

木材中的水分可分两部分，一部分存在于木材细胞壁内，称为吸附水；另一部分存在于细胞腔和细胞间隙，称为自由水（游离水）。

当吸附水达到饱和而尚无自由水时，称为纤维饱和点。

木材的纤维饱和点因树种而有差异，为23%～33%。

当含水率大于纤维饱和点时，水分对木材性质的影响很小。

当含水率自纤维饱和点降低时，木材的物理和力学性质随之变化。

木材在大气中能吸收或蒸发水分，与周围空气的相对湿度和温度相适应而达到恒定的含水率，称为平衡含水率。

木材平衡含水率随地区、季节及气候等因素而变化，为10%～18%。

☼小提示新伐木材含水率常在35%以上，风干木材含水率为15%～25%，室内干燥的木材含水率常为8%～15%。

（二）湿胀干缩木材具有显著的湿胀干缩特征。

当木材的含水率在纤维饱和点以上时，含水率的变化并不改变木材的体积和尺寸，因为只是自由水在发生变化。

当木材的含水率在纤维饱和点以内时，含水率的变化会由于吸附水而发生变化。

当吸附水增加时，细胞壁纤维间距离增大，细胞壁厚度增加，则木材体积膨胀，尺寸增加，直到含水率达到纤维饱和点时为止。

此后，木材含水率继续提高，也不再膨胀。

当吸附水蒸发时，细胞壁厚度减小，则体积收缩，尺寸减小。

也就是说，只有吸附水的变化，才能引起木材的变形，即湿胀干缩。

木材的湿胀干缩随树种不同而有差异，一般来讲，表观密度大、夏材含量高者胀缩性较大。

由于木材构造不均匀，各方向的胀缩也不一致，同一木材弦向胀缩最大，径向其次，纤维方向最小。

木材干燥时，弦向收缩为6%～12%，径向收缩为3%～6%，顺纤维方向收缩仅为0.1%～0.35%。

弦向胀缩最大，主要是受髓线影响所致。

木材的湿胀干缩对其使用影响较大，湿胀会造成木材凸起，干缩会导致木结构连接处松动。

如长期湿胀干缩交替作用，会使木材产生翘曲开裂。