第八章 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。

第1篇一、实验目的1. 了解木材的基本力学性质。

2. 掌握木材力学性质实验的基本方法和步骤。

3. 通过实验，分析影响木材力学性质的主要因素。

二、实验原理木材的力学性质主要包括强度、硬度、刚度和韧性等。

本实验通过测定木材的抗拉、抗压、抗弯和抗剪等力学性能，分析木材的力学性质及其影响因素。

三、实验材料与设备1. 实验材料：木材试件（硬木、软木、针叶木等）。

2. 实验设备：万能试验机、切割机、量具、砝码等。

四、实验步骤1. 样品准备：将木材试件切割成规定尺寸，如100mm×100mm×10mm。

2. 抗拉强度测试：a. 将试件固定在万能试验机上，确保试件平行于拉伸方向。

b. 拉伸速度设定为10mm/min。

c. 记录试件断裂时的最大拉力值。

3. 抗压强度测试：a. 将试件固定在万能试验机上，确保试件垂直于压缩方向。

b. 压缩速度设定为5mm/min。

c. 记录试件破坏时的最大压力值。

4. 抗弯强度测试：a. 将试件放置在万能试验机上，确保试件平行于弯矩方向。

b. 弯曲速度设定为10mm/min。

c. 记录试件破坏时的最大弯矩值。

5. 抗剪强度测试：a. 将试件放置在万能试验机上，确保试件平行于剪切方向。

b. 剪切速度设定为10mm/min。

c. 记录试件破坏时的最大剪切力值。

五、实验结果与分析1. 抗拉强度：硬木试件的抗拉强度最高，软木试件次之，针叶木试件最低。

2. 抗压强度：硬木试件的抗压强度最高，软木试件次之，针叶木试件最低。

3. 抗弯强度：硬木试件的抗弯强度最高，软木试件次之，针叶木试件最低。

4. 抗剪强度：硬木试件的抗剪强度最高，软木试件次之，针叶木试件最低。

六、实验结论1. 木材的力学性质与其种类、密度、含水率、木纹方向等因素密切相关。

2. 硬木试件的力学性能普遍优于软木和针叶木试件。

3. 实验结果与理论分析基本一致。

七、实验注意事项1. 实验过程中，确保试件表面平整、无损伤。

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。

1. 木材中的吸附水：组成木材的细胞壁物质—纤维素和半纤维素等化学成分结构中有许多自由羟基(—OH)，它们具有很强的吸湿能力。

在一定温度和湿度条件下，胞壁纤维素、半纤维素等组分中的自由羟基，借助氢键力和分子间力吸附空气中的水分子，形成多分子层吸附水；水层的厚度随空气相对湿度的变化而变化，当水层厚度小于它相适应的厚度时，则由空气中吸附水蒸汽分子，增加水层厚度；反之，当水层厚度大于它相适应的厚度时，则向空气中蒸发水分，水层变薄，直到达到它所适应的厚度为止。

木材中存在着大毛细管和微毛细胞系统，因此木材是个多微毛细孔体。

这些毛细孔体具有很高的空隙率和有巨大内表面，具有强烈的吸附性和发生毛细管凝结现象。

在一定相对湿度的空气中，会吸附水蒸汽而形成毛细管凝结水，达纤维饱和点为止。

微观上，木材细胞壁微纤丝上纤维素链状分子彼此靠近，当微纤丝链之间距离很近时，部分羟基与羟基之间形成新的氢键结合；再次吸湿时因部分相互吸引、价键满足的羟基不能再从空气中吸收更多的水分，因此吸附量减少。

2. 木材中水分的种类：木材中的水分按其存在的状态可分自由水（毛细管水）、吸着水和化合水三类。

（1）自由水自由水是指以游离态存在于木材细胞的胞腔、细胞间隙和纹孔腔这类大毛细管中的水分，包括液态水和细胞腔内水蒸汽两部分；理论上，毛细管内的水均受毛细管张力的束缚，张力大小与毛细管直径大小成反比，直径越大，表面张力越小，束缚力也越小。

木材中大毛细管对水分的束缚力较微弱，水分蒸发、移动与水在自由界面的蒸发和移动相近。

自由水多少主要由木材孔隙体积（孔隙度）决定，它影响到木材重量、燃烧性、渗透性和耐久性，对木材体积稳定性、力学、电学等性质无影响。

（2）吸着水吸着水是指以吸附状态存在于细胞壁中微毛细管的水，即细胞壁微纤丝之间的水分。

木材胞壁中微纤丝之间的微毛细管直径很小，对水有较强的束缚力，除去吸着水需要比除去自由水要消耗更多的能量。

吸着水多少对木材物理力学性质和木材加工利用有着重要的影响。