第六章 木材力学性质

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。

6.1.1 应力与应变6.1.1.1 应力（Stress）物体受外力作用，其内部分子间产生抵抗力以抵抗外力作用产生的破坏，这种物体内部抵抗力称为内力。

物体单位截面上内力称为应力，用σ表示，单位为Mpa（或kg/cm2）。

σ= P/A式中：P为外力，单位为N或Kg；A为物体受力面积，单位为mm 2或cm2物体在平衡状态时，内力与外力的大小相等方向相反。

当外力的大小超过物体所能承受的力时，物体即失去平衡，发生大小和形状的变化或破坏。

按照物体受力状况和物体受力产生的变形，应力分为三种基本类型：拉应力、压应力、剪应力，如图6-1中A、B和C。

（1）拉应力两个大小相等而方向相反的外力沿着木材同一方向线作用，引起木材拉伸变形，此时外力垂直木材的截面上应力称为拉应力。

（2）压应力两个大小相等而方向相反而相对的外力，沿着木材同一方向作用引起木材压缩变形。

此时外力垂直于木材截面上产生应力称为压应力。

（3）剪切应力两个大小相等方向相反接近平行外力作用于木材，促使木材一部分相对于另一部分发生错动的剪开现象，此时错开面上产生应力称为剪应力。

6.1.1.2 应变(Strain)物体受外力作用后所发生大小和形状变化称为变形，一定的外力就产生一定的形变。

物体单位长度上变形称为应变，用ε表示。

ε=△L/L（无量纲单位）式中：L为物体原来的长度△L为物体受外力作用后，其长度上变化量。

如果物体受拉力作用，长度增加，△L为正值。

反之，受压长度变短，△L为负值。

所以，习惯上拉应力用“+”号表示，压应力用“-”号表示。

6.1.1.3 应力、应变间相互关系物体受随外力作用产生形变，一定外力产生相应的应力、应变，应力应变是同时产生的。

外力在某一限度内，应变与应变成正比，二者呈线性关系；外力超过某一范围，二者直线关系就转变为呈曲线关系。

随着外力逐渐增大，物体最终出现破坏，此时应力达到最大值。

以应力为纵坐标，应变为横坐标，表示应力和应变关系的曲线称应力——应变图（图6-2）。

按照虎克（Hook）定律，在应力与应变直线关系范围内，大多数材料的应力和应变之间存在着一定的指数关系。

ε=a×σn式中：ε为应变，σ为应力，a和n为常数，取决于材料的性质。

试验表明铸铁、铜、花岗石、砂石和混凝土等刚性材料n>1，皮革和麻绳等柔性材料n＜1，铝和木材等材料n=1，因此木材的应力和应变关系，可用下式表示：ε=a×σσ=ε×1/a ＝E×ε其中：E=1/a，为木材弹性模量，它是衡量材料刚性的指标，E数值大，材料的刚性大，变形小，不易破坏，单位为Gpa（或kg/cm2）。

图6—2，示杉木弯曲时的应力——应变图。

木材在比例极限应力下可近似看作弹性，在这极限以上的应力就会产生塑性变形或发生破坏。

木材的弹性和塑性还受水分、温度和时效的影响。

随着水分的增加，温度的升高，作用时间延长，原弹性变形部分可转化为塑性变形。

木材的抗压、抗拉和抗弯弹性模量大致相等，但抗压弹性极限比抗拉的小得多。

6.1.2 比例极限、弹性变形、永久变形6.1.2.1 比例极限（应力）图9—1应力与应变关系中，作用于木材的外力继续增大，应力与应变成正比例直线关系破坏时转折点应力称为比例极限（Pp）。

6.1.2.2 弹性变形图9—1应力与应变关系中，，不超过比例极限的外力作用于木材所产生的变形随着外力除去而消失，即能够恢复原来的形状、尺寸，这种变形称为弹性变形。

弹性变形多发生在比例极限内，弹性变形是可以恢复的，就象橡胶拉伸压缩一样。

6.1.2.3 塑性变形作用于物体的外力超过比例极限时产生的变形，不随外力除去而消失，而保留变形后形状，这种变形称为永久变形即塑性变形。

永久变形（塑性变形）发生时，外力已超过比例极限应力，不能恢复到原来形状和大小。

开始产生永久变形的一点称为弹性极限。

木材的弹性极限微高于比例极限，但相差无几，通常二者不分，只测定比例极限时的荷载。

6.1.3 刚度、脆性、韧性和塑性6.1.3.1 刚度物体受外力作用时保持其原来形状和大小的能力，称为刚性。

木材具有较高的刚度－密度比，故适用于建筑材料。

6.1.3.2 脆性材料在破坏之前无明显变形的性质，称为脆性。

脆性材料的破坏强度低于正常木材，其破坏面垂直或近于垂直木材纹理，破坏面平整，骤然破坏无预兆。

脆性材料的破坏（A）与正常木材的拉伸撕裂破坏（B）面完全不一样，如图。

脆性产生的原因不一，树木生长不良、遗传、生长应力、木材的缺陷和腐朽均可导致木材的脆性。

脆性木材较正常木材的重量轻，细胞壁物质即纤维素的含量低。

通常针叶树材生长轮特别宽，阔叶树材生长轮特别窄的木材，易形成脆性木材。

6.1.3.3 韧性韧性是木材吸收能量和抵抗反复冲击荷载，或抵抗超过比例极限的短期应力的能力，其单位为kJ/m2。

木材的韧性与木材的抗冲击性和抗劈性密切相关，韧性大的木材其抗冲击性和抗劈性也佳，所以木材的韧性可用木材的抗冲击性和抗劈性来表示。

韧性木材与脆性木材相反，其破坏面呈纤维状，破坏前多有征兆。

6.1.3.4 塑性物体受外力作用产生变形，当外力解除后能保持变形后形状的性质，称为塑性。

木材不是完全的弹性材料，仅在一定限度内具有弹性。

木材之所以具有永久变形，是由于木材具有塑性的缘故。

木材塑性大小与温度、含水率、树种和树龄有一定的关系。

木材是以纤维素、半纤维素、木素等主要成份组成的高分子材料，其性质既具有弹性，也具有热塑性。

木素是热塑性物质，全干状态下其热软化点在为127~193℃之间；而在湿润状态下则显著降低到77~128℃之间。

半纤维素由于吸着水的存在，其软化点的降低和木素有着相似的情况。

骨架物质纤维素，其热的软化点大于232℃，它的结晶性不受水分的影响，但其玻璃态转化点随含水率的增加而降低。

可见木材塑性受温度和含水率的影响很大。

温度在0℃以上，木材的塑性随含水率的增加而增大，特别是当温度升高和含水率增加的情况下，木材的塑性则更大。

气干状态下，木材塑性变形小，这与木材细胞壁构造有关。

木材细胞壁是以纤维素所组成的微纤丝为骨架，它埋在由木素和半纤维素所组成的基体之中。

在气干状态下，这种骨架体系对抵抗外力作用非常有效，抗变形能力强。

因此在木材顺纹拉伸断裂时几乎不显塑性。

但若能给予基体物质可塑性时，如水热处理，微纤丝就很易产生变形，木材的塑性就能显著提高。

木材加工生产中，压缩木、弯曲木和人造板成型加工时就是利用木材的塑性性质，产生永久变形。

不同树种和不同树龄的木材，其塑性多少有点变化。

栎木、白蜡木、榆木、水曲柳等木材在水热作用下，可塑性明显增强，特别适合加工弯曲木构件。

微波加热作木材弯曲处理时，基体物质塑化，变形可增加到原弹性变形的30倍，并在压缩侧不出现微细组织的破坏，能产生连续而又平滑的显著变形，保证弯曲质量，这也是木材塑性加工利用中一个很好的例证。

6.1.4 木材的粘弹性6.1.4.1 弹性固体与粘性流体变形特性弹性固体具有确定的构形，在静载荷作用下发生的变形只与外力大小有关，与时间无关；当外力卸除后，变形消失而能完全恢复原状。

粘性流体没有确定的形状，取决于容器；外力作用下，变形随时间而发展，产生不可逆的流动现象。

6.1.4.2 木材的粘弹性木材为生物高分子材料，具有弹性固体和粘性流体的特性。

木材具有弹性和粘性两种不同机理的变形，并体现着弹性固体和流体的综合特性，木材的这种特性就称作木材的粘弹性。

它包括木材蠕变和松弛等现象，主要与木材使用环境下的温度、负荷时间、加荷速率和应变幅值等有关，其中温度和时间的影响尤为明显。

（1）木材蠕变现象木材在长期荷载下，讨论应力和应变时，必须考虑时间等因素。

讨论材料变形时，必须同时考虑弹性和粘性两个性质的作用。

在恒定的应力下，木材的应变随时间增长而增大的现象称蠕变。

木材属高分子结构材料，它受外力作用时有3种变形：瞬时弹性变形、弹性后效变形及塑性变形。

木材承受载荷时，产生与加荷进度相适应的变形称为瞬时弹性变形，它服从于虎克定律。

加荷过程终止，木材立即产生随时间递减的弹性变形，也称粘弹性变形(弹性后效变形)，它是因纤维素分子链的卷曲或线伸展造成，这种变形也是可逆的，与弹性变形相比它具有时间滞后。

而因外力荷载作用使纤维素分子链彼此滑动所造成的变形为塑性变形，是不可逆转的，如图6-4。

（2）木材松弛现象木材这种材料在外力作用下产生变形，长时间观测就会发现，如果变形不变，对应此恒定变形的应力会随着时间延长而逐渐减小，如图6-5。

木材这种恒定应变条件下应力随着时间延长而逐渐减小的现象称之为应力松弛现象，如图。

松弛现象随树种和应力种类不同而有差异。

实验求得。

松弛现象与木材密度成反比，轻软的木材松弛现象比硬重的木材大得多；木材松弛现象随着含水率的增加而增大，湿材的松弛系数大。