木材的力学性质-课件.ppt

1、第八章第八章 木材的力学性质木材的力学性质(The Mechanical Properties of Wood)木材抵抗外部机械力作用的能力称木材的力学木材抵抗外部机械力作用的能力称木材的力学性质性质。木材的力学性质包括弹性、粘弹性、硬度、。木材的力学性质包括弹性、粘弹性、硬度、韧性、各类强度和工艺性质等。韧性、各类强度和工艺性质等。第一节第一节 木材力学性质的基本概念木材力学性质的基本概念（fundamental concept of woody mechanical properties）1.应力应力(stress)：材料在外力作用下，单位面积上材料在外力作用下，单位面积上 所产生的内力所

2、产生的内力。2.应变应变(strain)：单位长度上所产生的变形单位长度上所产生的变形。3.应力应力应变图应变图(stress-strain curve)：以应力为纵坐标，：以应力为纵坐标，以应变为横坐标，表示应力和应变关系的曲线。以应变为横坐标，表示应力和应变关系的曲线。)(kPaAP)/(cmcml 简单应力中，当压力方向平行于纹理作用于简单应力中，当压力方向平行于纹理作用于短柱上时，则产生短柱上时，则产生顺纹压应力顺纹压应力。当在同一直线上。当在同一直线上两个方向相反，平行于木材纹理的外力作用于木两个方向相反，平行于木材纹理的外力作用于木材时，则产生材时，则产生顺纹拉伸应力顺纹拉伸应力。

3、当平行于木材纹理。当平行于木材纹理的外力作用于木材，欲使其一部分与他它由内在的外力作用于木材，欲使其一部分与他它由内在联结的另一部分相脱离，会产生联结的另一部分相脱离，会产生顺纹剪应力顺纹剪应力。当。当作用力与木材纹理相垂直时，木材上则会产生作用力与木材纹理相垂直时，木材上则会产生横横纹的压、拉、剪应力或剪断应力纹的压、拉、剪应力或剪断应力。横纹应力又有横纹应力又有径向和弦向之分径向和弦向之分。同一木材受力的性质和方向不。同一木材受力的性质和方向不同，应力和应变值亦各不相同。同，应力和应变值亦各不相同。一、基本概念一、基本概念（一）弹性和塑性（一）弹性和塑性1.弹性弹性(elasticity)

4、物体在卸除发生变形的载荷后，物体在卸除发生变形的载荷后，恢复其原有形状、尺寸或位置的能力。恢复其原有形状、尺寸或位置的能力。2.塑性塑性(plasticity)物体在外力作用下，当应变增长物体在外力作用下，当应变增长的速度大于应力增长的速度，外力消失后木材产的速度大于应力增长的速度，外力消失后木材产生的永久残留变形部分，即为塑性变形，木材的生的永久残留变形部分，即为塑性变形，木材的这一性质称塑性。这一性质称塑性。图图91为杉木弯曲时的应力为杉木弯曲时的应力应变图。木材在应变图。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

5、生破坏。直线部分的顶应力就会产生塑性变形或发生破坏。直线部分的顶点点a为比例极限，从为比例极限，从a到到b虽不是直线，但属弹性范围，虽不是直线，但属弹性范围，b点为弹性极限。点为弹性极限。a、b两点非常接近，一般不加区分。两点非常接近，一般不加区分。a应变（应变（%）图图9-1 杉木弯曲时应力与应变图解杉木弯曲时应力与应变图解应力（应力（MPa）b比例极限比例极限弹性极限弹性极限破坏破坏（二）柔量（二）柔量(compliance)和模量和模量(modulus)在弹性极限范围，大多数材料的应力和应变之间在弹性极限范围，大多数材料的应力和应变之间存在着一定的指数关系：存在着一定的指数关系：应变应变

6、 应力应力 实践证明，木材的实践证明，木材的n=1，因此上式可写成：，因此上式可写成：柔量柔量 为应力、应变曲线的直线部分与水平轴的夹角。为应力、应变曲线的直线部分与水平轴的夹角。柔量的倒数柔量的倒数-1，即为弹性模量，即为弹性模量E，简称模量。，简称模量。弹性模量弹性模量E(modulus of elasticity)在弹性极限范围在弹性极限范围内，物体抵抗外力改变其形状或体积的能力内，物体抵抗外力改变其形状或体积的能力。它。它是是材料刚性的指标材料刚性的指标。木材的拉伸、压缩和弯曲模量大致相等，但压缩木材的拉伸、压缩和弯曲模量大致相等，但压缩的弹性极限比拉伸的要低得多。的弹性极限比拉伸的要

7、低得多。n二、分类二、分类（一）按力学性质分（一）按力学性质分1.强度强度(strength)是抵抗外部机械力破坏的能力。是抵抗外部机械力破坏的能力。2.硬度硬度(hardness)是抵抗其它刚性物体压入的能力。是抵抗其它刚性物体压入的能力。3.刚性刚性(rigidity)是抵抗外部机械力造成尺寸和形状是抵抗外部机械力造成尺寸和形状变化的能力。变化的能力。4.韧性韧性(toughness)是木材吸收能量和抵抗反复冲击是木材吸收能量和抵抗反复冲击载荷，或抵抗超过比例极限的短期应力的能力。载荷，或抵抗超过比例极限的短期应力的能力。（二）按载荷形式分（二）按载荷形式分1.静力载荷（静力载荷（stat

8、ic test load）是缓慢而均匀的施载是缓慢而均匀的施载形式。木材强度测试除冲击外，都为静力载荷；形式。木材强度测试除冲击外，都为静力载荷；胶合板在热压机中的加载形式也属静力载荷。胶合板在热压机中的加载形式也属静力载荷。2.冲击载荷（冲击载荷（shock load）集中全部载荷在瞬间猛击集中全部载荷在瞬间猛击的施载形式。如锻锤机下垫木所承受的载荷形式。的施载形式。如锻锤机下垫木所承受的载荷形式。3.振动载荷振动载荷 依次改变力的大小和方向的一种载荷形依次改变力的大小和方向的一种载荷形式。如枕木在铁轨下承受的载荷形式。式。如枕木在铁轨下承受的载荷形式。4.长期载荷（长期载荷（long-pe

9、riod load）力作用时间相当长力作用时间相当长的一种施载形式。如木屋架、木梁和木柱的承载的一种施载形式。如木屋架、木梁和木柱的承载形式。形式。（三）按作用力的方式分（三）按作用力的方式分 有有拉伸拉伸（tension）、压缩压缩（conpression）、剪切剪切（shearing）、弯曲弯曲（bending;curve）、扭扭转转（twist）及）及纵向弯曲纵向弯曲（longitudinal bending）等。等。（四）按作用力的方向分（四）按作用力的方向分 有有顺纹顺纹（along the grain）和）和横纹横纹（across to the grain）。横纹又分为。横纹又分为

10、径向径向（radial）和弦向和弦向（tangential）。（五）按工艺要求分（五）按工艺要求分1.抗劈力（抗劈力（cleavage ability）是木材在尖削作用下，是木材在尖削作用下，抵抗沿纹理方向劈开的能力。它与木材加工时劈抵抗沿纹理方向劈开的能力。它与木材加工时劈开难易、握钉牢度和切削阻力等都有密切的关系。开难易、握钉牢度和切削阻力等都有密切的关系。2.握钉力握钉力（nail-holding ability）是木材抵抗钉子拔是木材抵抗钉子拔出的能力。它的大小取决于木材与钉子间的摩擦出的能力。它的大小取决于木材与钉子间的摩擦力、木材含水率、密度、硬度、弹性、纹理方向、力、木材含水率、

11、密度、硬度、弹性、纹理方向、钉子种类及与木材接触状况等。钉子种类及与木材接触状况等。3.弯曲能力（弯曲能力（bending ability）是指木材弯曲破坏前是指木材弯曲破坏前的最大弯曲能力。可以用曲率半径的大小来度量。的最大弯曲能力。可以用曲率半径的大小来度量。它与树种、树龄、部位、含水率和温度等有关。它与树种、树龄、部位、含水率和温度等有关。4.耐磨性（耐磨性（abrasion of wood）是木材抵抗磨损的能是木材抵抗磨损的能力。木材磨损是在表面受摩擦、挤压、冲击和剥蚀力。木材磨损是在表面受摩擦、挤压、冲击和剥蚀等，以及这些因子综合作用时，所产生的表面化过等，以及这些因子综合作用时，所

12、产生的表面化过程。程。第二节第二节 木材的正交异向性和弹性木材的正交异向性和弹性一、木材的正交异向性一、木材的正交异向性（一）概述（一）概述 木材是天然生长的生物材料，由于组织构造的木材是天然生长的生物材料，由于组织构造的因素决定了木材的各向异性（因素决定了木材的各向异性（anisotropy）。木材的圆柱对称性木材的圆柱对称性 由于树干包括许多同心圆由于树干包括许多同心圆的年轮层次，所以赋予木材圆柱对称性（近似的），的年轮层次，所以赋予木材圆柱对称性（近似的），即从圆心到外径，各个同心圆层次上的木材微单元即从圆心到外径，各个同心圆层次上的木材微单元的性质是相同的（弹性、强度、热、电性质等）。

13、的性质是相同的（弹性、强度、热、电性质等）。同时，由于组成木材的绝大多数细胞和组织是平行同时，由于组成木材的绝大多数细胞和组织是平行树干呈轴向排列的，而射线组织是垂直于树干呈径树干呈轴向排列的，而射线组织是垂直于树干呈径向排列的；另外构成木材细胞壁的各层，其微纤丝向排列的；另外构成木材细胞壁的各层，其微纤丝的排列方向不同；以及纤维素的结晶为单斜晶体等，的排列方向不同；以及纤维素的结晶为单斜晶体等，使木材成为柱面对称的使木材成为柱面对称的正交异向性正交异向性材料。（如物理材料。（如物理性质干缩、湿胀、扩散、渗透等和力学性质如弹性、性质干缩、湿胀、扩散、渗透等和力学性质如弹性、强度、加工性能等）。

14、强度、加工性能等）。（二）强度的异向性（二）强度的异向性 木材的强度根据方向和断面的不同而异。压缩、拉伸、木材的强度根据方向和断面的不同而异。压缩、拉伸、弯曲和冲击韧性等，当应力方向和纤维方向为平行时，其强弯曲和冲击韧性等，当应力方向和纤维方向为平行时，其强度值最大，随两者间倾角变大，强度锐减。度值最大，随两者间倾角变大，强度锐减。1.拉伸强度拉伸强度t：tl tr tT，即纵向远大于横向，横向中径，即纵向远大于横向，横向中径向大于弦向。向大于弦向。2.压缩强度压缩强度 cp：cpL cpR cpT3.弯曲强度弯曲强度b和冲击韧性和冲击韧性u （1）bR bT （2）针叶材：针叶材：uR uT

15、 ；阔叶材通常关系不定。阔叶材通常关系不定。4.剪切强度剪切强度：/=2.26.15.硬度硬度H和磨损阻抗和磨损阻抗HRT HLTHLR，断面大于弦面，弦面大于或等于径面。同，断面大于弦面，弦面大于或等于径面。同时，硬度的异向性随密度增加而减少。时，硬度的异向性随密度增加而减少。木材磨损量木材磨损量A越大，表示磨损阻抗越小。越大，表示磨损阻抗越小。ALR ALT ART6.抗劈力抗劈力S：径面和弦面的差异根据纹理通直性和射线组织的发：径面和弦面的差异根据纹理通直性和射线组织的发达程度而异。达程度而异。二、木材的正交对称弹性二、木材的正交对称弹性木材的正交对称弹性木材的正交对称弹性 将正交对称原

16、理应用于木材，借以说明将正交对称原理应用于木材，借以说明木材的弹性的各向异性。木材的弹性的各向异性。根据树干解剖构造，它有一个圆柱对称性，在离髓心一根据树干解剖构造，它有一个圆柱对称性，在离髓心一定部位锯取一个相切于年轮的立方体试样。试样有定部位锯取一个相切于年轮的立方体试样。试样有3个对称个对称轴，平行于纵向作轴，平行于纵向作L轴，平行于径向作轴，平行于径向作R轴，平行于弦向作轴，平行于弦向作T轴。它们彼此近似垂直，三轴中每两轴可构成一平面，分别轴。它们彼此近似垂直，三轴中每两轴可构成一平面，分别为为RT面（横切面）、面（横切面）、LR（径切面）和（径切面）和LT（弦切面）。木材（弦切面）。

17、木材的正交对称弹性是研究木材的物理性质的一个基本的重要手的正交对称弹性是研究木材的物理性质的一个基本的重要手段。段。相对三个主轴的应力所表示的应变的方程式如下：相对三个主轴的应力所表示的应变的方程式如下：式中：式中：E 杨氏模量或弹性模量；杨氏模量或弹性模量；u 泊松比（泊松比（Poissons Rations）=侧向应变与纵向应变侧向应变与纵向应变之比之比1。如：如：其中，第一个其中，第一个R代表应力方向，第二个字母表示横向应变。代表应力方向，第二个字母表示横向应变。即在径向应力下，纵向的泊松比。即在径向应力下，纵向的泊松比。RRTTTREELLRRRLEETTLLLTEERLRLRL方向的

18、应变在方向的应变在木材正交异向性综述如下：木材正交异向性综述如下：1.木材是高度异向性材料。拉伸、压缩和弯曲的木材是高度异向性材料。拉伸、压缩和弯曲的弹性模量弹性模量E近似相等。三个主轴方向的近似相等。三个主轴方向的E 因显因显微和超微构造的不同而异：微和超微构造的不同而异：EL ER ET2.木材的剪切模量木材的剪切模量G，横断面最小：，横断面最小：GLR（径面）（径面）GLT（弦面）（弦面）GRT（横断面）（横断面）其中，其中，GLR ER,GLTET,即径面和弦面即径面和弦面的剪切模量分别与径向和弦向的弹性模量数的剪切模量分别与径向和弦向的弹性模量数值相近。值相近。3.木材的弹性木材的弹

19、性E和剪切和剪切G，均随密度的增加而增，均随密度的增加而增加。加。4.木材的泊松比均小于木材的泊松比均小于1，且有，且有uRT uLT uLR。第三节第三节 木材的粘弹性木材的粘弹性（viscoelasticity of wood）一、基本概念一、基本概念1.木材的弹性木材的弹性(elasticity of wood)木材在受某一定应木材在受某一定应力范围内的外力而变形，外力除去同时变形消失，力范围内的外力而变形，外力除去同时变形消失，回复原状的性质。回复原状的性质。2.木材的塑性木材的塑性(plasticity of wood)木材在某些条件下，木材在某些条件下，受外力后产生永久变形的性质。

20、受外力后产生永久变形的性质。塑性变形塑性变形(plastic deformation)又称残余变形，指又称残余变形，指物体受外力发生变形，在外力解除后仍不能恢复的物体受外力发生变形，在外力解除后仍不能恢复的部分变形。部分变形。3.木材的粘弹性木材的粘弹性（viscoelasticity of wood）木材（塑木材（塑料）等高分子物在外力作用下表现出粘性和弹性兼料）等高分子物在外力作用下表现出粘性和弹性兼有的性质。当其受到较长时间的外力作用时，就像有的性质。当其受到较长时间的外力作用时，就像极粘的液体出现粘性的变形极粘的液体出现粘性的变形。二、木材的蠕变现象（二、木材的蠕变现象（creep p

21、henomenon of wood）蠕变蠕变(creep)：在应力不变的条件下，应变随时间的在应力不变的条件下，应变随时间的延长而逐渐增大的现象延长而逐渐增大的现象。（一）蠕变曲线（一）蠕变曲线（curve of creep）木材属高分子结构材料，受外力作用时产生木材属高分子结构材料，受外力作用时产生3种种变形：变形：1.瞬时弹性变形瞬时弹性变形（instant elastic deformation）：木材：木材承载时，产生与加载速度相适应的变形，它服从于承载时，产生与加载速度相适应的变形，它服从于虎克定律。虎克定律。2.弹性后效变形弹性后效变形（粘弹性变形粘弹性变形）（）（elastic

22、after effect deformation）：加载过程终止，木材立即产生随时：加载过程终止，木材立即产生随时间递减的弹性变形。间递减的弹性变形。它是因纤维素分子链的卷曲或伸展造成，这种它是因纤维素分子链的卷曲或伸展造成，这种变形是可逆的，与瞬时弹性变形相比它具有时间滞变形是可逆的，与瞬时弹性变形相比它具有时间滞后性质。后性质。3.塑性变形塑性变形（plasticity deformation）：纤维素分子链：纤维素分子链因载荷而彼此滑动所造成的变形。该变形是不可逆因载荷而彼此滑动所造成的变形。该变形是不可逆的。的。木材的蠕变曲线如图木材的蠕变曲线如图92所示：所示：OA-加载后的瞬间弹性

23、变形加载后的瞬间弹性变形AB-蠕变过程，蠕变过程，（t0t1）t BC1-卸载后的瞬间卸载后的瞬间 弹性回复，弹性回复，BC1=OAC1D-蠕变回复过程，蠕变回复过程，t 缓慢回复缓慢回复 故蠕变故蠕变AB包括两个组分：包括两个组分：弹性的组分弹性的组分C1C2初次蠕变（弹性后效变形）初次蠕变（弹性后效变形）剩余永久变形剩余永久变形C2C3=DE二次蠕变（塑性变形）二次蠕变（塑性变形）t0t2t1时间时间（t）应变（应变（）BAOC1C2C3DE图图92 木材的蠕变曲线木材的蠕变曲线（二）建筑木构件的蠕变问题（二）建筑木构件的蠕变问题1.针叶树材在含水率不发生变化的条件下，施加静力针叶树材在含

24、水率不发生变化的条件下，施加静力载荷小于木材比例极限强度的载荷小于木材比例极限强度的75%时，可以认为时，可以认为是安全的。但在含水率变化条件下，大于比例极是安全的。但在含水率变化条件下，大于比例极限强度限强度20%时，就可能产生蠕变，随时间延长最时，就可能产生蠕变，随时间延长最终会导致破坏。终会导致破坏。2.静载荷产生变形，若其变形速率（连续相等时间间静载荷产生变形，若其变形速率（连续相等时间间隔内变形的差值）逐渐降低，则变形经一定时间隔内变形的差值）逐渐降低，则变形经一定时间后最终会停止，木结构是安全的。相反，变形速后最终会停止，木结构是安全的。相反，变形速率是逐渐增加的，则设计不安全，最

25、终会导致破率是逐渐增加的，则设计不安全，最终会导致破坏。坏。3.所施静载荷低于弹性极限，短期受载即卸载，能恢所施静载荷低于弹性极限，短期受载即卸载，能恢复其原具有的极限强度和弹性。复其原具有的极限强度和弹性。4.含水率会增加木材的塑性和变形。含水率会增加木材的塑性和变形。5.温度对蠕变有显著的影响。当空气温度和湿度增加温度对蠕变有显著的影响。当空气温度和湿度增加时，木材的总变形和变形速度也增加时，木材的总变形和变形速度也增加。三、木材的松弛（三、木材的松弛（relaxation of wood）松弛松弛(stress relaxation)在应变不变的条件下，应力随时间在应变不变的条件下，应力

26、随时间的增加而逐渐减少的现象的增加而逐渐减少的现象。松弛曲线（松弛曲线（relaxation curve）表示松弛过程的荷重表示松弛过程的荷重（应力）（应力）时间曲线。时间曲线。木材的松弛曲线如图木材的松弛曲线如图93所示。所示。松弛弹性模量松弛弹性模量 单位应变的松弛应力。单位应变的松弛应力。方泽（方泽（1947）给出木材松弛表达式如下：）给出木材松弛表达式如下：式中：式中：在在t时间时的应力，随时间的延长而下降；时间时的应力，随时间的延长而下降；在单位时间内的应力；在单位时间内的应力；m 松弛系数，随树种和应力种类而不同。松弛系数，随树种和应力种类而不同。时间时间 t应力应力图图93 应力

27、松弛曲线应力松弛曲线tmtlg111t四、长期载荷的影响（四、长期载荷的影响（effect of long-period load）在长期载荷作用下的木材强度，随作用时间的在长期载荷作用下的木材强度，随作用时间的延长而减小，长期载荷强度远比瞬间强度小。这是延长而减小，长期载荷强度远比瞬间强度小。这是由于木材中弹性和塑性两种变形同时反应的结果。由于木材中弹性和塑性两种变形同时反应的结果。短时间内，在一定应力范围内的变形，几乎完全是短时间内，在一定应力范围内的变形，几乎完全是弹性的。但在长期载荷下塑性已成为左右木材变形弹性的。但在长期载荷下塑性已成为左右木材变形的更重要的因素。时间因素对木材的力学

28、性质有很的更重要的因素。时间因素对木材的力学性质有很大的影响。大的影响。木材的持久强度（长期强度）木材的持久强度（长期强度）ch 当木材的应力小于当木材的应力小于一定的极限时，木材不会由于长期受力而发生破坏一定的极限时，木材不会由于长期受力而发生破坏的应力极限。的应力极限。（1）当）当 ch时，载荷作用时间无论多长，试件均不时，载荷作用时间无论多长，试件均不会被破坏。会被破坏。（2）当）当 ch时，试件经过一定时间后发生破坏。时，试件经过一定时间后发生破坏。五、木材的塑性五、木材的塑性(plasticity of wood)木材作为承重结构材使用时，设计应力或荷重木材作为承重结构材使用时，设计

29、应力或荷重应控制在弹性极限或蠕变极限范围之内，应控制在弹性极限或蠕变极限范围之内，必须避免必须避免塑性变形的产生。但在弯曲木、压缩木和人造板成塑性变形的产生。但在弯曲木、压缩木和人造板成型等加工时，又必须掌握增加木材塑性的条件，尽型等加工时，又必须掌握增加木材塑性的条件，尽可能增加木材的塑性变形。可能增加木材的塑性变形。（一）木材的塑性变形（一）木材的塑性变形(plastic deformation of wood)当施加于木材上的应力在弹性极限以内时，去当施加于木材上的应力在弹性极限以内时，去除外力后变形回复原尺寸。当超过弹性极限时，除除外力后变形回复原尺寸。当超过弹性极限时，除去外力，残留

30、永久变形，这一性质称为塑性去外力，残留永久变形，这一性质称为塑性。固体。固体材料的塑性变形产生于屈服点以上。对超过屈服点材料的塑性变形产生于屈服点以上。对超过屈服点的应力，以一定的变形速度进行稳定流动的状态称的应力，以一定的变形速度进行稳定流动的状态称塑性流动。再，即使在极小的应力作用下，经过充塑性流动。再，即使在极小的应力作用下，经过充分的时间，同样也能产生流动，而形成永久变形，分的时间，同样也能产生流动，而形成永久变形，将这称为粘性流动。木材同其它材料相比，特别是将这称为粘性流动。木材同其它材料相比，特别是气干材，因屈服点不明显，且破坏变形也较小的缘气干材，因屈服点不明显，且破坏变形也较小

31、的缘故，所以一般认为木材是塑性较小的材料。故，所以一般认为木材是塑性较小的材料。（二）增加木材的塑性（二）增加木材的塑性（improving the plasticity of wood）木材的塑性变形较小，在加工利用方面受到一定木材的塑性变形较小，在加工利用方面受到一定限制。典型的塑性变形在金属等结晶材料上受热承载限制。典型的塑性变形在金属等结晶材料上受热承载后能明显看到，由于晶格的转位和滑移，可产生出数后能明显看到，由于晶格的转位和滑移，可产生出数倍于常温下的塑性变形，可利用于作压延、拉伸、挤倍于常温下的塑性变形，可利用于作压延、拉伸、挤压等塑性加工。压等塑性加工。木材是高分子材料，它的塑

32、性是由于在应力作用木材是高分子材料，它的塑性是由于在应力作用下，高分子的变形及相互间能产生相对移动的结果。下，高分子的变形及相互间能产生相对移动的结果。在常温下为了在常温下为了提高高分子材料的塑性提高高分子材料的塑性，要，要添加可塑剂添加可塑剂，使分子间结合力减弱。此外，通过使分子间结合力减弱。此外，通过加热加热使木材基体物使木材基体物质软化，也能增加木材塑性，将材料的这类性质称为质软化，也能增加木材塑性，将材料的这类性质称为热塑性。热塑性。木素是热塑性物质，其热软化点在全干状态下为木素是热塑性物质，其热软化点在全干状态下为127193，在湿润状态下显著降低，为，在湿润状态下显著降低，为771

33、28；半纤维素由于吸着水的存在，其热化点的降低和木素半纤维素由于吸着水的存在，其热化点的降低和木素有相似的情况。作为木材骨架物质的纤维素的热软化有相似的情况。作为木材骨架物质的纤维素的热软化点在点在232 以上，其结晶性不受水分的影响，而纤维以上，其结晶性不受水分的影响，而纤维素的玻璃态转化点随含水率的增加而降低。素的玻璃态转化点随含水率的增加而降低。对饱水状态的木材，对饱水状态的木材，Hillis等发现在等发现在7080 和和80100 呈两个连续的热软化点似的温呈两个连续的热软化点似的温度域，认为前者是半纤维素的，度域，认为前者是半纤维素的，后者相当于后者相当于木素的玻璃态转化点。木材在湿

34、润状态下加木素的玻璃态转化点。木材在湿润状态下加热时，有显著软化的可能性。（日）饭田等热时，有显著软化的可能性。（日）饭田等指出：如把气干状态指出：如把气干状态20 时的木材弹性模量时的木材弹性模量作为作为1，饱水状态，饱水状态20 时就为时就为0.52，饱水状态，饱水状态100 就为就为0.09，弹性模量随温度和水分增加，弹性模量随温度和水分增加而明显降低。所以木材的破坏变形随温度和而明显降低。所以木材的破坏变形随温度和水分增加而明显增加，说明水分增加而明显增加，说明温度温度和和水分水分是是增增加木材塑性的重要因素加木材塑性的重要因素。第四节第四节 单轴应力下木材的变形特点单轴应力下木材的变

35、形特点一、胞壁化学组分在木材力学性质中的作用一、胞壁化学组分在木材力学性质中的作用（the chemical composition of cell wall effect the mechanical properties）木材胞壁中的木材胞壁中的骨架物质纤维素赋予木材弹性和骨架物质纤维素赋予木材弹性和强度强度。木素木素为为硬固物质硬固物质，赋予木材硬度和刚性赋予木材硬度和刚性。在。在细胞壁中起填充和部分胶着作用的是细胞壁中起填充和部分胶着作用的是半纤维素半纤维素，它，它赋予木材剪切强度赋予木材剪切强度。纤维素链状分子大多沿胞壁的长轴平行排列，纤维素链状分子大多沿胞壁的长轴平行排列，横向以氢

36、键结合构成微纤丝，微纤丝间除借助于侧横向以氢键结合构成微纤丝，微纤丝间除借助于侧面的氢键结合，局部尚以果胶质胶着，胞壁与胞壁面的氢键结合，局部尚以果胶质胶着，胞壁与胞壁之间借胞间质胶着。因此木材横向强度远低于纵向之间借胞间质胶着。因此木材横向强度远低于纵向自身的联接强度。从细胞壁的结构和结构物质的性自身的联接强度。从细胞壁的结构和结构物质的性质看，可以认为木材破坏的原因是由于微纤丝和填质看，可以认为木材破坏的原因是由于微纤丝和填充物的撕裂或剪切，或者纤维被压溃所造成。充物的撕裂或剪切，或者纤维被压溃所造成。二、单轴应力下的破坏特点二、单轴应力下的破坏特点（一）（一）顺纹压缩顺纹压缩（compr

37、ession along the grain）平行于木材纹理方向的压缩称顺纹压缩。平行于木材纹理方向的压缩称顺纹压缩。1.顺压破坏宏观表现顺压破坏宏观表现 木材顺压破坏试件上，常可见连续破坏木材顺压破坏试件上，常可见连续破坏线总出现在弦面，说明木材刚性径面大于弦线总出现在弦面，说明木材刚性径面大于弦面。因木射线在径面起骨架和支撑作用；此面。因木射线在径面起骨架和支撑作用；此外微纤丝在胞壁径面与木射线相交，产生了外微纤丝在胞壁径面与木射线相交，产生了局部扭转，对剪切方向也有影响。破坏线与局部扭转，对剪切方向也有影响。破坏线与主轴的倾角常取决于木材密度，密度大者，主轴的倾角常取决于木材密度，密度大

38、者，倾角小。破坏形状决定于木材含水率和硬度倾角小。破坏形状决定于木材含水率和硬度等因素。湿材和软材以端部压溃为常见。干等因素。湿材和软材以端部压溃为常见。干的木材常在未发生明显扭曲之前，因劈裂而的木材常在未发生明显扭曲之前，因劈裂而破坏。破坏。2.顺压破坏微观表现顺压破坏微观表现 由显微镜可观察到顺压破坏有由显微镜可观察到顺压破坏有3个阶段。首先在个阶段。首先在胞壁上会产生单一错位的裂纹状细线，称滑移线或胞壁上会产生单一错位的裂纹状细线，称滑移线或滑移面。而后滑移面彼此相连而形成称微观压缩皱滑移面。而后滑移面彼此相连而形成称微观压缩皱纹的综合横带。纹的综合横带。上述两阶段属初期破坏。微纤丝产生

39、错位，在上述两阶段属初期破坏。微纤丝产生错位，在低于破坏载荷的低于破坏载荷的25%应力的水平下已开始产生。这应力的水平下已开始产生。这种错位使木材纤维缩短，属永久的塑性变形。木材种错位使木材纤维缩短，属永久的塑性变形。木材纤维与木射线接触部位易产生错位，错位所产生的纤维与木射线接触部位易产生错位，错位所产生的滑移面与胞壁主轴一般成滑移面与胞壁主轴一般成5070 角。角。继初期破坏之后，木材纤维会产生扭曲。扭曲继初期破坏之后，木材纤维会产生扭曲。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保持彼此平行。它

40、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。材破坏的外形。（二）（二）横纹压缩横纹压缩 （compression perpendicular to the grain）垂直于木材纹理方向的压缩称为垂直于木材纹理方向的压缩称为横纹压横纹压缩缩。木材横纹压缩可分为局部受压和全部受。木材横纹压缩可分为局部受压和全部受压。前者抗压强度高于后者。铁轨架在枕木压。前者抗压强度高于后者。铁轨架在枕木上属局部受压，胶合板制造的加压属全部受上属局部受压，胶合板制造的加压属全部受压。木材横纹抗压结果是用比例极限值，或压。木材横纹

41、抗压结果是用比例极限值，或用试件厚度用试件厚度2.5%压缩率时的应力值来表示。压缩率时的应力值来表示。1.横压破坏宏观表现横压破坏宏观表现 首先是纤维受压变紧密。局部横压时，乘首先是纤维受压变紧密。局部横压时，乘压板凹陷入木材，上部的纤维破坏，较内部压板凹陷入木材，上部的纤维破坏，较内部的纤维未受影响。当荷载继续增加时，试样的纤维未受影响。当荷载继续增加时，试样未受压的端部会突出，或呈水平劈裂。试样未受压的端部会突出，或呈水平劈裂。试样突出部分增加了直接荷载下的木材强度。突出部分增加了直接荷载下的木材强度。2.顺压破坏微观表现顺压破坏微观表现 木材横压时，细胞的横断面变形，若施木材横压时，细胞

42、的横断面变形，若施加的压缩荷载为足够大时，这种变形将继续加的压缩荷载为足够大时，这种变形将继续扩大，直至荷载超过木材的弹性极限后，木扩大，直至荷载超过木材的弹性极限后，木材外部纤维及其邻近纤维溃坏，并变得紧密，材外部纤维及其邻近纤维溃坏，并变得紧密，产生永久变形。外部纤维破坏最大，也最紧产生永久变形。外部纤维破坏最大，也最紧密。横压试件由外向内纤维遭受的破坏和被密。横压试件由外向内纤维遭受的破坏和被压程度也依次变小。木材这种重新分配应力压程度也依次变小。木材这种重新分配应力和吸收能量的能力，对于用木材作承重垫板，和吸收能量的能力，对于用木材作承重垫板，特别是木结构的节点联结处尤为重要。特别是木

43、结构的节点联结处尤为重要。（三）顺纹拉伸（三）顺纹拉伸（tension along the grain）木材木材顺纹拉伸顺纹拉伸破坏主要是纵向撕裂和微纤丝破坏主要是纵向撕裂和微纤丝间的剪切。因微纤丝纵向的结合非常牢固，所以间的剪切。因微纤丝纵向的结合非常牢固，所以顺拉破坏时的变形很小，通常应变值小于顺拉破坏时的变形很小，通常应变值小于 1%3%，而强度值却很高。即使在这种情况下，微纤丝本而强度值却很高。即使在这种情况下，微纤丝本身的拉伸强度也未充分发挥。因为木材顺纹剪切身的拉伸强度也未充分发挥。因为木材顺纹剪切强度特别低，通常只有顺拉强度的强度特别低，通常只有顺拉强度的6%10%，顺，顺纹拉伸

44、时，微纤丝间的撕裂破坏是微纤丝间的滑纹拉伸时，微纤丝间的撕裂破坏是微纤丝间的滑移所致，其破坏断面常呈锯齿状、或细裂片状和移所致，其破坏断面常呈锯齿状、或细裂片状和针状撕裂。其断面形状的不规则程度，取决于木针状撕裂。其断面形状的不规则程度，取决于木材顺拉强度和剪切强度之比值。一般健全材该比材顺拉强度和剪切强度之比值。一般健全材该比值较大，破坏常在强度弱的部位剪切开，破坏断值较大，破坏常在强度弱的部位剪切开，破坏断面不平整，呈锯齿状。而腐朽材和热带脆心材，面不平整，呈锯齿状。而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

45、敏感性增加，这两个因素大素解聚，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，微纤丝很少出现滑移大削弱了木材的顺拉强度，微纤丝很少出现滑移现象，而造成拉断破坏，断面处常较为平整。现象，而造成拉断破坏，断面处常较为平整。（四）横纹拉伸（四）横纹拉伸（tension end-grain）木材径向受拉时，除木射线细胞的微纤丝受轴木材径向受拉时，除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，向拉伸外，其余细胞的微纤丝都受垂直方向的拉伸，组成木材细胞一系列链状分子受横拉应力时会发生组成木材细胞一系列链状分子受横拉应力时会发生扭曲。由于木射线组织体积百分比较小，故木材扭

46、曲。由于木射线组织体积百分比较小，故木材横横向拉伸强度远远小于顺纹拉伸强度向拉伸强度远远小于顺纹拉伸强度。（五）顺纹剪切（五）顺纹剪切（shear parallel to the grain）木材顺纹剪切木材顺纹剪切的破坏特点是木材纤维在平行于的破坏特点是木材纤维在平行于纹理方向发生了相互滑移。顺纹剪切又有弦面和径纹理方向发生了相互滑移。顺纹剪切又有弦面和径面之分。面之分。1.剪切面平行于年轮的剪切面平行于年轮的弦面剪切弦面剪切：其破坏常出现于早材：其破坏常出现于早材部分，在早材和晚材交界处滑行，破坏表面较光滑，部分，在早材和晚材交界处滑行，破坏表面较光滑，但略有起伏，面上带有细丝状木毛。但略

47、有起伏，面上带有细丝状木毛。2.剪切面垂直于年轮的剪切面垂直于年轮的径面剪切径面剪切：其破坏表面较粗糙，：其破坏表面较粗糙，不均匀而无明显木毛。在扩大镜下，早材的一些星不均匀而无明显木毛。在扩大镜下，早材的一些星散区域上带有细木毛。散区域上带有细木毛。第五节第五节 木材的主要力学性质及其相互关系木材的主要力学性质及其相互关系一、一、抗压强度抗压强度(compressive strength)木材受压荷载应用最广泛，是木材力学性质中最木材受压荷载应用最广泛，是木材力学性质中最重要的特性。重要的特性。（一）（一）顺纹抗压强度顺纹抗压强度(compressive strength parallel

48、to grain of wood)顺纹抗压强度是木材作为结构和建筑材料的主顺纹抗压强度是木材作为结构和建筑材料的主要力学性质要力学性质，它可在一定程度上说明木材总的力学，它可在一定程度上说明木材总的力学性质的好坏。性质的好坏。顺纹抗压强度主要取决于细胞壁的化学成分顺纹抗压强度主要取决于细胞壁的化学成分为为 木素木素（赋予木材抗压强度和刚性，把木材分子（赋予木材抗压强度和刚性，把木材分子粘合在一起）。粘合在一起）。顺纹抗压强度试件的断面径、弦向名义尺寸为顺纹抗压强度试件的断面径、弦向名义尺寸为2020mm，高度为，高度为30mm。顺纹抗压强度的计算公式为：顺纹抗压强度的计算公式为：（MPa）式中

49、：式中：b、t 试样宽度、厚度（试样宽度、厚度（mm）。）。tbPAPcmaxmax（二）（二）横纹抗压强度横纹抗压强度(compressive strength perpendicular to grain of wood)根据作用力与年轮位置的不同，分为根据作用力与年轮位置的不同，分为径径向和弦向向和弦向受压。全部受压试件尺寸为受压。全部受压试件尺寸为2020 30mm，局部受压试件为，局部受压试件为2020 60mm，后一尺寸均为顺纹尺寸。横压因无法准确测后一尺寸均为顺纹尺寸。横压因无法准确测定破坏强度，故需从绘制的荷载定破坏强度，故需从绘制的荷载 变形图上变形图上确定比例极限荷载确定比

50、例极限荷载P，分别以下式计算横压比，分别以下式计算横压比例极限应力。例极限应力。全部横压：全部横压：（MPa）局部横压：局部横压：（MPa）式中：式中：P为比例极限荷载（为比例极限荷载（N），），b为试为试件宽度（件宽度（mm），），L为试件长度（为试件长度（mm），），t为为加压钢板宽度（加压钢板宽度（mm）。）。bLPycbtPpc 木材横压比例极限应力，局部横压高于木材横压比例极限应力，局部横压高于全部横压。局部横压应用范围较广，故测定全部横压。局部横压应用范围较广，故测定也以它为主。径向和弦向横压值的大小与木也以它为主。径向和弦向横压值的大小与木材构造有极其密切的关系。具有宽木射线和材