第6章木材力学性质.ppt

第6章木材力学性质 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望木材力学性质的各向异性木材力学性质的各向异性（材料力学的基本假设）（材料力学的基本假设）与一般钢材、混凝土及石材等材料不同，木材属生物与一般钢材、混凝土及石材等材料不同，木材属生物 材料，其构造的各向异性导致其力学性质的各向异性。材料，其构造的各向异性导致其力学性质的各向异性。因此，木材力学性质指标有顺纹、横纹、径向、弦向因此，木材力学性质指标有顺纹、横纹、径向、弦向 之分。之分。学习木材力学性质的意义学习木材力学性质的意义 掌握木材的特性，合理选才、用材。掌握木材的特性，合理选才、用材。学习难点学习难点 木材力学性质基本概念的理解、木材力学性木材力学性质基本概念的理解、木材力学性 质特点及其影响因素质特点及其影响因素。本章重点本章重点 掌握木材主要力学性质的种类、受力方式及掌握木材主要力学性质的种类、受力方式及 其测定方法。其测定方法。木材允许应力的确定。木材允许应力的确定。6.1 木材力学基础理论与特点木材力学基础理论与特点 6.1.1 应力与应变应力与应变 应力：应力：分布内力的集度（分布内力的集度（Nm2）6.1.1.1 应力应力应力的基本类型：应力的基本类型：拉应力、压应力、剪应力拉应力、压应力、剪应力u拉应力拉应力=P/Au压应力压应力=-P/Au剪应力剪应力=P/AQ 6.1.1.2 应变应变 6.1.1.3 应力、应变应力、应变 的关系的关系=L/L在弹性范围内在弹性范围内，有有LLP引入的比例常数引入的比例常数 E 式中：式中：E 拉压弹性模量，与材料有关，由拉压弹性模量，与材料有关，由 实验获得，是材料的刚性指标。实验获得，是材料的刚性指标。=E (胡克定理胡克定理)实验表明实验表明:木材的抗压、抗拉及抗弯时的木材的抗压、抗拉及抗弯时的 E 值值 大大 致相等。致相等。6.1.2 比例极限、弹性变形、永久变形比例极限、弹性变形、永久变形实验表明实验表明:木材抗压比例木材抗压比例 极限极限P 比抗比抗 拉时小得多。拉时小得多。（1）比例极限）比例极限（P）（比例极限工程意义）（比例极限工程意义）（2）弹性变形）弹性变形（3）永久变形）永久变形 6.1.3 刚度、脆性、韧性和塑性刚度、脆性、韧性和塑性 木木材材具具有有较较高高的的刚刚度度密密度度比比，故故可用于建筑材料。可用于建筑材料。（1）刚度）刚度材料抵抗变形的能力材料抵抗变形的能力 （2）脆性）脆性材料在破坏之前无明显变形的材料在破坏之前无明显变形的 性质。性质。木材的脆性与树种、生长环境、遗传、生长木材的脆性与树种、生长环境、遗传、生长 应力、缺陷和腐朽有关。应力、缺陷和腐朽有关。脆性大的木材，一脆性大的木材，一 般质量较轻，纤维般质量较轻，纤维 素的含量低。素的含量低。生长轮特别宽的针叶树材及生长轮特别窄的生长轮特别宽的针叶树材及生长轮特别窄的 阔叶树材易形成脆性木材。阔叶树材易形成脆性木材。（3）韧性）韧性材料抵抗冲击的能力（材料抵抗冲击的能力（KJm2）韧韧性性大大的的木木材材抗抗冲冲击击能能力力强强，抗抗劈劈性性也也强强。所所以以工工程程中中用用木木材材的的抗抗冲冲击击性性和和抗抗劈劈性性来来表表示示木木材的韧性。材的韧性。（4）塑性）塑性材料所具有的保持不可恢复的变形材料所具有的保持不可恢复的变形 的性质。的性质。l木木材材属属于于非非完完全全弹弹性性材材料料，仅仅在在一一定定范范围围内内具具有有弹性，超过此范围后，木材即产生塑性变形。弹性，超过此范围后，木材即产生塑性变形。l木木材材的的塑塑性性与与树树种种、树树龄龄、温温度度、含含水水率率有有关关。一一般般地地，木木材材的的塑塑性性随随温温度度及及含含水水率率的的升升高高而而增增大。大。（木材的主要成分）（木材的主要成分）l木材塑性的工程应用木材塑性的工程应用6.1.4 木材的粘弹性木材的粘弹性6.1.4.1 弹性固体与粘性流体的变形特性弹性固体与粘性流体的变形特性（1）弹性固体）弹性固体 具具有有确确定定的的形形状状，变变形形只只与与外外力力有有关关，与与时间无关。卸除外力后，变形消失，恢复原形。时间无关。卸除外力后，变形消失，恢复原形。（2）粘性流体）粘性流体 无无确确定定的的形形状状，取取决决于于容容器器。变变形形除除与与外外力力有有关外还与时间有关，产生不可逆的流动变形。关外还与时间有关，产生不可逆的流动变形。6.1.4.2 木材的粘弹性木材的粘弹性 木木材材为为生生物物高高分分子子材材料料，具具有有弹弹性性固固体体和和粘粘性性流流体体的的特特性性。同同时时具具有有弹弹性性和和粘粘性性两两种种不不同同机机制制的的变变形形。体体现现着着弹弹性性固固体体和和流流体体的的综综合合特特性性。木木材材的的这这种种特特性性称为木材的粘弹性。如蠕变及松弛。称为木材的粘弹性。如蠕变及松弛。（1）木材蠕变）木材蠕变 木材蠕变木材蠕变木材在恒应力下其变形随时间的增加木材在恒应力下其变形随时间的增加 而增大的现象。而增大的现象。木材蠕变过程的三种变形：木材蠕变过程的三种变形：瞬时弹性变形瞬时弹性变形（服从胡克定理）（服从胡克定理）弹弹性性滞滞后后变变形形（粘粘弹弹性性）纤纤维维素素分分子链的卷曲或伸展所致。子链的卷曲或伸展所致。塑性变形塑性变形（塑性）（塑性）纤维素分子链间的相对滑动所致。纤维素分子链间的相对滑动所致。（2）木材松弛现象）木材松弛现象l有有蠕蠕变变必必有有松松弛弛，反反之亦然。之亦然。l蠕蠕变变及及松松弛弛与与木木材材的的树树种种（密密度度）有有关关，还还与与温温度度及含水率有关。及含水率有关。（3）蠕变与松弛对工程的影响）蠕变与松弛对工程的影响 木材松弛木材松弛木材在恒应变下应力随时间的增长木材在恒应变下应力随时间的增长 而减小的现象。而减小的现象。（4）木材蠕变特性研究简介）木材蠕变特性研究简介 木材的蠕变特性曲线是一木材的蠕变特性曲线是一 粘弹性曲线。粘弹性曲线。木材的蠕变变形由三个部木材的蠕变变形由三个部 分组成：分组成：第一部分第一部分 是由木材内部高度结晶的微纤丝构架而引起的是由木材内部高度结晶的微纤丝构架而引起的 弹性变形，这种变形是瞬间完成；弹性变形，这种变形是瞬间完成；（4）木材蠕变特性研究简介）木材蠕变特性研究简介第二部分第二部分是链段的伸展而是链段的伸展而 引起的延迟弹性引起的延迟弹性 变形，这种变形变形，这种变形 是随时间而变化是随时间而变化 的；的；第三部分第三部分是高分子的相是高分子的相 互滑移引起的互滑移引起的 粘性流动。粘性流动。，力学模型力学模型，根据流变学理论，其任一瞬时的蠕变柔量根据流变学理论，其任一瞬时的蠕变柔量J（t）为：）为：数学模型数学模型5.1.5 木材力学性质的特点木材力学性质的特点 o5.1.5.1 木材性质的层次性木材性质的层次性o针叶材阔叶树层次状明显，木材横切面上可以见针叶材阔叶树层次状明显，木材横切面上可以见到致密的晚材与组织疏松的早材构成年轮而成同到致密的晚材与组织疏松的早材构成年轮而成同心园状。径切面上早晚材交替为平行的条纹；弦心园状。径切面上早晚材交替为平行的条纹；弦切面上则交替为切面上则交替为“V”形花纹；木材力学性能各形花纹；木材力学性能各轮多少有点差异。轮多少有点差异。o5.1.5.2 多孔性多孔性o木材主要是细胞组成，微观构造上横切面所观察木材主要是细胞组成，微观构造上横切面所观察到细胞断面为孔眼；径切面、弦切面上为中空管到细胞断面为孔眼；径切面、弦切面上为中空管状，及细胞壁上纹孔等；宏观构造上，导管分子状，及细胞壁上纹孔等；宏观构造上，导管分子孔状结构等。孔状结构等。5.1.5.3 木材力学性质各向异性木材力学性质各向异性o前述木材物理性质（干缩性、热、电、声学等）构造性质各向异性，前述木材物理性质（干缩性、热、电、声学等）构造性质各向异性，同样木材力学性质亦存在着各向异性。木材大多数细胞轴向排列，仅同样木材力学性质亦存在着各向异性。木材大多数细胞轴向排列，仅少量木射线径向排列。木材为中空的管状细胞组成，其各个方向施加少量木射线径向排列。木材为中空的管状细胞组成，其各个方向施加外力，木材破坏时产生的极限应力不同。例如顺纹抗拉强度可达外力，木材破坏时产生的极限应力不同。例如顺纹抗拉强度可达120.0-150.0Mpa，而横纹抗拉强度仅，而横纹抗拉强度仅3.0-5.0Mpa(C-H,H-O)，这主要与其组成分子的价键不同所致。轴向纤维素链状分子是以，这主要与其组成分子的价键不同所致。轴向纤维素链状分子是以C-C、C-O键连接，而横向纤维素链状分子是以键连接，而横向纤维素链状分子是以C-H、H-O连接，二者连接，二者价键的能量差异很大。价键的能量差异很大。5.1.5.4 木材的亲湿性木材的亲湿性o前述纤维饱和点是材性变化转折点，木材含水率前述纤维饱和点是材性变化转折点，木材含水率在纤维饱和点以下时，如木材中纤维素和半纤维在纤维饱和点以下时，如木材中纤维素和半纤维素分子上游离羟基吸收空气中水分子，会使木材素分子上游离羟基吸收空气中水分子，会使木材体积、密度发生变化，从而导致木材强度发生变体积、密度发生变化，从而导致木材强度发生变化。化。5.1.5.5 木材力学性质变异性木材力学性质变异性o不同树种不同树种,木材力学性质不同。同一树种，不同木材力学性质不同。同一树种，不同部位不同力学性质不同部位不同力学性质不同.同一树种同一树种,生长条件不同生长条件不同力学性质不同；同时木材各种缺隙如节子，纹理、力学性质不同；同时木材各种缺隙如节子，纹理、腐朽等都会影响木材力学性能。腐朽等都会影响木材力学性能。5.2 木材主要力学性质测定原理与方法木材主要力学性质测定原理与方法 o木材力学性质研究，适及到力学种类、受力方向、木材力学性质研究，适及到力学种类、受力方向、静力荷载与动力荷载以及加工工艺等。木材的强静力荷载与动力荷载以及加工工艺等。木材的强度象其它材料一样，可分为抗拉、抗压、抗剪、度象其它材料一样，可分为抗拉、抗压、抗剪、抗弯、抗扭、抗劈、耐磨性、抗冲击和硬度等。抗弯、抗扭、抗劈、耐磨性、抗冲击和硬度等。木材是非均质性的各向异性材料，其纵向、径向木材是非均质性的各向异性材料，其纵向、径向和弦向三个方向力学强度具有明显的差异。木材和弦向三个方向力学强度具有明显的差异。木材主要力学性质的测定主要采用静力荷载进行。主要力学性质的测定主要采用静力荷载进行。5.2.1 木材的抗拉强度木材的抗拉强度 o木材顺纹抗拉强度，是指木材沿纹理方向承受拉力荷载木材顺纹抗拉强度，是指木材沿纹理方向承受拉力荷载的最大能力。木材的顺纹抗拉强度较大，各种木材平均的最大能力。木材的顺纹抗拉强度较大，各种木材平均约为约为117.7147.1MPa，为顺纹抗压强度的，为顺纹抗压强度的23倍。倍。木材在使用中很少出现因被拉断而破坏。木材在使用中很少出现因被拉断而破坏。o木材顺纹拉伸破坏主要是纵向撕裂粗微纤丝和微纤丝间木材顺纹拉伸破坏主要是纵向撕裂粗微纤丝和微纤丝间的剪切。微纤丝纵向的的剪切。微纤丝纵向的C-C、C-O键结合非常牢固，所键结合非常牢固，所以顺拉破坏时的变形很小，通常应变值小于以顺拉破坏时的变形很小，通常应变值小于13，而强度值却很高。而强度值却很高。木材顺纹抗拉力学试样及其受力方向木材顺纹抗拉力学试样及其受力方向 试验时采用附有自动对直和拉紧夹具的试验机进行，试验以均匀速度加荷，在试验时采用附有自动对直和拉紧夹具的试验机进行，试验以均匀速度加荷，在1.5-2.0分钟内使试样破坏。顺纹抗拉强度按下式计算。分钟内使试样破坏。顺纹抗拉强度按下式计算。wP/a.b式中：式中：P最大荷载最大荷载,N；a，b一试样工作部位横断面一试样工作部位横断面(cm2)；W一试验时的木材含水率一试验时的木材含水率()。5.2.1.2 横纹抗拉强度横纹抗拉强度 木材横纹抗拉试样及其受力方向木材横纹抗拉试样及其受力方向 木材的横纹拉力比顺纹拉力低得多，一般只有顺木材的横纹拉力比顺纹拉力低得多，一般只有顺纹拉力的纹拉力的l/301/40。因为木材径向受拉时，除木。因为木材径向受拉时，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；横纹方向微纤丝上纤纤丝都受垂直方向的拉伸；横纹方向微纤丝上纤维素链间是以氢键（维素链间是以氢键（-OH）接合的，这种键的能）接合的，这种键的能量比木材纤维素纵向分子间量比木材纤维素纵向分子间C-C、C-O键接合的能键接合的能量要小得多。此外，横纹拉力试验时，应力不易量要小得多。此外，横纹拉力试验时，应力不易均匀分布在整个受拉上，往往先在一侧被拉劈，均匀分布在整个受拉上，往往先在一侧被拉劈，然后扩展到整个断面而破坏，并非真正横纹抗拉然后扩展到整个断面而破坏，并非真正横纹抗拉强度。强度。5.2.2 木材的抗压强度木材的抗压强度 o5.2.2.1 顺纹抗压强度顺纹抗压强度 o木材顺纹抗压强度是指木材沿纹理方向承受压力荷载的最大木材顺纹抗压强度是指木材沿纹理方向承受压力荷载的最大能力，主要用于诱导结构材和建筑材的榫接合类似用途的容能力，主要用于诱导结构材和建筑材的榫接合类似用途的容许工作应力计算和柱材的选择等，如木结构支柱、矿柱和家许工作应力计算和柱材的选择等，如木结构支柱、矿柱和家具中的腿构件所承受的压力。具中的腿构件所承受的压力。o木柱有长柱与短柱之分。当长度与最小断面的直径之比小于木柱有长柱与短柱之分。当长度与最小断面的直径之比小于11或等于或等于11时为短柱，大于时为短柱，大于11时为长柱，长柱亦称欧拉柱。时为长柱，长柱亦称欧拉柱。长柱以材料刚度为主要因素，受压不稳定，其破坏不是单纯长柱以材料刚度为主要因素，受压不稳定，其破坏不是单纯的压力所致，而是纵向上会发生弯曲、产生扭矩，最后导致的压力所致，而是纵向上会发生弯曲、产生扭矩，最后导致破坏，它已不属于顺纹抗压的范畴。破坏，它已不属于顺纹抗压的范畴。（1）顺纹抗压强度的测定）顺纹抗压强度的测定o我国国家标准木材物理力学试验方法（我国国家标准木材物理力学试验方法（GB 1927-1943-91）规定，只测定短柱的最大抗压强度。其试样尺寸为规定，只测定短柱的最大抗压强度。其试样尺寸为202030mm，长度平行于木材纹理；，长度平行于木材纹理；wP/a bo12w1+0.05(W-12)o式中：式中：P破坏荷载，破坏荷载，N；oa，b试样断面尺寸，试样断面尺寸，mm；oW试验时的木材含水率试验时的木材含水率()；ow、12木材气干状态、标准含水率木材气干状态、标准含水率12%时的强度，时的强度，Mpa。o我国木材顺压强度的平均值约为我国木材顺压强度的平均值约为45Mpa；顺压比例极限与强度的比；顺压比例极限与强度的比值约为值约为0.7，针叶树材该比值约为，针叶树材该比值约为0.78，软阔叶树材为，软阔叶树材为0.70，硬阔，硬阔叶树材为叶树材为0.66。针叶树材具有较高比例极限的原因是，它的构造较。针叶树材具有较高比例极限的原因是，它的构造较单纯且有规律；硬阔叶树环孔材因构造不均一，使这一比值最低。单纯且有规律；硬阔叶树环孔材因构造不均一，使这一比值最低。（2）顺纹抗压强度试样破坏的形状）顺纹抗压强度试样破坏的形状o根据试样破坏面的状态，顺纹抗压试样的破坏可根据试样破坏面的状态，顺纹抗压试样的破坏可分为以下六种形状：压缩、楔形劈裂、剪切、劈分为以下六种形状：压缩、楔形劈裂、剪切、劈裂、压缩与顺纹剪切和压披，裂、压缩与顺纹剪切和压披，木材顺纹抗压破坏时常见的六种形态木材顺纹抗压破坏时常见的六种形态 5.2.2.2 横纹抗压强度横纹抗压强度o横纹抗压强度的测定有两种方式横纹抗压强度的测定有两种方式:横纹全部拉压和横纹局部横纹全部拉压和横纹局部抗压强度。荷载作用于试样的全部，称为横纹全部拉压强度；抗压强度。荷载作用于试样的全部，称为横纹全部拉压强度；荷载作用于试样的局部，称为横纹局部抗压强度。依荷载作荷载作用于试样的局部，称为横纹局部抗压强度。依荷载作用于年轮的方向，分为弦向抗压和径向抗压。外力相切于年用于年轮的方向，分为弦向抗压和径向抗压。外力相切于年轮的方向为弦向，垂直于年轮的方向为径向。因此横纹横纹轮的方向为弦向，垂直于年轮的方向为径向。因此横纹横纹抗压强度有径向全部抗压、弦向全部抗压与径向局部抗压、抗压强度有径向全部抗压、弦向全部抗压与径向局部抗压、弦向局部抗压四种形式弦向局部抗压四种形式 木材横纹抗压强度测定试样与受力方向木材横纹抗压强度测定试样与受力方向1-径向全部抗压径向全部抗压 2-径向局部抗压径向局部抗压 针叶材及阔叶树环孔材径向受压针叶材及阔叶树环孔材径向受压时应力与应变间的关系时应力与应变间的关系 5.2.3 木材的抗弯强度木材的抗弯强度 o5.2.3.1 木梁承受弯曲荷载时应力的分布特点木梁承受弯曲荷载时应力的分布特点o木材抗弯强度是指木材承受逐渐施加弯曲荷载的最大能力，木材抗弯强度是指木材承受逐渐施加弯曲荷载的最大能力，可以用曲率半径的大小来度量。它与树种、树龄、部位、含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。水率和温度等有关。o木材抗弯强度亦称静曲强度，或弯曲强度，是重要的木材力木材抗弯强度亦称静曲强度，或弯曲强度，是重要的木材力学性质之一，主要用于家具中各种柜体的横梁、建筑物的桁学性质之一，主要用于家具中各种柜体的横梁、建筑物的桁架、地板和桥梁等易于弯曲构件的设计。静力荷载下，木材架、地板和桥梁等易于弯曲构件的设计。静力荷载下，木材弯曲特性主要决定于顺纹抗拉和顺纹抗压强度之间的差异。弯曲特性主要决定于顺纹抗拉和顺纹抗压强度之间的差异。因为木材承受静力抗弯荷载时，常常因为压缩而破坏，并因因为木材承受静力抗弯荷载时，常常因为压缩而破坏，并因拉伸而产生明显的损伤。对于抗弯强度来说，控制着木材抗拉伸而产生明显的损伤。对于抗弯强度来说，控制着木材抗弯比例极限的是顺纹抗压比例极限时的应力，而不是顺纹抗弯比例极限的是顺纹抗压比例极限时的应力，而不是顺纹抗拉比例极限时应力。拉比例极限时应力。木材承受弯曲荷载时受力方式与应力分布情况木材承受弯曲荷载时受力方式与应力分布情况 o当梁承受中央荷载弯曲时，梁的变形是上凹下凸，上部当梁承受中央荷载弯曲时，梁的变形是上凹下凸，上部纤维受压应力而缩短，下部纤维受拉应力而伸长，其间纤维受压应力而缩短，下部纤维受拉应力而伸长，其间存在着一层纤维既不受压缩短也不受拉伸长，这一层长存在着一层纤维既不受压缩短也不受拉伸长，这一层长度不变的纤维层称为中性层。中性层与横截面的交线称度不变的纤维层称为中性层。中性层与横截面的交线称为中性轴。受压和受拉区应力的大小与距中性轴的距离为中性轴。受压和受拉区应力的大小与距中性轴的距离成正比，中性层的纤维承受水平方向的顺纹剪力。由于成正比，中性层的纤维承受水平方向的顺纹剪力。由于顺纹抗拉强度是顺纹抗压强度的顺纹抗拉强度是顺纹抗压强度的23倍，随着梁弯曲倍，随着梁弯曲变形的增大，中性层逐渐向下位移，直到梁弯曲破坏为变形的增大，中性层逐渐向下位移，直到梁弯曲破坏为止。止。5.2.3.2 抗弯强度的测定抗弯强度的测定o各树种木材抗弯强度平均值约为各树种木材抗弯强度平均值约为90MPa左右。针叶树左右。针叶树材径向和弦向抗弯强度间有一定的差异，弦向比径向高材径向和弦向抗弯强度间有一定的差异，弦向比径向高出出1012；阔叶树材两个方向上的差异一般不明；阔叶树材两个方向上的差异一般不明显。显。o抗弯强度的测定方法各国不同，区别在于试样的尺寸、抗弯强度的测定方法各国不同，区别在于试样的尺寸、加荷方式和加荷速度的差别。我国国家标准规定：试样加荷方式和加荷速度的差别。我国国家标准规定：试样断面为断面为2020mm，长度为，长度为300mm，跨度为，跨度为240mm；中央荷载，弦向加荷；试验以均匀速度加荷，；中央荷载，弦向加荷；试验以均匀速度加荷，在在1-2分钟内使试样破坏。试验时为避免试样在支座和分钟内使试样破坏。试验时为避免试样在支座和受力点产生压痕，影响试验结果，在支座和受力点上应受力点产生压痕，影响试验结果，在支座和受力点上应加钢质垫片。垫片的尺寸为加钢质垫片。垫片的尺寸为30205mm。木材抗弯强度的测定木材抗弯强度的测定 抗弯强度用下式计算抗弯强度用下式计算w 3PL/2bh2 (Mpa)12w 1+0.04（W-12）(Mpa)式中：式中：w 木材试样气干状态下的抗弯木材试样气干状态下的抗弯强度强度P破坏时的荷载，破坏时的荷载，N；L跨度，跨度，240mm；b试样宽度，试样宽度，mm；h试样高度，试样高度，mm；W试验时试样的含水率试验时试样的含水率()。5.2.3.3 抗弯弹性模量抗弯弹性模量o木材抗弯弹性模量是指木材受力弯曲时，在比例极限内应力木材抗弯弹性模量是指木材受力弯曲时，在比例极限内应力与应变之比，用于计算梁及桁架等弯曲荷载下的变形以及计与应变之比，用于计算梁及桁架等弯曲荷载下的变形以及计算安全荷载。算安全荷载。o木材的抗弯弹性模量代表木材的刚性或弹性，表示在比例极木材的抗弯弹性模量代表木材的刚性或弹性，表示在比例极限以内应力与应变之间的关系，也即表示梁抵抗弯曲或变形限以内应力与应变之间的关系，也即表示梁抵抗弯曲或变形的能力。梁在承受荷载时，其变形与弹性模量成反比，弹性的能力。梁在承受荷载时，其变形与弹性模量成反比，弹性模量大，变形小，其木材刚度也大。模量大，变形小，其木材刚度也大。木材抗弯弹性模量的测定木材抗弯弹性模量的测定 5.2.3.4 抗弯弹性模量与抗弯强度间的关系抗弯弹性模量与抗弯强度间的关系 o抗弯强度与抗弯弹性模量间成正比关系。目前所试验过的国产抗弯强度与抗弯弹性模量间成正比关系。目前所试验过的国产树种中，树种中，针叶材抗弯强度最大针叶材抗弯强度最大树种为长苞铁杉树种为长苞铁杉122.7Mpa，最小最小的为的为柳杉柳杉53.2Mpa；阔叶材抗弯强度最大阔叶材抗弯强度最大的树种为海南的树种为海南子京子京183.1Mpa，最小最小的为兰考泡桐为的为兰考泡桐为28.9Mpa；针叶材；针叶材抗弯弹性模量抗弯弹性模量最大树种为最大树种为落叶松落叶松14.5Gpa，最小的为，最小的为云杉云杉6.2Gpa；阔叶材抗弯弹性模量最大的树种为；阔叶材抗弯弹性模量最大的树种为蚬木蚬木21.1Gpa，最小的为兰考，最小的为兰考泡桐为泡桐为4.2Gpa。木材。木材抗弯强度抗弯强度，我国，我国针叶材针叶材大多数树种在大多数树种在60100Mpa之间，之间，阔叶材阔叶材大多数树种在大多数树种在60140Mpa之间。木材之间。木材抗弯弹性模量抗弯弹性模量，我国，我国针叶材针叶材大多数大多数树种在树种在8.012Gpa之间，之间，阔叶材阔叶材大多数树种在大多数树种在8.014.0Gpa之间。之间。o我国我国356个树种木材在含水率为个树种木材在含水率为15%情况下，抗弯弹情况下，抗弯弹性模量性模量E与抗弯强度与抗弯强度间关系为线型函数，方程如下：间关系为线型函数，方程如下：oE=0.086+33.7,r=0.84o二者高度密切相关。抗弯强度测定要容易得多，利用此二者高度密切相关。抗弯强度测定要容易得多，利用此式可估测木材的抗弯弹性模量。同时，在非破坏的情况式可估测木材的抗弯弹性模量。同时，在非破坏的情况下测得木材的抗弯弹性模量，也可利用此式估测木材的下测得木材的抗弯弹性模量，也可利用此式估测木材的抗弯强度。抗弯强度。5.2.4 木材的抗剪强度木材的抗剪强度o木材抵抗剪切应力的最大能力，称为抗剪强度。木材抵抗剪切应力的最大能力，称为抗剪强度。o木材抗剪强度视外力作用于木材纹理的方向，分为顺纹抗剪木材抗剪强度视外力作用于木材纹理的方向，分为顺纹抗剪强度和横纹抗剪强度。在实际应用中发生横纹剪切的现象不强度和横纹抗剪强度。在实际应用中发生横纹剪切的现象不仅罕见，而且横纹剪切总是要横向压坏纤维产生拉伸作用而仅罕见，而且横纹剪切总是要横向压坏纤维产生拉伸作用而并非单纯的横纹剪切，因此通常不作为材性指标进行测定。并非单纯的横纹剪切，因此通常不作为材性指标进行测定。木材的横纹抗剪强度为顺纹抗剪强度的木材的横纹抗剪强度为顺纹抗剪强度的34倍。倍。木材抗剪试样与受力支架木材抗剪试样与受力支架1附件主杆附件主杆 2块块 3L形块形块 4，5螺杆螺杆 6压块压块 7试样试样 8圆头螺钉圆头螺钉 o木材的顺纹抗剪强度视木材受剪面的不同，分为木材的顺纹抗剪强度视木材受剪面的不同，分为弦面抗剪强度和径面抗剪强度弦面抗剪强度和径面抗剪强度,如图。剪切面平如图。剪切面平行于年轮的弦面剪切，其破坏常出现于早材部分，行于年轮的弦面剪切，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，但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。剪切面垂直于略有起伏，面上带有细丝状木毛。剪切面垂直于年轮的径面，剪切破坏时，其表面较为粗糙，不年轮的径面，剪切破坏时，其表面较为粗糙，不均匀而无明显木毛。在扩大镜下，早材的一些星均匀而无明显木毛。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。o木材顺剪强度较小，平均只有顺纹抗压强度的木材顺剪强度较小，平均只有顺纹抗压强度的1030。纹理较斜的木材，如交错纹理、。纹理较斜的木材，如交错纹理、涡纹、乱纹等涡纹、乱纹等,其顺剪强度会明显增加。阔叶树其顺剪强度会明显增加。阔叶树材顺剪强度平均比针叶树材高出材顺剪强度平均比针叶树材高出1/2。阔叶树。阔叶树材弦面抗剪强度较径面高出材弦面抗剪强度较径面高出1030，如木，如木射线越发达，这种差异更加明显。针叶树材，其射线越发达，这种差异更加明显。针叶树材，其径面和弦面的抗剪强度大致相同。径面和弦面的抗剪强度大致相同。5.2.5 木材的硬度木材的硬度o木材的硬度，是指木材抵抗其它刚体压入的能力。木材的硬度与木木材的硬度，是指木材抵抗其它刚体压入的能力。木材的硬度与木材的密度密切相关，密度大其硬度则高，反之则低。材的密度密切相关，密度大其硬度则高，反之则低。树树种种密度密度端面硬度端面硬度(Mpa)(Mpa)产产地地泡桐泡桐杉木杉木紫椴紫椴香樟香樟水曲柳水曲柳柞木柞木槭木槭木黄檀黄檀蚬蚬木木0.2830.2830.3760.3760.4510.4510.5350.5350.6430.6430.7480.7480.8800.8800.9230.9231.1281.12819.519.526.526.534.434.440.240.259.959.972.972.9108.8108.8112.4112.4142.3142.3河南河南湖南湖南黑黑龙龙江江安徽安徽黑黑龙龙江江黑黑龙龙江江安徽安徽浙江浙江广西广西木材密度与硬度的关系木材密度与硬度的关系 木材硬度测定方法木材硬度测定方法1半圆形的钢压头；半圆形的钢压头；2调整螺丝（上触点）；调整螺丝（上触点）；3具有弹簧装置的下触点；具有弹簧装置的下触点；4套筒套筒 o同一树种，其端面硬度大于径面和弦面硬度，径面与弦面相同一树种，其端面硬度大于径面和弦面硬度，径面与弦面相差不大。针叶树材平均高出差不大。针叶树材平均高出35，阔叶树材高出，阔叶树材高出25左右。左右。大多数树种的弦面和径面硬度相近，但木射线发达的麻栎、大多数树种的弦面和径面硬度相近，但木射线发达的麻栎、青冈栎等树种的木材硬度，弦面可高出径面青冈栎等树种的木材硬度，弦面可高出径面510。o木材硬度测定方法有布氏硬度法和金氏硬度法二种。我国国木材硬度测定方法有布氏硬度法和金氏硬度法二种。我国国家标准规定用金氏法，采用电触控制附件测定，如图家标准规定用金氏法，采用电触控制附件测定，如图5-15。试样尺寸为试样尺寸为505070mm，试验是以每分钟，试验是以每分钟3-6mm的的均匀速度将钢压头的半球完全压入木材，直至均匀速度将钢压头的半球完全压入木材，直至5.64mm深深度为止。对于加压后试样易裂的树种，钢半球压入的深度允度为止。对于加压后试样易裂的树种，钢半球压入的深度允许减至许减至2.82mm，此时截面积为，此时截面积为75mm2。对于含水率为。对于含水率为W%的木材，其硬度按下式计算：的木材，其硬度按下式计算：oHW=K P 5.2.6 木材的冲击韧性木材的冲击韧性 o木材的冲击韧性，是指木材受冲击力而弯曲折断时，试木材的冲击韧性，是指木材受冲击力而弯曲折断时，试样单位面积所吸收的能量。样单位面积所吸收的能量。o吸收的能量越大，表明木材的韧性越高而脆性越低。冲吸收的能量越大，表明木材的韧性越高而脆性越低。冲击韧性与其他木材强度性质不同，不是用破坏试样的力击韧性与其他木材强度性质不同，不是用破坏试样的力来表示，而是用破坏试样所消耗的功来表示，而是用破坏试样所消耗的功(kJ/m2)表示。冲表示。冲击破坏消耗的功愈大，木材韧性愈大，亦即脆性愈小。击破坏消耗的功愈大，木材韧性愈大，亦即脆性愈小。试验所得数据不能用于木结构设计的计算，只能作为衡试验所得数据不能用于木结构设计的计算，只能作为衡量木材品质的参考。在生产上常以此作为枪托、飞机、量木材品质的参考。在生产上常以此作为枪托、飞机、车船、木梭、木桶、球棒及运动器械等用材的检验指标。车船、木梭、木桶、球棒及运动器械等用材的检验指标。o木材冲击韧性的测定，通常采用两种方式，即一次冲击试验木材冲击韧性的测定，通常采用两种方式，即一次冲击试验法和连续冲击试验法，我国国家标准规定采用一次冲击试验法和连续冲击试验法，我国国家标准规定采用一次冲击试验法。法。o试样尺寸为试样尺寸为2020300mm，两支座间距离跨度为，两支座间距离跨度为240mm，中央荷载，只作弦向试验，一次冲断。摆锤质量，中央荷载，只作弦向试验，一次冲断。摆锤质量10kg，起始高度为，起始高度为1m，自由落下，试样被冲击折断后，自由落下，试样被冲击折断后，摆锤自由摆动到另一个高度，二次高度势能之差，即为试样摆锤自由摆动到另一个高度，二次高度势能之差，即为试样折断时所吸收的能量，可直接从力学试验机上读出。折断时所吸收的能量，可直接从力学试验机上读出。o试验结果用下式计算：试验结果用下式计算：oT1000Q/bho式中：式中：Q 试样吸收的能量试样吸收的能量(kJ/m2)；ob试样的宽度试样的宽度(mm)；oh试样的高度试样的高度(mm)。o国产针叶木材，其国产针叶木材，其冲击韧性数值多在冲击韧性数值多在17.9-67.5kJ/m2(0.179-0.675 kgm/cm2),阔阔叶材多在叶材多在16.0-182.2kJ/m2(0.160-1.822 kgm/cm2)。木材冲击韧性受木材密度、温。木材冲击韧性受木材密度、温度和木材缺陷等因素的影响。有关含水率对木材度和木材缺陷等因素的影响。有关含水率对木材冲击韧性的影响，说法不一。我国标准规定，木冲击韧性的影响，说法不一。我国标准规定，木材冲击试验结果不进行含水率的测定和校正。材冲击试验结果不进行含水率的测定和校正。5.2.7 木材工艺力学性质木材工艺力学性质 o5.2.7.1 抗劈力抗劈力o木材的抗劈力，是指木材的一端沿纹理方向抵抗劈开的木材的抗劈力，是指木材的一端沿纹理方向抵抗劈开的能力。能力。o抗劈力属于工艺性质，而且关系到其它的工艺性质，如抗劈力属于工艺性质，而且关系到其它的工艺性质，如开榫性。抗劈力大的木材，其握钉力也强。木材抗劈力开榫性。抗劈力大的木材，其握钉力也强。木材抗劈力象其它力学性质一样，受木材密度、木材构造的影响。象其它力学性质一样，受木材密度、木材构造的影响。通常密度大的木材，其抗劈力也大，这种关系表现得非通常密度大的木材，其抗劈力也大，这种关系表现得非常密切，呈直线关系。在密度相同的条件下，由于细胞常密切，呈直线关系。在密度相同的条件下，由于细胞的组成不同，阔叶树材的抗劈力大于针叶树材的抗劈力。的组成不同，阔叶树材的抗劈力大于针叶树材的抗劈力。交错纹理、木节可增大抗劈力。木材的含水率对抗劈力交错纹理、木节可增大抗劈力。木材的含水率对抗劈力的影响不明显。的影响不明显。木材径面木材径面(A)与弦面与弦面(B)抗劈力的试样形状抗劈力的试样形状 5.2.7.2 木材的握钉力木材的握钉力o木材的握钉力，是指木材抵抗钉子拔出的能力。木材的握钉力，是指木材抵抗钉子拔出的能力。o木材具有固着钉子的性能，握钉力亦即木材与钉子之间的木材具有固着钉子的性能，握钉力亦即木材与钉子之间的摩擦力。当握钉力的大小取决于木材的种类、含水率、密摩擦力。当握钉力的大小取决于木材的种类、含水率、密度、硬度、弹性、纹理方向、钉子的形状及其与木材接触度、硬度、弹性、纹理方向、钉子的形状及其与木材接触面的大小等。例如水曲柳的径面握钉力为面的大小等。例如水曲柳的径面握钉力为2130N，而端，而端面为面为1460N(圆钉圆钉3.Omm)。密度大的木材其握钉。密度大的木材其握钉力也强，例如含水率力也强，例如含水率15时，紫椴的密度为时，紫椴的密度为0.49，其握，其握钉力为钉力为420N，水曲柳的密度为，水曲柳的密度为0.69，其握钉力为，其握钉力为1460N。5.2.7.3 耐磨性耐磨性o耐磨性是木材抵抗磨损的能力。耐磨性是木材抵抗磨损的能力。o木材磨损是在其表面受摩擦、挤压、冲击和剥蚀木材磨损是在其表面受摩擦、挤压、冲击和剥蚀等，以及这些因子综合作用时，所产生的表面化等，以及这些因子综合作用时，所产生的表面化过程其特点为磨损部分只有表面形状和体积等过程其特点为磨损部分只有表面形状和体积等物理状况的变化，而化学性质不发生改变。变化物理状况的变化，而化学性质不发生改变。变化的大小是以磨损部分所损失的重量或体积来衡定。的大小是以磨损部分所损失的重量或体积来衡定。它与树种、密度、方向、硬度、含水率等有关。它与树种、密度、方向、硬度、含水率等有关。这一性质对评价木质地板和耐磨木构件有一定作这一性质对评价木质地板和耐磨木构件有一定作用。用。5.2.7.4 弯曲能力弯曲能力o指木材弯曲破坏前的最大弯曲能力可以用曲率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。它与树种、树龄、部位、含半径的大小来度量。它与树种、树龄、部位、含水率和温度等有关。木材塑性大，其弯曲能力也水率和温度等有关。木材塑性大，其弯曲能力也大。大。5.3 影响木材力学性质的因子影响木材力学性质的因子 o5.3.1 木材水分的影响木材水分的影响 含水率对松木力学强度的影响含水率对松木力学强度的影响A横向抗弯；B顺纹抗压；C顺纹抗剪木材含水率对木材力学性质的影木材含水率对木材力学性质的影响，主要是由于单位体积内纤维响，主要是由于单位体积内纤维素和木素分子的数目增多，分子素和木素分子的数目增多，分子间的结合力增强所致。含水率高间的结合力增强所致。含水率高于纤维饱和点，自由水含量增加，于纤维饱和点，自由水含量增加，其强度值不再减小，基本保持恒其强度值不再减小，基本保持恒定。经过长期的研究证实，含水定。经过长期的研究证实，含水率在纤维饱和点以下，强度的对率在纤维饱和点以下，强度的对数值与含水率成一直线关系。数值与含水率成一直线关系。5.3.2 木材密度的影响木材密度的影响 o木材密度是决定木材强度和刚度的物质基础，是判断木材木材密度是决定木材强度和刚度的物质基础，是判断木材强度的最佳指标。密度增大，木材强度和刚性增高；密度强度的最佳指标。密度增大，木材强度和刚性增高；密度增大，木材的弹性模量呈线性增高；密度增大，木材韧性增大，木材的弹性模量呈线性增高；密度增大，木材韧性也成比例地增长。在通常的情况下，除去木材内含物，如也成比例地增长。在通常的情况下，除去木材内含物，如树脂、树胶等，密度大的木材，其强度高，木材强度与木树脂、树胶等，密度大的木材，其强度高，木材强度与木材密度二者存在着下列指数关系方程。材密度二者存在着下列指数关系方程。oKno式中：式中：木材强度；木材强度；o 木材密度；木材密度；oK和和