第八章 木材的力学性质

应 力 （ MPa MPa a b 弹性极限
比例极限
破坏
应变（ ） 应变（%） 图9-1 杉木弯曲时应力与应变图解
9—1为杉木弯曲时的应力 应变图。 为杉木弯曲时的应力—应变图 图9—1为杉木弯曲时的应力—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 比例极限应力下可近似看作弹性， 应力就会产生塑性变形或发生破坏。 应力就会产生塑性变形或发生破坏。直线部分的顶 为比例极限， 虽不是直线， 点a为比例极限，从a到b虽不是直线，但属弹性范围， 为比例极限 到 虽不是直线 但属弹性范围， b点为弹性极限。a、b两点非常接近，一般不加区分。 点为弹性极限。 、 两点非常接近 一般不加区分。 两点非常接近， 点为弹性极限
ε = l (cm / cm)
δ
简单应力中， 简单应力中，当压力方向平行于纹理作用于 短柱上时，则产生顺纹压应力 顺纹压应力。 短柱上时，则产生顺纹压应力。当在同一直线上 两个方向相反， 两个方向相反，平行于木材纹理的外力作用于木 材时，则产生顺纹拉伸应力 顺纹拉伸应力。 材时，则产生顺纹拉伸应力。当平行于木材纹理 的外力作用于木材， 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，会产生顺纹剪应力 顺纹剪应力。 联结的另一部分相脱离，会产生顺纹剪应力。当 作用力与木材纹理相垂直时，木材上则会产生横 作用力与木材纹理相垂直时，木材上则会产生横 纹的压、拉、剪应力或剪断应力。横纹应力又有 纹的压、 剪应力或剪断应力。 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 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）弹性和塑性 1.弹性 弹性(elasticity)— 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， 弹性 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， 塑性 的速度大于应力增长的速度， 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， 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。
（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， 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 t：σ tl＜σ tr ＜ σtT ，即纵向远大于横向，横向中径 拉伸强度σ 即纵向远大于横向， 拉伸强度 向大于弦向。 向大于弦向。 2.压缩强度 cp： σcpL＞ ＞ σcpR ＞ σcpT 压缩强度σ 压缩强度 3.弯曲强度 b和冲击韧性 弯曲强度σ 弯曲强度 和冲击韧性u （1） σbR ＞ σbT ） （2）①针叶材：uR ＞ uT ；②阔叶材通常关系不定。 ） 针叶材： 阔叶材通常关系不定。 4.剪切强度 ：τ∥ /τ⊥=2.2~6.1 剪切强度τ 剪切强度 5.硬度 和磨损阻抗 硬度H和磨损阻抗 硬度 断面大于弦面，弦面大于或等于径面。 ①HRT ＞ HLT≥HLR，断面大于弦面，弦面大于或等于径面。同 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A越大 表示磨损阻抗越小。 越大， ②木材磨损量 越大，表示磨损阻抗越小。ALR ≥ ALT ＞ ART 6.抗劈力 ：径面和弦面的差异根据纹理通直性和射线组织的发 抗劈力S： 抗劈力 达程度而异。 达程度而异。
第八章 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 性质。木材的力学性质包括弹性、粘弹性、硬度、 性质。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 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 应力 ：材料在外力作用下， 所产生的内力。 所产生的内力。
σ =
P A
( kPa )
2.应变 应变(strain)：单位长度上所产生的变形。 应变 ：单位长度上所产生的变形。 3.应力 应变图 应力—应变图 应力 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。
二、木材的正交对称弹性 木材的正交对称弹性— 将正交对称原理应用于木材， 木材的正交对称弹性 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， 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3个对称 定部位锯取一个相切于年轮的立方体试样。试样有 个对称 平行于纵向作L轴 平行于径向作R轴 平行于弦向作T 轴，平行于纵向作 轴，平行于径向作 轴，平行于弦向作 它们彼此近似垂直，三轴中每两轴可构成一平面， 轴。它们彼此近似垂直，三轴中每两轴可构成一平面，分别 ）、LR（径切面） ）。木材 为RT面（横切面）、 （径切面）和LT（弦切面）。木材 面 横切面）、 （弦切面）。 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。 µ TR µ RT µ RL µ LR µ LT µ TL = E 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： = = E
和模量(modulus) （二）柔量(compliance)和模量 柔量 和模量 在弹性极限范围， 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：
ε = ∂σ
n
ε — 应变
а— 柔量
— 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：
3.振动载荷 依次改变力的大小和方向的一种载荷形 振动载荷 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（long-period load） 力作用时间相当长 长期载荷（ 长期载荷 ） 的一种施载形式。如木屋架、 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 拉伸（ 有拉伸（tension） 、压缩（conpression） 、 ） 压缩（ ） 剪切（ 剪切（shearing） 、弯曲（bending ; curve） 、扭 ） 弯曲（ ） 转（twist）及纵向弯曲（longitudinal bending）等。 ） 纵向弯曲（ ） （四）按作用力的方向分 顺纹（ 有顺纹（along the grain）和横纹（across to ） 横纹（ the grain） 。横纹又分为径向（radial）和弦向 径向（ ） 横纹又分为径向 ） （tangential） 。 ） （五）按工艺要求分 1.抗劈力（cleavage ability） 是木材在尖削作用下， 抗劈力（ 抗劈力 ） 是木材在尖削作用下， 抵抗沿纹理方向劈开的能力。 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。
第二节 木材的正交异向性和弹性 一、木材的正交异向性 （一）概述 木材是天然生长的生物材料， 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（anisotropy） 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 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， 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、 电性质等）。 的性质是相同的（弹性、强度、热、电性质等）。 同时， 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， 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， 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正交异向性材料。（ 正交异向性材料。（如物理 使木材成为柱面对称的正交异向性材料。（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）。 强度、加工性能等）。
ε = ∂σ
α— 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а 即为弹性模量E，简称模量。 柔量的倒数 -1，即为弹性模量 ，简称模量。 弹性模量E(modulus of elasticity)— 在弹性极限范围 弹性模量 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 材料刚性的指标。 是材料刚性的指标。 木材的拉伸、压缩和弯曲模量大致相等， 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低得多。
二、分类 （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。 强度 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。 硬度 3.刚性 刚性(rigidity)— 是抵抗外部机械力造成尺寸和形状 刚性 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 韧性 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 1.静力载荷（static test load） 是缓慢而均匀的施载 静力载荷（ ） 静力载荷 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（shock load） 集中全部载荷在瞬间猛击 冲击载荷（ 冲击载荷 ） 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。
2.握钉力 （nail-holding ability） 是木材抵抗钉子拔 握钉力 ） 出的能力。 出的能力。它的大小取决于木材与钉子间的摩擦 木材含水率、密度、硬度、弹性、纹理方向、 力、木材含水率、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（bending ability） 是指木材弯曲破坏前 弯曲能力（ 弯曲能力 ） 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（abrasion of wood） 是木材抵抗磨损的能 耐磨性（ 耐磨性 ） 木材磨损是在表面受摩擦、挤压、 力。木材磨损是在表面受摩擦、挤压、冲击和剥蚀 以及这些因子综合作用时， 等，以及这些因子综合作用时，所产生的表面化过 程。
T R
E
R
E
L
E
L
ຫໍສະໝຸດ Baidu
ET
式中：E— 杨氏模量或弹性模量； 杨氏模量或弹性模量； 式中： u— 泊松比（Poisson’s Rations）ε 侧向应变与纵向应变 泊松比（ ）=侧向应变与纵向应变 在 L 方向的应变 L µ = εR 之比＜ 。 之比＜1。 RL = 在 R 方向的应变 如： 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， 其中，第一个 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。