木材力学性质

5.2 木材主要力学性质测定原理与方法
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。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。木材主要力学性质的测定主要采用静 力荷载进行。
木材横纹抗压强度测定试样与受力方向 1-径向全部抗压 2-径向局部抗压
针叶材及阔叶树环孔材径向受压 时应力与应变间的关系
5.2.3 木材的抗弯强度
5.2.3.1 木梁承受弯曲荷载时应力的分布特点 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 水率和温度等有关。 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 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。 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 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。
称为木材的粘弹性。如蠕变及松弛。
（1）木材蠕变 木材蠕变——木材在恒应力下其变形随时间的增加 而增大的现象。 木材蠕变过程的三种变形：


瞬时弹性变形（服从胡克定理）
弹性滞后变形（粘弹性） 纤维素分
子链的卷曲或伸展所致。

塑性变形（塑性）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——木材在恒应变下应力随时间的增长 而减小的现象。 有蠕变必有松弛， 反之亦然。 蠕变及松弛与木材的树种 （密度）有关，还与温度
木材的横纹拉力比顺纹拉力低得多，一般只有顺 纹拉力的l/30—1/40。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（-OH）接合的，这种键的 能量比木材纤维素纵向分子间C-C、C-O键接合 的能量要小得多。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，然后扩展到整个断面而破坏，并非真正横纹 抗拉强度。
5.2.1 木材的抗拉强度
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 约为117.7－147.1MPa，为顺纹抗压强度的2－3倍。 木材在使用中很少出现因被拉断而破坏。
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C-C、C-O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1％~3％， 而强度值却很高。
5.2.3.2 抗弯强度的测定
各树种木材抗弯强度平均值约为90MPa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 出10％~12％；阔叶树材两个方向上的差异一般不明 显。 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 断面为20×20mm，长度为300mm，跨度为 240mm；中央荷载，弦向加荷；试验以均匀速度加 荷，在1-2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 上应加钢质垫片。垫片的尺寸为30×20×5mm。
5.1.5.2 多孔性 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 空管状，及细胞壁上纹孔等；宏观构造上，导 管分子孔状结构等。
5.1.5.3 木材力学性质各向异性
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 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 120.0-150.0Mpa，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C-C、 C-O键连接，而横向纤维素链状分子是以C-H、H-O连接，二者价键 的能量差异很大。
——
(胡克定理)
拉压弹性模量，与材料有关，由
实验获得，是材料的刚性指标。
实验表明: 木材的抗压、抗拉及抗弯时的 E 值 大 致相等。
6.1. 2 比例极限、弹性变形、永久变形
（1）比例极限（σP）源自文库
（比例极限工程意义）
实验表明: 木材抗压比例 极限σP 比抗
拉时小得多。
（2）弹性变形 （3）永久变形
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 1.5-2.0分钟内使试样破坏。顺纹抗拉强度按下式计算。 σw＝P/a.b 式中：P——最大荷载,N； a，b一试样工作部位横断面(cm2)； W一试验时的木材含水率(％)。
5.2.1.2 横纹抗拉强度
木材承受弯曲荷载时受力方式与应力分布情况
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 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 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 顺纹抗拉强度是顺纹抗压强度的2—3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 止。
（1）顺纹抗压强度的测定
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 20×20×30mm，长度平行于木材纹理；σw＝P/a b σ12＝σw[1+0.05(W-12)] 式中：P——破坏荷载，N； a，b——试样断面尺寸，mm； W——试验时的木材含水率(％)； σw、σ12——木材气干状态、标准含水率12%时的强度，Mpa。 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 值约为0.7，针叶树材该比值约为0.78，软阔叶树材为0.70，硬阔 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 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。
第6章
——
木材力学性质
木材力学性质：
木材在外力作用下,在变形和破坏方面所表现出来 的性质。
木材的力学性质主要包括：
——
弹性、塑性、蠕变、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。
木材力学性质的各向异性 （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 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
一般地，木材的塑性随温度及含水率的升高而增 大。（木材的主要成分）
木材塑性的工程应用——
6.1.4 木材的粘弹性 6.1.4.1 弹性固体与粘性流体的变形特性
（1）弹性固体 具有确定的形状，变形只与外力有关，与 时间无关。卸除外力后，变形消失，恢复原形。
（2）粘性流体
无确定的形状，取决于容器。变形除与外力有 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 木材为生物高分子材料，具有弹性固体和粘性流 体的特性。同时具有弹性和粘性两种不同机制的变形。 体现着弹性固体和流体的综合特性。木材的这种特性
应力：分布内力的集度（N／m2） 应力的基本类型：拉应力、压应力、剪应力
拉应力
Ｐ
Ｐ
σ=P/A
压应力
Ｐ Ｐ
σ=-P/A
剪应力
Ｐ Ｐ Ｐ
Ｐ
τ=P/AQ
6.1.1.2
P
应变
L ⊿L
ε=±⊿L / L
6.1.1.3 应力、应变 的关系 在弹性范围内，有
σ∝ε
引入的比例常数 E
σ= Eε
式中：E
力学模型
，
数学模型
根据流变学理论，其任一瞬时的蠕变柔量J（t）为：
J (t ) J 0
t
0
，
J i (1 e
i 1
n
t / zi
)
5.1.5 木材力学性质的特点
5.1.5.1 木材性质的层次性 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“V”形花纹；木材力学 性能各轮多少有点差异。
6.1. 3
刚度、脆性、韧性和塑性
（1）刚度——材料抵抗变形的能力
木材具有较高的刚度－密度比，故
可用于建筑材料。
（2）脆性——材料在破坏之前无明显变形的 性质。

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。

脆性大的木材，一
般质量较轻，纤维
素的含量低。 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。
木材横纹抗拉试样及其受力方向
5.2.2 木材的抗压强度
5.2.2.1 顺纹抗压强度
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 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。 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11时为短柱，大于11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。
之分。
学习木材力学性质的意义
——
掌握木材的特性，合理选才、用材。
学习难点
——
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。
本章重点
——
掌握木材主要力学性质的种类、受力方式及 其测定方法。
——
木材允许应力的确定。
6.1 木材力学基础理论与特点 6.1.1 应力与应变 6.1.1.1 应力
（3）韧性——材料抵抗冲击的能力（KJ／m2）
韧性大的木材抗冲击能力强，抗劈性也强。 所以工程中用木材的抗冲击性和抗劈性来表示木 材的韧性。
（4）塑性——材料所具有的保持不可恢复的变形 的性质。
木材属于非完全弹性材料，仅在一定范围内具有 弹性，超过此范围后，木材即产生塑性变形。
木材的塑性与树种、树龄、温度、含水率有关。
及含水率有关。
（3）蠕变与松弛对工程的影响
（4）木材蠕变特性研究简介
木材的蠕变特性曲线是一 粘弹性曲线。
(t ) J (t ) 0
木材的蠕变变形由三个部 分组成：
第一部分 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；
（4）木材蠕变特性研究简介
第二部分是链段的伸展而 引起的延迟弹性 变形，这种变形 是随时间而变化 的； 第三部分是高分子的相 互滑移引起的 粘性流动。
（2）顺纹抗压强度试样破坏的形状
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
5.2.2.2 横纹抗压强度
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 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 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 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
5.1.5.4 木材的亲湿性
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 度发生变化。
5.1.5.5 木材力学性质变异性
不同树种,木材力学性质不同。同一树种，不同 部位不同力学性质不同.同一树种,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、腐朽等都会影响木材力学性能。
木材抗弯强度的测定
抗弯强度用下式计算 σw ＝3PL/2bh2 (Mpa) σ12＝σw [1+0.04（W-12）] (Mpa) 式中： σw ——木材试样气干状态下的抗弯