木材的力學(xué)性能

木材的力學(xué)性能第1頁，本講稿共47頁目錄8.1應(yīng)力與應(yīng)變8.3木材的粘彈性8.4木材的強(qiáng)度、韌性與破壞8.5木材主要力學(xué)性能指標(biāo)8.6影響木材力學(xué)性質(zhì)的主要因素8.7木材的容許應(yīng)力8.2彈性與木材的正交異向彈性第2頁，本講稿共47頁8.1.1應(yīng)力與應(yīng)變的概念

應(yīng)力:指物體在外力作用下單位面積上的內(nèi)力。

應(yīng)變：外力作用下，物體單位長度上的尺寸或形狀的變化。

順紋理加壓與順紋理剪切壓縮應(yīng)力和拉伸應(yīng)力：把短柱材受壓或受拉狀態(tài)下產(chǎn)生的正應(yīng)力。剪應(yīng)力：當(dāng)作用于物體的一對(duì)力或作用力與反作用力不在同一條作用線上，而使物體產(chǎn)生平行于應(yīng)力作用面方向被剪切的應(yīng)力。

第3頁，本講稿共47頁8.1.2應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系

8.1.2.1應(yīng)力—應(yīng)變曲線

應(yīng)力—應(yīng)變曲線：表示應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線。曲線的終點(diǎn)M表示物體的破壞點(diǎn)。ab應(yīng)力-應(yīng)變曲線（模式圖）第4頁，本講稿共47頁

8.1.2.2比例極限與永久變形

比例極限應(yīng)力：直線部分的上端點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。比例極限應(yīng)變：直線部分的上端點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。。塑性應(yīng)變（永久應(yīng)變）：應(yīng)力超過彈性限度，這時(shí)如果除去應(yīng)力，應(yīng)變不會(huì)完全回復(fù)，其中一部分會(huì)永久殘留。

ab應(yīng)力-應(yīng)變曲線（模式圖）第5頁，本講稿共47頁8.1.2.3破壞應(yīng)力與破壞應(yīng)變

破壞應(yīng)力、極限強(qiáng)度：應(yīng)力在M點(diǎn)達(dá)到最大值，物體產(chǎn)生破壞(σM)。破壞應(yīng)變：M點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變(εM)

。ab應(yīng)力-應(yīng)變曲線（模式圖）第6頁，本講稿共47頁8.1.2.4屈服應(yīng)力

當(dāng)應(yīng)力值超過彈性限度值并保持基本上一定，而應(yīng)變急劇增大，這種現(xiàn)象叫屈服，而應(yīng)變突然轉(zhuǎn)為急劇增大的轉(zhuǎn)變點(diǎn)處的應(yīng)力叫屈服應(yīng)力(σY)。8.1.2.5木材應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系

木材的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系屬于既有彈性又有塑性的材料——黏彈性材料。在較小應(yīng)力和較短時(shí)間的條件下，木材的性能十分接近于彈性材料；反之，則近似于黏彈性材料。第7頁，本講稿共47頁8.2彈性與木材的正交異向彈性

8.2.1彈性與彈性常數(shù)

8.2.1.1彈性彈性：應(yīng)力解除后即產(chǎn)生應(yīng)變完全回復(fù)的性質(zhì)。8.2.1.2彈性常數(shù)

（1）彈性模量和柔量

彈性模量（E）：物體產(chǎn)生單位應(yīng)變所需要的應(yīng)力，它表征材料抵抗變形能力的大小，E=應(yīng)力/應(yīng)變物體的彈性模量值愈大，在外力作用下愈不易變形，材料的強(qiáng)度也愈大。

柔量：彈性模量的倒數(shù)，表征材料在荷載狀態(tài)下產(chǎn)生變形的難易程度。

第8頁，本講稿共47頁（2）剪切彈性模量剪切應(yīng)力τ與剪切應(yīng)變?chǔ)弥g符合：τ=Gγ或γ=τ/G

G為剪切彈性模量，或剛性模量。（3）泊松比物體的彈性應(yīng)變在產(chǎn)生應(yīng)力主軸方向收縮（拉伸）的同時(shí)還伴隨有垂直于主軸方向的橫向應(yīng)變，將橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比稱為泊松比（

）。

分子表示橫向應(yīng)變，分母表示軸向應(yīng)變。（4）彈性常數(shù)彈性模量E、剪切彈性模量G、泊松比通常統(tǒng)稱為彈性常數(shù)。第9頁，本講稿共47頁8.2.2木材的正交對(duì)稱性與正交異向彈性

8.2.2.1正交異向彈性

木材為正交異性體。彈性的正交異性為正交異向彈性。

8.2.2.2木材的正交對(duì)稱性

木材具有圓柱對(duì)稱性，使它成為近似呈柱面對(duì)稱的正交對(duì)稱性物體。符合正交對(duì)稱性的材料，可以用虎克定律來描述它的彈性。木材正交對(duì)稱性第10頁，本講稿共47頁

方程中有3個(gè)彈性模量、3個(gè)剪切彈性模量和3個(gè)泊松比。不同樹種間的這9個(gè)常數(shù)值是存在差異。木材是高度各向異性材料，木材三個(gè)主方向的彈性模量即EL>>ER

>ET。第11頁，本講稿共47頁材料密度g/cm3含水率%ELMPaERMPaETMPaGLTMPaGLRMPaGTRMPaμRTμLRμLT針葉樹材

云杉0.3901211583896496690758390.430.370.47

松木0.550101627211035736761172660.680.420.51

花旗松0.59091640013009009101180790.630.430.37闊葉樹材

輕木0.20096274296103200310330.660.230.49

核桃木0.590111123911726216908962280.720.490.63

白蠟?zāi)?.670915790151682789613102690.710.460.51山毛櫸0.750111370022401140106016104600.750.450.51幾種木材的彈性常數(shù)第12頁，本講稿共47頁8.3木材的粘彈性

流變學(xué)：討論材料荷載后的彈性和黏性的科學(xué)。(討論材料荷載后應(yīng)力---應(yīng)變之間關(guān)系隨時(shí)間變化的規(guī)律)

蠕變和松弛是黏彈性的主要內(nèi)容。木材的黏彈性同樣依賴于溫度、負(fù)荷時(shí)間、加荷速率和應(yīng)變幅值等條件，其中溫度和時(shí)間的影響尤為明顯。

8.3.1木材的蠕變8.3.1.1蠕變

蠕變：在恒定應(yīng)力下，木材應(yīng)變隨時(shí)間的延長而逐漸增大的現(xiàn)象。瞬時(shí)彈性變形:與加荷速度相適應(yīng)的變形，它服從于虎克定律；

黏彈性變形:加荷過程終止，木材立即產(chǎn)生隨時(shí)間遞減的彈性變形；

塑性變形:最后殘留的永久變形。差異：

黏彈性變形是纖維素分子鏈的卷曲或伸展造成的，變形是可逆的，但較彈性變形它具有時(shí)間滯后性。

塑性變形是纖維素分子鏈因荷載而彼此滑動(dòng)，變形是不可逆轉(zhuǎn)的。第13頁，本講稿共47頁8.3.1.2蠕變曲線

OA-----加載后的瞬間彈性變形AB-----蠕變過程，（t0→t1）t↗→ε↗BC1----卸載后的瞬間彈性回復(fù)，BC1==OAC1D----蠕變回復(fù)過程，t↗→ε緩慢回復(fù)故蠕變AB包括兩個(gè)組分：彈性的組分C1C2——初次蠕變（彈性后效變形）剩余永久變形C2C3=DE——二次蠕變（塑性變形）木材蠕變曲線變化表現(xiàn)的正是木材的黏彈性質(zhì)。木材的蠕變曲線第14頁，本講稿共47頁8.3.1.3蠕變規(guī)律

（1）對(duì)木材施載產(chǎn)生瞬時(shí)變形后，變形有一隨時(shí)間推移而增大的蠕變過程；（2）卸載后有一瞬時(shí)彈性恢復(fù)變形，在數(shù)值上等于施載時(shí)的瞬時(shí)變形；（3）卸載后有一隨時(shí)間推移而變形減小的蠕變恢復(fù)，在此過程中的是可恢復(fù)蠕變部分；（4）在完成上述蠕變恢復(fù)后，變形不再回復(fù)，而殘留的變形為永久變形，即蠕變的不可恢復(fù)部分；（5）蠕變變形值等于可恢復(fù)蠕變變形值和不可恢復(fù)蠕變變形值之和。第15頁，本講稿共47頁

8.3.1.4單向應(yīng)力循環(huán)加載時(shí)的蠕變特點(diǎn)

以一個(gè)方向的應(yīng)力循環(huán)作用于木材，每個(gè)應(yīng)力加載—卸載周期都會(huì)殘留一個(gè)變形，在熱力學(xué)上，曲線所包圍的面積相當(dāng)于各周期中能量的消耗。

能量的損耗隨著每個(gè)周期增大，意味著在變形中做了更多的功，同時(shí)造成材料蠕變的不可恢復(fù)部分越來越大。反復(fù)加載-卸載的應(yīng)力-應(yīng)變周期圖第16頁，本講稿共47頁

8.3.1.5蠕變的消除

對(duì)木材施加一荷載，荷載初期產(chǎn)生應(yīng)力—應(yīng)變曲線OA′，卸載產(chǎn)生曲線A′

B′，殘留了永久變形OB′。為了使永久變形消失而重新獲得物體的原來形狀，必須施加與產(chǎn)生曲線應(yīng)力符號(hào)相反的應(yīng)力OC′，而形成這段曲線B

′C′；

當(dāng)OC′繼續(xù)增大到等于A′P′，B′C

′將延至C′D′

；卸去這個(gè)符號(hào)相反的應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力—應(yīng)變曲線D′E′

，也不能恢復(fù)到原形，殘留負(fù)向的永久變形E′O′

。再次通過反向應(yīng)力OF′，材料才能恢復(fù)原形。如果再繼續(xù)增大應(yīng)力，則產(chǎn)生曲線F′A′，與原曲線構(gòu)成一個(gè)環(huán)狀閉合。A′

B′

D′

F

′封閉曲線所包圍的面積相當(dāng)于整個(gè)周期中的能量損耗。多向應(yīng)力作用下蠕變的消除第17頁，本講稿共47頁8.3.2木材的松弛

8.3.2.1松弛

松弛:在恒定應(yīng)變條件下應(yīng)力隨時(shí)間的延長而逐漸減少的現(xiàn)象。

松弛與蠕變的區(qū)別在于：在蠕變中，應(yīng)力是常數(shù)，應(yīng)變是隨時(shí)間變化的可變量；而在松弛中，應(yīng)變是常數(shù)，應(yīng)力是隨時(shí)間變化的可變量。

第18頁，本講稿共47頁

8.3.2.2松弛曲線

松弛曲線:應(yīng)力—時(shí)間曲線

m為松弛系數(shù)。松弛系數(shù)隨樹種和應(yīng)力種類而有不同，但更受密度和含水率影響，m值與密度成反比，與含水率成正比。黏彈性材料的松弛曲線(應(yīng)變的速度為常數(shù))第19頁，本講稿共47頁8.3.3木材的塑性

設(shè)計(jì)木材作為承重構(gòu)件,應(yīng)力或荷載重應(yīng)控制在彈性極限或蠕變極限范圍之內(nèi)。

8.3.3.1塑性與塑性變形

塑性變形:當(dāng)施加于木材的應(yīng)力超過木材的彈性限度時(shí)，去除外力后，木材仍會(huì)殘留一個(gè)當(dāng)前不能恢復(fù)的變形，將這個(gè)變形稱為塑性變形。塑性:木材所表現(xiàn)出的這一性質(zhì)稱為塑性。木材的塑性是由于在應(yīng)力作用下，高分子結(jié)構(gòu)的變形及相互間相對(duì)移動(dòng)的結(jié)果。木材屬于塑性較小的材料。第20頁，本講稿共47頁

8.3.3.2木材塑性的影響因素

影響木材塑性的重要因素有木材的多孔性、木材的含水率和溫度，其中含水率和溫度的影響十分顯著。

含水率:隨W而增大。

溫度:隨T而加大，這種性質(zhì)往往被稱為熱塑性。

第21頁，本講稿共47頁8.3.3.3木材塑性的應(yīng)用

干燥時(shí)，木材由于不規(guī)則干縮所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)破壞其組織的內(nèi)聚力，而塑性的產(chǎn)生可以抵消一部分木材的內(nèi)應(yīng)力。

第22頁，本講稿共47頁8.4木材的強(qiáng)度、韌性與破壞

8.4.1木材的強(qiáng)度

強(qiáng)度是指材料抵抗其受施應(yīng)力而不致破壞的能力，表示單位截面積上材料的最大承載能力。木材是各向異性的高分子材料，根據(jù)所施加應(yīng)力的方式和方向的不同，木材具有順紋抗拉強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等多項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)。第23頁，本講稿共47頁

8.4.2木材的韌性

韌性是指材料在不致破壞的情況下所能抵御的瞬時(shí)最大沖擊能量值。

韌性材料往往是強(qiáng)度大的材料，但也有不符合這個(gè)關(guān)系的。

第24頁，本講稿共47頁8.4.3木材的破壞

8.4.3.1破壞木材結(jié)構(gòu)破壞是指其組織結(jié)構(gòu)在外力或外部環(huán)境作用下發(fā)生斷裂、扭曲、錯(cuò)位，而使木材宏觀整體完全喪失或部分喪失原有物理力學(xué)性能的現(xiàn)象。

第25頁，本講稿共47頁

8.4.3.2木材破壞的原因纖維素賦予木材彈性和強(qiáng)度；木質(zhì)素賦予木材硬度和剛性；半纖維素起填充作用，它賦予木材剪切強(qiáng)度。從細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)物質(zhì)的性質(zhì)來看，木材發(fā)生破壞的原因是微纖絲和纖維素骨架的填充物的撕裂，或纖維素骨架的填充物的剪切，或纖維被壓潰所引起。任何條件對(duì)木材破壞的決定性作用都取決于應(yīng)力狀態(tài)的類型。

第26頁，本講稿共47頁8.4.4單軸應(yīng)力下木材的變形與破壞特點(diǎn)

8.4.4.1順紋壓縮

順紋壓縮破壞的宏觀征狀：最初現(xiàn)象是橫跨側(cè)面的細(xì)線條，隨著作用力加大，變形隨之增加，材面上開始出現(xiàn)皺褶。破壞形狀和破壞部位常取決于木材含水率和硬度等因素。濕材和軟材以端部壓潰破壞最為常見，破壞出現(xiàn)在應(yīng)力集中的地方。干的木材通常產(chǎn)生劈裂而破壞，這是由于纖維或木射線的撕裂，而非木射線與鄰接的構(gòu)造分子之間的分離。第27頁，本講稿共47頁

8.4.4.2橫紋壓縮木材橫紋壓縮是指作用力方向與木材紋理方向相垂直的壓縮。木材進(jìn)行壓縮時(shí)，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系是一條非線性的曲線：

常規(guī)型是散孔材橫壓時(shí)的特征，為不具平臺(tái)的連續(xù)曲線。

三段型是針葉樹材和闊葉樹材環(huán)孔材徑向受壓時(shí)的特征曲線:橫紋壓縮應(yīng)力——應(yīng)變曲線OA-早材的彈性曲線AB-早材壓損過程曲線BC-晚材彈性曲線而當(dāng)弦向壓縮時(shí)不出現(xiàn)3段式曲線第28頁，本講稿共47頁

8.4.4.3順紋拉伸

木材順紋拉伸破壞主要是縱向撕裂和微纖絲之間的剪切。微纖絲縱向結(jié)合非常牢固，所以順紋拉伸時(shí)的變形不大，通常應(yīng)變值小于1%～3%，強(qiáng)度值卻很高。即使在這種情況下，微纖絲本身的拉伸強(qiáng)度也未能充分發(fā)揮，因?yàn)槟静牡睦w維會(huì)在微纖絲之間撕開。木材順紋剪切強(qiáng)度特別低，通常只有順紋抗拉強(qiáng)度的6%～10%。順紋拉伸時(shí)，微纖絲之間產(chǎn)生滑移使微纖絲撕裂破壞，其破壞斷面通常呈鋸齒狀、細(xì)裂片狀或針狀撕裂。其斷面形狀的不規(guī)則程度，取決于木材順拉強(qiáng)度和順剪強(qiáng)度之比值。一般健全材該比值較大，破壞常在強(qiáng)度較弱的部位剪切開，破壞斷面不平整，呈鋸齒狀木茬。第29頁，本講稿共47頁

8.4.4.4橫紋拉伸

木材橫紋拉伸分徑向拉伸和弦向拉伸。木材的橫紋拉伸強(qiáng)度很低，只有順紋拉伸強(qiáng)度的1/35～1/65。由此可知，木材在徑向和弦向拉伸時(shí)的強(qiáng)度差，取決于木材密度及射線的數(shù)量與結(jié)構(gòu)。

第30頁，本講稿共47頁8.4.4.5順紋剪切順紋剪切、橫紋剪切和切斷。木材使用中最常見的為順紋剪切，又分為弦切面和徑切面。木材順紋剪切的破壞特點(diǎn)是木材纖維在平行于紋理的方向發(fā)生了相互滑移。弦切面的剪切破壞（剪切面平行于生長輪）常出現(xiàn)于早材部分，在早材和晚材交界處滑移，破壞表面較光滑。徑切面剪切破壞（剪切面垂直于年輪），其表面較粗糙。

第31頁，本講稿共47頁8.5木材主要力學(xué)性能指標(biāo)

根據(jù)外力種類劃分有：壓縮強(qiáng)度（包括順紋抗壓強(qiáng)度，橫紋抗壓強(qiáng)度，局部抗壓強(qiáng)度）、拉伸強(qiáng)度（包括順紋抗拉強(qiáng)度，橫紋抗拉強(qiáng)度）、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、扭曲強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度、抗劈力等。按加載速度和作用方法劃分有：靜態(tài)強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度。第32頁，本講稿共47頁8.5木材主要力學(xué)性能指標(biāo)8.5.1抗壓強(qiáng)度8.5.2抗拉強(qiáng)度8.5.3抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量8.5.4抗剪強(qiáng)度8.5.5沖擊韌性8.5.6硬度與耐磨性8.5.7抗劈力第33頁，本講稿共47頁8.6影響木材力學(xué)性質(zhì)的主要因素

8.6.1木材密度的影響8.6.2含水率的影響8.6.3溫度的影響8.6.4長期荷載的影響8.6.5紋理方向及超微構(gòu)造的影響8.6.6缺陷的影響第34頁，本講稿共47頁8.6.1木材密度的影響木材密度是決定木材強(qiáng)度和剛度的物質(zhì)基礎(chǔ)。密度增大，木材強(qiáng)度和剛性增高；密度增大，木材的彈性模量呈線性增高；密度增大，木材韌性也成比例地增長。第35頁，本講稿共47頁8.6影響木材力學(xué)性質(zhì)的主要因素

8.6.1木材密度的影響8.6.2含水率的影響8.6.3溫度的影響8.6.4長期荷載的影響8.6.5紋理方向及超微構(gòu)造的影響8.6.6缺陷的影響第36頁，本講稿共47頁8.6.2含水率的影響當(dāng)含水率處在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，隨著含水率的下降，木材力學(xué)強(qiáng)度急劇增加。

含水率對(duì)松木力學(xué)強(qiáng)度的影響A—橫向抗彎；B—順紋抗壓；C—順紋抗剪第37頁，本講稿共47頁8.6影響木材力學(xué)性質(zhì)的主要因素

8.6.1木材密度的影響8.6.2含水率的影響8.6.3溫度的影響8.6.4長期荷載的影響8.6.5紋理方向及超微構(gòu)造的影響8.6.6缺陷的影響第38頁，本講稿共47頁

木材強(qiáng)度隨溫度升高而較為均勻地下降。濕材隨溫度升高而強(qiáng)度下降的程度明顯高于干材。溫度-含水率對(duì)木材力學(xué)強(qiáng)度的影響第39頁，本講稿共47頁8.6影響木材力學(xué)性質(zhì)的主要因素

8.6.1木材密度的影響8.6.2含水率的影響8.6.3溫度的影響8.6.4長期荷載的影響8.6.5紋理方向及超微構(gòu)造的影響8.6.6缺陷的影響第40頁，本講稿共47頁8.6.4長期荷載的影響

木材的荷載持續(xù)時(shí)間會(huì)對(duì)木材強(qiáng)度有顯著的影響。受力性質(zhì)瞬時(shí)強(qiáng)度當(dāng)荷載為下列天數(shù)時(shí)，木材強(qiáng)度的百分率/%/%110100100010000順紋受壓10078.572.566.760.254.2靜力彎曲10078.672.666.860.955.0順紋受