木材的力学性能参数分析整理.docx

1、木材的力学性能参数分析整理木材的力学性能参1.1木材的力学性质 P32.1木材力学基础理论 P3 P82.1.1应力与应变2.1.2弹性和塑性2.1.3柔量和模量 2.1.4极限荷载和破坏荷载3.1木材力学性质的特点 P8 P203.1.1木材的各向异性3.1.2木材的正交对称性与正交异向弹性3.1.3木材的粘弹性3.1.4木材的松弛3.1.5木材塑性3.1.6木材的强度、韧性和破坏3.1.7单轴应力下木材的变形与破坏特点4.1木材的各种力学强度及其试验方法 P20 P284.1.1力学性质的种类5.1木材力学性质的影响因素 P28 P315.1.1木材密度的影响5.1.2含水率的影响5.1.

2、3温度的影响5.1.4木材的长期荷载5.1.5纹理方向及超微构造的影响5.1.6缺陷的影响6.1木材的允许应力 P31 P336.1.1木材强度的变异6.1.2荷载的持久性6.1.3木材缺陷对强度的影响6.1.4构件干燥缺陷的影响6.1.5荷载偏差的折减6.1.6木材容许应力应考虑的因素7.1常用木材物理力学性能 P34 P361.1木材的力学性质主要介绍:木材力学性质的基本概念、木材的应力一应变关系；木材的正交异向弹性、木材的黏弹性、木材的塑性；木材的强度与破坏、单轴应力下木材的变形与破坏特点； 基本的木材力学性能指标；影响木材力学性质的主要因素等。1.1.1木材的力学性质：木材在外力作用下

3、，在变形和破坏方面所表 现出来的性质。1.1.2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、抗碗强度、抗减强度、冲击韧性、抗劈力、抗扭强度、硬度 和耐磨性等。1.1.3木材力学性质的各向异性：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、弦向之分。1.1.4 了解木材力学性质的意义：掌握木材的特性，合理选才、用材p iP2.1木材力学基础理论2.1.1应力与应变(stress and strain)2.1.1.1应力定义：材料在外力作用下，单位面积上产生的内 力，包括压应力、拉应力

4、、剪应力、弯应力等。单位：N/mm2(二MPa)压缩应力：短柱材受压或受拉状态下产生的正应力称为压缩应力;压应力：严P/A拉伸应：短柱材受压或受拉状态下产生的正应力称为拉伸应力;拉应力：（T =P/A剪应力：当作用于物体的一对力或作用力与反作用力不在同一条作用 线上，而使物体产生平行于应力作用面方向被剪切的应力； T =P/A2.1.1.2应变定义：外力作用下，物体单位长度上的尺寸或形状的变化;应变：/ L / L2.1.1.3应力与应变的关系应力一应变曲线：曲线的终点M表示物体的破坏点2.1.1.4比例极限与永久变形：比例极限应力：直线部分的上端点 P对应的应力；比例极限应变：直线部分的上端

5、点 P对应的应变； 塑性应变（永久应变）：应力超过弹性限度，这时如果除去应力，应 变不 会完全回复，其中一部分会永久残留。2.1.1.5破坏应力与破坏应变破坏应力、极限强度：应力在 M点达到最大值，物体产生破坏（劎）; 破坏应变：M点对应的应变（切）。2.1.1.6屈服应力当应力值超过弹性限度值并保持基本上一定， 而应变急剧增大，这种现象叫屈服，而应变突然转为急剧增大的转变点处的应力叫屈服应力(w)。2.1.2弹性和塑性 （elasticity and plasticity） 弹性：物体在卸除发生变形的荷载后，恢复其原有形状、尺寸或位置 的能力;塑性：物体在外力作用下， 当应变增长速度大于应力

6、增长速度，外力 消失后木材产生永久残留变形部分， 为塑性变形， 木材的这一性质叫 塑性;塑性应变（永久应变） ：应力超过弹性限度，这时如果除去应力，应 变不会完全回复，其中一部分会永久残留。弹性变形实际上是分子内的变形和分子间键距的伸缩； 塑性变形实际 上是分子间相对位置的错移。2.1.3柔量和模量 （compliance and modulus）在弹性限度范围内，大多数材料应力与应变间有如下关系： = EM胡 克定律）弹性模量（ E ）： 物体产生单位应变所需要的应力，它表征材料抵抗变形能力的大小，E=应力/应变,物体的弹性模量值愈大，在外力作用 下愈不易变形，材料的强度也愈大，E = /叫

7、弹性模量。 柔量：弹性模量的倒数， 表征材料在荷载状态下产生变形的难易程度 , a= E1 = e /为柔量.弹性模量的意义： 在弹性范围内， 物体抵抗外力使其改变形状或体积 的能力。是材料刚性的指标。2.1.4极限荷载和破坏荷载 (maximum loading and destroy loading)极限荷载：试件达到最大应力时的荷载。 破坏荷载：试件完全破坏时的荷载。气干材上述两个值相同； 而湿木材两者不同， 破坏荷载常低于极限荷 载。3.1木材力学性质的特点3.1.1木材的各向异性表现在木材的物理性质，如干缩、湿胀、扩散、渗透等。在力学性能 上，如弹性、强度和加工性等方面。从强度上来看

8、，木材的压缩、拉 伸、弯曲及冲击韧性等均为当应力方向与纤维方向平行时， 强度值最 大，随着两者之间的倾角变大，强度锐减。 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

9、者价键的能量差异很大。3.1.1.1木材力学性质各向异性原因： 木材宏观上呈层次状：同心圆状年轮木材有纵向和横向组织：大多数细胞和组织呈轴向，射线组织呈径向 胞壁结构：细胞壁各层微纤丝排列方向不同胞壁的成分：以纤维素为骨架。纤维素的结构、晶胞有关：单斜晶体。3.1.2木材的正交对称性与正交异向弹性3.121弹性常数弹性模量（E ）:物体产生单位应变所需要的应力，它表征材料抵抗 变形能力的大小，E=应力/应变剪切弹性模量G:剪切应力t与剪切应变丫之间在小的范围内符合：t =Gy 或 G= y / tG为剪切弹性模量，或刚性模量。泊松比卩：物体的弹性应变在产生应力主轴方向收缩（拉伸）的同 时还伴随

10、有垂直于主轴方向的横向应变， 将横向应变与轴向应变之比 称为泊松比（卜）。名卩=分子表示横向应变，分母表示轴向应变正交异向弹性：木材为正交异性体。弹性的正交异性为正交异向弹性。木材的正交对称性：木材具有圆柱对称性，使它成为近似呈柱面对称的正交对称性物体。 符合正交对称性的材料，可以用虎克定律来描述它的弹性。 人H 称肚方程中有3个弹性模量、3个剪切弹性模量和3个泊松比。不同树种间的这9个常数值是存在差异。G = -町匕-如去-如巧）Ct =“rBji + 巧）E盘=胪1 + 盘山貯口？）T r*再覚=才r JfjE. 尸%Y - _ JZjLr G.木材是高度各向异性材料，木材三个主方向的弹性

11、模量即 丘氏Et几种木材的弹性常数材料密度3g/cm含水率%ElMPaErMPaEtMPaGltMPaGlrMPaGtrMPaT卩LR卩LT针叶树材云杉0.3901211583896496690758390.430.370.47松木0.550101627211035736761172660.680.420.51花旗松0.59091640013009009101180790.630.430.37阔叶树材轻木0.20096274296103200310330.660.230.49核桃木0.590111123911726216908962280.720.490.63白蜡木0.670915790151

12、682789613102690.710.460.51山毛榉0.750111370022401140106016104600.750.450.513.1.3木材的粘弹性流变学：讨论材料荷载后的弹性和黏性的科学。（讨论材料后荷载应 力-应变之间关系随时间变化的规律）蠕变和松弛是黏弹性的主要内容。 木材的黏弹性同样依赖于温度、负 荷时间、加荷速率和应变幅值等条件，其中温度和时间的影响尤为明 显。3.1.3.1木材的蠕变概念（creep）：指在恒定外力作用下（应力不变）,应变随时间的增加而 逐渐增大的现象。由于木材的粘弹性而产生三种变形：瞬时弹性变形、粘弹性变形、塑性变形。蠕变：在恒定应力下，木材应变

13、随时间的延长而逐渐增大的现象。瞬 时弹性变形：与加荷速度相适应的变形，它服从于胡克定律； 黏弹性变形：加荷过程终止，木材立即产生随时间递减的弹性变形 塑性变形:最后残留的永久变形。差异：黏弹性变形是纤维素分子链的卷曲或伸展造成的， 变形是可逆的，但较弹性变形它具有时间滞后性。塑性变形是纤维素分子链因荷 载而彼此滑动，变形是不可逆转的。蠕变曲线:OA-咖载后的瞬间弹性变形，AB-蠕变过程，(to-t) t / BC -卸载后的瞬间弹性回复，BG=OA Ci D-蠕变回复过程， t 缓慢回复，故蠕变AB包括两个组分：弹性的组分 C1C2初 次蠕变(弹性后效变形)，剩余永久变形C2C3=DE二次蠕变

14、(塑性 变形),木材蠕变曲线变化表现的正是木材的黏弹性质。蠕变规律：(1)对木材施载产生瞬时变形后，变形有一随时间推移而增大的蠕 变过程；(2)卸载后有一瞬时弹性恢复变形，在数值上等于施载时的瞬时变形；(3)卸载后有一随时间推移而变形减小的蠕变恢复，在此过程中的 是可恢复蠕变部分；(4)在完成上述蠕变恢复后，变形不再回复，而残留的变形为永久变形，即蠕变的不可恢复部分；(5)蠕变变形值等于可恢复蠕变变形值和不可恢复蠕变变形值之和3.132单向应力循环加载时的蠕变特点能量的损耗随着每个周期增大，意味着在变形中做了更多的功，同时 造成材料蠕变的不可恢复部分越来越大。3.1.3.3蠕变的消除对木材施加

15、一荷载，荷载初期产生 应力一应变曲线0A,卸载产生 曲线A B ，残留了永久变形 OB 。为了使永久变形消失而重 新获得物体的原来形状，必须施加 与产生曲线应力符号相反的应力 0C ,而形成这段曲线B c; 当0C 继续增大到等于A P ,B C将延至C D ;卸去这个符号相反的应力，产生应力 一应变曲线13 / 36D E ，也不能恢复到原形，残留负向的永久变形 E 0 。再次通过反向应力0F ，材料才能恢复原形。如果再继续增大应力，则产生 曲线F a ，与原曲线构成一个环状闭合。 A B D F封闭曲线所包围的面积相当于整个周期中的能量损耗。3.134蠕变的影响因素(1)时间：(2)木材的

16、含水率：水分在木材内，从一吸着处到另一吸着 处，其中包括氢键的松散或破坏，木材这一暂时的削弱便导致在荷载 下的微小变形，变形的累积可能最终导致破坏。(3)载荷(4)温度：当空气的温度和湿度增加时，木材的总变形量和变 形速度也增加。3.1.4木材的松弛松弛:在恒定应变条件下应力随时间的延长而逐渐减少的现象时间松弛与蠕变的区别在于：在蠕变中，应力是常数，应变是随时间变化 的可变量；而在松弛中，应变是常数，应力是随时间变化的可变量。3.1.4.1松弛曲线：应力一时间曲线Kitazawa 松弛公式：ot= -m log t)m为松弛系数，松弛系数随树种和应力种类而有不同，但更受密度和含水黏弹性材料的松

17、弛曲线率成正比。 (应变的速度为常数)率影响，m值与密度成反比，与含水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0木材蠕变特性曲线木材的蠕变变形由三部分组成：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；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。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:JiJ,JiJn11rjW_JAA_/sAAp.J rg- 1 *W Bl ! “rii 1-TPTHoHin2Hlnn粘弹性模型（广义伏格特模型）t n _j（t

18、）= j。一、Ji（e）0 i =13.1.5木材塑性3.1.5.1塑性与塑性变形塑性变形 :当施加于木材的应力超过木材的弹性限度时，去除外力后， 木材仍会残留一个当前不能恢复的变形，将这个变形称为塑性变形。 塑性:木材所表现出的这一性质称为塑性。木材的塑性是由于在应力作用下， 高分子结构的变形及相互间相对移 动的结果。木材属于塑性较小的材料。3.1.5.2木材塑性的影响因素 影响木材塑性的重要因素有木材的多孔性、 木材的含水率和温度， 其 中含水率和温度的影响十分显著。含水率 :随含水率增加而增大。 温度:随温度升高而加大，这种性质往往被称为热塑性。3.1.5.3木材塑性的应用 干燥时，木材

19、由于不规则干缩所产生的内应力会破坏其组织的内聚力， 而塑性的产生可以抵消一部分木材的内应力。 木材的塑性在木材的软 化、人造板成型等工艺中有利。3.1.6木材的强度、韧性和破坏3.1.6.1木材的强度强 度是指材料抵抗其受施应力而不致破坏的能力， 表示单位截面积上材料的最大承载能力。单位：N/mm2 = Mpa。木材是各向异性的高分子材料，根据所施加应力的方式和方向的不 同，木材具有顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、横纹抗压强度、抗弯强 度等多项力学强度指标参数。3.1.6.2木材的韧性 韧性是指材料在不致破坏的情况下所能抵御的瞬时最大冲击能量。 单 位：KJ/m2韧性材料往往是强度大的材料，但也有

20、不符合这个关系的。3.1.6.3木材的破坏(1)破坏木材结构破坏是指其组织结构在外力或外部环境作用下发 生断裂、扭曲、 错位，而使木材宏观整体完全丧失或部分丧失原有物 理力学性能的现象。(2)木材破坏的原因纤维素赋予木材弹性和强度； 木质素赋予木材硬度和刚性； 半纤维素 起填充作用， 它赋予木材剪切强度。 从细胞壁结构和细胞壁结构物质 的性质来看，木材发生破坏的原因是微纤丝和纤维素骨架的填充物的 撕裂，或纤维素骨架的填充物的剪切，或纤维被压溃所引起。任何条 件对木材破坏的决定性作用都取决于应力状态的类型。3.1.7单轴应力下木材的变形与破坏特点3.1.7.1顺纹压缩 * 顺纹压缩破坏的宏观征状

21、： 最初现象是横跨侧面的细线条， 随着作用 力加大，变形随之增加，材面上开始出现皱褶。破坏形状和破坏部位常取决于木材含水率和硬度等因素。 湿材和软材 以端部压溃破坏最为常见， 破坏出现在应力集中的地方。 干的木材通 常产生劈裂而破坏， 这是由于纤维或木射线的撕裂， 而非木射线与邻 接的构造分子之间的分离。3.1.7.2横纹压缩木材横纹压缩是指作用力方向与木材 纹理方向相垂直的压缩。木材进行压缩 时，应力一应变关系是一条非线性的曲 线：常规型是散孔材横压时的特征，为 不具平台的连续曲线。三段型是针叶树材和阔叶树材环孔材 径向受压时的特征曲线：横纹压缩应力-应变曲线0A卑材的弹性曲线AB-早材压损

22、过程曲线 BC晚材弹性曲线而当弦向压缩时不出现三段 式曲线。3.1.7.3顺纹拉伸木材顺纹拉伸破坏主要是纵向撕裂和微纤丝之间的剪切。 微纤丝纵向结合非常牢固，所以顺纹拉伸时的变形不大，通常应变值小于 1%3%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 能充分发挥，因为木材的纤维会在微纤丝之间撕开。 木材顺纹剪切强度特别低，通常只有顺纹抗拉强度的 6%- 10% 破坏断面通常呈锯齿状、细裂片状或针状撕裂。其断面形状的不规则程度，取决于木材 顺拉强度和顺剪强度之比值。一般健全材该比值较大，破坏常在强度 较弱的部位剪切开，破坏断面不平整，呈锯齿状木茬。3.1.7.4横纹拉伸木材横纹拉伸

23、分径向拉伸和弦向拉伸。 木材的横纹拉伸强度很低，只有顺纹拉伸强度的1/351/65。由此可知，木材在径向和弦向拉伸时的强度差，取决于木材密度及射线的数量与结构。3.1.7.5顺纹剪切顺纹剪切、横纹剪切和切断。木材使用中最常见的为顺纹剪切，又分 为弦切面和径切面。木材顺纹剪切的破坏特点是木材纤维在平行于纹 理的方向发生了相互滑移。弦切面的剪切破坏（剪切面平行于生长轮） 常出现于早材部分，在早材和晚材交界处滑移，破坏表面较光滑。径 切面剪切破坏（剪切面垂直于年轮），其表面较粗糙。4.1木材的各种力学强度及其试验方法木材的各种力学强度有纵向和横向之分，横向又分为径向和弦向。4.1.1力学性质的种类：

24、按照外力种类分类：压缩强度、拉伸强度、 抗弯强度、抗剪强度、冲击强度、硬度、 韧性等。按荷载速度和作用方法分：静态强度、冲击强度、疲劳强度和蠕变强 度。4.1.1.1抗压强度 1.顺纹抗压强度(compression strength parallel to the grain)我国木材顺压强度平均值为 45MPa。测试方法：20 X 20 X 30mm破坏的宏观症状：破坏形状和破坏部位常取决 于木材含水率和硬度等因素。湿材和软材以端部压溃 破坏最为常见，破坏出现在应力集中的地方。干的木 材通常产生劈裂而破坏，这是由于纤维或木射线的撕 裂。我国国家标准木材物理力学试验方法 (GB 1927-1

25、943-91规定，只测定短柱的最大抗压强度。其试样尺寸为 20X 20X 30mm长度平行于木材纹理；P/a b(T 1Z(T w1+0.05(W12)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(); cw、(T12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。4.1.1.2横纹抗压强度(1)分局部受压

26、和全部受压：(2)又可以分为径向和弦向受压：a针叶树材和阔叶树材的环孔材径向受压: 见右图，由3段不同斜率的曲线组成。b.针叶树材和环孔材的弦向受压：不出现3段曲线组成4.1.1.3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 117.7147.1MPa，为顺纹抗压强度的23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-G 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。试验时采用附有自动对直和拉紧夹具的试验机进行， 试

27、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。（rw= 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（）。4.1.1.4横纹抗拉强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1/30 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

28、整个断面而破坏，并非真正横纹抗拉强度。 4.1.1.5木材的抗弯强度和抗弯弹性模量 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

29、纹抗拉比例极限时应力 。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20X20mm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 30X 20X 5mm木材抗弯强度的测定*抗弯强度用下式计算(T w= 3PL/2bh2 (Mpa)(T 1Z(T w 1+0.04(W-12) (Mpa)式中：(T W 材试样气干状态下的抗弯强度P破坏时的荷载，N; L-跨度，240mm; b试样宽度，mm;h试样高度，mm; W试验时试样的含水率()抗弯弹性模量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算安全荷载。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的能力。 梁