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1、第第 6 章章 木材力学性质木材力学性质木材力学性质：木材力学性质： 木材在外力作用下木材在外力作用下, ,在变形和破坏方面所表现出来在变形和破坏方面所表现出来 的性质。的性质。 木材的力学性质主要包括：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、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、硬度和耐抗剪强度、冲击韧性、抗劈力、抗扭强度、硬度和耐 磨性等。磨性等。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
2、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
3、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
4、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
5、。（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
6、，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
7、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
8、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子链的卷曲或或伸展所致。伸展
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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，而外力，木材破坏时产生的极限应力不同。例如顺纹抗拉强度可达，而横纹抗拉强度仅横纹抗拉强度仅3.0-5.0Mpa(C-H,H-O)，这主要与其组成分子的，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，而横向键连接，而横向纤维素链状分子是以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。连接，二者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
14、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
15、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
16、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，为顺纹抗压强度的约为，为顺纹抗压强度的23倍。木材在使用中很倍。木材在使用中很少出现因被拉断而破坏。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，在分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，在分钟内使试样破坏。顺纹抗拉强度按下式计算。钟内使试样
