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1、word木材的力学性能参数目 录P32.1木材力学根底理论P3 P8弹性和塑性柔量和模量极限荷载和破坏荷载3.1木材力学性质的特点P8 P20木材的各向异性木材的正交对称性与正交异向弹性木材的粘弹性木材塑性木材的强度、韧性和破坏木材的各种力学强度与其试验方法P20 P28P28 P31P31 P33木材容许应力应考虑的因素P34 P36主要介绍:木材力学性质的根本概念、木材的应力应变关系；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；根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，在变形和破坏方
2、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、混凝土与石材等材料不同，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。stress and strain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、剪应力、弯应力等。单位：N/mm2(=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
3、应力；压应力：=-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：=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；=P/AQ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 / L应力应变曲线：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：直线局部的上端点P对应的应力;比例极限应变：直线局部的上端点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，其中一局部会永久残留。破坏应力、极限强度：应力在M点达到最大值，物体产生
4、破坏(M);破坏应变：M点对应的应变( M )。当应力值超过弹性限度值并保持根本上一定，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(Y)。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增长速度，外力消失后木材产生永久残留变形局部，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，其中一局部会永久残留。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
5、对位置的错移。柔量和模量(pliance and modulus)在弹性限度X围内,大多数材料应力与应变间有如下关系:= E，(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= E-1 =/为柔量.弹性模量的意义：在弹性X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。极限荷载和破坏荷载(maximum loading and destroy loading)极限荷载：
6、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。气干材上述两个值一样；而湿木材两者不同，破坏荷载常低于极限荷载。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，木材的压缩、拉伸、弯曲与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，而横纹抗拉强
7、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。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。木材的正交对称性与正交异向弹性弹性常数弹性模量 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：剪切应力与剪切应变之间在小的X
8、围内符合：=G或 G=/ G 为剪切弹性模量，或刚性模量。泊松比 ：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 m 。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。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。木材是高度各向异性材料，木材三个主方向的弹性模量即ELERET几种木材的弹性常数材料密度g/cm
9、3含水率%ELMPaERMPaETMPaGLTMPaGLRMPaGTRMPaRTLRLT针叶树材云杉121158389649669075839松木10162721103573676117266花旗松9164001300900910118079阔叶树材轻木9627429610320031033核桃木11112391172621690896228白蜡木91579015168278961310269山毛榉11137002240114010601610460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
10、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。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
11、的。 蠕变曲线：OA-加载后的瞬间弹性变形，AB-蠕变过程，t0t1t BC1 -卸载后的瞬间弹性回复，BC1=OA， C1D-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局部；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，即蠕变的不可恢复局部；5
12、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。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局部越来越大。对木材施加一荷载，荷载初期产生应力应变曲线OA，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OC ，而形成这段曲线B C ；当OC 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，产生应力应变曲线D E ，也不能恢复到原形，残留负向的永久变形E O 。再次通过反向应力OF ，材料才能恢复原形。如果再继续增大应力，如此产生曲线F A ，与原曲
13、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。(1)时间：(2)木材的含水率：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。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。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。松弛曲线:应力时间曲线Kitazawa松弛公式：t= 1(1-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，但更受密度和含水率影响，m值与密度成反比，与含水率成正比。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木材蠕变特性曲线木材的蠕变变形由三局部组成：第一局部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；第二局部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；
