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1、木材的力学性质第8章 主要介绍了木材力学性质的基本概念、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；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。木材力学是涉及木材在外力作用下的机械性质或力学性质的科学，它是木材学的一个重要组成部分。木材力学性质是度量木材抵抗外力的能力，研究木材应力与变形有关的性质及影响因素。木材作为一种非均质的、各向异性的天然高分子材料，许多性质都有别于其它材料，而其力学性质和更是与其它均质材料有着明显的差异。例如，木材所有力学性质指标参数因其含水率（纤维饱和点以下）的变化而产生很大程度的改变；
2、木材会表现出介于弹性体和非弹性体之间的黏弹性，会发生蠕变现象，并且其力学性质还会受荷载时间和环境条件的影响。总的来说，木材的力学性质涉及面广，影响因素多，学习时需结合力学、木材构造、木材化学性质的有关知识。木材力学性质包括应力与应变、弹性、黏弹性（塑性、蠕变）、强度（抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、扭曲强度、冲击韧性等）、硬度、抗劈力以及耐磨耗性等。8.1 应力与应变8.1.1 应力与应变的概念8.1.1.1 应力 物体在受到外力时具有形变的趋势，其内部会产生相应的抵抗外力所致变形作用的力，成为内力，当物体处于平衡状态时，内力与外力大小相等，方向相反。应力就是指物体在外力作用下单位面积
3、上的内力。图8-1 顺纹理加压与顺纹理剪切当外力均匀地作用于顺纹方向的短柱状木材端面上，柱材全长的各个断面上都将受到应力，此时，单位断面面积上的木材就会产生顺纹理方向的正应力（图8-1a）。把短柱材受压或受拉状态下产生的正应力分别称为压缩应力和拉伸应力。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，这种应力被称为剪应力（图8-1b）。应力单位曾一度使用dyn/cm2、kgf/cm2等，近年来开始采用国际单位中的N/mm2（=MPa）。 8.1.1.2 应变 外力作用下，物体单位长度上的尺寸或形状的变化称为应变，或称相对变形。应变也分为正
4、应变或剪（角）应变。正应变在0时被称为拉伸变形，在0时被称为压缩应变。正应变、剪应变用无量纲表示，也用其百分值（%）表示。8.1.2 应力与应变的关系8.1.2.1 应力应变曲线 物体在外力（载荷）作用下产生的变形与外力的大小有关，通常用荷载变形图来表示它们的关系。载荷变形图是以纵轴表示物体受到的载荷，以横轴表示物体的变形量，坐标轴空间中根据载荷数值和变形大小做出的曲线被叫做载荷变形曲线；同理，把表示应力与应变的关系图定义为应力应变图，曲线为应力应变曲线。应力应变曲线与材料或物质固有的性质有关，能概括性地描述物体从受外力开始直到破坏时的力学行为，是研究物体力学性质非常有用的工具。ab图8-2
5、应力-应变曲线（模式图）图8-2a模式地表示了应力应变曲线的特征。即：应力应变曲线由从原点O开始的直线部分OP和连续的曲线部分PEDM组成。曲线的终点M表示物体的破坏点。8.1.2.2 比例极限与永久变形 直线部分的上端点P对应的应力叫比例极限应力，对应的应变叫比例极限应变；从比例限度P点到其上方的E点间对应的应力叫弹性极限。应力在弹性极限以下时，一旦除去应力，物体的应变就会完全回复，这样的应变称作弹性应变。应力一旦超过弹性限度，应力应变曲线的斜率减少，应变显著增大，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，这样的应变称作塑性应变或永久应变。8.1.2.3 破坏应力与破坏应变
6、随着应力进一步增加，应力在M点达到最大值，物体产生破坏。M点对应的最大应力称作物体的破坏应力、极限强度等。与破坏应力对应的应变叫破坏应变。8.1.2.4 屈服应力 有时，当应力值超过弹性限度值并保持一定或基本上一定，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。图8-2 b表示了弹性变形呈直线屈服时的情况，其中表示屈服应力。8.1.2.5 木材应力与应变的关系 木材的应力与应变的关系比较复杂，因为它的性能既不像真正的弹性材料，又不像真正的塑性材料，而属于既有弹性又有塑性的材料黏弹性材料。在较小的应力和较短的时间里，木材的性能十分接近于弹性材料；反之，则近似于
7、黏弹性材料。所以，要必要先学习一下木材的弹性以及黏弹性的知识。8.2 弹性与木材的正交异向弹性8.2.1 弹性与弹性常数8.2.1.1 弹性 应力在弹性极限以下时，一旦除去应力，物体的应变就完全消失。这种应力解除后即产生应变完全回复的性质叫作弹性，而仅表现弹性的物体叫弹性体。对弹性体的弹性可以用弹性常数来表示。8.2.1.2 弹性常数 （1） 弹性模量和柔量除大理石和橡皮以外，所有建筑材料的直线应力与相应应变的关系在比例限度以下符合虎克定律： （8-1）这里，比例常数E叫做弹性模量或杨氏模量。因为是无量纲比例系数，所以E与的量纲相同，为MPa。弹性模量是物体产生单位应变所需要的应力，它表征材料
8、抵抗变形能力的大小，是表示材料力学性质的重要常数。一般来说，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。弹性模量的倒数称为柔量，柔量的物理意义是单位应力的变形，表征材料产生变形的难易程度。（2） 剪切弹性模量剪切应力与剪切应变之间，在小的范围内成比例关系，符合虎克定律：=G 或 =/G （8-2）这里，比例常数G为剪切弹性模量，或刚性模量。（3） 泊松比物体的弹性应变在产生应力主轴方向收缩（拉伸）的同时还往往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，用表示。 （8-3）式中，表示横向应变，表示轴向应变，为泊松比。右边的负号表示和的正负方向相反造成的
9、。泊松比和弹性模量一样，是物质固有的常数。（4） 弹性常数弹性模量E、剪切弹性模量G、泊松比通常统称为弹性常数。弹性常数用应力应变曲线的直线区域来确定，但在实用上也可以用对应的曲线区域来确定。这时，在应力应变曲线上任意一点，引出切线或者割线，过切点的这条直线的斜率叫做该点或该曲线部分的弹性常数。8.2.2 木材的正交对称性与正交异向弹性8.2.2.1 正交异向弹性 若物体相互正交的3个方向表现异性，则称物体的这种性质为正交异性，这样的物体称为正交异性体。同理，弹性的正交异性为正交异向弹性。8.2.2.2 木材的正交对称性 木材由于组织构造的因素决定了木材的各向异性，但由于木材的绝大多数细胞和组
10、织平行于树干沿轴向排列，而纤维、射线组织是垂直于树干成径向同心环状排列的，这样就赋予了木材的圆柱对称性，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。图8-3 木材正交对称性示意图下面，利用正交对称性来讨论木材。如图8-3所示，假使从树干上距离髓心一定距离，切取一个相切于年轮的正交六面体小试样。这个试样便具有3个对称轴，将平行于纵向的定义作L轴，平行于径向的作R轴，平行于弦向的作T轴；它们彼此垂直，三轴中的每二轴又可构成一平面，因而又有RT、LR和LT三个面，分别对应横切面、径切面和弦切面。如果将这三个轴视为弹性对称的轴，则该试样可视为置于一个正交
11、坐标系中，于是可以应用正交对称原理讨论木材的正交异向弹性。8.2.2.3 木材的正交异向弹性常数 Hearmon（1953）提出用广义虎克定律分述正交对称的木材的三个主轴的应变方程，它们为： （8-4） （8-5） （8-6） （8-7） （8-8） （8-9）式中，、和分别表示轴向、弦向和径向之应变；、和分别表示3个方向之弹性模量；、和分别表示3个方向之应力。等表示泊松比（又称横向变形系数），下角注的第一个字母表示应力方向、第二个字母表示横向应变。即为在轴向应力作用下的径向泊松比，数值上等于径向应变与轴向应变之比。各方向的泊松比均为小于1的数，以压应力和拉应变为正，反之为负。表示T和R轴构成
12、的面（即木材的横切面）的剪切应变。表示径切面的剪切应力，表示弦切面的剪切模量，以此类推。可通过上述六个方程式中存在的9个独立的弹性常数来反映木材的正交异向性，这9个常数是：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的，见表8-1。表8-1几种木材的弹性常数材料密度g/cm3含水率%ELMPaERMPaETMPaGLTMPaGLRMPaGTRMPaRTLRLT针叶树材 云杉0.3901211583896496690758390.430.370.47 松木0.550101627211035736761172660.680.420.51 花旗松0.59091640
13、013009009101180790.630.430.37阔叶树材 轻木0.20096274296103200310330.660.230.49 核桃木0.590111123911726216908962280.720.490.63 白蜡木0.670915790151682789613102690.710.460.51山毛榉0.750111370022401140106016104600.750.450.51注：E代表弹性模量，G代表剪切弹性模量，代表泊松比。EL顺纹（L）弹性模量；ER水平径向（R）弹性模量；ET水平弦向（T）弹性模量。GLT顺纹-弦面剪切弹性模量；GLR顺纹-径面剪切弹性模量；GTR水平面剪切弹性模量。RTT向压力应变/R向延展应变；LRR向压力应变/L向延展应变；LTT向压力应变/L向延展应变。从表8-1中数据可以看出，木材是高度各向异性材料，纵、横向的差异程度可能是所有建筑材料中的最高者。木材三个主方向的弹性模量因显微和超微构造而异，一般表现为顺纹弹性模量（EL）比横纹弹性模量（ER、ET）大得多，横纹弹性模量中径向大于弦向，即ELER ET。若以EL/ER、EL/ET、ER/ET作为各向异性的程度（异向度），
