第八章木材的力学性质 (The Mechanical Properties of Wood)
第八章 木材的力学性质 (The Mechanical Properties of Wood)
木材抵抗外部机械力作用的能力称木材的力学 性质。木材的力学性质包括弹性、粘弹性、硬度、 韧性、各类强度和工艺性质等。 第一节木材力学性质的基本概念 ( fundamental concept of woody mechanical properties 1应力 stress):材料在外力作用下,单位面积上 所产生的内力 o=(kPa) 2应变( strain):单位长度上所产生的变形。 8=,(cm/cm) 3应力一应变图 ( streSs-strain curve):以应力为纵坐标 以应变为横坐标,表示应力和应变关系的曲线
木材抵抗外部机械力作用的能力称木材的力学 性质。木材的力学性质包括弹性、粘弹性、硬度、 韧性、各类强度和工艺性质等。 第一节 木材力学性质的基本概念 （fundamental concept of woody mechanical properties） 1.应力(stress)：材料在外力作用下，单位面积上 所产生的内力。 2.应变(strain)：单位长度上所产生的变形。 3.应力—应变图(stress-strain curve)：以应力为纵坐标， 以应变为横坐标，表示应力和应变关系的曲线。 (kPa) A P = (cm/ cm) l =
简单应力中,当压力方向平行于纹理作用于 短柱上时,则产生顺纹压应力。当在同一直线上 两个方向相反,平行于木材纹理的外力作用于木 材时,则产生顺纹拉伸应力。当平行于木材纹理 的外力作用于木材,欲使其一部分与他它由内在 联结的另一部分相脱离,会产生顺纹剪应力。当 作用力与木材纹理相垂直时,木材上则会产生横 纹的压、拉、剪应力或剪断应力。横纹应力又有 径向和弦向之分。同一木材受力的性质和方向不 同,应力和应变值亦各不相同。 、基本概念 (一)弹性和塑性 1弹性( elasticity)物体在卸除发生变形的载荷后, 恢复其原有形状、尺寸或位置的能力。 2性( plasticity)物体在外力作用下,当应变增长 的速度大于应力增长的速度,外力消失后木材 生的永久残留变形部分,即为塑性变形,木材的 这一性质称塑性
简单应力中，当压力方向平行于纹理作用于 短柱上时，则产生顺纹压应力。当在同一直线上 两个方向相反，平行于木材纹理的外力作用于木 材时，则产生顺纹拉伸应力。当平行于木材纹理 的外力作用于木材，欲使其一部分与他它由内在 联结的另一部分相脱离，会产生顺纹剪应力。当 作用力与木材纹理相垂直时，木材上则会产生横 纹的压、拉、剪应力或剪断应力。横纹应力又有 径向和弦向之分。同一木材受力的性质和方向不 同，应力和应变值亦各不相同。 一、基本概念 （一）弹性和塑性 1.弹性(elasticity)— 物体在卸除发生变形的载荷后， 恢复其原有形状、尺寸或位置的能力。 2.塑性(plasticity)— 物体在外力作用下，当应变增长 的速度大于应力增长的速度，外力消失后木材产 生的永久残留变形部分，即为塑性变形，木材的 这一性质称塑性
破坏 应力 b弹性极限 a/化例极限 应变(%) 图9-1杉木弯曲时应力与应变图解 图91为杉木弯曲时的应力一应变图。木材在 比例极限应力下可近似看作弹性,在这极限以上的 应力就会产生塑性变形或发生破坏。直线部分的顶 点a为比例极限,从a到b虽不是直线,但属弹性范围, b点为弹性极限。a、b两点非常接近,一般不加区分
图9—1为杉木弯曲时的应力—应变图。木材在 比例极限应力下可近似看作弹性，在这极限以上的 应力就会产生塑性变形或发生破坏。直线部分的顶 点a为比例极限，从a到b虽不是直线，但属弹性范围， b点为弹性极限。a、b两点非常接近，一般不加区分。 a 应变（%） 图9-1 杉木弯曲时应力与应变图解 应 力 （MPa ） b 比例极限 弹性极限 破坏
(二)柔量( compliance)和模量( modulus) 在弹性极限范围,大多数材料的应力和应变之间 存在着一定的指数关系: E=oE一应变0一应力 实践证明,木材的n=1,因此上式可写成: E=0oa-柔量 a—为应力、应变曲线的直线部分与水平轴的夹角。 柔量的倒数a-1,即为弹性模量E,简称模量。 弹性模量E( modulus of elasticity)在弹性极限范围 内,物体抵抗外力改变其形状或体积的能力。它 是材料刚性的指标。 木材的拉伸、压缩和弯曲模量大致相等,但压缩 的弹性极限比拉伸的要低得多
（二）柔量(compliance)和模量(modulus) 在弹性极限范围，大多数材料的应力和应变之间 存在着一定的指数关系： — 应变 — 应力 实践证明，木材的n=1，因此上式可写成： а— 柔量 α— 为应力、应变曲线的直线部分与水平轴的夹角。 柔量的倒数а -1，即为弹性模量E，简称模量。 弹性模量E(modulus of elasticity)— 在弹性极限范围 内，物体抵抗外力改变其形状或体积的能力。它 是材料刚性的指标。 木材的拉伸、压缩和弯曲模量大致相等，但压缩 的弹性极限比拉伸的要低得多。 n = =
二、分类 (一)按力学性质分 1强度( (strength)是抵抗外部机械力破坏的能力 2硬度( hardness是抵抗其它刚性物体压入的能力 3刚性( rigidity)是抵抗外部机械力造成尺寸和形状 变化的能力。 4韧性 toughness)-是木材吸收能量和抵抗反复冲击 载荷,或抵抗超过比例极限的短期应力的能力。 (二)按载荷形式分 1.静力载荷( static test load)是缓慢而均匀的施载 形式。木材强度测试除冲击外,都为静力载荷; 胶合板在热压机中的加载形式也属静力载荷 2冲击载荷( shock load)集中全部载荷在瞬间猛击 的施载形式。如锻锤机下垫木所承受的载荷形式
二、分类 （一）按力学性质分 1.强度(strength)— 是抵抗外部机械力破坏的能力。 2.硬度(hardness)— 是抵抗其它刚性物体压入的能力。 3.刚性(rigidity)— 是抵抗外部机械力造成尺寸和形状 变化的能力。 4.韧性(toughness)— 是木材吸收能量和抵抗反复冲击 载荷，或抵抗超过比例极限的短期应力的能力。 （二）按载荷形式分 1.静力载荷（static test load） 是缓慢而均匀的施载 形式。木材强度测试除冲击外，都为静力载荷； 胶合板在热压机中的加载形式也属静力载荷。 2.冲击载荷（shock load） 集中全部载荷在瞬间猛击 的施载形式。如锻锤机下垫木所承受的载荷形式
3振动载荷依次改变力的大小和方向的一种载荷形 式。如枕木在铁轨下承受的载荷形式。 4长期载荷( long-period load)力作用时间相当长 的一种施载形式。如木屋架、木梁和木柱的承载 形式。 (三)按作用力的方式分 有拉伸( tension)、压缩( conpression) 剪切( shearing)、弯曲( bending; curve) 转(twst)及纵向弯曲( longitudinal bending) 扭等 (四)按作用力的方向分 有顺纹( along the grain)和横纹( across to = the grain)横纹又分为径向( radial)和弦向 (tangential) (五)按工艺要求分 1抗劈力( cleavage ability)是木材在尖削作用下, 抵抗沿纹理方向劈开的能力。它与木材加工时劈 开难易、握钉牢度和切削阻力等都有密切的关系
3.振动载荷 依次改变力的大小和方向的一种载荷形 式。如枕木在铁轨下承受的载荷形式。 4.长期载荷（long-period load） 力作用时间相当长 的一种施载形式。如木屋架、木梁和木柱的承载 形式。 （三）按作用力的方式分 有拉伸（tension） 、压缩（conpression） 、 剪切（shearing） 、弯曲（bending ; curve） 、扭 转（twist）及纵向弯曲（longitudinal bending）等。 （四）按作用力的方向分 有顺纹（along the grain）和横纹（across to the grain） 。横纹又分为径向（radial）和弦向 （tangential） 。 （五）按工艺要求分 1.抗劈力（cleavage ability） 是木材在尖削作用下， 抵抗沿纹理方向劈开的能力。它与木材加工时劈 开难易、握钉牢度和切削阻力等都有密切的关系
2握钉力(nail- holding ability)是木材抵抗钉子拔 出的能力。它的大小取决于木材与钉子间的摩擦 力、木材含水率、密度、硬度、弹性、纹理方向、 钉子种类及与木材接触状况等。 3弯曲能力( bending ability)是指木材弯曲破坏前 的最大弯曲能力。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。 4耐磨性( abrasion of wood)是木材抵抗磨损的能 力。木材磨损是在表面受摩擦、挤压、冲击和剥蚀 等,以及这些因子综合作用时,所产生的表面化过 程
2.握钉力 （nail-holding ability） 是木材抵抗钉子拔 出的能力。它的大小取决于木材与钉子间的摩擦 力、木材含水率、密度、硬度、弹性、纹理方向、 钉子种类及与木材接触状况等。 3.弯曲能力（bending ability） 是指木材弯曲破坏前 的最大弯曲能力。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。 4.耐磨性（abrasion of wood） 是木材抵抗磨损的能 力。木材磨损是在表面受摩擦、挤压、冲击和剥蚀 等，以及这些因子综合作用时，所产生的表面化过 程
第二节木材的正交异向性和弹性 木材的正交异向性 (一)概述 木材是天然生长的生物材料,由于组织构造的 因素决定了木材的各向异性( anisotropy)。 木材的圆柱对称性一由于树干包括许多同心圆 的年轮层次,所以赋予木材圆柱对称性(近似的), 即从圆心到外径,各个同心圆层次上的木材微单元 的性质是相同的(弹性、强度、热、电性质等)。 同时,由于组成木材的绝大多数细胞和组织是平行 树干呈轴向排列的,而射线组织是垂直于树干呈径 向排列的;另外构成木材细胞壁的各层,其微纤丝 的排列方向不同;以及纤维素的结晶为单斜晶体等 使木材成为柱面对称的正交异向性材料。(如物理 性质干缩、湿胀、扩散、渗透等和力学性质如弹性、 强度、加工性能等)
第二节 木材的正交异向性和弹性 一、木材的正交异向性 （一）概述 木材是天然生长的生物材料，由于组织构造的 因素决定了木材的各向异性（anisotropy） 。 木材的圆柱对称性— 由于树干包括许多同心圆 的年轮层次，所以赋予木材圆柱对称性（近似的）， 即从圆心到外径，各个同心圆层次上的木材微单元 的性质是相同的（弹性、强度、热、电性质等）。 同时，由于组成木材的绝大多数细胞和组织是平行 树干呈轴向排列的，而射线组织是垂直于树干呈径 向排列的；另外构成木材细胞壁的各层，其微纤丝 的排列方向不同；以及纤维素的结晶为单斜晶体等， 使木材成为柱面对称的正交异向性材料。（如物理 性质干缩、湿胀、扩散、渗透等和力学性质如弹性、 强度、加工性能等）
(二)强度的异向性 木材的强度根据方向和断面的不同而异。压缩、拉伸、 弯曲和冲击韧性等,当应力方向和纤维方向为平行时,其强 度值最大,随两者间倾角变大,强度锐减。 1拉伸强度σ:σ≤σm>o>omr 3弯曲强度n和冲击韧性 (1OR> OT (2)①针叶材:uR>ur;②阔叶材通常关系不定。 4剪切强度r:T/r1=2.26,1 ●5硬度H和磨损阻抗 ①H>H1≥HR,断面大于弦面,弦面大于或等于径面。同 时,硬度的异向性随密度增加而减少。 ②木材磨损量A越大,表示磨损阻抗越小。A1R≥A1r>Axr ●6抗劈力S:径面和弦面的差异根据纹理通直性和射线组织的发 达程度而异
（二）强度的异向性 木材的强度根据方向和断面的不同而异。压缩、拉伸、 弯曲和冲击韧性等，当应力方向和纤维方向为平行时，其强 度值最大，随两者间倾角变大，强度锐减。 1.拉伸强度σt：σtl＜σ tr ＜σtT ，即纵向远大于横向，横向中径 向大于弦向。 2.压缩强度σcp： σcpL＞ ＞ σcpR ＞ σcpT 3.弯曲强度σb和冲击韧性u （1） σbR ＞ σbT （2）①针叶材：uR ＞ uT ；②阔叶材通常关系不定。 4.剪切强度τ ：τ∥ /τ⊥=2.2~6.1 5.硬度H和磨损阻抗 ①HRT ＞ HLT≥HLR，断面大于弦面，弦面大于或等于径面。同 时，硬度的异向性随密度增加而减少。 ②木材磨损量A越大，表示磨损阻抗越小。ALR ≥ ALT ＞ ART 6.抗劈力S：径面和弦面的差异根据纹理通直性和射线组织的发 达程度而异
