木材的力学性能参数分析整理.docx

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木材的力学性能参数分析整理

木

材

的

力

学

性

能

参

数

1.1木材的力学性质………………………………………………P3

2.1木材力学基础理论……………………………………………P3~P8

2.1.1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~P20

3.1.1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~P28

4.1.1力学性质的种类

5.1木材力学性质的影响因素…………………………………P28~P31

5.1.1木材密度的影响

5.1.2含水率的影响

5.1.3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~P33

6.1.1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~P36

1.1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—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，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。

2.1木材力学基础理论

2.1.1应力与应变（stressandstrain）

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、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应力；

压应力：

σ=-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：

σ=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；τ=P/AQ

2.1.1.2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：

ε=±⊿L/L

2.1.1.3应力与应变的关系

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（σM）;

破坏应变：

M点对应的应变（εM）。

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（σY）。

2.1.2弹性和塑性（elasticityandplasticity）

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（complianceandmodulus）

在弹性限度范围内,大多数材料应力与应变间有如下关系:

σ=Eε，（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=σ/ε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=ε/σ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（maximumloadinganddestroyloading）

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，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

3.1.2.1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τ与剪切应变γ之间在小的范围内符合：

τ=Gγ或G=γ/τ

G为剪切弹性模量，或刚性模量。

泊松比µ：

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（）。

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EL>>ER>ET

几种木材的弹性常数

材料

密度

g/cm3

含水率%

EL

MPa

ER

MPa

ET

MPa

GLT

MPa

GLR

MPa

GTR

MPa

μRT

μLR

μLT

针叶树材

云杉

0.390

12

11583

896

496

690

758

39

0.43

0.37

0.47

松木

0.550

10

16272

1103

573

676

1172

66

0.68

0.42

0.51

花旗松

0.590

9

16400

1300

900

910

1180

79

0.63

0.43

0.37

阔叶树材

轻木

0.200

9

6274

296

103

200

310

33

0.66

0.23

0.49

核桃木

0.590

11

11239

1172

621

690

896

228

0.72

0.49

0.63

白蜡木

0.670

9

15790

1516

827

896

1310

269

0.71

0.46

0.51

山毛榉

0.750

11

13700

2240

1140

1060

1610

460

0.75

0.45

0.51

3.1.3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-----加载后的瞬间弹性变形，AB-----蠕变过程，（t0→t1）t↗→ε↗BC1----卸载后的瞬间弹性回复，BC1==OA，C1D----蠕变回复过程，t↗→ε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。

3.1.3.2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，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。

3.1.3.4蠕变的影响因素

（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。

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。

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—时间曲线

Kitazawa松弛公式：

σt=σ1（1-mlogt）

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:

3.1.5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：

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—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OA-早材的弹性曲线AB-早材压损过程曲线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1/35～1/65。

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:

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（compressionstrengthparalleltothegrain）我国木材顺压强度平均值为45MPa。

测试方法：

20×20×30mm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》（GB1927-1943-91）规定，只测定短柱的最大抗压强度。

其试样尺寸为20×20×30mm，长度平行于木材纹理；σw＝P/ab

σ12＝σw[1+0.05（W-12）]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（％）；σw、σ12——木材气干状态、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117.7－147.1MPa，为顺纹抗压强度的2－3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-C、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。

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1.5-2.0分钟内使试样破坏。

顺纹抗拉强度按下式计算。

σw＝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l/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20×20mm，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30×20×5mm。

抗弯强度用下式计算

σw＝3PL/2bh2（Mpa）

σ12＝σw[1+0.04（W-12）]（Mpa）

式中：

σw——木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。

梁在承受荷载时，其变形与弹性模量成反比，弹性模量大，变形小，其木材刚度也大

4.1.1.6抗剪切强度

1.一般只测顺剪强度，平均只有顺压强度的10-30%。

纹理较斜的木材，如交错纹理、涡纹、乱纹等顺剪强度较大。

2.分类：

顺纹剪切强度、横纹剪切强度

木材抗剪试样与受力支架

1—附件主杆2—块3—L形块4，5—螺杆6—压块7—试样8—圆头螺钉

木材的顺纹抗剪强度视木材受剪面的不同，分为弦面抗剪强度和径面抗剪强度,如图。

剪切面平行于年轮的弦面剪切，其破坏常出现于早材部分，在早材和晚材交界处滑行，破坏表面较光滑，但略有起伏，面上带有细丝状木毛。

剪切面垂直于年轮的径面，剪切破坏时，其表面较为粗糙