木材的力学性质

第8章木材的力学性质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；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上的内力。pPa顺纹理加压 b顺纹理剪切图8-1顺纹理加压与顺纹理剪切N/mm2（=MPa）。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-la）。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-lb）。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。应变也分为正应变8或剪（角）应变Y。正应变在e 0时被称为拉伸变形，在8 V0 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图8-2a模式地表示了应力一应变曲线的特征。即：应力一应变曲线由从原点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& p叫比例极限应力， 对应的应变e p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 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& M称作物体的破坏应力、极限强度等。与破坏应力对应的 应变eM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& Y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 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：b = E(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b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r与剪切应变匕之间，在小的范围内成比例关系，符合虎克定律：T =Gy 或 Y =T /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，用卩表示。8卩二8 ( 8-3)式中，8 表示横向应变，8表示轴向应变，卩为泊松比。卩右边的负号表示8和8的正 负方向相反造成的。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、泊松比卩通常统称为弹性常数。弹性常数用应力一应变 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 )C = - E-1(0GG )L L L LR R LT T:=-E-1(p 0-0 +G )T T TL L TR R T: =-E-i(y o +o -y o )R R RL L R RT TTY =TR-TR GTRT= RL-8-8 )G RLT丫 LT= LT-GLT( 8-9 )式中，:L、C T和J分别表示轴向、弦向和径向之应变；EL、竹和Er分别表示3个方向之弹性模量；oL、o丁和o R分别表示3个方向之应力。卩LR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。卩LR =CR/CL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。丫TR表示T和R轴构成的面(即木材 的横切面)的剪切应变。TRL表示径切面的剪切应力，gtl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/c3含水率%MaMPaMPaU RTU LRU lt针叶树材云杉0.39012松木0.55010花旗松0.5909阔叶树材轻木0.2009核桃木0.59011白蜡木0.6709山毛榉0 7501111583896496690758390.430.370.471627211035736761172660.680.420.511640013009009101180790.630.430.376274296103200310330.660.230.491123911726216908962280.720.490.6315790151682789613102690.710.460.511370022401140106016104600 750 450 51注：E代表弹性模量，G代表剪切弹性模量，p代表泊松比。E顺纹（L）弹性模量；E水平径向（R）弹性模量；E水平LRT弦向（T）弹性模量。G 顺纹-弦面剪切弹性模量；G 顺纹-径面剪切弹性模量；G 水平面剪切弹性模量。p T向压力LTLRTRRT应变/R向延展应变；p R向压力应变/L向延展应变；p T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（耳）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eleret。LR TL R T若以el/er、el/et、er/et作为各向异性的程度（异向度），根据不同树种的平均值，针叶树材RT R T的 Er/Et=1.8, E /ER=13.3, E /Et =24；阔叶树材的 Er/Et=1.9, E /Er=9.5, E /Et =18.5。针叶树R TRTR TRT材的异向度比阔叶树材高，这主要是由于细胞结构变异小的缘故。径向-水平面的弹性模量 约比弦向-水平面的弹性模量大 50%，这主要是由于径向水平面有水平方向排列的细胞（射 线），以及径切面与弦切面间的微纤丝排列方向略有不同。木材的剪切弹性模量的规律为GlrGltGrt，横切面上值最小，针叶树材的三者之比为20.5：17：1，阔叶树材的三者之比为4.3：3.2：1。径切面和弦切面的剪切弹性模量分 别与径向和弦向的弹性模量值相近，即G二Er , glt - et。木材的弹性模量E和剪切弹 性模量G都有随密度Q增大而增加的趋势。木材的泊松比与其它材料相比为大，在正交异向上表现为卩RL 卩LT 卩LR。8.3 木材的粘弹性与弹性材料相对，还有一类黏性流体。黏性流体没有确定的形状，在应力7作用下，产 生应变8，应变8随时间的增加而连续地增加，除去应力b后应变不可回复，黏性流体所 表现出的这个性质就被称为黏性。目前，将讨论物体在外力作用下产生变形和流动的研究， 即讨论材料荷载后的弹性和黏性的科学称为流变学。木材作为生物材料同时具有弹性和黏性两种不同机理的变形。木材在长期荷载下的变形 将逐渐增加，若荷载很小，经过一段时间后，变形就不再增加；当荷载超过某极限值时，变 形随时间而增加，直至使木材破坏，木材这种变形如同流体的性质，在运动时受黏性和时间 的影响。所以，讨论木材的变形时，需对木材的弹性和黏性同时予以考虑，将木材这种同时 体现弹性固体和黏性流体的综合特性称作黏弹性。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。8.3.1 木材的蠕变在日常生活中，人们有时会看到书架中的木搁板因一直放置大批较重的书籍，由新时的 非常平直逐渐被压弯变形，几年后就会出现明显的弯曲形状。这种现象就与木材的蠕变特性 有关。8.3.1.1 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称为蠕变。 Denton 和 Riesenberger 证明，若木梁承受恒载为最大瞬时荷载能力的 60%，受蠕变影响， 大约一年就破坏了。木材使用时承受不超过比例极限的荷载，由于蠕变而形成持续的、速度 是递减的变形，直至破坏时所发生的变形约2 倍于前一种情况的变形。8.3.1.2 蠕变曲线 木材作为高分子材料，在受外力作用时，由于其黏弹性而产生 3 种变形：瞬时弹性变形、黏弹性变形及塑性变形。与加荷速度相适应的变形称为瞬时弹性变 形，它服从于虎克定律；加荷过程终止，木材立即产生随时间递减的弹性变形，称黏弹性变 形(或弹性后效变形)；最后残留的永久变形被称为塑性变形。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。塑性变形是纤维素木材的蠕变曲线如图8-4所示，横坐标为时间，纵坐标为应变。t0时施加应力于木材， 即产生应变OA,在此不变应力下，随时间的延长，变形继续慢慢地增加产生蠕变AB。在 时间t1时，解除应力，便产生弹性恢复BC( (=OA),至时间t2时，又出现部分蠕变恢复(应 力释放后随时间推移而递减的弹性变形)，q到D是弹性后效变形CC2, t2以后变形恢复不 大，可以忽略不计，于是c2c3即可作为荷载一卸载周期终结的残余永久变形(塑性变形)。 木材蠕变曲线变化表现的正是木材的黏弹性质。8.3.1.3 蠕变规律 根据上述蠕变曲线分析木材等黏弹性材料，可得如下几点结论。(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。8.3.1.4 单向应力循环加载时的蠕变特点 以一个方向的应力循环作用于木材，如图8-5 所示，每个应力加载卸载周期都会残留一个变形，如 OB,BB 等；在热力学上， AB，ABB曲线所包围的面积相当于各周期中能量的消耗。从图中可以看出，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，材料 内部熵的损耗增大，同时造成材料蠕变的不可恢复部分越来越大。8.3.1.5 蠕变的消除 如图8-6 所示，对木材等黏弹性体施加一荷载，荷载初期产生图8-6多向应力作用下蠕变的消除应力一应变曲线OA，卸载产生曲线AB , 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BC 这段曲线；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，产生应力一应变曲线DE，也不能恢复到原形，残留负向的永久变形E0。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FA，与原曲线构成一个环状闭合。ACDF封闭曲线所包围的面积相当于整个周期中的能量损耗。8.3.1.6 建筑木构件的蠕变问题 建筑木构件长期承受静载荷，所以必须考虑有关蠕 变问题。现将有关结论介绍如下：（1）针叶树材在含水率不发生变化的条件下，施加静荷载小于木材比例极限强度的75% 时，可认为是安全的。但在含水率变化条件下，大于比例极限强度 20%时，就可能产生蠕 变，随时间延长最终会导致破坏；（2）若木材由于静荷载产生变形，其变形速率逐渐降低，则变形经一定时间后最终会 停止，这种情况下木结构是安全的。反之，如果变形速率是逐渐增加的，则木结构的设计不 安全，最终会导致破坏；（3）如果木横梁承受的荷载低于其弹性极限，且短期受载即卸载，它将恢复其原有的 极限强度和弹性；（4）含水率会增加木材的塑性和变形。在含水率升高的时候，同样荷载下的木材会产 生变形增加；当含水率降低到原来程度时，变形却不会退到原来含水率的状态，也就是说， 由于含水率的增加，木材受一定荷载产生的变形是可以累积的。若含水率变化若干周期后， 木材的蠕变量会很大，甚至最后会发生破坏；（5）温度对蠕变有显著的影响。当空气温度和湿度增加时，木材的总变形量和变形速 度也增加。一般情况下，空气相对湿度的波动范围较小，而木构件尺寸较大，所以主要受温 度影响，其规律为，温度越高，木材纤维素分子链运动加剧，变形增大。夏季木梁变形大即 符合此原理。8.3.2 木材的松弛在日常生活和生产实践中，人们发现初始钉入木材中的钉子或榫十分紧固，但经过长时 间之后却发生了松劲，这种现象就与木材的松弛有关。8.3.2.1 松弛 若使木材这类黏弹性材料产生一定的变形，并在时间推移中保持此状态，就会发现对应此恒定变形的应力会随着时间延长而逐渐减小，这种在恒定应变条件下应力随时间的延长而逐渐减少的现象称为应力松弛，或简称松弛。产生蠕变的材料必然会产生松弛。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。木材之 所以产生这两种现象，是由于它是既具有弹性又具有塑性的黏弹性材料。松弛弹性模量E(t)。8.3.2.2 松弛曲线 松弛过程用应力时间曲线表示，应力时间曲线也被称作松弛Kitazawa 根据木材的刚性找出了测定固体的松弛曲 线公式：8-10)b(1 - m log t)t1式中，t为某一时间，b t为t时间的应力，b 1为单位 时间内的应力， 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。8.3.2.3 松弛弹性模量 单位应变的松弛应力称为称为缓8-11)式中，E(t)为松弛弹性模量；弹性模量E为缓和时间九的函数，用E(九)表示, 和时间分布或松弛波谱。8.3.3 木材的塑性木材作为承重构件使用时，必须避免塑性变形的产生，设计应力或荷载重应控制在弹性 极限或蠕变极限范围之内。但在弯曲木、压缩木、人造板成型加工时，又必须掌握应用塑性 变形的条件，以尽快增加木材的塑性变形。8.3.3.1 塑性与塑性变形 当施加于木材的应力在其弹性限度以内时，去除外力后变 形将回复原尺寸；当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。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。与其他材料相比，木材特 别是气干材，因屈服点不明显，且破坏也较小的缘故，所以一般被认为是塑性较小的材料。8.3.3.2 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。多孔性的树种如栎、白蜡木、榆木等在承受弯曲加工时塑性大，是因为变形时坚强的韧 型纤维对邻近的导管施加压力，导管的强度降低，因而导管壁被迫向腔内溃陷产生塑性变形， 被坚固的韧型纤维占据其空隙。木材的塑性随含水率的增加而增大，但在0C以下，木材细胞腔内所含水分结冰，使其 塑性降低。木材的塑性也随温度的升高而加大，这比含水率所起的作用明显，这种性质往往被称为 热塑性。木材中木质素是热塑性物质，其软化点在全干状态下为127193C，在湿润状态下 显著降低，为77128C。半纤维素由于吸着水的存在，其软化点的降低和木质素有相似情 况，在湿润状态下为7080C。纤维素的热软化点在232C以上，其结晶性不受水分的影响， 但纤维素的玻璃态转变温度随含水率的增加而降低。木材在湿润状态下加热时，有显著软化 的可能性。温度升高后，往往使木材变脆，因此，要加大木材的塑性，既要提高含水率，又要升高 其温度，通常较好的方法是水蒸气处理或水热处理。提高木材塑性的方法还有添加增塑剂，使高分子的分子间结合力减弱，使得塑性变形易 于发生。应该注意的是，木材的所谓“塑性”有别于其它塑性材料。通常的塑性材料，在外力去 除后，形状并不随外力的去除而发生改变，而残留了变形，且这个变形一般不随温度、湿度 等外部条件的变化而改变，所以被称为永久变形。木材的“塑性”则表现为在外力去除后的 一段时间内形状或变形不发生改变，外力施加的能量被木材的结合机构（在外力施加时所形 成的一些氢键结合）所束缚，即木材细胞壁骨架物质纤维素因被迫变形所积蓄的弹性能 量无法释放，其变形被暂时固定，这时木材处于一种稳态，于是被认为是具有了一个塑性变 形，但实际上这种稳态需要一个“外界条件也不发生变化”的前提才能够维持下去。一旦外 界条件发生了变化，如温度升高、含水率加大时，木材内部活性化学基团的活动程度和连接 方式将发生改变，一些氢键结合被打开，导致木材构造移动或改变，这时原先被固定住的能 量随结构的松动而被释放，木材细胞壁纤维素的弹性恢复，在木材内部产生恢复其原有形状 的力的作用，使木材现存的变形反向变化，在宏观上就表现为木材的变形逐渐回复、消失。 所以，一般情况下（如压缩后如干燥变形固定）木材的“塑性”是相对的、有条件的、非永 久性的。只有采用化学处理、水热处理、水蒸气处理等方式或者消除木材的内部应力、或者 使分子基团间产生交联结合、高凝聚态结合等稳定的结合，才有可能使木材的变形达到永久 固定的目的。8.3.3.3 木材塑性的应用 木材的塑性在有些场合会发挥积极的作用。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。在木材横纹压缩变形的定型处理中，通常以高温和高湿条件保持住木材的形变，正是利 用了温度和含水率对木材塑性变形的影响。在微波加热弯曲木材处理时，会使木材的基体物质塑化，使其变形增加到原弹性变形的 30 倍，产生连续而又平滑的显著变形，而不出现弯曲压缩侧微细组织的破坏，是木材塑性 增大的一个典型实例。8.4 木材的强度、韧性与破坏8.4.1 木材的强度强度是材料抵抗所施加应力而不致破坏的能力，如抵御拉伸应力的最大临界能力被称为 抗拉强度，抵御压缩应力的最大临界能力称为抗压强度，抵御被弯曲的最大临界能力被称为 抗弯强度等。当应力超过了材料的某项强度时，便会出现破坏。强度以N/mm2 （=MPa）为 单位，表示单位截面积上材料的最大承载能力。木材是各向异性的高分子材料，又易受环境因素影响，其强度因所施加应力的方式和方 向的不同而改变。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，其具体试验方法和变化规律可详见本 章第 5 节。木材强度的各种影响因素将在本章第6 节具体论述。8.4.2 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值。韧性以KJ/m2为单 位。材料的韧性越大，则被扩展出一个裂隙乃至破坏所需的能量越高，同时，达到破坏之前 所能承受的应变值也越大。韧性材料往往是强度大的材料，但也有许多实例说明这两个参数并无因果关系。例如， 陶瓷等强度很大的材料，却表现很脆（在很小的应变条件下就会破坏；在受到冲击力作 用时容易破坏即缺乏韧性），而有些韧性材料，例如铝，能够承受很大的应变而不致断裂， 却天生强度就很弱。因此，虽然强度和韧性最终都会达到被破坏的水平，但二者所表述的概 念不同，应避免混淆。木材是具有一定韧性的材料，在国家标准中采用冲击韧性参数来表征其韧性，详见本章 第5 节。8.4.3 木材的破坏8.4.3.1 破坏 对于木材，其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。破坏 是木材作为建筑材料在安全设计中必须考虑的一个重要因素。木材的强度超过极限应力就会 出现破坏。除了日常生活中常见的灾难性的结构破坏，木材还有许多微（内部）破坏，如木材干燥 时出现的皱裂、干裂；伐倒木出现的压裂；防腐加压浸注时的纹孔破裂等。破裂会关系到木 材的强度或浸注性等。8.4.3.2 木材破坏的原因 木材细胞壁主要由纤维素、木质素和半纤维素组成。纤维 素赋予木材弹性和强度；木质素为不定型物质，赋予木材硬度和刚性；在细胞壁起填充和部 分胶着作用的是半纤维素，它赋予木材剪切强度。纤维素链状分子顺着细胞壁的长轴平行排 列，横向以氢键结合构成微纤丝，微纤丝侧面之间除通过氢键结合，局部尚以果胶质胶着。 细胞壁与细胞壁之间靠胞间质胶着。木材横向强度远低于纵向自身的联接强度。因此，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。8.4.4 单轴应力下木材的变形与破坏特点8.4.4.1 顺纹压缩 顺纹压缩破坏的宏观征状：肉眼见到的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。破坏线与主轴的倾角常取决于木材密度，密度大，倾 角小。实验结果栎木为57、松木为 59.5、云杉为 70、冷杉为84.5。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，破坏一般 出现在木材荷载与之接触的地方，是由应力集中引起的。干的木材通常在未发生任何明显扭 曲之前，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。而干燥的硬材仅发生剪切破坏，不会发生端部压皱现象，这是由于应力集中的现 象比软材小得多，并且由于空隙度小、强度大的解剖分子比软材多，不易压皱。中等硬度的 木材破坏，有时端部压溃，有时产生剪切破坏。连续破坏线一般出现于弦面，因为木材径切 面刚性大于弦切面，这主要是木射线在径切面为骨架，起支撑作用，以及微纤丝在细胞壁径 切面与木射线相交，产生局部扭转对剪切面方位造成了影响。径向压缩制成的压缩木，当顺 纹压缩破坏时，剪切出现在径切面上。弦向压缩制成的压缩木，顺纹加压破坏时，剪切仍出现在弦切面上。因此，射线被压皱会引起顺纹理加压破坏时剪切面发生转向。顺纹压缩破坏的微观特征：最先在纤维细胞壁上产生单一错位的裂纹状细线，称滑移线 或滑移面，随着压力加大，变形随之增加，这些细线纹越来越多，直到它们形成纵横交错的 网纹为止，这个过程属于初期破坏。随后在细胞壁这些细线纹地方产生剪切破坏，剪切破坏 多了，整个细胞壁便扭曲。受压的皱痕使整个破坏区的细胞壁都扭曲。扭曲是木材纤维受力 后弯曲而偏离原轴线，但纤维间仍保持彼此平行。它是木材受压破坏后厚壁细胞的特征。到 破坏后期，早材细胞常发生扭曲，以适应木材破坏的外形。对于马尾松、落叶松等早晚材急 变的针叶树材，或硬阔叶树环孔材等，因致密的晚材细胞壁能承受更大的压缩载荷而未发生 明显变化，这类木材的破坏形式是早材细胞的扭曲。8.4.4.2 横纹压缩木材是一种多孔性天然弹、塑性的高分子材料，在一定条件下可以不破坏其结构，而塑 化压缩密实，以提高密度和改善其物理、力学性质。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，以往学者们认为需分为常规型 和三段型两种类型。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，应力应变曲线具有三个不同的区域，这3 个区域具有不同的斜率，第一个区域为早材的弹性曲线；第二个区域是早材压损过程曲线； 第三个区域是晚材的弹性曲线。弦向受压时，不出现3 段式曲线。刘一星、则元京等通过大量研究证实，上述木材横纹压缩变形时的应力应变规律的描 述存在一定不足。他们采用很宽密度范围（0.11.3g/cm3）的木材为试样，分别在气干20C、 饱水20C和饱水100C条件下进行横纹大变形范围的压缩实验,用计算机实时采集应力一应 变数据进行采集，对数据分析后提出，当木材受到横纹方向的大变形范围压缩的情况下，可 由屈服点应变y和细胞壁压密化临界应变ed （即压缩过程中细胞腔完全被填充而消失时刻 的应变），将应力应变曲线为三个阶段，即细胞发生微小变形，应力与应变呈比例直线上6000.10.20.30.40.50.60.70.8图8-8饱水 100C、无约束条件下的木材横纹压缩应力一应变曲线图升的弹性变形领域（8S y ）；在越过 屈服点之后较宽的变形范围，细胞逐渐 被压溃，胞壁发生向腔内塌陷的弯曲和 压屈变形，应变迅速增大而应力仅略有 增加的应力应变曲线平坦领域（8 y 8 8y，-1 + CU -（8-Q /E） - 1dy8-12）式中：E为横纹方向的弹性模量；b y为屈服点应力；8 y为屈服点应变；8 d为细胞壁压 密化邻界应变；C为表示屈服点后应力增大速率的参数；P，Ps分别为木材密度和木材细胞 壁物质密度；K为由压缩试验的约束条件等因子所决定的常数，0VKW1。木材横纹压缩时，宏观变化首先是纤维受压变紧密。局部横压时，承受板凹陷入木材， 木材与承受板接触部分的纤维破坏，远离承受板的纤维未受影响。当荷载继续增加时，试件 未受压的端部会突出，或呈水平劈裂。木材横压时的显微变化主要是细胞的横截面变形，若施加的压缩载荷足够大时，这种变 形将继续扩大，直至载荷超过木材的弹性极限后，木材外部纤维及其邻接纤维溃坏，并变得 紧密，产生永久变形。外部纤维破坏最大，也压得最紧密。横压试件由外向内纤维遭受的破 坏和被压程度顺次变小。木材这种重新分配应力和吸收能量的功能，对于承压垫板，特别是 木结构的节点联结处尤为重要。在用螺栓、齿板等钢构件将木构件相互联结在一起的场合， 常用来传递构件的内力。8.4.4.3 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%。顺纹拉伸时，微纤丝之间产生滑移使 微纤丝撕裂破坏，其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。腐朽材和热带脆心材，两者比值较小，且由 于腐朽所产生的酸质使纤维素解聚，对大气湿度敏感性增加，这两个因素大大削弱了木材的 顺拉强度，微纤丝少量出现滑行现象，而造成拉断破坏，断面处常较为平整，木茬较短。8.4.4.4 横纹拉伸木材横纹拉伸分径向拉伸和弦向拉伸。横纹拉伸除了径向受拉时，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。木射线只占木材体积的 7%12%， 该组织的细胞壁较薄，所以径向拉伸时参与轴向拉伸的微纤丝数量比顺纹拉伸时少得多。此 外，细胞壁胶着物的抗拉强度对木材的横拉强度起主要作用，胶着物的抗拉强度很低。所以 木材的横纹拉伸强度很低，只有顺纹拉伸强度的1/351/65。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。针叶材和环孔材弦向拉伸时，参与 拉伸的微纤丝数量比径向拉伸时多，这是因为径向拉伸时应力集中在早材部分。散孔材参与 横向拉伸的微纤丝不论在径向或弦向都是一样的，但这些树种的木材在径向拉伸时还有参与 轴向拉伸的微纤丝。其中散孔材径向拉伸的强度大于弦向。木材受横拉破坏时，壁薄的细胞 被纵向撕裂，壁厚的细胞常沿着初生壁拉开。因此，在任何木结构的部件中都要尽量避免产生横纹拉应力，因为木材横纹拉伸的抗拉 强度特别低，且木材在干燥过程中往往发生开裂，从而导致木材横纹拉伸的抗拉强度更低。8.4.4.5 顺纹剪切 按剪切力与木材纹理方向之间的关系，可分为顺纹剪切、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，但略有起伏，带有细丝状木毛。径切面剪切破坏（剪切面垂直于年轮），其表面较粗 糙，不均匀且无明显木毛，在放大镜下，可观察到早材的一些星散区域上带有细木毛。在显微镜下观察，顺纹剪切破坏在晚材中剪切产生于细胞壁之间，而在较轻的木材中产 生于早材细胞的细胞壁本身，最初在细胞壁上出现的细裂纹与细胞长轴成一定角度，与拉伸 破坏的裂纹一样。这些裂纹逐渐增宽，直到细胞壁完全撕裂，只剩下一些细丝存在于裂缝中，也就是最后可在弦面上看到的细丝状木毛。8.5 木材主要力学性能指标木材的主要力学性能指标被根据外力作用的种类、载荷、加载速度等，按如下名称划分： 根据外力种类划分有：压缩强度（包括顺纹抗压强度，横纹抗压强度，局部抗压强度）、 拉伸强度（包括顺纹抗拉强度，横纹抗拉强度）、抗弯强度、抗剪强度、扭曲强度、冲击韧 性、硬度、抗劈力等。按加载速度和作用方法划分有：静态强度、冲击强度、疲劳强度、蠕变强度。8.5.1 抗压强度静态试验指按一定速度（加载速度或变形速度）缓慢施加外力的试验。该强度叫做静态 强度，是判定和评价材质的基本数据。8.5.1.1 顺纹抗压强度 顺纹抗压强度指平行于木材纤维方向，给试件全部加压面施加载荷时的强度。顺纹抗压试验遵照国家标准GB193591木材顺纹抗压强度试验方法进行，试件断 面径、弦向尺寸为20X20mm,高度为30mm。计算公式：PC 二一ma（ MPa）W bt（8-13）式中，P 为最大载荷（N）, b、t为试件宽度、厚度（mm）。max我国木材的顺纹抗压强度平均值为45MPa,顺纹比例极限与强度的比值约为0.70,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。木材的顺纹抗压强度一般是其横纹抗压强度的515倍，约为顺纹抗拉强度的50%。8.5.1.2 横纹抗压强度横纹抗压强度指垂直于纤维方向，给试件全部加压面施加载荷时的强度。横纹抗压试件尺寸为：全部受压20X20X30mm,局部受压20X20X60mm。计算公式：Pb=（ m p a全部横压 yW bL（8-14）式中，P为比例极限载荷（N）, b为试件宽度（mm）, L为试件长度（mm）。Pb=（m p a局部横压 PW bt（8-15）式中，P为比例极限载荷（N）, b为试件宽度（mm）, t为压板宽度（mm）。上两式中，横纹压缩不能明确地判别出最大应力，通常用比例极限荷重P代替式中的最大荷重P 进行计算。比例极限荷载P需从荷载一应变图上确定。max用范围较广，如枕木等。图8-9不同方向压缩时的应力-应变图木材的局部横纹压缩比例极限应力高于全部横纹压缩比例极限应力。同时，局部横压应横纹压缩根据年轮走向，加压面分为径切 面、弦切面及混切面。图 8-9 是顺纹压缩、横纹不同切面压缩时的 应力一应变曲线。径向压缩时弹性领域和塑性 领域的界线有明显的屈服点，随着进一步压密 细胞空隙部的变形逐渐减小，应力再次急剧增加。弦向和侧向压缩时弹性领域和塑性领域的界线和屈服点都不明显，前者产生弯曲压曲（纵 向压曲），后者早材部产生滑动压曲。横向压缩加压方向与强度的关系是：针叶材径向弦 向侧向，阔叶材径向弦向a侧向，其比率因树种而异。局部压缩时，与加压板接触的附近应力分布复杂，并受压缩材余长的影响。因此与起端 部加压相比，中央加压时的比例极限应力大。8.5.2 抗拉强度根据拉伸应力的加载方向有顺纹抗拉强度和横纹抗拉强度之分。顺纹拉伸往往发生滑 移、压碎等，实验有一定困难。因此，试件两端被夹紧部位的截面积远大于拟被拉断的部位 （见图 8-10）。顺纹和横纹抗拉强度均采用如下公式计算：b = max （MPa）W tb（ 8-16）式中，PmaX为最大载荷（N），t、b为试件厚度、宽度（mm）。8.5.2.1 顺纹抗拉强度木材顺纹抗拉的试件制作遵照国家标准GB193891木材顺纹抗拉强度试验方法, 形状及尺寸见图8-10，目的是使试件的中部局部削弱，确保试件产生拉伸破坏。图8-10顺纹拉伸强度试验的试样1.试样；2.木夹垫；3.木螺钉顺纹抗拉强度是木材的最大强 度，约两倍于顺纹抗压强度， 1240 于横纹抗压强度， 1016 倍于顺纹抗 剪强度。木材顺纹抗拉强度取决于木材纤 维或管胞的强度、长度及方向。纤维 长度直接涉及微纤丝与轴向的夹角 （纤丝角），纤维越长，纤丝角越小， 则强度越大。密度大者，顺纹抗拉强 度也大。8.5.2.2 横纹抗拉强度木材抵抗垂直于纹理拉伸的最大应力称为横纹抗拉强度。木材横纹抗拉强度的值通常很低，且在干燥过程中常常会发生开裂， 导致木材横纹抗拉强度完全丧失。因此，在任何木结构部件中都要尽量避免产生横纹拉伸应 力。横纹抗拉强度值很低，通常仅为顺纹抗拉强度的 1/101/65。由于横纹抗拉强度不很重要，且使用较少，这里不介绍实验方法和影响因素。有时，横纹抗拉强度可以作为预测木材 干燥时开裂易否的重要指标。8.5.3 抗弯强度与抗弯弹性模量木材抗弯强度和抗弯弹性模量是木材最重要的力学指标。前者常用以推测木材的容许应 力，后者常用以计算构件在荷载下的变形。图8-11抗弯强度试验装置1.试机压头；2.试机支座；3.试样；4.钢垫片8.5.3.1 抗弯强度 木材的抗弯强 度亦称静曲极限强度，为木材承受横向荷 载的能力。由于抗弯强度的容易测试以及 在实际应用上的重要性，所以在材质判定 中使用最多。顺纹抗拉强度测试遵照国家 标准GB1936.191木材抗弯强度试验 方法，试验装置如图8-1 1 所示。试件尺 寸为20 X 20 X 300mm ,支座跨距为 240mm,抗弯强度采用中央加荷作弦向弯 曲，计算公式为：3P Lb = max （MPa）bW2bh 28-17)式中，Pma为最大载荷（N）, L为两支座距离（mm）, b为试件宽度（mm）, h为试件 高度（ mm）。木材抗弯强度介于顺纹抗拉强度和顺纹抗压强度之间，各树种的平均值约为90MPa左 右，针叶树材中最大的为长苞铁杉122.7MPa,最小的为柳杉53.2MPa；阔叶树材中最大的 为海南子京183.1MPa,最小的为兰考泡桐28.9MPa。径向和弦向抗弯强度间的差异主要表 现在针叶树材上，弦向比径向高出10%12%；阔叶树材两个方向上差异一般不明显。8.5.3.2 抗弯弹性模量 木材抗弯弹性模量代表木材的劲度或弹性，是木材产生一个 一致的正应变所需要的正应力，亦即比例极限内抵抗弯曲变形的能力。木梁在承受荷载时， 其变形与其抗弯弹性摸量成反比，木材的抗弯弹性模量值越大，则越刚硬，越不易发生弯曲 变形；反之，则比较柔曲。验装置如图 8-12。图8-12抗弯弹性模量试验装置1.百分表架；2.试样；3.百分表顺纹抗弯弹性模量测试遵照国家标准GB1936.291木材抗弯弹性模量试验方法，试试件尺寸为20X20X300mm,支座跨距为 240mm,采用离支座各1/3处两点加荷作弦向 弯曲，计算公式为：E = 23PD （MPa）w 108bh3f（8-18）式中，P为上、下限荷载之差（N）, L为 两支座距离（ mm），b 为试件宽度（ mm），h 为试件高度（mm）, f为上、下限荷载间试件中 部的挠度（ mm）。由于各向异性，木材三个方向的抗弯弹性 模量不同，通常径向及弦向仅为顺纹的 1/201/12。对于木梁而言，顺纹抗弯弹性摸量 最为重要。针叶树材中顺纹抗弯弹性摸量最大 的为落叶松14.5GPa，最小的为云杉6.2GPa；阔叶树材中最大的为蚬木21.1GPa,最小的为 兰考泡桐 4.2GPa。8.5.3.3 木材抗弯强度与抗弯弹性模量的关系 柯病凡根据356个树种在含水率15% 时的木材抗弯强度和抗弯弹性模量，发现二者之间存在着密切的线性相关性，并得出关系式：Ew = 0.086b bw + 33.7(MPa)(相关系数 r=0.84)(8-19)这种相关对于建筑用材的应力分级具有一定的实用意义。因为抗弯弹性模量在测定时常 需要比较灵敏的仪表，又费时，所以为了简便，可用上式由抗弯强度计算预估抗弯弹性模量， 以满足需要。8.5.4 抗剪强度和扭曲强度8.5.4.1 顺纹抗剪强度 当木材受大小相等、方向相反的平行力时，在垂直于力接触面的方向上，使物体一部分 与另一部分产生滑移所引起的应力，称为剪应力。由于剪应力的作用使木材一表面对另一表 面的顺纹相对滑移造成的破坏，称为剪切破坏。木材抵抗剪应力的能力称为抗剪强度。木材用作结构材时，常常承受剪切力，例如，当梁的高度大、跨度短，承受中央荷载时， 产生大的水平剪应力；木材接榫处产生平行或垂直于纤维的剪应力；螺栓联结木材时也产生 平行和垂直于纤维的剪应力。胶合板和层积材常在胶接层产生剪应力。顺纹抗剪强度是剪切 强度中最小的，在木材使用中最常见顺纹剪切破坏，所以经常测试它。抗剪强度测试遵照国家标准GB193791木材抗剪强度试验方法，试件尺寸厚度为 20mm,分径面与弦面两种。先测试样剪切面的宽度（b）和长度（1）,准确至0.1mm,按图图8-13顺纹抗剪试验装置1.附件主体；2.楔块；3. L形垫块；4、5螺杆；6.压块；7试样；&圆头螺钉8-13 把试样装在实验装置内,使压块中心对准试机上压头的中心位置；荷载速度为15000N/min20%，记录下破坏时的最大荷载,并立即测定试件含水率。抗剪强度的计算公式为：P -cos0maxbl(MPa)8-20)式中，W为顺纹抗剪强度（MPa），P 为最大Wmax荷载（N）, Q为荷载方向与纹理间的夹角（16 42）,b为试件宽度（mm）, 1为剪切面长度（mm）。然后将试验所得的抗剪强度由下式调整为含水率 12% 之值。t =t 1 + 0.03(W -12)12 W8-21)式中，T 12试样含水率为12%时的弦面或径面的顺纹抗剪强度（MPa）； W 试样含水率（）。木材顺纹抗剪强度较小，平均只有顺纹抗压强度的 10%30%。阔叶树材的顺纹抗剪强度平均比针叶树材高出 1/2。针叶树材径面和弦面的抗剪强度基本相同；阔叶树材弦面的抗剪强度较径面高出 10%30%，木射线越发达，差异越明显。对于纹理交错或斜行、混乱的 木材，其抗剪强度会明显增加。8.5.4.2 扭曲强度 当木杆因外力而扭曲时，杆即环绕其纵轴旋转，这时产生的内阻 力矩成为扭曲。木材因扭曲而破坏时所产生的相应应力称为扭曲强度。扭曲强度在木材作为 螺旋桨、回转轴、车轴、农机零部件等使用中较重要。对于扭曲强度的测试，目前尚无国家 标准。不同形状的等方体试件可分别按下式计算扭曲强度。（1）正方形断面：T D=4.8M/a3Bd（2） 矩形断面：T B = 3Md/ a2 （b-0.63a）（3） 圆形断面：T d = 5.1M/D3（8-22）Bd（4） 环状断面：T d = 5.1M D/ （D4-d4）Bd式中，Md为最大扭转力矩（扭转外力X到中心轴的距离）（kg cm）； a, b为断面边长 （cm）； D， d环形外径及内径（cm）。8.5.5 冲击韧性冲击韧性亦称冲击弯曲比能量、冲击功或冲击系数，是木材在非常短的时间内受冲击荷 载作用而产生破坏时，试样单位面积吸收的能量。冲击韧性试验的目的是为了测定木材在冲 击荷载条件下对破坏的抵抗能力。同时，由于冲击荷载的作用时间短促，比在短时间内受静 力弯曲的破坏强度大，也可作为评价木材的韧性或脆性的指标。通常木梁、枕木、坑木、木 梭、船浆等部件用材都需要有较好的冲击韧性。国际上常用的冲击韧性试验方法有两种：一种是将试样一次击断的摆锤式冲击试验（在 两端支撑梁的中央打击）；另一种是连续敲打的落锤式冲击试验。现行国家标准GB194091 木材冲击韧性试验方法属于第一种方式，试件尺寸为20X 20X 300mm,跨度为240mm, 根据破坏后摆锤在反方向达到的高度或与此对应上升的角度，由下式计算冲击功：Q 二 W（h h ）二 Wl（cos0 cos0 ） （8_23）式中，Q为试样吸收的能量（J）, W为摆锤重量，l为从摆锤支点到打击点的距离（m）, h,e 1为摆锤的起始高度（m）和摆上升角度，h2,e 2为破坏后摆锤达到的高度和角度。木材的冲击韧性由下式求出：A 二1000QbhKJ/m2)8-24)式中，A为试样的冲击韧性（KJ/m2），Q为试样吸收的能量（J）； b，h为试件的宽度