-木材变异与缺陷课件

木 材 学第九章 木材变异与缺陷1.木材的变异性2.木材的天然缺陷3.木材的加工缺陷木 材 学1.1木材的异向性1.1.1木材异向性的概念不管木材的体积大小如何，取自何处，即使是取自同一树种甚至同一株树木，在它的纵向(即树高方向)、径向(垂直于生长轮方向)和弦向(垂直于木射线的方向)这三个主要方向上，木材的物理、力学性质都具有一定的差异，这种在树木生长过程中形成的天然属性称之为木材的异向性。1.木材的变异性木 材 学1.1.2产生木材异向性的原因木材是一种天然生长的材料，主要由纤维素、半纤维素和木质素三种聚合物组成的有机复合体，在构造上是非均一的材料。木材中的细胞除木射线细胞是横向排列外，绝大部分细胞是纵向排列的。而且细胞壁是以次生壁中S2层占绝对优势（7090%），次生壁S2层微纤丝的排列方向几乎与细胞轴向平行。这是木材异向性的主要原因。木 材 学1.1.3木材物理力学性质的异向性木材力学强度的异向性同一种力学强度在木材的三个方向(纵向、弦向和径向)显示出各不相同的测试结果。一般说来，当作用力与木材纵向一致时，其木材的强度最大。木材的各种力学强度均为纵向强度都比横向强度高得多。木材顺压强度比横压强度高得多，俗语说“立柱顶千斤”,正是基于这一道理。因此，在多数情况下木材用于承受压力的场合，常见的有民房支柱、矿井坑木等。木 材 学木材干缩湿胀的异向性木材的干缩湿胀在木材的纵向、弦向和径向呈现出较大的差异。一般说来，纵向收缩最多不超过02，而弦向收缩却高达l2，径向收缩约为弦向的12。依据这一差异，制材和加工时，尽最大可能将木材锯解成径切板。这样，可以大大减少木材的干缩湿胀带来的翘曲变形,并显著提高出材率。木 材 学木材参透性的差异液体和气体渗入木材的速度，沿纵向远远大于横向，径向大于弦向。这说明液体和气体沿纵向容易渗透，有利于木材防腐、滞火、塑化、强化和体积稳定等改性处理药剂的浸注以及着色、油漆和胶合等加工处理。木 材 学木材导热性和导电性的异向性木材的导热性能也依纹理方向不同而异，纵向导热系数较横向大一倍，弦向导热系数略低于径向。研究发现，湿木材纵向电阻最小，导电率最高，而横向(包括弦向和径向)电阻高些，导电率低，并且弦向导电率大于径向。木材的导热和导电性质的异向性对合理地确定木材干燥工艺和木材作为特殊用途的材料具有实际意义。木 材 学木材声共振和传声性能的异向性各种木材的传声速度在纵向最快，径向次之，弦向最慢。试验表明，木材纵向的传声速度为空气传声速度的l016倍(空气传声速度为330.7ms)，径向为46倍，弦向为24倍，三个方向的传声速度之比为纵向：径向：弦向=15：5：3。因此，木材的声共振和传声性能等声学特性被广泛应用于民族乐器制造和建筑工业中。木 材 学1.2木材的变异性由于树木在生长过程中受到形成层原始细胞和分裂生成的新生木质部细胞尺寸变化的影响，受到树木遗传因子和生态环境变化的影响，以及这些因素的相互作用，导致木材的变异性明显。木材构造特征和木材性质因树种不同，或同一树种不同种源、不同树龄、树干不同部位等因素而发生变化。木 材 学1.2.1幼龄材与成熟材幼龄材与成熟材的概念幼龄材这一概念是由Rendle于1958年提出的，有人称之为未成熟材或髓心材。幼龄材是在树干的髓心周围呈近于圆柱状的分布，是形成层原始细胞还没有完全成熟时形成的木材。这种幼龄材圆柱体从树干基部一直延伸到梢部，梢部木材主要是由幼龄材构成。木 材 学成熟材是指幼龄材以外的木材，是由形成层生理上成熟的原始细胞所形成的木材。树木基部的木材则包含有更多的具有较高比重值的成熟材。成熟材的材性趋于稳定。幼龄材与成熟材的许多性质有明显差异。木 材 学幼龄材与成熟材的材性变异木材密度低幼龄材的细胞长度短，在髓心附近的生长轮内，大多数针叶材细胞的长度小于1mm，而且细胞壁较薄，晚材率低。因此，幼龄材密度低，其最低密度仅为成熟材的23，木材强度一般低l530。木 材 学木材干缩率大由于幼龄材细胞壁较薄，细胞长度较短，微纤丝角度较大，因此幼龄材的纵向干缩率明显高于成熟材，最高可达9。在幼龄区内，从髓心向外纵向干缩率逐渐减小，这可能与细胞壁微纤丝角的逐渐减小、细胞长度和纤维素含量逐渐增加有关。木 材 学幼龄材木质素含量高，纤维素含量低。幼龄材中应力木百分率远高于成熟材，幼龄材生材含水率也比成熟材高得多，幼龄材与成熟材性质的差异程度针叶材比阔叶材显著。木 材 学幼龄材与成熟材的划分标准幼龄材与成熟材划分的标准，主要是依据树木胸高位置材性径向变异规律。木材解剖特征、物理力学性质等性状的变异均可以用来区分幼龄材与成熟材的界限，但目前用得最多的材性性状是胸高圆盘上木材纤维(管胞)长度和木材密度两个性状。木 材 学 幼龄材与成熟材的物理力学性质变异木 材 学虚线为幼龄材（6-14年），坐标4为17年，以后类推木 材 学 幼龄材与成熟材的化学性质变异木 材 学1.2.2树木单株内木材性质的变异单株树木内木材材质变异，即株内木材性质变异，主要是形成层老化和环境条件促使形成层活动变化所致。株内材性变异很大，甚至比木材株间材性变异还大。木 材 学生长轮内木材材性变异温带地区生长的树种，在一个生长季节周期内，不同时间生长的木材，即一个生长轮内早、晚木材性质的差异。细胞尺寸的变异针叶材管胞和阔叶材木纤维长度，早材部分小，并向晚材部分增长达到最大。到生长轮末又有下降的趋势。木 材 学生长轮内早材至晚材细胞长度变化的四种模式木 材 学化学成分的变异年轮内早晚材细胞壁化学成分含量研究较少，一般认为晚材纤维素百分率高于早材，其聚合度、排列密度和结晶度也较高。年轮中木素含量最大值在早材，最小值在晚材。木 材 学木材密度的变异木材密度在生长轮内的变化趋势与木材细胞长度的变化相似，早材开始处木材密度最小；向晚材方向，木材密度逐渐增加，至晚材末端密度最大。树种不同，早晚材木材密度差异幅度不同。一般来说，晚材密度是早材密度的1.02.8倍。有的树种早晚材密度差异更大，如长叶松晚材带的密度是早材带的3倍。木 材 学木材力学性质的变异利用连续微型薄片进行拉伸试验，木材力学性质与木材密度和细胞长度具有相似的变化模式。木材的抗拉强度和弹性模量，从早材起点横过生长轮而增加，到早、晚材过渡区急剧上升，晚材处最大。早材顺纹抗压强度、抗拉强度、硬度、抗弯弹性模量等力学强度均较晚材小一至数倍。这与早材细胞壁薄、其胞壁纤丝角度大、纤维素结晶度低、木材密度小有很大的关系。木 材 学径向生长轮间木材材性的变异同一株树木，由髓心向树皮方向，各轮木材性质有较大的差异，这反映了树木生长年龄对木材性质的影响。国内外在木材材性株内径向变异的研究成果较多，特别是很多学者将木材纤维长度和木材密度，作为人工林定向培育木材材质预测的主要依据。木 材 学 马尾松管胞长度的径向变异 木 材 学马尾松基本密度的径向变异木 材 学沿树干高度（纵向）木材材性变异马尾松管胞长度的纵向变异木 材 学马尾松基本密度的纵向变异木 材 学1.2.3树木株间木材性质的变异树木株间木材性质的变异，会因其遗传、年龄、生长环境(例如地理位置、气候、海拔、立地条件等)因素的影响而发生变化。由于生长环境的差异，使得相同树种在不同地区、不同林分生长的木材材性材质存在着变异，甚至同一林分的同一树种林木间，也因生长条件或生长竞争的结果，导致木材性质也有变异，而且在变异程度或方式上具有很大差异。木 材 学不同树龄巨尾桉木纤维长度的纵向变异木 材 学 不同树龄巨尾桉基本密度的纵向变异木 材 学1.2.4木材变异性研究新动向南京林业大学尹思慈教授最近在科学出版社出版次生木质部发育（I）针叶树的专著中，对针叶树木材管胞形态、主要物理力学性质的发育变化提出了许多新的观点，也得到许多有说服力的实验结果。木 材 学两向生长树龄高生长树龄与径向生长树龄高生长树龄是树茎生长至某高度所对应的高生长树龄。即对顶端分生组织分生的是高生长树龄。径向生长树龄是逐年生成生长鞘中各当年所对应的树龄。即对形成层组织分生的是径向生长树龄。木 材 学茎端和形成层两部分随树龄都存在发育变化。茎端原始分生组织是通过形成层对次生木质部建构产生影响。次生木质部的发育同时受顶端和形成层两分生组织存在的时限影响。木 材 学管胞长度发育变化三维图示X、Y轴分别为高、径生长树龄，Z轴是数量性状值。木 材 学2.木材天然缺陷2.1木材天然缺陷概述2.2节子2.3干形缺陷2.4木材构造缺陷木 材 学2.1木材缺陷概述2.1.1.木材缺陷的概念GB/T157872006原木检验术语的定义：凡呈现在原木上能降低其质量，影响使用的各种缺点。GB/T1552006原木缺陷的定义：从原木材身用肉眼可以看到的影响木材质量和使用价值或降低强度、耐久性的各种缺点。木 材 学2.1.2木材天然缺陷的概念存在于活树木材中的缺陷，也称立木缺陷。又可分为：生理性缺陷和病理性缺陷生理性缺陷：指树木在生长过程中受遗传因子影响产生的缺陷。如节子、树干形状缺陷、木材构造缺陷等,属先天性缺陷。病理性缺陷：指树木在生长过程中受到菌类和虫类等生物因子危害而形成的缺陷。如变色、腐朽、虫眼、伤疤等,属后天性缺陷。木 材 学2.2节子2.2.1节子的定义凡包含在树干或主枝木质部中的枝条部分称之。木 材 学2.2.2节子的种类活节由树木的活枝条形成的节子，也称健全节。木 材 学死节由树木的枯死枝条所形成的节子。节子年轮与周围脱离或部分脱离，质地坚硬或松软，在板材中有时脱落而形成空洞。木 材 学腐朽节节子本身已腐朽，但并未透入树干内部，节子周围材质仍完好。木 材 学漏节不但节子本身已经腐朽，而且深入树干内部，引起木材内部腐朽。木 材 学 圆形节、椭圆形节圆形节、椭圆形节 节子节子断面呈圆形或椭圆形，多表现在圆材的表面和呈圆形或椭圆形，多表现在圆材的表面和锯材的弦切面上。锯材的弦切面上。木 材 学条状节在锯材的径切面上呈长条状的节子。木 材 学掌状节在锯材的径切面上，成两相对称排列的长条状节子。木 材 学散生节在树干上或板面上呈单个散生的节子。木 材 学轮生节围绕树干成轮状排列的节子。木 材 学材面节和材边节暴露在宽材面上的节子称为材面节；暴露在窄材面上的节子成为材边节。木 材 学2.2.3节子对材质的影响节子是评定木材等级的主要因子，木材降等有7090的因素决定于节子。节子破坏木材结构的均匀性和完整性活节、死节本身硬度较周围木材大11.5倍，从而增加了切削阻力，难以加工，死节还往往呈孔洞，影响锯材及制品的外观质量。节子降低木材物理力学性能因为节子的纹理方向与木材纵向成一角度，同时还使周围木纤维或年轮弯曲，产生涡纹、乱纹等。木 材 学2.2.4节子的防除与利用节子是树木正常的生理现象，但节子影响木材利用率和制品质量，通常认为是一种缺陷。通过适时打枝，可以培育少节或无节良材。在木材利用上，节子尤其是死节和腐朽节对榫接合、承重木构件等应加以限制。但是节子可以构成美丽的木纹图案，所以节子又是优良的装饰材料和家具材料，西方人对带有节子家装材料情有独钟。木 材 学木 材 学2.3干形缺陷2.3.1定义指树木在生长过程中受到环境条件的影响，使树干形成不正常的形状。2.3.2种类弯曲由于树干变形使原木纵轴偏离两端面中心连接的直线所构成的缺陷。木 材 学树包立木常因枝条折断或树干局部受伤后，在愈伤组织保护和增长过程中，形成封闭或开口式、不同形状和大小的鼓包。园林绿化树木中比较常见。木 材 学 树包纵切面树包在树干上的形态木 材 学 根部肥大根部肥大 树干基部在直径方向上明显增大。树干基部在直径方向上明显增大。木 材 学凹兜或板根树干基部呈凹凸的形状，常见于热带树木。木 材 学椭圆体原木横断面的长径与短径相差悬殊的情形。木 材 学尖削原木两端直径相差悬殊，林缘木或孤立木常见。木 材 学2.3.3干形缺陷对材质的影响弯曲树干：影响木材的强度及利用。但弯曲构件则需要适当弯曲的圆木。大兜和凹兜：降低出材率。但凹兜则是根雕及高级工艺品的好材料，也是装饰微薄木的好材料。椭圆树干：对木材材性和利用影响不大。而枕木生产时选用椭圆形原木，能提高枕木的出材率。尖削树干：加工时容易产生斜纹，降低强度，并增加废材量。木 材 学2.4木材结构缺陷2.4.1定义在原木和锯材中，由于不正常的木材结构所形成的各种缺陷称为木材结构缺陷。木 材 学2.4.2种类扭转纹与斜纹原木材身木纤维排列与树干纵轴方向不一致而形成的呈螺旋状纹理称为扭转纹。原木的扭转纹锯切成板材时，在板面上形成斜纹。木 材 学应力木在倾斜或弯曲的树干，因拉伸或压缩所形成的一种非正常结构特征的木材。应压木应压木应拉木应拉木木 材 学双心木原木一端有两个髓心并伴随独立的年轮系统，而外部被一个共同的年轮系统所包围。木 材 学多心木三根以上树干合生而成。木 材 学偏枯树干局部受创伤或烧伤后，因表层木质枯死裸露而形成径向凹陷的结构。木 材 学夹皮树木受伤部分的树皮和纤维全部或部分包入树干的情形，伴有径向或条状的凹陷。它与偏枯的形成原因和形状均很相似。木 材 学树瘤树干上局部木材组织不正常增长所形成的瘤状物。树瘤的形成多是由于真菌侵入使得树干内部木纤维高度凌乱所致，犹如某些人脖子上长的甲状腺一样。木 材 学拍摄地点：少林寺 灵隐寺 顺德员外故居木 材 学2.4.3木材结构缺陷对材质的影响扭转纹：原木加工成锯材时，严重降低锯材强度。斜纹：降低锯材某些力学性能。偏枯和外夹皮：降低出材率和锯材强度。树瘤：树瘤改变树干局部纹理方向，使局部木材强度降低。木 材 学2.4.4木材结构缺陷的防除与合理利用防除方法：加强营林管理措施。合理利用：树瘤木材能切出非常美丽的花纹，所以是很珍贵的装饰微薄木材料。树瘤薄木的价格比同树种正常木材高810倍，比同树种影木还高23倍。木 材 学树瘤工艺品木 材 学花梨木树瘤果盘 小鞋木豆树瘤果盘木 材 学木 材 学 蚬木树瘤沙发椅木 材 学 黄花梨木镶嵌花梨木树瘤的沙发木 材 学 黑酸枝木镶嵌黄花梨木树瘤的沙发椅木 材 学3.木材加工缺陷3.1 3.1 木材加工缺陷概述3.2 3.2 真菌造成的缺陷3.3 3.3 裂纹3.4 3.4 伤害3.5 3.5 变形木 材 学3.1木材加工缺陷概念加工缺陷是指立木伐倒后在生产、加工和贮存保管过程中，由于受到不良的人机处理或外部生物体侵害而产生的缺陷，包括：变色、腐朽、虫害、裂纹、损伤和变形等，也称伐倒木缺陷或锯材缺陷，属后天性缺陷。木 材 学3.2真菌造成的缺陷木材在生产、加工、保管过程中在变色真菌和腐朽真菌的危害下，使木材产生不正常的变色或腐朽的现象称为真菌造成的缺陷。由于多发生在伐倒木或锯材，所以，又称为伐倒木缺陷或锯材缺陷。主要有：变色、边材腐朽和心材腐朽。木 材 学3.2.1变色变色的定义凡木材天然颜色发生改变的叫做变色。常见的变色为蓝变色。木 材 学变色对材性的影响变色常出现在原木的边材，尤以松木、橡胶木、枫香木和槭木较为常见。变色只影响锯材外观质量，对木材力学强度没有多大影响。所以，在原木或锯材检验标准中很少加以限制。但在实木家具和高级包装箱用材中应加以限制，否则会增加产品表面的颜色处理成本。木 材 学3.2.2腐朽腐朽的定义木材由于木腐菌的侵入分解，逐渐改变其颜色和结构，使细胞壁受到破坏，物理、力学性质随之发生变化，最后变得松软易碎，呈筛孔状或粉末状等形态，这种状态即称为腐朽。木 材 学腐朽的种类边材腐朽树木伐倒后，木腐菌自边材外表侵入所形成。因边腐产生在树干周围的边材部分，故又称外部腐朽。木 材 学心材腐朽立木受木腐菌侵害所形成的心材部分的腐朽。因在树干的内部，故称为内部腐朽。木 材 学腐朽对材质的影响腐朽的不同类型和阶段，对木材物理力学性能的影响明不同。腐朽中期，木材的密度降低，吸湿性显著增加，木材的韧性下降最甚。腐朽后期，木材硬度仅为健全材的1/17/35，甚至几乎完全丧失木材的力学强度和利用价值。由于这类缺陷使锯材降等的比例很高，仅次于节子，所以对于腐朽材应严格加以限制，尤其是承重结构用材。木 材 学3.3裂纹3.3.1定义木材纤维沿纹理方向发生分离所形成的裂隙叫开裂或称裂纹。3.3.2种类径列：从髓心沿半径方向开裂的裂纹。木 材 学环列开裂占年轮圆周的一半或一半以上者为环裂，开裂占年轮圆周不到一半者为轮裂。木 材 学炸裂原木断面径向开裂成三块或三块以上，其中有三条裂口的宽度均等于或大于10mm。木 材 学纵裂在原木的材身或材身与端面同时出现的裂纹。木 材 学3.3.3裂纹对材质的影响裂纹，特别是贯通裂和炸裂，破坏木材的完整性，影响木材的利用和装饰价值，明显降低木材物理力学性能，加工时将大量增加废材量，降低出材率。木 材 学3.3.4裂纹的防除措施干裂预防干裂的有效措施是在造材和木材保管过程中要控制木材中水分的变化速度。震裂和炸裂在采伐、造材和集运等作业中，尽量注意伐倒木不要受到巨大的撞击、震动和重力等作用。木 材 学3.4伤害3.4.1伤害的定义：因各种昆虫、鸟兽的蛀蚀，人为烧伤，或机械损伤等对树木或伐倒木造成的损害。木 材 学3.4.2伤害种类虫害昆虫蛀蚀木材而留下的沟槽和孔洞，通常称虫眼。木 材 学蜂窝状孔洞由白蚁或海生钻孔动物等密集蛀蚀破坏木材，形成蜂窝状或筛孔状者称之。木 材 学鸟害鸟类啄食树干内部的虫类而在圆材表面留下的孔洞。木 材 学采脂伤、砍伤或锯伤在林木调查、采伐、运输、归楞和造材等过程中，原木因各种工具或机械造成的损伤。木 材 学砍伤或锯伤原木因各种工具或机械造成的损伤。木 材 学抽心树木伐倒时，未锯透的部分产生抽拔或撕裂所造成的损伤。木 材 学3.4.3伤害对材质的影响虫害对材质的影响表面虫眼常可刨削除去，不留或很少残留，对加工利用影响较小。深而大的虫眼，既破坏木材的完整性和外观，又明显降低木材的物理力学性能，影响加工性能和使用。蜂窝状孔洞对木材的破坏很严重，可以使木材完全丧失材性。木 材 学机械损伤对材质的影响破坏木材完整性，降低木材质量，损害木材外观。木 材 学3.5锯材缺陷3.5.1锯材缺陷定义指木材在锯解加工或干燥、保管过程中所造成的表面损伤。木 材 学3.5.2锯材缺陷种类钝棱锯材宽度和厚度方向的材棱未着锯的部分。木 材 学翘曲可分为顺弯、横弯和翘弯。木 材 学扭曲沿材长方向呈螺旋状的弯曲，材面的一角向对角方向翘起，即四角不在一个平面上。木 材 学菱形变形新锯方材横断面为方形，干燥后变为菱形。木 材 学3.5.3锯材缺陷对材质的影响缺棱：减少材面的实际尺寸，锯材难以按要求使用，改锯则增加废材量，减少木材的有效利用率。锯口缺陷：使锯材的形状和尺寸不规整，即锯材厚薄、宽窄不匀，或材面不光洁，以致影响木材的使用，使木材利用率下降，加工困难。变形：使锯材形状（材面、材边）不平整，降低了锯材质量，影响加工工艺和木制品的质量，使木材用途受到很大的限制。