木材的力学性质.doc

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；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。
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。应变也分为正应变或剪（角）应变γ。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。
a

b

图8-2 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 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τ与剪切应变γ之间，在小的范围内成比例关系，符合虎克定律：
τ=Gγ 或 γ=τ/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。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）
（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
%
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
注：E代表弹性模量，G代表剪切弹性模量，μ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。μRT—T向压力应变/R向延展应变；μLR—R向压力应变/L向延展应变；μLT—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（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EL>>ER >ET。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，针叶树材的ER/ET=1.8，EL/ER=13.3，EL/ET =24；阔叶树材的ER/ET=1.9，EL/ER=9.5，EL/ET =18.5。针叶树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，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，。木材的弹性模量E和剪切弹性模量G都有随密度ρ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>>。
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，在应力作用下，产生应变，应变随时间的增加而连续地增加，除去应力后应变不可回复，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。塑性变形是纤维素分子链因荷载而彼此滑动，变形是不可逆转的。
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BC1（=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），C1到D是弹性后效变形C1C2，t2以后变形恢复不大，可以忽略不计，于是C2C3即 图8-4 木材的蠕变曲线

可作为荷载—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。
图8-5 反复加载-卸载的应力-应变周期图

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，如等；在热力学上，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。
图8-6 多向应力作用下蠕变的消除

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，荷载初期产生应力—应变曲线，卸载产生曲线，残留了永久变形。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，而形成这段曲线；当继续增大到等于，将延至；卸去这个符号相反的应力，产生应力—应变曲线，也不能恢复到原形，残留负向的永久变形。再次通过反向应力，材料才能恢复原形。如果再继续增大应力，则产生曲线，与原曲线构成一个环状闭合。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。
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曲线，如图8-7。
图8-7 黏弹性材料的松弛曲线
(应变的速度为常数)

Kitazawa根据木材的刚性找出了测定固体的松弛曲线公式：
（8-10）
式中，t为某一时间，为t时间的应力，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松弛弹性模量。
（8-11）
式中，为松弛弹性模量；弹性模量为缓和时间的函数，用表示，称为缓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0℃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127~193℃，在湿润状态下显著降低，为77~128℃。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70~80℃。纤维素的热软化点在232℃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（①在很小的应变条件下就会破坏；②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。
图8-8 饱水·100℃、无约束条件下的木材横纹压缩应力－应变曲线图

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（0.1~1.3g/cm3）的木材为试样，分别在气干20℃、饱水20℃和饱水100℃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—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，可由屈服点应变和细胞壁压密化临界应变（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升的弹性变形领域（）；②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（）；③压缩进行至细胞腔被完全充填、细胞壁相互接触、细胞壁实质物质开始被压缩时，应力随应变的增加而急剧增大的领域。对于不同树种的木材，横纹压缩的应力—应变特性曲线一般都不同程度地具有这样的三段特征（见图8-8），而且横纹压缩过程中应力σ和应变ε的关系可用下式定量表达：
当，
当，
（8-12）
式中：E为横纹方向的弹性模量；为屈服点应力；为屈服点应变；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；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，0＜K≤1。
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1/35～1/65。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。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GB1935—91《木材顺纹抗压强度试验方法》进行，试件断面径、弦向尺寸为20×20mm，高度为30mm。计算公式：