第八章木材的力学性质.ppt

《第八章木材的力学性质.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第八章木材的力学性质.ppt（47页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、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。 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。,简单应力中

2、，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

3、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。,图91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。,（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： 柔量 为应力、应变曲线的直线部分与水平轴的夹角。柔量的倒数-1，即为弹性模量E，简称模量。 弹性模量E

4、(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、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

5、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） 、扭转（twist）及纵向弯曲（longi

6、tudinal 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（

7、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 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

8、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t： tl tr tT ，即纵向远大于横向，横向中径向大于弦向。 2.压缩强度 cp： cpL cpR

9、cpT 3.弯曲强度b和冲击韧性u （1） bR bT （2）针叶材：uR uT ；阔叶材通常关系不定。 4.剪切强度 ： /=2.26.1 5.硬度H和磨损阻抗 HRT HLTHLR，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。 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。,二、木材的正交对称弹性 木材的正交对称弹性 将正交对称原理应用于木材，借以说明木材的弹性的各向异性。 根据树干解剖构造，它有一个圆柱对称性，在离髓心一定部位锯取一个相切于年轮的立方体试样。试样有3个对称轴，平行

10、于纵向作L轴，平行于径向作R轴，平行于弦向作T轴。它们彼此近似垂直，三轴中每两轴可构成一平面，分别为RT面（横切面）、LR（径切面）和LT（弦切面）。木材的正交对称弹性是研究木材的物理性质的一个基本的重要手段。 相对三个主轴的应力所表示的应变的方程式如下： 式中：E 杨氏模量或弹性模量； u 泊松比（Poissons Rations）=侧向应变与纵向应变之比1。 如： 其中，第一个R代表应力方向，第二个字母表示横向应变。即在径向应力下，纵向的泊松比。,木材正交异向性综述如下： 1.木材是高度异向性材料。拉伸、压缩和弯曲的弹性模量E近似相等。三个主轴方向的E 因显微和超微构造的不同而异： EL

11、ER ET 2.木材的剪切模量G，横断面最小： GLR （径面） GLT （弦面） GRT（横断面） 其中， GLR ER , GLTET , 即径面和弦面的剪切模量分别与径向和弦向的弹性模量数值相近。 3.木材的弹性E和剪切G，均随密度的增加而增加。 4.木材的泊松比均小于1，且有uRT uLT uLR。,第三节 木材的粘弹性 （viscoelasticity of wood） 一、基本概念 1.木材的弹性(elasticity of wood) 木材在受某一定应力范围内的外力而变形，外力除去同时变形消失，回复原状的性质。 2.木材的塑性(plasticity of wood) 木材在某些条

12、件下，受外力后产生永久变形的性质。 塑性变形(plastic deformation) 又称残余变形，指物体受外力发生变形，在外力解除后仍不能恢复的部分变形。 3.木材的粘弹性（viscoelasticity of wood） 木材（塑料）等高分子物在外力作用下表现出粘性和弹性兼有的性质。当其受到较长时间的外力作用时，就像极粘的液体出现粘性的变形。,二、木材的蠕变现象（creep phenomenon of wood） 蠕变(creep)：在应力不变的条件下，应变随时间的延长而逐渐增大的现象。 （一）蠕变曲线（curve of creep） 木材属高分子结构材料，受外力作用时产生3种变形： 1

13、.瞬时弹性变形（instant elastic deformation） ：木材承载时，产生与加载速度相适应的变形，它服从于虎克定律。 2.弹性后效变形（粘弹性变形）（elastic after effect deformation） ：加载过程终止，木材立即产生随时间递减的弹性变形。 它是因纤维素分子链的卷曲或伸展造成，这种变形是可逆的，与瞬时弹性变形相比它具有时间滞后性质。 3.塑性变形（plasticity deformation） ：纤维素分子链因载荷而彼此滑动所造成的变形。该变形是不可逆的。,木材的蠕变曲线如图92所示： OA-加载后的瞬间弹性变形 AB-蠕变过程， （t0t1）t

14、BC1 -卸载后的瞬间 弹性回复，BC1=OA C1D-蠕变回复过程， t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）,（二）建筑木构件的蠕变问题 1.针叶树材在含水率不发生变化的条件下，施加静力载荷小于木材比例极限强度的75%时，可以认为是安全的。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.静载荷产生变形，若其变形速率（连续相等时间间隔内变形的差值）逐渐降低，则变形经一定时间后最终会停止，木结构是安全的。相反，变形速率是逐渐增加的，则设计不安全，最终会导致破坏

15、。 3.所施静载荷低于弹性极限，短期受载即卸载，能恢复其原具有的极限强度和弹性。 4.含水率会增加木材的塑性和变形。 5.温度对蠕变有显著的影响。当空气温度和湿度增加时，木材的总变形和变形速度也增加。,三、木材的松弛（relaxation of wood） 松弛(stress relaxation) 在应变不变的条件下，应力随时间的增加而逐渐减少的现象。 松弛曲线（relaxation curve） 表示松弛过程的荷重 （应力） 时间曲线。 木材的松弛曲线如图93所示。 松弛弹性模量 单位应变的松弛应力。 方泽（1947）给出木材松弛表达式如下： 式中： 在t时间时的应力，随时间的延长而下降；

16、 在单位时间内的应力； m 松弛系数，随树种和应力种类而不同。,四、长期载荷的影响（effect of long-period load） 在长期载荷作用下的木材强度，随作用时间的延长而减小，长期载荷强度远比瞬间强度小。这是由于木材中弹性和塑性两种变形同时反应的结果。短时间内，在一定应力范围内的变形，几乎完全是弹性的。但在长期载荷下塑性已成为左右木材变形的更重要的因素。时间因素对木材的力学性质有很大的影响。 木材的持久强度（长期强度） ch 当木材的应力小于一定的极限时，木材不会由于长期受力而发生破坏的应力极限。 （1）当 ch时，载荷作用时间无论多长，试件均不会被破坏。 （2）当 ch时，试

17、件经过一定时间后发生破坏。,五、木材的塑性(plasticity of wood) 木材作为承重结构材使用时，设计应力或荷重应控制在弹性极限或蠕变极限范围之内，必须避免塑性变形的产生。但在弯曲木、压缩木和人造板成型等加工时，又必须掌握增加木材塑性的条件，尽可能增加木材的塑性变形。 （一）木材的塑性变形(plastic deformation of wood) 当施加于木材上的应力在弹性极限以内时，去除外力后变形回复原尺寸。当超过弹性极限时，除去外力，残留永久变形，这一性质称为塑性。固体材料的塑性变形产生于屈服点以上。对超过屈服点的应力，以一定的变形速度进行稳定流动的状态称塑性流动。再，即使在极

18、小的应力作用下，经过充分的时间，同样也能产生流动，而形成永久变形，将这称为粘性流动。木材同其它材料相比，特别是气干材，因屈服点不明显，且破坏变形也较小的缘故，所以一般认为木材是塑性较小的材料。,（二）增加木材的塑性（improving the plasticity of wood） 木材的塑性变形较小，在加工利用方面受到一定限制。典型的塑性变形在金属等结晶材料上受热承载后能明显看到，由于晶格的转位和滑移，可产生出数倍于常温下的塑性变形，可利用于作压延、拉伸、挤压等塑性加工。 木材是高分子材料，它的塑性是由于在应力作用下，高分子的变形及相互间能产生相对移动的结果。在常温下为了提高高分子材料的塑性

19、，要添加可塑剂，使分子间结合力减弱。此外，通过加热使木材基体物质软化，也能增加木材塑性，将材料的这类性质称为热塑性。 木素是热塑性物质，其热软化点在全干状态下为127193，在湿润状态下显著降低，为77128 ；半纤维素由于吸着水的存在，其热化点的降低和木素有相似的情况。作为木材骨架物质的纤维素的热软化点在232 以上，其结晶性不受水分的影响，而纤维素的玻璃态转化点随含水率的增加而降低。,对饱水状态的木材，Hillis等发现在7080 和80100 呈两个连续的热软化点似的温度域，认为前者是半纤维素的， 后者相当于木素的玻璃态转化点。木材在湿润状态下加热时，有显著软化的可能性。（日）饭田等指出

20、：如把气干状态20 时的木材弹性模量作为1，饱水状态20 时就为0.52，饱水状态100 就为0.09，弹性模量随温度和水分增加而明显降低。所以木材的破坏变形随温度和水分增加而明显增加，说明温度和水分是增加木材塑性的重要因素。,第四节 单轴应力下木材的变形特点 一、胞壁化学组分在木材力学性质中的作用 （the chemical composition of cell wall effect the mechanical properties） 木材胞壁中的骨架物质纤维素赋予木材弹性和强度。木素为硬固物质，赋予木材硬度和刚性。在细胞壁中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

21、素链状分子大多沿胞壁的长轴平行排列，横向以氢键结合构成微纤丝，微纤丝间除借助于侧面的氢键结合，局部尚以果胶质胶着，胞壁与胞壁之间借胞间质胶着。因此木材横向强度远低于纵向自身的联接强度。从细胞壁的结构和结构物质的性质看，可以认为木材破坏的原因是由于微纤丝和填充物的撕裂或剪切，或者纤维被压溃所造成。,二、单轴应力下的破坏特点 （一）顺纹压缩（compression along the grain） 平行于木材纹理方向的压缩称顺纹压缩。 1.顺压破坏宏观表现 木材顺压破坏试件上，常可见连续破坏线总出现在弦面，说明木材刚性径面大于弦面。因木射线在径面起骨架和支撑作用；此外微纤丝在胞壁径面与木射线相交，

22、产生了局部扭转，对剪切方向也有影响。破坏线与主轴的倾角常取决于木材密度，密度大者，倾角小。破坏形状决定于木材含水率和硬度等因素。湿材和软材以端部压溃为常见。干的木材常在未发生明显扭曲之前，因劈裂而破坏。,2.顺压破坏微观表现 由显微镜可观察到顺压破坏有3个阶段。首先在胞壁上会产生单一错位的裂纹状细线，称滑移线或滑移面。而后滑移面彼此相连而形成称微观压缩皱纹的综合横带。 上述两阶段属初期破坏。微纤丝产生错位，在低于破坏载荷的25%应力的水平下已开始产生。这种错位使木材纤维缩短，属永久的塑性变形。木材纤维与木射线接触部位易产生错位，错位所产生的滑移面与胞壁主轴一般成5070 角。 继初期破坏之后，

23、木材纤维会产生扭曲。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。,（二） 横纹压缩 （compression perpendicular to the grain） 垂直于木材纹理方向的压缩称为横纹压缩。木材横纹压缩可分为局部受压和全部受压。前者抗压强度高于后者。铁轨架在枕木上属局部受压，胶合板制造的加压属全部受压。木材横纹抗压结果是用比例极限值，或用试件厚度2.5%压缩率时的应力值来表示。 1.横压破坏宏观表现 首先是纤维受压变紧密。局部横压时，乘压板凹陷入木材，上部的纤维破坏，较内部的

24、纤维未受影响。当荷载继续增加时，试样未受压的端部会突出，或呈水平劈裂。试样突出部分增加了直接荷载下的木材强度。,2.顺压破坏微观表现 木材横压时，细胞的横断面变形，若施加的压缩荷载为足够大时，这种变形将继续扩大，直至荷载超过木材的弹性极限后，木材外部纤维及其邻近纤维溃坏，并变得紧密，产生永久变形。外部纤维破坏最大，也最紧密。横压试件由外向内纤维遭受的破坏和被压程度也依次变小。木材这种重新分配应力和吸收能量的能力，对于用木材作承重垫板，特别是木结构的节点联结处尤为重要。,（三）顺纹拉伸（tension along the grain） 木材顺纹拉伸破坏主要是纵向撕裂和微纤丝间的剪切。因微纤丝纵向

25、的结合非常牢固，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。即使在这种情况下，微纤丝本身的拉伸强度也未充分发挥。因为木材顺纹剪切强度特别低，通常只有顺拉强度的6%10%，顺纹拉伸时，微纤丝间的撕裂破坏是微纤丝间的滑移所致，其破坏断面常呈锯齿状、或细裂片状和针状撕裂。其断面形状的不规则程度，取决于木材顺拉强度和剪切强度之比值。一般健全材该比值较大，破坏常在强度弱的部位剪切开，破坏断面不平整，呈锯齿状。而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，微纤丝很少出现滑移现象，而造成拉断破坏，断面

26、处常较为平整。,（四）横纹拉伸（tension end-grain） 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，组成木材细胞一系列链状分子受横拉应力时会发生扭曲。由于木射线组织体积百分比较小，故木材横向拉伸强度远远小于顺纹拉伸强度。 （五）顺纹剪切（shear parallel to the grain） 木材顺纹剪切的破坏特点是木材纤维在平行于纹理方向发生了相互滑移。顺纹剪切又有弦面和径面之分。 1.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。 2.剪切面垂直于年轮的径

27、面剪切：其破坏表面较粗糙，不均匀而无明显木毛。在扩大镜下，早材的一些星散区域上带有细木毛。,第五节 木材的主要力学性质及其相互关系 一、抗压强度(compressive strength) 木材受压荷载应用最广泛，是木材力学性质中最重要的特性。 （一）顺纹抗压强度(compressive strength parallel to grain of wood) 顺纹抗压强度是木材作为结构和建筑材料的主要力学性质，它可在一定程度上说明木材总的力学性质的好坏。 顺纹抗压强度主要取决于细胞壁的化学成分为 木素（赋予木材抗压强度和刚性，把木材分子粘合在一起）。 顺纹抗压强度试件的断面径、弦向名义尺寸为2

28、020mm，高度为30mm。 顺纹抗压强度的计算公式为： （MPa） 式中：b、t 试样宽度、厚度（mm）。,（二）横纹抗压强度(compressive strength perpendicular to grain of wood) 根据作用力与年轮位置的不同，分为径向和弦向受压。全部受压试件尺寸为2020 30mm ，局部受压试件为2020 60mm ，后一尺寸均为顺纹尺寸。横压因无法准确测定破坏强度，故需从绘制的荷载 变形图上确定比例极限荷载P，分别以下式计算横压比例极限应力。 全部横压： （MPa） 局部横压： （MPa） 式中：P为比例极限荷载（N），b为试件宽度（mm），L为试件长

29、度（mm），t为加压钢板宽度（mm）。,木材横压比例极限应力，局部横压高于全部横压。局部横压应用范围较广，故测定也以它为主。径向和弦向横压值的大小与木材构造有极其密切的关系。具有宽木射线和木射线含量较高的树种（栎木、米槠等），径向横压比例极限应力高于弦向；其它阔叶树材（窄木射线），径向和弦向值相近。对于针叶树材，特别是早、晚材区分明显的树种如落叶松等，则弦向大于径向。当径向受压时，主要是较松软的早材易形成变形；而在弦向受压时，从试验一开始即由晚材承载。,二、抗拉强度(tensile strength) 根据拉力与木材纹理的平行和垂直可分为顺拉和横拉。横拉根据拉力与年轮的平行和垂直又可分弦向和径

30、向。拉伸强度按以下公式计算： （MPa） 式中： Pmax最大荷载（N），b试件宽度（mm）， t 试件宽度（mm）。 （一）顺纹抗拉强度 (tensile strength parallel to grain of wood) 木材顺纹抗拉强度取决于木材纤维的强度、长度、纹理方向和木材密度等。纤维长度是左右木材顺纹抗拉强度的主要因子，纤维长度与微纤丝倾角间有一定相关，即纤维越长，微纤丝倾角越小，顺纹抗拉强度也越大。此外，木材密度大，顺纹抗拉强度也大。木材3种主要化学组成成分中，木材的顺纹抗拉强度主要取决于纤维素，因纤维素分子基本按细胞纵轴排列的。木材顺纹抗拉强度是各类强度中最大者。,（二）横

31、纹抗拉强度 (tensile strength perpendicular to grain of wood) 由于木材细胞排列和胞壁上微纤丝走向等原因，木材横纹抗拉强度值很低，通常仅为顺纹抗拉强度的1/101/65。因此，在任何木结构的部件中应尽可能避免横纹拉力，这不仅是因为横纹抗拉强度很低，而且由于木材的干缩可能引起径裂和轮裂，使木材完全丧失横纹抗拉强度。,三、抗剪强度(shearing strength parallel to grain of wood) 木材几种抗剪强度中，顺纹剪切强度最小，故通常只测顺纹剪切强度。顺剪又分径面和弦面破坏两种。 1.剪切面平行于年轮的弦面剪切：破坏常出

32、现于早材，在早、晚材交界处滑行，破坏面较光滑，有细纤毛。 2.剪切面垂直于年轮的径面剪切：破坏面较粗糙、不均匀且无明显木毛。 木材顺纹剪切强度较小，平均只有顺纹抗压强度的10%30%。纹理较斜的木材，如交错纹理、涡纹、乱纹等其剪切强度会明显增加。阔叶材的顺纹剪切强度平均比针叶材高出1/2。阔叶材弦面抗剪强度较径面高出10%30%，其木射线越发达，这种差异也越大。针叶材径面和弦面的抗剪强度大致相同。,四、抗弯强度(bending strength)和抗弯弹性模量(the modulus of elasticity in static bending ) 在静力弯曲时，木梁构件上层受压，下层受拉，

33、其间受剪。在拉、压间有一层既不伸长，也不缩短的纤维层叫中性层。正应力在距中性层最远的边缘纤维达最大值，剪应力最大值在中性层上。由于木材的顺拉强度远大于顺压强度，中性层偏向受拉区一侧。 抗弯强度bw 和抗弯弹性模量Ew的计算公式如下： 式中：Pmax 最大荷载（N）；P 上、下限荷载之差；L 两支座距离（mm）；b 试件宽度（mm） ；h试件高度（mm） ；f 上、下荷载间试件中部的变形值。 木材抗弯强度值介于顺拉和顺压强度之间，个树种平均值约为90MPa左右。径向和弦向抗弯强度间的差异主要表现在针叶材上，弦向比径向高出10%12%；阔叶材两个方面上的差异一般不明显。,五、冲击韧性(toughn

34、ess) 冲击韧性采用中央施加冲击荷载，使试样产生弯曲破坏的试验形式。它不测定破坏试样所需要的力，而是用破坏试样所消耗的功来表示。冲击破坏消耗的功愈大，木材韧性愈大，亦即脆性愈小。试件尺寸为2020 300mm，后者为顺纹尺寸。支座距离为240mm 。冲击韧性按下式计算： 式中：Q 试样破坏时的吸收能量（J）； b 试样宽度（mm） ； h试样高度（mm）。 木材冲击韧性按我国标准只做弦向试验。早、晚材区别明显的树种，其弦向和径向冲击韧性有明显的差别，如落叶松径向冲击韧性比弦向高50%。早、晚材区别不明显的树种，径、弦向几乎相同。阔叶材冲击韧性与针叶材相比，约为0.52倍。,六、硬度(hard

35、ness) 我国木材硬度试验是采用半径为5.64 mm的钢球，在静荷载下压入试样深度为5.64 mm时，其横断面积恰好为100 mm2。对于压入后试样易裂的树种，钢半球压入的深度允许减至2.82 mm，此时截面积为75 mm2。硬度试样尺寸为5050 70mm，后一尺寸为顺纹尺寸。硬度可分弦面、径面和端面3种。硬度可按下式计算： 式中：P 钢半球压入试样规定深度时的荷载（N）； K 压入深度为5.64或2.82 mm时系数，分别等于1或4/3。 木材端面硬度高于侧面，针叶材平均高出35%，阔叶材平均高出25%左右。大多数树种的弦面和径面硬度相近，但木射线发达的麻栎、青冈栎等树种的木材硬度，弦面

36、可高出径面5%10%。木材密度对硬度影响极大，密度愈大，则硬度也愈大。,七、主要力学性质间的关系 木材的各种力学性质间存在着相关关系。如能找出某种力学性质与其它力学性质的相关方程，就能通过实测一、二种力学性质值，来估断该木材的其它力学性能，并为非破坏性测试提供理论依据。如木材无损强度试验，即采用非破坏性的弹性模量的测试，然后利用弹性模量与抗弯强度的关系，估测出抗弯强度，以达到木材应力分等的目的。 据统计，我国250多个树种的力学性质的平均值范围（MPa）大致如下： 顺压强度4050 MPa ；抗弯强度80100 MPa ；顺拉强度120150 MPa ；顺剪强度1215 MPa 。因此主要强度

37、间有以下比例关系：顺压：弯曲：顺拉：顺剪=1：2：3：0.30。,第六节 影响木材力学性质的主要因素 影响木材力学性质的因素，除木材构造之外，还与木材中的水分、密度、作用时间、温度和纹理等因素有关。关于荷载和时间的影响，在第三节中已有详述。 一、水分的影响 木材吸附水存在于细胞壁中的微纤丝之间，起着润滑作用，允许微纤丝之间有一定的滑移或相对位移。若水分散失了，微纤丝之间紧密靠拢，吸引力增大，对滑动位移有很强的摩擦阻力。所以，（1）当含水率低于纤维饱和点时，木材强度随细着水的增加而降低；（2）当含水率在纤维饱和点时，强度达最低值；（3）当含水率高于纤维饱和点时，自由水含量增加，其强度值不再减少，

38、基本保持恒定。 强度的含水率调整系数 木材在吸着水范围内，含水率每改变1%时的强度变化百分率。,通常用 表示。木材各类强度的 是各不相同的。我国木材物理力学性质试验国家标准规定的各种强度 值如下：顺压强度0.05，横压强度0.045，静曲强度0.04，硬度0.03，顺剪强度0.03，横拉强度0.025，顺拉强度和静曲模量0.015，冲击韧性和抗劈力均为0。 为了统计和相互比较，应将不同含水率的木材强度换算成同一含水率下的强度。我国国家标准所规定的含水率为12%，可采用以下公式计算： 12=W1+(W-12) 式中：12和W分别为含水率为12%和W%时的强度值。 为含水率换算系数，随强度性质而异

39、。上式适用的含水率范围为8%15% ，试验时应采用气干材。,二、木材密度的影响 木材的力学性质与单位体积中木材实质量有关，即与木材密度有着极为密切的关系。两者的关系可用以下数学式表示： S=ab，S表示各类力学性质， 是木材密度，a是比例常数，b是关系曲线的形状指数，a和b随力学性质类型不同而异。 木材力学性质和密度的关系除指数曲线外，多数表现为直线关系。即使是指数关系，因指数b值如与1相差不多，也可近似用直线方程S=a或S=a+b表示。当强度与密度关系简化成S=a时， a=S/ ， a即为强重比。 三、温度的影响 温度对强度的影响甚为复杂，它与温度的高低、受热时间的长短、木材密度、含水率、树

40、种和强度性质等诸多因子有关。此外尚会形成个因子与温度对强度的综合影响。,（一）正温度 正温度的变化会导致木材含水率及其分布产生变化，由此造成内应力和干燥等缺陷。正温度除通过它们对木材强度的有间接影响外，还对木材强度有直接影响。造成这种影响的因素有二，一是因热促使细胞壁物质分子运动加剧，内摩擦减少，微纤丝间松动增加，木材强度下降。二是当温度超过180木材物质分解温度，或在83 左右长期受热的条件下，木材中的抽提物、果胶、半纤维素等会部分或全部消失，这对强度会产生损失，特别是冲击韧性和拉伸强度会有较大的削弱。前者是暂时影响，是可逆过程；后者是永久影响，为不可逆。长时间高温的作用对木材强度的影响是可

41、以累加的。总之，木材大多数力学强度随温度升高而降低。 温度对力学性质的影响程度由大至小的顺序为：压缩强度、弯曲强度、弹性模量，最小为拉伸强度。此外加热方式对强度的影响程度也有差别，其大小顺序如下：蒸汽、水、热压机内、干热空气。,（二）负温度 负温度对木材强度的影响如下：冰冻的湿木材，除冲击韧性有所降低外，其它各种强度均较正温度有所增加，特别是抗剪强度和抗劈力的增加尤甚。冰冻木材强度增加的原因，对于全干材可能是纤维的硬化及组织物质的冻结；而湿材除上述因素外，水分在木材组织内变成固态的冰，对木材强度也有增大作用。 四、纹理方向的影响 木材强度受纤维倾斜影响显著。拉伸和压缩强度均为顺纹最大，横纹最小

42、。当荷载与纤维方向间的夹角由小至大时，木材强度将有规律地降低。,第七节 木材的容许应力和安全系数 木材的容许应力(permissible stress of wood) 在木结构等设计中，充分考虑可能遇到的客观因素对木材强度的影响，从而对标准试验方法测得得强度值给予适当得折扣，所得的强度值称木材的容许应力。即木构件在使用或荷载条件下，能长期安全地承受的最大应力。 折扣系数 强度的折扣率。 安全系数(safety factor) 折扣系数的倒数。 木材容许应力应考虑的主要影响因子有木材强度的变异、长期荷载、木材缺陷及荷载偏差等。,（一） 木材强度变异的折减 木材强度因树种、产地、部位等而异。由于

43、木材的极限强度在相当大范围内变动，为了保证设计的安全，在应用时取可能出现的最小值作计算依据。 （二）长期荷载的折减 我国现行木结构设计规范BGJ573，在推导木材的容许应力时，由于考虑有恒载和非长期荷载的承载状况作用，采用0.67的折减系数。 （三）木材构造缺陷的折减 实际使用的木构件上缺陷是无法避免的，通常采用一定程度的限制。不同种类的缺陷对木材强度的影响也个不相同。一般地，木材缺陷主要考虑节子、斜纹及裂纹。在木结构设计规范中，通常对斜纹的限制比节子要严格，而裂纹除对顺剪构件影响较显著外，对受拉、压、弯构件的影响并不显著。因此在推导容许应力而考虑木材缺陷的折减时，只着重考虑节子对木构件强度降

44、低的影响。,（四）木材干燥缺陷的折减 木材含水率变化时，强度发生变化。木材干燥缺陷的折减是考虑强度的变化和干燥时产生缺陷对强度影响等因素。我国以含水率为12%的无疵小试件的强度为基准，故折减系数取小于1。 （五）荷载偏差的折减 荷载偏差对强度的影响可分3类。一为超载系数，即实际荷载可能超过标准荷载的系数，它随荷载种类而异。大多在1.161.18，为了简便起见通常取1.2。二为结构偏差系数，它是设计施工中的偏差，使内力增加所考虑的系数，通常取1.1。三为应力集中系数，仅顺纹拉伸构件时需考虑缺口处应力集中的影响。上述2偏差的折减系数，分别等于它们的倒数。,木材容许应力可按下式计算： = 12K = 12K1K2K3K4K5/K6K7 式中： 12为含水率为12%时强度的平均值，K1为木材强度变异系数，K2为长期荷载系数，K3为木材缺陷系数，K4为干燥缺陷系数，K5为应力集中系数，K6为超载系数，K7为结构偏差系数。 折减系数： 安全系数：A=1/K= / 安全系数为折扣系数之倒数，为强度平均值与容许应力的比值。木材由于构造不均匀，同时强度受缺陷和含水量等影响，木材的安全系数比金属等其它材料要高。在我国木结构的安全系数一般为3.56。,