木材横纹顺纹压缩教材

1、木材横纹、顺纹压缩性能的一个简要定性实验 摘要： 木材是我们生活中一种使用最广泛、 最常见的材料， 了解影响木材压缩性能的一些因素 和机制， 有利于合理地利用木材资源， 环境保护以及提高木材使用的经济效益。 本文用两块 取自横纹和顺纹两个不同方向的木块的压缩试验结果做了一个对比， 简要分析了不同构造的 木材其不同的压缩力学性能，得到了两个不同方向的应力-应变特性曲线，证实了木材的各 向异性和多孔性。 关键词 ：木材各向异性；多孔材料；横纹方向 ; 顺纹方向；大变形压缩 引言： 我国森林覆盖率较低， 木材资源较为匮乏， 研究木材的压缩特性有助于让不同性能的木 材各尽其用，节约成本。生活中，人们对

2、木材这种材料有着非常感性的认识，比如“劈柴沿 着顺纹方向比较轻松” 、“砍树要比劈柴费劲得多” 。事实上，木材是一种极为特殊的各向异 性多孔材料， 作为一种天然的复合材料， 在外加载荷作用下有着非常复杂的力学特性。 木材 微观上由许多含有空腔的细胞所组成。 其中近于沿树干主轴方向排列者占绝大多数， 该方向 称为轴向或顺纹方向；而与树干主轴相垂直的方向，包括径向、弦向、半弦向等，统称为横 纹方向。 图 1 ：木材的微观多孔结构 本文记录的实验先对两块顺纹和横纹的木块进行了宏观力学参数的测量，比如抗压强 度，杨氏模量。 紧接着，通过对木材微观结构的分析，对木材的破坏机理进行了初步的定性 解释。 1

3、.实验目的 1o 学习了解各向异性材料的力学性能极其测试方法 2o 测量木材横纹和顺纹压缩弹性模量和抗压强度 2.实验方案 2.1 使用设备 WDW 3050电子万能试验机、 光学引申计、 计算机、 游标卡尺、 直尺、横纹木材试件、 顺纹木材试件各一件。 2.2 试样 图 2：试验木块示意图 实验所用的木块如图 2 所示，第一块木块为顺纹压缩，第二块为横纹压缩。 2.3 实验原理 2.3.1 木材的微观组成 木材由纤维素、 半纤维素和木质素三大组分构成。 组成木材细胞壁的主要化学成分， 按 其物理作用可分为 3 类：骨架物质、基体物质和结壳物质。有人形象的将骨架物质、基体物 质、结壳物质分别比

4、作钢筋、沙石、水泥。 骨架物质： 以纤维素的微纤丝状态存在于细胞壁中， 赋予细胞拉压强度。 纤维素为线形、 长的大分子结构， 其分子链不是笔直成线， 而是具有一定程度的卷曲， 这就决定了纤维素具 有可以伸缩的弹性性能。纤维素作为木材的骨架结构元素，其含量主要影响木材的刚度。 基体物质：指半纤维素和其它碳水化合物。渗透于骨架物质，增加细胞的刚性。 结壳物质：指木质素，遍布于细胞壁之中，使细胞获得硬度。 2.3.2 国标规定的计算方法 实验方法参照国标 GB-T15777-1995 所述木材顺纹抗压弹性模量测定方法和 GB-T 1943-2009所述木材横纹抗压弹性模量测定方法。具体计算见附录。

5、2.4 实验步骤 1o测量试样原始尺寸： 用游标卡尺测量试件基本尺寸，如标记段原始长度，宽度，厚度，多测几次取平均。由 于要使用光学引伸计，应该用快干墨水或带色涂料标出两个标记点。 2o试验机准备： 预先开动试验机，确定试验机工作正常。打开相机，确认图像可以正常采集。 3o安装试样： 手持试件安放在下压平台， 使用面板的上下控制键控制压头轻微压紧木块， 使试样的纵 轴与试验机的加载轴基本保持平行。 4o设定实验方案： 再次检查试验机工作状态，调整相机位置，保证图像采集。 5o进行试验： 以预先设定的加载速度连续加载至试样破坏，记录破坏荷载和试样破坏的最大位移。 6o试样断后尺寸测定： 取出试样

6、断体， 观察断口情况。 然后将试样在断裂处紧密对接在一起， 并尽量使其轴线 处于同一直线上，测量试样断后标距L （可直接用游标卡尺测量标距两端点的距离） 。 7o归整实验设备结束试验： 完成全部测量后，将所使用的仪器设备全部复原，并将试验数据记录拷入 U 盘，关闭 试验机。 3 实验结果及分析 3.1 试验数据记录 拉伸方向 原始尺寸（中部） / mm 3 原始截面积（中部） / mm 2 顺纹 60.00 20.02 19.96 399.60 横纹 60.00 20.12 19.90 400.39 3.2数据处理 拉伸方向 抗拉强度b/MPa 弹性模量 E/GPa 顺纹 49 6.06 横纹

7、 39 0.77 3.3 过程分析 3.3.1 破坏过程及特征 加载初期试件外观等没有明显变化， 随着载荷加大， 当加载到试件的极限荷载时木块开 始破坏，明显开始倾斜，并且逐渐开裂。图 3 所示为顺纹压缩木块最后的破坏结果。 图 3：顺纹压缩破坏图 3.3.2 顺纹压缩的力学性能 顺纹方向压缩典型载荷 -位移曲线，应力 -时间曲线，应变 -时间曲线，应力 -应变曲线分 别见图 4，图 5，图 6，图 7 所示。 图 4：顺纹压缩载荷 - 位移曲线 图 5：顺纹压缩应力 - 时间曲线 图 6：顺纹压缩应变 (-1)-时间曲线 注：图中的应力为名义应力， 利用荷载值除以试件截面面积得到， 后文中应

8、力均为名义 应力。 图 4 中荷载 - 位移曲线上升阶段基本呈一条直线，直到最大应力达到49MPa，载荷值约 为 19.78kN 时开始阶梯状下降，这是由于木块开裂引起的。 图 5 中应力 -时间曲线与图 4 类似。图 6 中所示为应变 - 时间曲线，由于应变为负值，所 以绘图时乘上了一个负号。 由于图 5 曲线采集了 6000多组数据，图 6 曲线仅仅采集了约 300多组。因此，为了得 到应力 -应变曲线，对图 6 曲线进行插值。 最后绘出应力 -应变曲线如图 7所示。截取线性段 （应力从 0上升到 45MPa中间的区段） 做线性拟合，得到拟合曲线，进一步得到弹性模量值约为E=6.06GPa

9、。 图 7 ：顺纹压缩应力 -应变曲线 3.3.3 横纹压缩的力学性能 横纹方向压缩典型载荷 - 位移曲线，应力 -时间曲线，应变 -时间曲线，应力 -应变曲线分 别见图 8，图 9，图 10，图 11 所示。 图 8：横纹压缩载荷 - 位移曲线 图 9：横纹压缩应力 - 时间曲线 图 10：横纹压缩应变 - 时间曲线 图 11：横纹压缩应力 - 应变曲线 图 8 中荷载 -位移曲线有两个上升阶段，直到最大应力达到39MPa 后开始下降，载荷值 约为 19.78kN。呈现阶梯状下降，同样是由于木块开裂引起的，见图12。 图 9中应力-时间曲线与图 8类似。图 10中所示为应变 -时间曲线， 由

10、于应变为负值， 所 以绘图时乘上了一个负号。 由于图 9 曲线采集了 7000 多组数据，图 10曲线仅仅采集了约 380组。因此，为了得到 应力 -应变曲线，对图 10 曲线进行插值。 最后，由数据直接得到的应力 -应变曲线如图 11 所示。事实上，由于横纹压缩最后的破 坏方式为崩裂，因此，该曲线后面部分是不合理的，所以只截取线性段（应变0.018）做线 性拟合，得到拟合曲线，进一步得到弹性模量值约为E=0.77GPa。 图 12：木块横纹压缩破坏图 3.3.4 由上述图表可得到木材两个方向的力学性能特点： （1）顺纹压缩的强度极限比横纹压缩大得多。 （2）对于顺纹压缩，弹性阶段内，需要很大

11、的负荷才能使试件发生较大的变形；在弹性阶 段之后没有明显的屈服阶段。 （3）对于横纹压缩，弹性阶段中，试件的变形不需要很大的外载荷；而且在弹性阶段之后， 有明显的屈服阶段，之后经历较长的强化之后才出现断裂。 （4）木材顺纹压缩的弹性模量要比横纹压缩大得多。 3.3.5 微观结构分析： 顺纹压缩： 木材顺纹方向相当于无数纤维管束的集合体，如图1。因此，顺纹压缩可以类似于纤维 增强复合材料的顺纤维压缩过程。 木材在顺纹压力的作用下， 细胞壁中微纤丝之间产生滑移， 导致木材细胞壁的壁层纵向产生褶皱1。这些褶皱主要集中在细胞的内壁， 如果木材在持续 的外力作用下被压缩，这些纤维管会分离（破坏了半纤维素

12、，纤维管失去固定作用） ，这也 解释了图 3 为什么是开裂破坏。 横纹压缩： 在横纹压缩过程中， 径向加载时， 木射线是以纵向支撑受力， 因此径向应力和弹性模量 会大于弦向。弦向压缩时 , 由于早晚材同时受压力影响，使之径向应力值大于弦向值略高些 2。 事实上，本次试验研究的对象是木材大变形压缩试验，应力-应变关系有如下所述的模 型3： 木材是多孔性材料 , 由许多含有空腔的细胞所组成。一般来说 , 当其受到横纹方向的大 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 d（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1 细胞发生微

13、小变形 , 应 力与应变呈比例关系的领域， 即弹性变形领域 （y）；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, 应力-应变曲线趋于平坦的领域（ yd）；3压缩进行至原来对面的细胞壁相互接 触 , 细胞腔被完全充填 , 细胞壁实质物质被压缩 , 应力随应变的增加而急剧增大的领域。木 材横纹压缩的应力 -应变特性曲线，一般都具有这样的三段特征。 按照这一模型，完全可以解释为什么载荷-位移曲线（图 8）会有一个交替上升的过程。 并且还可以得到 y 0.045， d=0.39。 结论： 1、木材的确是一种多孔的天然复合材

14、料，其具有明显的各向异性。 2、木材细胞具有相当大的空隙，由y 0.045 知，横纹方向空隙之和约 2.7mm。 3、木材顺纹方向适合用于承压结构，而横纹方向有良好的减震效果。 4、鉴于木材的承压特性，横梁之类的结构不能使用横纹木材。 改进建议： 1、不同树种木材由于其内部组分和构造的差异性，使其具有特殊的物理力学性能，即 使是同一地区的树种，由于受周围气候、 环境等诸多因素影响，也会具有不同的性能， 甚至 是同一株树上不同部位的木材差异性也很大。 此外， 对于不同树种而言，在相同含水率的条件下，木材的密度越大， 说明木材细胞间 的排列越紧密，当受到轴向压力时，木材由于细胞间的相互作用会表现出

15、较大的抗压强度， 压缩过程中也不易出现“压溃”现象，当密度过大时，木材的顺纹压缩率会减小。 因此，实验用的对比材料应该选取同一棵树同一部位。 2、木材软化的目的是使木材实现可塑化、木材膨胀变形和降低木材细胞壁化学组分中 半纤维素、木质素的玻璃化转变温度。 因此，实验时为了更好的观察实验现象，建议以后试验件事先水软化处理。 3、压缩试验的压力作用在试件的端头，压缩过程中压力由木材两端向中间传递，压缩 速度过慢虽然可以使压力充分向内部传递， 但应用于生产时生产效率低； 压缩速度过快， 作 用在木材两端的压力来不及向木材内部传递就已经压缩， 会出现两端密度过大现象， 如果继 续施压，木材在没有达到最

16、大压缩率时两端就会被压溃，影响木材顺纹压缩的成功率。 所以，在顺纹压缩过程中，选择合理的压缩速度对获得最大顺纹压缩率是非常重要的。 因此，建议试验速度应该从 3mm/min 进一步下降，国标建议值为 0.2mm/min 。 4、温度升高必然导致木材软化，塑性增大，其力学强度大幅度下降。为了观察这一现 象，对木材的性能有进一步认识，建议以后实验加入温度因素。 参考文献： 1 张燕、宋魁彦、佟达等， 木材顺纹压缩率与 PDR 的影响机制研究 ，林业机械与木工设备（ Forestry Machinery 附录： 延伸率计算公式： 光学引申计测量： 顺纹抗压强度计算公式为： W bPmaxt (Mpa) 式中， Pmax为最大载荷（ N），b、t 为试件宽度、长度（ mm） 横纹抗压强度计算公式： P yw 式中， P 为比例极限载荷 （Mpa） bt N），b为试件宽度（ mm），t 为试件长度（ mm）。 横纹抗压弹性模量计算公式： Ew （根据 GB19432009 规定，试样含水率为 Pl b t l W%) 式中， W 为试样含水率为 W%时的横纹抗压弹性模量，单位为（ MPa） ; P（N）