天然木材和人造木材杨氏弹性模量的测定

天然木材和人造木材杨氏弹性模量的测定

1木材力学性能检测,是木材最佳使用条件的确定依据材料力学研究的力学性，如强度、刚度和稳定性，是设计中材料的选择和计算的基础。天然木材和人造木材,根据使用环境的不同,对木材的力学强度、刚度等参数要求也不同,因而对木材的力学性能进行检测,为材料的正确使用提供重要的理论与实验依据。本文将木材弹性模量测量及传感器的应用引入至学生物理实验中,这不仅提高了学生对基础物理实验的兴趣,而且还增加了许多设计性与研究性实验内容,取得了良好的教学效果。2本构模型的弹性模量测试方法,主要考木材的主要力学性能有静曲强度和弹性模量。静曲强度是木材做结构件的重要性能,它是表示板材抵抗弯曲外力不被破坏的最大能力,木板材部件应有足够的抗弯强度。但只有足够的抗弯曲强度是不够的,因为部件虽不会破坏,若因其刚度不够而产生过大变形,同样会影响实际的使用,所以要想保证木制品正常工作,还必须对其构件的变形限制在一定的范围内,即应满足刚度要求。弹性模量就是表示材料刚度的性能指标,它表示材料在受力线性应变范围内的应力与应变间的关系。木板材试件杨氏弹性模量按图1方法进行测量,载荷方向与木纹取向垂直。按下式计算:E=l34bh3ΔfΔz(1)E=l34bh3ΔfΔz(1)式中:E为试样的弹性模量;Δz为在Δf的作用下,试样的变形量;l为2个支座刀口间的距离;h为试样厚度;Δf为在线性应变范围施加的外力。3古梁和梁弯曲法测定实验装置为FD-HY-1霍尔位置传感器法杨氏弹性模量测定仪,由弯曲法测弹性模量装置、读数显微镜、霍尔位置传感器、数字电压表等组成,其结构如图2所示。当集成霍尔传感器在均匀梯度磁场中移动Δz′时,有输出的霍尔电势差变化ΔUH,ΔUΗ=Κ′ΙΔBΔz′Δz′=ΚΔz(2)ΔUH=K′IΔBΔz′Δz′=KΔz(2)式中:ΔB/Δz′为磁感应强度梯度,其值为常量;I为通过霍尔元件的电流,一般取恒定值;K′为霍尔元件的灵敏度。霍尔位置传感器的灵敏度Κ=Κ′ΙΔBΔz′K=K′IΔBΔz′由式(2)可知:由于梁弯曲的位移量Δz与Δz′成正比,所以由ΔUH和Δz对应关系进行定标,便可用电测法测量梁的弯曲位移量Δz。用横梁弯曲法测E时,有E=l34h3bmgΔz=l34h3bmgΚUΗ(3)E=l34h3bmgΔz=l34h3bmgKUH(3)式中:b为梁的宽度;m为加挂砝码的质量;Δz为梁的中心在mg作用下而下降的距离;g为重力加速度;ΔUH为霍尔电压。其他仪器和量具有:游标卡尺(分度值0.02mm);螺旋测微计(分度值0.01mm);米尺(分度值1mm);电子分析天平(精度0.1mg);DGG-9240型电热恒温鼓风干燥箱;SWJ-I型精密数字温度计(分辨率0.1℃)。4测量样品在温室下的弹性模量将弹性模量测定仪中霍尔传感器的输出端与数字电压表输入端相连接。调节杠杆水平,并使霍尔元件处于磁场中央。调节调零电位器使在初始负载情况下数字电压表示值处于零显示。调节读数显微镜,使标线、叉丝、读数都清晰可见。记下初始读数值,逐渐增加砝码,精确测量传感器信号输出值U和读数显微镜测量到的标志线位置z,即对霍尔传感器进行定标,求出霍尔位置传感器的灵敏度K。测量天然椴木试样和人造柚木试样在室温下的弹性模量,对测量结果进行比较。在试样不同含水率情况下,测量天然椴木和人造柚木的杨氏弹性模量,并作出杨氏弹性模量和含水率的关系曲线。具体做法是:将天然椴木试样和人造柚木试样放在温度20～35℃的水中浸泡24h后,用脱脂棉擦去表面的水,立刻用电子天平称其质量,记为m1,测量其此时的弹性模量;然后将2种木材放在温度63℃的烘干箱中,烘干20min,取出,称其质量,记为m2,同时测量弹性模量;依此方法,依次将2种木材放在温度63℃的烘干箱中,烘干20min,取出,称其质量,记为mi,同时测量其弹性模量,序列i=10次,木材含水率计算公式如下:Wi=mi-m0m0×100%(4)Wi=mi−m0m0×100%(4)式中:m0为木材干试样的质量;mi为木材试样不同湿度时的质量;Wi为木材试样含水率。5结果与讨论5.1接触传感器定标室温26.8℃时,用天然椴木做试样,用读数显微镜测量标志线位置z和m对应关系的数据,同时记录数字电压表示值U,对霍尔位移传感器定标(见表1)。由U和z数据函数关系进行线性拟合,得出:U=382.72z-775.48,拟合图线如图3所示。从拟合结果看,霍尔传感器的输出电压与天然椴木弯曲变量的线性关系显著,求得灵敏度K及拟合系数r为:Κ=382.72mV/mm‚r=0.99995K=382.72mV/mm‚r=0.999955.22木材数据处理人造柚木用霍尔传感器测量位移量的实验数据如表2所示。Δˉz=∑Δzi4=2.560mmΔz¯=∑Δzi4=2.560mmE=l3mg4h3bΔˉz=(228.3×10-3)3×200.0×10-3×9.97304×(2.864×10-3)3×20.99×10-3×2.560×10-3=4.646GΡaE=l3mg4h3bΔz¯=(228.3×10−3)3×200.0×10−3×9.97304×(2.864×10−3)3×20.99×10−3×2.560×10−3=4.646GPa在l=228.3mm,环境温度t=26.8°C,环境湿度75.2%情况下,2种木材数据的处理结果如表3所示。比较表3计算结果可知,天然椴木的E比人造柚木的E大,这说明在通常情况下,天然椴木的刚性比较强。表3中测量数据与专用材料弹性模量仪测量结果基本一致。5.3种木材在空气温度和湿度下的稳定性能测试结果见表5将天然椴木试样和人造柚木试样弹性模量与含水率关系(见表4、5)近似作直线拟合作图,如图4所示.从图4可知:(1)在水中浸泡24h后,天然椴木的含水率为112.01﹪,人造柚木的含水率为64.16﹪,可见,在同样环境中,人造柚木的吸湿性比天然椴木低。(2)被浸泡过的人造柚木的实验直线在天然椴木的直线的下方,说明天然椴木的E始终大于人造柚木的E。同一环境下,天然椴木的刚性大于人造柚木的刚性。(3)随着含水率的降低,2种木材刚性增强,E变大,木材力学性能有所改变。(4)由天然椴木弹性模量随含水率变化直线斜率小于人造柚木相对应直线斜率,说明天然椴木受潮后,力学性能比人造柚木受潮后的力学性能要稳定些。(5)由于测量E时,空气中的温度为25.7℃、湿度为75.3%,每次从63℃的烘干箱中取出木材试样时,试样的温度和湿度都与一直处在空气环境中时的温度和湿度有差异,所以测出的E与室温状态下E的结果不同是正常的。表4、5中数据样品的温度为27.5℃也是近似的。上述数据结果对木材在物理与工程设计及研究时具有重要参考价值。6本实验的启发笔者对弹性模量实验改进有如下特点:(1)以往林学院基础物理实验只对“钢”一种样品的弹性模量进行测量,以至于学生兴趣不大。现在改进为对木材弹性模量的测量,这样学生可以对木材的物理性质及力学性质与含水率关系有所了解,特别是在测量木材弯曲变量时,采用了霍尔位置传感器的方法进行测量,可以让学生在做经典实验的同时,对传感器测量物理量有所认识和体会,这大大提高了学生的学习积极性。(2)木材是重要的工业和民用材料,可用于设计性实验中作为测试对象之一,在弹性模量的测量中,由于用霍尔位置传感器的方法测量试样弯曲变量非常方便,还可以用此方法测量、观察木材的蠕变现象,木材的松驰现象等木材的塑性性质。(3)本实验的改进,