六木材力学性质.docVIP

第六章 木材力学性质 木材力学性质基本慨念与特点、主要力学性质种类及其测定方法和木材允许应力的确定原理。? 6.1 木材力学性质有关的基本概念 6.2 木材主要力学性质测定原理与方法 6.3 影响木材力学性质的因子 6.4 木材容许应力及其确定方法 ? 木材力学性质是指木材抵抗使之改变其大小和形状外力的能力，也即木材适应外力作用的能力。现实生活中使用木材大都是利用木材力学性质，例如枕木承受横纹抗压，日用家具中桌、椅、板凳等用品的腿承受顺纹压缩荷载，建筑物上洐架、家具横梁承受弯曲载荷；枪托用材要求重量适中，弹性大，缓冲性能好。农业机具要求耐磨，硬度大等。 木材的力学性质主要分为弹性、塑性、蠕变、松弛、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、冲击韧性、抗劈力、抗扭强度、硬度和耐磨性等，其中以抗弯强度和抗弯弹性模量、抗压强度、抗剪强度及硬度等较为重要。木材力学性质的测定要破坏试样的完整性下，多数性状测定其达到破坏状态时所能承受的最大外力；而处于使用状态下的木材，其所受外力要比其破坏状态时所能承受的最大外力小得多。木材是生物材料，其构造导致木材的各向异性，因此木材的力学性质也是各向异性的，这与各向同性的金属材料和人工合成材料有很大的不同。例如木材强度视外力作用于木材纹理的方向，有顺纹强度与横纹强度之分；而横纹强度视外力作用于年轮的方向，又有弦向强度与径向强度之别。因此学习木材力学性质，掌握其材料的特性，对合理使用木材有着重要意义。 ? 补充阅读资料：　　　　　　　　　材料力学 木材是生物质高分子材料，其力学性质主要取决于细胞壁结构特点和木材主要化学成份纤维素、木素和半纤维素的化学键结合特点与排列方式以及外力作用于木材的方式等。前面木材解剖和木材化学性质知识的掌握对于本章的学习有很大的帮助。有关物体承受拉、压、弯、剪切等受力分析是木材力学的基础，可参阅有关《材料力学》教材基础部分。另外，由于木材属于高分子有机材料，木材力学性质带有高分子材料学的特点，因此学完本章后，有兴趣的同学可进一步阅读高分子材料方面的教材。 6.1 木材力学性质有关的基本概念 6.1.1 应力与应变 6.1.1.1 应力（Stress） 物体受外力作用，其内部分子间产生抵抗力以抵抗外力作用产生的破坏，这种物体内部抵抗力称为内力。物体单位截面上内力称为应力，用σ表示，单位为Mpa（或kg/cm2）。 σ= P/A 式中：P为外力，单位为N或Kg； A为物体受力面积，单位为mm 2或cm2 物体在平衡状态时，内力与外力的大小相等方向相反。当外力的大小超过物体所能承受的力时，物体即失去平衡，发生大小和形状的变化或破坏。 按照物体受力状况和物体受力产生的变形，应力分为三种基本类型：拉应力、压应力、剪应力，如图6-1中A、B和C。 （1）拉应力 两个大小相等而方向相反的外力沿着木材同一方向线作用，引起木材拉伸变形，此时外力垂直木材的截面上应力称为拉应力。 （2）压应力 两个大小相等而方向相反而相对的外力，沿着木材同一方向作用引起木材压缩变形。此时外力垂直于木材截面上产生应力称为压应力。 （3）剪切应力 两个大小相等方向相反接近平行外力作用于木材，促使木材一部分相对于另一部分发生错动的剪开现象，此时错开面上产生应力称为剪应力。 6.1.1.2 应变(Strain) 物体受外力作用后所发生大小和形状变化称为变形，一定的外力就产生一定的形变。物体单位长度上变形称为应变，用ε表示。 ε=△L/L（无量纲单位） 式中：L为物体原来的长度 △L为物体受外力作用后，其长度上变化量。如果物体受拉力作用，长度增加，△L为正值。反之，受压长度变短，△L为负值。所以，习惯上拉应力用“+”号表示，压应力用“-”号表示。 6.1.1.3 应力、应变间相互关系 物体受随外力作用产生形变，一定外力产生相应的应力、应变，应力应变是同时产生的。外力在某一限度内，应变与应变成正比，二者呈线性关系；外力超过某一范围，二者直线关系就转变为呈曲线关系。随着外力逐渐增大，物体最终出现破坏，此时应力达到最大值。以应力为纵坐标，应变为横坐标，表示应力和应变关系的曲线称应力——应变图（图6-2）。 按照虎克（Hook）定律，在应力与应变直线关系范围内，大多数材料的应力和应变之间存在着一定的指数关系。 ε=a×σn 式中：ε为应变，σ为应力，a和n为常数，取决于材料的性质。试验表明铸铁、铜、花岗石、砂石和混凝土等刚性材料n1，皮革和麻绳等柔性材料n＜1，铝和木材等材料n=1，因此木材的应力和应变关系，可用下式表示： ε=a×σ σ=ε×1/a ＝ E×ε 其中：E=1/a，为木材弹性模量，它是衡量材料刚性的指标，E数值大，材料的刚性大，变形小，不易破坏，单位为Gpa（或kg/cm2）。 图6—2，示杉木弯曲时的应力——应变