第八章木材的力學性質TheMechanicalPropertiesofWood本章主要介紹了木材的力學特性應力與應變彈性與木材的正交異向彈性木材的黏彈性木材的強度、韌性與破壞木材的主要力學性能指標影響木材力學性質的主要因素木材的容許應力第一節應力與應變

一、應力與應變

1、應力(σ)：物體在受到外力作用時，物體自身產生的抵抗外力而保持平衡的力。在外力P作用下，材料單位面積A上所受的內力稱應力。通常用σ表示，單位為MPa(N/mm2)

。應力與應變壓縮應力和拉伸應力：短柱材受壓或受拉狀態下產生的正應力。剪應力：當作用于物體的一對力或作用力與反作用力不在同一條作用線上，而使物體產生平行于應力作用面方向被剪切的應力。順紋理加壓與順紋理剪切應力與應變2、應變(ε)：外力作用下，物體單位長度上的尺寸或形狀的變化稱為應變。

通常用ε表示。式中:δ為總變形，L為試件在受力方向的長度。應變無量綱。分為正應變ε與剪應變γ。簡單應力中，當壓力方向平行于紋理作用于短柱上時，則產生順紋壓應力。當在同一直線上兩個方向相反，平行于木材紋理的外力作用于木材時，則產生順紋拉伸應力。當平行于木材紋理的外力作用于木材，欲使其一部分與其它部分相脫離，會產生順紋剪應力。當作用力與木材紋理相垂直時，木材上則會產生橫紋的壓、拉、剪應力。橫紋應力又有徑向和弦向之分。同一木材受力的性質和方向不同，應力和應變值亦各不相同。應力與應變二、應力－應變圖（應力與應變的關系）

應力—應變曲線：表示應力與應變的關系曲線。

比例極限和彈性極限永久變形（塑性變形）

破壞應力和破壞應變屈服應力

屈服應力應力與應變應力-應變曲線（模式圖）

比例極限應力：直線部分的上端點P對應的應力。比例極限應變：直線部分的上端點P對應的應變。

彈性極限:直線部分的上端點E.

塑性變形（永久變形）：應力超過彈性限度，這時如果除去應力，應變不會完全回復，其中一部分會永久殘留。應力與應變破壞應力、極限強度：應力在M點達到最大值，物體產生破壞(σM)。破壞應變：M點對應的應變(εM)

。

應力－應變曲線應力與應變屈服應力

當應力值超過彈性限度值并保持基本上一定,而應變急劇增大,這種現象叫屈服,而應變突然轉為急劇增大的轉變點處的應力叫屈服應力(σY)。應力與應變木材在比例極限應力下可近似看作彈性，在這極限以上的應力就會產生塑性變形或發生破壞。直線部分的頂點a為比例極限，從a到b雖不是直線，但屬彈性范圍，b點為彈性極限。a、b兩點非常接近，一般不加區分。a應變（%）圖

杉木彎曲時應力與應變圖解應力（MPa）b比例極限彈性極限破壞木材應力與應變的關系

木材的應力與應變的關系屬于既有彈性又有塑性的材料——黏彈性材料。在較小應力和較短時間的條件下，木材的性能十分接近于彈性材料；反之，則近似于黏彈性材料。應力與應變一、彈性與塑性

彈性:指木材在外力作用下發生變形，撤除外力后變形完全恢復的性質。塑性:指木材在外力作用下發生變形，撤除外力后產生永久殘留變形的性質。第二節彈性與木材的正交異向彈性應力－應變曲線彈性常數1、彈性模量和柔量彈性模量（E）：物體產生單位應變所需要的應力，它表征材料抵抗變形能力的大小，它是材料剛性的指標。

E=應力╱應變

σ＝Eε這里比例常數E叫做彈性模量或楊氏模量,單位為Mpa。

它表征材料抵抗變形能力的大小。物體的彈性模量值愈大，在外力作用下愈不易變形，材料的強度也愈大。木材的拉伸、壓縮和靜曲彈性模量大致相等,但壓縮的彈性極限比拉伸彈性極限低得多。

彈性柔量a:彈性模量的倒數。柔量的物理意義是單位應力的變形，表征材料產生變形的難易程度。式中：ε為相對變形（應變）；σ為應力；n為常數，取決于材料的性質。試驗表明鑄鐵、銅、花崗石、砂石、混凝土n>1；皮革、麻繩n＜1；鋼、鋁和木材n＝1。因此木材的應力和應變可用下列關系式表示：

ε＝aσ

ε＝aσn彈性2、剪切彈性模量剪切應力τ與剪切應變γ之間符合：

τ＝Gγ或γ=τ/GG為剪切彈性模量，或剛性模量。3、泊松比物體的彈性應變在產生應力主軸方向收縮（拉伸）的同時還伴隨有垂直于主軸方向的橫向應變，將橫向應變與軸向應變之比稱為泊松比（）。

=-′/

分子表示橫向應變，分母表示軸向應變。4、彈性常數

彈性模量E、剪切彈性模量G、泊松比彈性（１）木材是高度異向性的材料，彈性模量Ｅ在三個主方向上各不相同。縱向彈性模量可大于橫向１０─幾十倍，橫向中徑向大于弦向。（２）剛性模量Ｇ，端面最小，徑、弦面剛性模量分別與徑、弦向彈性模量數值相近。（３）彈性模量Ｅ和剛性模量Ｇ均隨密度ρ的增加而增加。（４）木材的泊松比μ（橫向變形系數）均小于１，而木材在橫向受力時，對縱向的泊松比遠小于其他泊松比，并以弦向受力時的泊松比為最小。

彈性木材的正交異向性木材是天然生長的生物材料，由于組織構造的因素決定了木材的各向異性（anisotropy）。

木材的圓柱對稱性—由于樹干包括許多同心圓的年輪層次，所以賦予木材圓柱對稱性（近似的），即從圓心到外徑，各個同心圓層次上的木材微單元的性質是相同的（彈性、強度、熱、電性質等）。使木材成為近似柱面對稱的正交異向性材料。（如物理性質干縮、濕脹、擴散、滲透等和力學性質如彈性、強度、加工性能等）。二、木材的正交對稱性與正交異向彈性木材的正交對稱性與正交異向性木材正交對稱性木材由于樹木生長的周期性，而形成生長輪從而具有層次性.木材層次性柱面對稱性正交異向彈性木材為正交異性體。彈性的正交異性為正交異向彈性。木材的正交對稱彈性—將正交對稱原理應用于木材，借以說明木材的彈性的各向異性。

如圖所示木材具有圓柱對稱性，使它成為近似呈柱面對稱的正交對稱性物體。符合正交對稱性的材料，可以用虎克定律來描述它的彈性。1、木材的正交對稱性

RT、LR、LT分別對應橫切面、徑切面和弦切面。

木材正交對稱性

如圖，小試件具三個軸L、R、T

但：R軸實際上是發散的；

LT面并非平面木材的正交對稱性與正交異向性在各向同性材料上，各主軸上的彈性常數相同。如施一靜壓于同性立方體上，僅使立方體體積變小，但保持原有的形狀性質---仍為立方體。施剪力于立方體時，受拉、受壓兩相對方向所產生應變相等，但符號相反，形狀改變成矩形，由于彈性常數相同，面積、體積無變化。在各向異性材料上，施流體靜壓力成剪力時，各軸產生不同變形，立方體的體積和形狀均改變。這證明了異性材料各主軸方向上彈性常數是不同的。

木材的正交對稱性與正交異向性2、木材的正交異向彈性常數

方程中9個獨立的彈性常數來反映木材的正交異向性，這些常數是：3個彈性模量、3個剪切彈性模量和3個泊松比。EL、ER、ET、GLT、GLR、

GTR、μRT、μLR、μLT不同樹種間的這9個常數值是存在差異。木材的正交對稱性與正交異向性材料密度g/cm3含水率%ELMPaERMPaETMPaGLTMPaGLRMPaGTRMPaμRTμLRμLT針葉樹材云杉0.3901211583896496690758390.430.370.47松木0.550101627211035736761172660.680.420.51花旗松0.59091640013009009101180790.630.430.37闊葉樹材輕木0.20096274296103200310330.660.230.49核桃木0.590111123911726216908962280.720.490.63白蠟木0.670915790151682789613102690.710.460.51山毛櫸0.750111370022401140106016104600.750.450.51幾種木材的彈性常數木材的正交對稱性與正交異向性（１）木材是高度異向性的材料，拉伸、壓縮和彎曲的彈性模量E近似相等。彈性模量Ｅ在三個主方向上各不相同。縱向彈性模量可大于橫向１０─幾十倍，橫向中徑向大于弦向。EL＞＞ER＞

ET

針葉樹材的

ER/ET＝1.8,EL/ET

＝24，EL/ER

＝13.3

闊葉樹材的ER/ET＝1.9,EL/ET

＝18.5，EL/ER

＝9.5（２）剛性模量Ｇ，橫斷面最小：GLR

（徑面）＞GLT（弦面）＞

GRT（橫斷面）橫切面最小,針葉樹材三者之比為20.5:17:1,闊葉樹材三者之比為4.3:3.2:1，徑、弦面剛性模量分別與徑、弦向彈性模量數值相近即GLR≈ER,GLT≈ET。（３）彈性模量Ｅ和剛性模量Ｇ均隨密度ρ的增加而增加。（４）木材的泊松比μ（橫向變形系數）均小于１，而木材在橫向受力時，對縱向的泊松比遠小于其他泊松比，并以弦向受力時的泊松比為最小，有uRT＞uLT＞

uLR。。

木材的正交對稱性與正交異向性第三節木材的粘彈性

流變學：討論材料荷載后的彈性和黏性的科學。(討論材料荷載后應力---應變之間關系隨時間變化的規律)木材的粘彈性（viscoelasticityofwood）—木材等高分子物在外力作用下表現出粘性流體和彈性固體兼有的性質。當其受到較長時間的外力作用時，就像極粘的液體出現粘性的變形。

蠕變和松弛：是黏彈性的主要內容。木材的黏彈性同樣依賴于溫度、負荷時間、加荷速率和應變幅值等條件，其中溫度和時間的影響尤為明顯。木材的粘彈性一.木材的蠕變概念(creep)：指在一定的溫度和較小的恒定外力作用下(應力不變),材料的形變隨時間的增加而逐漸增大的現象.木材屬高分子結構材料，受外力作用時產生3種變形：瞬時彈性變形（instantelasticdeformation）：木材承載時，產生與加載速度相適應的變形，它服從于虎克定律。彈性后效變形（粘彈性變形）（elasticaftereffectdeformation）

：加載過程終止，木材立即產生隨時間遞減的彈性變形。它是因纖維素分子鏈的卷曲或伸展造成，這種變形是可逆的，與瞬時彈性變形相比它具有時間滯后性質。塑性變形（plasticitydeformation）：纖維素分子鏈因載荷而彼此滑動所造成的變形。該變形是不可逆的。木材的粘彈性2、木材的典型蠕變曲線

OA-----加載后的瞬間彈性變形

AB-----蠕變過程，（t0→t1）t↗→ε↗BC1----卸載后的瞬間彈性回復，BC1==OAC1D----蠕變回復過程，t↗→ε緩慢回復木材的蠕變曲線O故蠕變AB包括兩個組分：彈性的組分C1C2——彈性后效變形剩余永久變形C2C3=DE——塑性變形木材蠕變曲線變化表現的正是木材的黏彈性質。木材的粘彈性3、蠕變規律

（1）對木材施載產生瞬時變形后，變形有一隨時間推移而增大的蠕變過程；（2）卸載后有一瞬時彈性恢復變形，在數值上等于施載時的瞬時變形；木材的粘彈性（3）卸載后有一隨時間推移而變形減小的蠕變恢復，在此過程中的是可恢復蠕變部分；（4）在完成上述蠕變恢復后，變形不再回復，而殘留的變形為永久變形，即蠕變的不可恢復部分；（5）蠕變變形值等于可恢復蠕變變形值（一次蠕變）和不可恢復蠕變變形值（二次蠕變）之和。木材的粘彈性4、單向應力循環加載時的蠕變特點

以一個方向的應力循環作用于木材，每個應力加載—卸載周期都會殘留一個變形，在熱力學上，曲線所包圍的面積相當于各周期中能量的消耗。

能量的損耗隨著每個周期增大，意味著在變形中做了更多的功，同時造成材料蠕變的不可恢復部分越來越大。反復加載-卸載的應力-應變周期圖木材的粘彈性5、蠕變的消除對木材施加一荷載，荷載初期產生應力—應變曲線OA′，卸載產生曲線A’B’，殘留了永久變形OB’。為了使永久變形消失而重新獲得物體的原來形狀，必須施加與產生曲線應力符號相反的應力OC’，而形成這段曲線B’C’。多向應力作用下蠕變的消除木材的粘彈性

當OC’繼續增大到等于A’P’

，B’C’將延至C’D’；卸去這個符號相反的應力，產生應力—應變曲線D’E’，也不能恢復到原形，殘留負向的永久變形E’O。多向應力作用下蠕變的消除木材的粘彈性再次通過反向應力OF’

，材料才能恢復原形。如果再繼續增大應力，則產生曲線F’A’，與原曲線構成一個環狀閉合。A’B’D’F’封閉曲線所包圍的面積相當于整個周期中的能量損耗。多向應力作用下蠕變的消除木材的粘彈性6.蠕變的影響因素(1)時間：(2)木材的含水率：含水率升高時，同樣荷載下木材的變形會增加。(3)溫度：溫度增高，變形量與變形速率會增加

木材的粘彈性（1）針葉樹材在含水率不發生變化的條件下，施加靜力載荷小于木材比例極限強度的75%時，可以認為是安全的。但在含水率變化條件下，大于比例極限強度20%時，就可能產生蠕變，隨時間延長最終會導致破壞。（2）靜載荷產生變形，若其變形速率（連續相等時間間隔內變形的差值）逐漸降低，則變形經一定時間后最終會停止，木結構是安全的。相反，變形速率是逐漸增加的，則設計不安全，最終會導致破壞。木材的粘彈性7、建筑木構件的蠕變問題（3）所施靜載荷低于彈性極限，短期受載即卸載，能恢復其原具有的極限強度和彈性。（4）含水率會增加木材的塑性和變形。（5）溫度對蠕變有顯著的影響。當空氣溫度和濕度增加時，木材的總變形和變形速度也增加。木材的粘彈性二.木材的松弛1.概念(stressrelaxation)：指在恒定溫度和形變保持不變的情況下,木材內部的應力隨時間延長而逐漸衰減的現象。松弛與蠕變的區別在于：在蠕變中，應力是常數，應變是隨時間變化的可變量；而在松弛中，應變是常數，應力是隨時間變化的可變量。木材的粘彈性松弛曲線

松弛曲線:應力—時間曲線

m為松弛系數。松弛系數隨樹種和應力種類而有不同，但更受密度和含水率影響，m值與密度成反比，與含水率成正比。松弛彈性模量：單位應變的松弛應力E(t)。黏彈性材料的松弛曲線(應變的速度為常數)木材的粘彈性三.木材的長期荷載1.長期載荷的影響在長期載荷作用下的木材強度，隨作用時間的延長而減小，長期載荷強度遠比瞬間強度小。這是由于木材中彈性和塑性兩種變形同時反應的結果。短時間內，在一定應力范圍內的變形，幾乎完全是彈性的。但在長期載荷下塑性已成為左右木材變形的更重要的因素。時間因素對木材的力學性質有很大的影響。（木材的長期荷載）木材的粘彈性（木材的長期荷載）2.長期強度(或持久強度)：如果木材的應力小于一定極限時,木材不會由于長期受力而發生破壞,這個應力極限稱為木材的持久強度,一般只有瞬間強度的0.5~0.7。木材的粘彈性（1）當σ＜σch時，載荷作用時間無論多長，試件均不會被破壞。（2）當σ＞σch時，試件經過一定時間后發生破壞。四、木材的塑性(plasticityofwood)

木材作為承重結構材使用時，設計應力或荷重應控制在彈性極限或蠕變極限范圍之內，必須避免塑性變形的產生。但在彎曲木、壓縮木和人造板成型等加工時，又必須掌握增加木材塑性的條件，盡可能增加木材的塑性變形。1、塑性與塑性變形

塑性變形:當施加于木材的應力超過木材的彈性限度時，去除外力后，木材仍會殘留一個當前不能恢復的變形，將這個變形稱為塑性變形。

塑性:木材所表現出的這一性質稱為塑性。木材的塑性是由于在應力作用下，高分子結構的變形及相互間相對移動的結果。木材屬于塑性較小的材料。木材的粘彈性2.木材塑性的影響因素

影響木材塑性的重要因素有木材的多孔性、木材的含水率和溫度，其中含水率和溫度的影響十分顯著。

含水率:隨W增大而增大。

溫度:隨T增大而加大，這種性質往往被稱為熱塑性。木材的粘彈性3.木材塑性的應用干燥時，木材由于不規則干縮所產生的內應力會破壞其組織的內聚力，而塑性的產生可以抵消一部分木材的內應力。木材橫紋壓縮變形的定型處理等木材加工工藝中就需增大木材的塑性。

木材的粘彈性第四節木材的強度、韌性與破壞木材的強度、韌性與破壞

一、木材的強度

強度是指材料抵抗外部機械力破壞的能力，表示單位截面積上材料的最大承載能力。單位N/mm2(=MPa)

木材是各向異性的高分子材料，根據所施加應力的方式和方向的不同，木材具有順紋抗拉強度、順紋抗壓強度、橫紋抗壓強度、抗彎強度等多項力學強度指標參數。抗拉強度：抵御拉伸應力的最大臨界能力。抗壓強度：抵御壓縮應力的最大臨界能力。抗彎強度：抵御被彎曲的最大臨界能力。木材的強度、韌性與破壞二.木材的韌性：

木材吸收能量和抵抗反復沖擊載荷，或抵抗超過比例極限的短期載荷的能力。也是材料在不致破壞的情況下所能抵御的瞬時最大沖擊能量值。單位KJ/m2

。

木材的強度、韌性與破壞韌性材料往往是強度大的材料，但也有不符合這個關系的。三、木材的破壞

1、破壞木材結構破壞是指其組織結構在外力或外部環境作用下發生斷裂、扭曲、錯位，而使木材宏觀整體完全喪失或部分喪失原有物理力學性能的現象。

木材的強度、韌性與破壞從細胞壁結構和細胞壁結構物質的性質來看，木材發生破壞的原因是微纖絲和纖維素骨架的填充物的撕裂，或纖維素骨架的填充物的剪切，或纖維被壓潰所引起。任何條件對木材破壞的決定性作用都取決于應力狀態的類型。

2、木材破壞的原因

纖維素賦予木材彈性和強度；木質素賦予木材硬度和剛性；半纖維素起填充作用，它賦予木材剪切強度。木材的強度、韌性與破壞四、單軸應力下木材的變形與破壞特點1、順紋壓縮（compressionalongthegrain）:平行于木材紋理方向的壓縮稱順紋壓縮。

順紋壓縮破壞的宏觀征狀：最初現象是橫跨側面的細線條，隨著作用力加大，變形隨之增加，材面上開始出現皺褶。木材順壓破壞試件上，常可見連續破壞線總出現在弦面，說明木材剛性徑面大于弦面。因木射線在徑面起骨架和支撐作用；此外微纖絲在胞壁徑面與木射線相交，產生了局部扭轉，對剪切方向也有影響。破壞線與主軸的傾角常取決于木材密度，密度大者，傾角小。破壞形狀和破壞部位常取決于木材含水率和硬度等因素。濕材和軟材以端部壓潰破壞最為常見，破壞出現在應力集中即木材荷載與之接觸的地方。干的木材常在未發生明顯扭曲之前，因劈裂而破壞，這是由于纖維或木射線的撕裂，而非木射線與鄰接的構造分子之間的分離。干的硬材只會發生剪切破壞。中等硬度的木材即可以發生端部壓潰，又可以發生剪切破壞。木材的強度、韌性與破壞順紋壓縮破壞的微觀征狀：由顯微鏡可觀察到順壓破壞有3個階段。首先在次生壁上會產生橫向的細線紋（錯位形成），與細胞長軸約成57°角。隨壓力增大變形增加，這些細線紋越來越多，直到最后細線紋彼此相連而形成縱橫交錯的網紋為止。最后在細胞壁的這些細線紋處產生剪切破壞，剪切破壞多了，整個細胞壁便被扭曲。受壓的皺痕使整個破壞區的細胞壁都扭曲。前兩階段屬初期破壞。微纖絲產生錯位，在低于破壞載荷的25%應力的水平下已開始產生。這種錯位使木材纖維縮短，屬永久的塑性變形。木材纖維與木射線接觸部位易產生錯位，錯位所產生的滑移線與胞壁主軸一般成50°~70°角。繼初期破壞之后，木材纖維會產生扭曲。扭曲是木材纖維受力后彎曲而偏離原軸線，但纖維間仍保持彼此平行。它是木材受壓破壞后厚壁細胞的特征。到破壞后期，早材細胞常發生扭曲，以適應木材破壞的外形。

2、橫紋壓縮（compressionperpendiculartothegrain）木材橫紋壓縮是指作用力方向與木材紋理方向相垂直的壓縮。木材橫紋壓縮可分為局部受壓和全部受壓。前者抗壓強度高于后者。鐵軌架在枕木上屬局部受壓，膠合板制造的加壓屬全部受壓。木材橫紋抗壓結果是用比例極限值，或用試件厚度2.5%壓縮率時的應力值來表示。木材進行壓縮時，應力—應變關系是一條非線性的曲線.木材的強度、韌性與破壞a.橫壓破壞宏觀表現木材橫壓時，宏觀變化首先是纖維受壓變緊密。局部橫壓時，承壓板凹陷入木材，上部的纖維破壞，較內部的纖維未受影響。當荷載繼續增加時，試樣未受壓的端部會突出，或呈水平劈裂。試樣突出部分增加了直接荷載下的木材強度。b.橫壓破壞微觀表現木材橫壓時微觀變化主要是細胞的橫斷面變形，若施加的壓縮荷載為足夠大時，這種變形將繼續擴大，直至荷載超過木材的彈性極限后，木材外部纖維及其鄰近纖維潰壞，并變得緊密，產生永久變形。外部纖維破壞最大，也最緊密。橫壓試件由外向內纖維遭受的破壞和被壓程度也依次變小。木材這種重新分配應力和吸收能量的能力，對于用木材作承重墊板，特別是木結構的節點聯結處尤為重要。在用連接件（螺栓等）將木構件連在一起時，常用來傳遞構件的內力。3、順紋拉伸木材順紋拉伸破壞主要是縱向撕裂和微纖絲之間的剪切。微纖絲縱向結合非常牢固，所以順紋拉伸時的變形不大，通常應變值小于1%～3%，強度值卻很高。即使在這種情況下，微纖絲本身的拉伸強度也未能充分發揮，因為木材的纖維會在微纖絲之間撕開。木材順紋剪切強度特別低，通常只有順紋抗拉強度的6%～10%。順紋拉伸時，微纖絲之間產生滑移使微纖絲撕裂破壞，其破壞斷面通常呈鋸齒狀、細裂片狀或針狀撕裂。其斷面形狀的不規則程度，取決于木材順拉強度和順剪強度之比值。一般健全材該比值較大，破壞常在強度較弱的部位剪切開，破壞斷面不平整，呈鋸齒狀木茬。腐朽材和熱帶脆心材，兩者比值較小，而且由于腐朽所產生的酸質使纖維素解聚，對大氣濕度敏感性增加，這兩個因素大大削弱了木材的順拉強度，微纖絲很少出現滑移現象，，木茬較短。木材的強度、韌性與破壞4、橫紋拉伸木材橫紋拉伸分徑向拉伸和弦向拉伸。木材的橫紋拉伸強度很低，只有順紋拉伸強度的1/65～1/35。木材在徑向和弦向拉伸時的強度差，取決于木材密度及射線的數量與結構。木材徑向受拉時，除木射線細胞的微纖絲受軸向拉伸外，其余細胞的微纖絲都受垂直方向的拉伸，組成木材細胞一系列鏈狀分子受橫拉應力時會發生扭曲。由于木射線組織體積百分比較小，故木材橫向拉伸強度遠遠小于順紋拉伸強度。針葉樹材和環孔材弦向拉伸時，參與拉伸的微纖絲數量比徑向多。散孔材參與拉伸的微纖絲數量徑向弦向都一樣多，但徑向有木射線細胞壁微纖絲是軸向拉伸，所以散孔材橫紋拉伸強度徑向大于弦向。木材的強度、韌性與破壞5、順紋剪切按剪切力與木材紋理方向之間的關系，可分為順紋剪切、橫紋剪切和切斷。木材使用中最常見的為順紋剪切，又分為弦切面和徑切面。木材順紋剪切的破壞特點是木材纖維在平行于紋理的方向發生了相互滑移。a.剪切面平行于年輪的弦面剪切：其破壞常出現于早材部分，在早材和晚材交界處滑行，破壞表面較光滑，但略有起伏，面上帶有細絲狀木毛。b.剪切面垂直于年輪的徑面剪切：其破壞表面較粗糙，不均勻而無明顯木毛。在擴大鏡下，早材的一些星散區域上帶有細木毛。木材的強度、韌性與破壞第五節木材主要力學性能指標按作用力方向分：順紋和橫紋（弦向、徑向）；按荷載形式分：靜力荷載、沖擊荷載、振動荷載、長期荷載；按作用力方式分：拉伸、壓縮、剪切、彎曲、扭轉及縱向彎曲；按工藝要求分：抗劈力、握釘力、彎曲能力、耐磨性。木材受壓荷載應用最廣泛，是木材力學性質中最重要的特性。1.順紋抗壓強度(compressivestrengthparalleltograinofwood)概念：力的方向平行于木材紋理，給試件全部加壓面施加載荷時的強度。木材順紋抗壓順紋抗壓

木材的各種力學強度有縱向和橫向之分，橫向有分為徑向和弦向。一、抗壓強度(compressivestrength)

順紋抗壓強度是木材作為結構和建筑材料的主要力學性質，它可在一定程度上說明木材總的力學性質的好壞。由于其強度變化較少，且易于測定，在研究與木材強度有密切關系事項時，如含水率等與強度關系均采用此項試驗。順紋抗壓強度主要取決于細胞壁的化學成分為—木素（賦予木材抗壓強度和剛性，把木材分子粘合在一起）。

測定試件斷面的徑、弦向尺寸為20×20mm，高度為30mm。順壓強度可用下式計算：

式中：σ為順壓強度（MPa）；Ｐmax為破壞荷載（N）；b和t分別為試件的寬度、厚度尺寸（mm）。

我國木材順壓強度平均值約為450×105Pa，順壓比例極限與強度的比值約為0.70，其中，針葉材為0.78左右，軟闊葉材為0.70，硬闊葉材為0.66。針葉材具有較高比例極限的原因有結構較規則，硬闊葉材中環孔材由于結構不規則，因此比例極限最低。2.橫紋抗壓強度(compressivestrengthperpendiculartograinofwood)根據作用力與年輪位置的不同，分為徑向和弦向受壓。(1)概念：(2)分局部受壓和全部受壓：全部受壓試件名義尺寸為20×20×30mm，局部受壓為20×20×60mm，后一尺寸均為順紋尺寸。(3)根據作用力與年輪的位置不同又可分徑向和弦向。又可以分為徑向和弦向受壓：

因橫紋壓力無法準確測定破壞強度，故從繪制荷載－變形曲線上確定比例極限荷載Ｐ，分別以下式計算橫壓比例極限強度：全部橫壓（MPa）局部橫壓（MPa）式中：Ｐ為比例極限荷載（N），ｂ為試樣寬度（mm），Ｌ為試樣長度(mm)，t為加壓鋼塊寬度(mm)。橫紋抗壓（全部）橫紋抗壓（局部）木材橫壓比例極限強度，局部橫壓高于全部橫壓，前者應用范圍較廣，測定以前者為主。徑向與弦向橫壓值的大小與木材構造有極其密切的關系。具有寬木射線和木射線含量較高的樹種（櫟木、米櫧等），徑向橫壓強度高于弦向；其它闊葉樹（窄木射線），徑向與弦向值相近；對于針葉材，特別是早、晚材顯明的如落葉松等樹種，則弦向大于徑向。當徑向受壓時主要是較松軟的早材部分易形成變形；而弦向受壓時試驗一開始即由晚材承載。二、抗拉強度(tensilestrength)1.順紋抗拉強度：(tensilestrengthparalleltograinofwood)

木材順紋抗拉強度取決于木材纖維的強度、長度、紋理方向和木材密度等。纖維長度是左右木材順紋抗拉強度的主要因子，纖維長度與微纖絲傾角間有一定相關，即纖維越長，微纖絲傾角越小，順紋抗拉強度也越大。木材密度大，順紋抗拉強度也大木材順紋抗拉強度是各類強度中最大者。根據拉力與木材紋理的平行和垂直可分為順拉和橫拉。橫拉根據拉力與年輪的平行和垂直又可分弦向和徑向。

拉伸強度按以下公式計算：式中：Pmax—最大荷載（N）b—試件寬度（mm）t—試件厚度（mm）（MPa）圖8-3木材順紋抗拉強度測定試件數值范圍：120～150MPa，高的可達300MPa。是木材最大的強度。測定：試件制作與測定按國標GB1938-1991《木材順紋抗拉強度實驗方法》破壞：試件中部局部消弱部分產生拉伸破壞。2.橫紋抗拉強度(tensilestrengthperpendiculartograinofwood)

木材抵抗垂直于紋理拉伸的最大應力。分徑向和弦向的抗拉強度由于木材細胞排列和胞壁上微纖絲走向等原因，木材的橫紋抗拉強度約為順紋抗拉強度的1/65～1/10。因此，在任何木結構的部件中應盡可能避免橫紋拉力，這不僅是因為橫紋抗拉強度很低，而且由于木材的干縮可能引起徑裂和輪裂，使木材完全喪失橫紋抗拉強度。三、木材的抗彎強度(bendingstrength)和抗彎彈性模量(themodulusofelasticityinstaticbending)圖8-6木材的彎曲形式在靜力彎曲時，木梁構件上層受壓，下層受拉，其間受剪。在拉、壓間有一層既不伸長，也不縮短的纖維層叫中性層。正應力在距中性層最遠的邊緣纖維達最大值，剪應力最大值在中性層上。由于木材的順拉強度遠大于順壓強度，中性層偏向受拉區一側。抗彎強度試件和彎曲模量試件尺寸均為20×20×300mm后者為順紋尺寸。支座距均為240mm。抗彎強度采用中央加載，彎曲模量則采用離支座各三分之一處兩點荷載。兩者均僅作弦向彎曲。抗彎強度σM和彎曲模量ＥM分別用下式計算：(MPa)

(MPa)式中：Ｐmax為最大荷載（Ｎ）；Ｌ為支座間距離（mm）；b為試樣寬度（mm）；h為試樣高度(mm)；f為上、下荷載間的變形值(mm)。

木材抗彎強度值介于順拉與順壓強度之間，各樹種平均約900×105Pa。徑向與弦向彎曲強度間的差異僅表現在針葉材上，弦向比徑向高出10━12%。闊葉材兩方向上幾乎相等。抗彎強度可分五級（105pa）500以下,甚低501━800，低802━1200，中1201━1700，高1700以上，甚高彎曲模量也分五級（108Pa）90以下，甚低91━120，低

121━150，中151━190，高190以上，甚高木材抗彎強度與抗彎彈性模量之間的關系：柯病凡根據356個樹種在含水率15％時的木材抗彎強度與抗彎彈性模量，發現了二者之間的相關性并得出關系式：

Ew=0.086σbw+33.7(MPa)

四、沖擊韌性(toughness)1、沖擊韌性采用中央施加沖擊荷載使試樣產生彎曲破壞的試驗形式。它不測定破壞試件所需要的力，而是用破壞試件所消耗的功來表示。消耗的功愈大，木材韌性愈大，脆性愈小。試件尺寸為20×20×300mm，后者為順紋尺寸。沖擊韌性按下式計算：

(KJ/m2)式中：Ｑ為試樣破壞時吸收能量(J)；b為試樣寬度(mm)；h為試樣高度(mm)。木材沖擊韌性按我國標準只做弦向試驗。早晚材區別明顯的樹種，其弦向與徑向沖擊韌性有明顯的差別，如落葉松徑向沖擊比弦向高50%，云杉高35%，水曲柳高20%。早晚材區別不明顯的樹種，徑、弦向幾乎相同。闊葉材沖擊韌性比針葉材平均高0.5－2倍。沖擊韌性可分為五級（KJ/m2）：30以下為甚低；31－60為低；61－90為中；91－120為高；120以上為甚高。

2、影響因素：

a.方向性

b.木材構造

c.木材缺陷

d.木材腐朽

3.破壞形式木材沖擊韌性試材破壞情況五、抗剪切強度與扭曲強度剪力作用于木材紋理方向的不同可分順剪(shearingstrengthparalleltograinofwood)、橫剪和切斷三類。木材順剪強度最小，故通常只測順剪。順剪又分徑面和弦面破壞兩種。：1、抗剪切強度(shearingstrength)如圖所示。試樣缺角部分角度為106°42′，θ角為16°42′。1——附件主體2——楔塊3——L型墊塊4——螺桿5——螺桿6——壓塊7——試樣8——圓頭螺釘圖順紋抗剪試樣及試驗裝置式中：Ｐmax為最大荷載(Ｎ)；ｂ為試樣寬度(mm)；Ｌ為試樣受剪面長度(mm)。剪切面平行于年輪的弦面剪切：破壞常出現于早材，在早、晚材交界處滑行，破壞面較光滑，有細纖毛。剪切面垂直于年輪的徑面剪切：破壞面較粗糙、不均勻且無明顯木毛。木材順紋剪切強度較小，平均只有順紋抗壓強度的10%~30%。紋理較斜的木材，如交錯紋理、渦紋、亂紋等其剪切強度會明顯增加。闊葉材的順紋剪切強度平均比針葉材高出1/2。闊葉材弦面抗剪強度較徑面高出10%~30%，其木射線越發達，這種差異也越大。針葉材徑面和弦面的抗剪強度大致相同。順剪強度分五級（105Pa）：50以下,甚低；51－100，低；101－150，中；151－200，高；200以上，甚高。（MPa）2、扭曲強度當木桿因外力而扭曲時，桿環繞其縱軸旋轉，這時產生的內阻力矩成為扭曲。木材因扭曲而破壞時所產生的相應應力稱為扭曲強度。扭曲強度在木材作為螺旋槳、回轉軸、車軸、農機零部件等使用中較重要。計算公式見書P202。六、木材硬度(hardness)與耐磨性1、硬度：是材料抵抗其它不產生殘余變形物體壓入的抗凹能力。我國木材硬度試驗是采用改進的布氏硬度試驗法。用直徑為11.28mm的鋼球，在靜荷載下壓入試樣深度為5.64mm時，其橫斷面積恰好為100mm2。對于壓入后試樣易裂的樹種，鋼半球壓入的深度允許減至2.82mm，此時截面積為75mm2。硬度試件尺寸為50×50×70mm，后一尺寸為順紋尺寸。可分徑面、弦面和端面硬度。硬度其計算公式為：ＨM＝Ｋ·Ｐ(N)式中：P為鋼球半徑面壓入時的荷載（N）；Ｋ為系數，當壓入深度為2.82mm和5.64mm時,K值分別為1和4/3。

木材端面硬度高于側面硬度，針葉材平均高出35%，闊葉材高出25%；木射線發達的麻櫟、青岡櫟等樹種的木材硬度，弦面較徑面可高出5-10%，大多數樹種徑面和弦面硬度相近。木材密度對硬度影響極大，密度愈大，硬度愈大。2、耐磨性

木材與任何物體的摩擦，均產生磨損，其變化大小以磨損部分損失的質量或體積來計算。常用的磨耗儀有科爾曼磨耗儀、泰伯磨耗儀和斯塔特加磨耗儀闊葉材徑面抗劈力較弦面為小。這種差異對木射線發達的樹種尤為顯著。針葉材恰恰相反，即弦面小于徑面，這是由于早材部分強度小，弦面易于劈開。七、抗劈力抗劈力是木材抵抗在尖楔作用下順紋劈開的力。試樣尺寸為20×20×50mm,形狀如圖：C=Pmax/b(N/mm)八、握釘力木材的握釘力是指釘子在從木材中被拔出時的阻力。是以平行于釘身方向的拉伸力計算，常用經驗公式見書P206。主要力學性質間的關系木材的各種力學性質間存在著相關關系。如能找出某種力學性質與其它力學性質的相關方程，就能通過實測一、二種力學性質值，來估斷該木材的其它力學性能，并為非破壞性測試提供理論依據。如木材無損強度試驗，即采用非破壞性的彈性模量的測試，然后利用彈性模量與抗彎強度的關系，估測出抗彎強度，以達到木材應力分等的目的。據統計，我國250多個樹種的力學性質的平均值范圍(MPa)大致如下：順壓強度40~50MPa

；抗彎強度80~100MPa

；順拉強度120~150MPa

；順剪強度12~15MPa

。因此主要強度間有以下比例關系：順壓：彎曲：順拉：順剪=1：2：3：0.30。第六節木材力學性質的影響因素木材密度的影響含水率的影響溫度的影響長期荷載的影響紋理方向及超微構造的影響缺陷的影響一.木材密度:木材的力學性質與木材密度有著極為密切的關系。木材密度是決定木材強度和剛度的物質基礎。密度增大，木材強度和剛性增高；密度增大，木材的彈性模量呈線性增高；剪切彈性模量與密度相關性小；順拉強度與密度相關性不大；密度增大，木材韌性也成比例地增長。兩者的關系可用以下數學式表示：

σ=aγn＋b，σ表示各類力學性質，γ

是木材密度，a，b是比例常數，n是關系曲線的形狀指數(斜率)，a和b隨力學性質類型不同而異。二.含水率木材吸附水存在于細胞壁中的微纖絲之間，起著潤滑作用，允許微纖絲之間有一定的滑移或相對位移。若水分散失了，微纖絲之間緊密靠攏，吸引力增大，對滑動位移有很強的摩擦阻力。所以，（1）當含水率低于纖維飽和點時，木材強度隨細著水的增加而降低；（2）當含水率在纖維飽和點時，強度達最低值；（3）當含水率高于纖維飽和點時，自由水含量增加，其強度值不再減少，基本保持恒定。含水率對松木力學強度的影響A—橫向抗彎；B—順紋抗壓；C—順紋抗剪強度的含水率調整系數α—木材在吸著水范圍內，含水率每改變1%時的強度變化百分率。通常用α

表示。木材各類強度的α是各不相同的。我國木材物理力學性質試驗國家標準規定的各種強度α值如下：順壓強度0.05，橫壓強度0.045，靜曲強度0.04，硬度0.03，順剪強度0.03，橫拉強度0.025，順拉強度和靜曲模量0.015，沖擊韌性和抗劈力均為0。為了統計和相互比較，應將不同含水率的木材強度換算成同一含水率下的強度。我國國家標準所規定的含水率為12%，可采用以下公式計算：

σ12=σW[1+α(W-12)]

式中：σ12和σW分別為含水率為12%和W%時的強度值。α為含水率換算系數，隨強度性質而異。上式適用的含水率范圍為8%~15%，試驗時應采用氣干材。三.溫度溫度對強度的影響甚為復雜，它與溫度的高低、受熱時間的長短、木材密度、含水率、樹種和強度性質等諸多因子有關。此外尚會形成個因子與溫度對強度的綜合影響。木材強度隨溫度升高而較為均勻地下降。濕材隨溫度升高而強度下降的程度明顯高于干材。溫度-含水率對木材力學強度的影響正溫度正溫度的變化會導致木材含水率及其分布產生變化，由此造成內應力和干燥等缺陷。正溫度除通過它們對木材強度的有間接影響外，還對木材強度有直接影響。造成這種影響的因素有二，一是因熱促使細胞壁物質分子運動加劇，內摩擦減少，微纖絲間松動增加，木材強度下降。二是當溫度超過180℃木材物質分解溫度，或在83℃左右長期受熱的條件下，木材中的抽提物、果膠、半纖維素等會部分或全部消失，這對強度會產生損失，特別是沖擊韌性和拉伸強度會有較大的削弱。前者是暫時影響，是可逆過程；后者是永久影響，為不可逆。長時間高溫的作用對木材強度的影響是可以累加的。總之，木材大多數力學強度隨溫度升高而降低。溫度對力學性質的影響程度由大至小的順序為：壓縮強度、彎曲強度、彈性模量，最小為拉伸強度。此外加熱方式對強度的影響程度也有差別，其大小順序如下：蒸汽、水、熱壓機內、干熱空氣。負溫度負溫度對木材強度的影響如下：冰凍的濕木材，除沖擊韌性有所降低外，其它各種強度均較正溫度有所增加，特別是抗剪強度和抗劈力的增加尤甚。冰凍木材強度增加的原因，對于全干材可能是纖維的硬化及組織物質的凍結；而濕材除上述因素外，水分在木材組