木材橫紋與順紋實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、木材橫紋與順紋壓縮實(shí)驗(yàn) 摘要： 為了解影響木材壓縮性能的一些因素和機(jī)制并測量橫紋與順紋的彈性模量，抗拉強(qiáng)度以及比較二者的區(qū)別。本文用兩塊取自橫紋和順紋兩個(gè)不同方向的木塊的壓縮試驗(yàn)結(jié)果做了一個(gè)對(duì)比，簡要分析了不同構(gòu)造的木材其不同的壓縮力學(xué)性能，得到了兩個(gè)不同方向的應(yīng)力-應(yīng)變特性曲線，證實(shí)了木材的各向異性以及得到了木材橫紋和順紋的力學(xué)性能。 關(guān)鍵詞：木材各向異性；橫紋方向; 順紋方向1.引言： 我國森林覆蓋率較低，木材資源較為匱乏，研究木材的壓縮特性有助于讓不同性能的木材各盡其用，節(jié)約成本。生活中，人們對(duì)木材這種材料有著非常感性的認(rèn)識(shí)，比如“劈柴沿

2、著順紋方向比較輕松”、“砍樹要比劈柴費(fèi)勁得多”。事實(shí)上，木材是一種極為特殊的各向異性多孔材料，作為一種天然的復(fù)合材料，在外加載荷作用下有著非常復(fù)雜的力學(xué)特性。木材微觀上由許多含有空腔的細(xì)胞所組成。其中近于沿樹干主軸方向排列者占絕大多數(shù)，該方向稱為軸向或順紋方向；而與樹干主軸相垂直的方向，包括徑向、弦向、半弦向等，統(tǒng)稱為橫紋方向。   2.試驗(yàn)方案：2.1使用設(shè)備 WDW3050電子萬能試驗(yàn)機(jī)、光學(xué)引伸計(jì)、計(jì)算機(jī)、游標(biāo)卡尺、橫紋木材試件、順紋木材試件各一件。  2.2試樣     

3、60;2.3實(shí)驗(yàn)原理 2.3.1 木材的微觀組成 木材由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三大組分構(gòu)成。組成木材細(xì)胞壁的主要化學(xué)成分，按其物理作用可分為3類：骨架物質(zhì)、基體物質(zhì)和結(jié)殼物質(zhì)。有人形象的將骨架物質(zhì)、基體物質(zhì)、結(jié)殼物質(zhì)分別比作鋼筋、沙石、水泥。 骨架物質(zhì)：以纖維素的微纖絲狀態(tài)存在于細(xì)胞壁中，賦予細(xì)胞拉壓強(qiáng)度。纖維素為線形、長的大分子結(jié)構(gòu)，其分子鏈不是筆直成線，而是具有一定程度的卷曲，這就決定了纖維素具有可以伸縮的彈性性能。纖維素作為木材的骨架結(jié)構(gòu)元素，其含量主要影響木材的剛度。 基體物質(zhì)：指半纖維素和其它碳水化合物。滲透于骨架物質(zhì)，增加細(xì)胞的剛

4、性。 結(jié)殼物質(zhì)：指木質(zhì)素，遍布于細(xì)胞壁之中，使細(xì)胞獲得硬度。1. 測量試樣原始尺寸： 用游標(biāo)卡尺測量試件基本尺寸，如標(biāo)記段原始長度，寬度，厚度，多測幾次取平均。由于要使用光學(xué)引伸計(jì)，應(yīng)該用快干墨水或帶色涂料標(biāo)出兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)。2. 試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備： 預(yù)先開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，確定試驗(yàn)機(jī)工作正常。打開相機(jī)，確認(rèn)圖像可以正常采集。3. 安裝試樣： 手持試件安放在下壓平臺(tái)，使用面板的上下控制鍵控制壓頭輕微壓緊木塊，使試樣的縱軸與試驗(yàn)機(jī)的加載軸基本保持平行。4. 設(shè)定實(shí)驗(yàn)方案：  再次檢查試驗(yàn)機(jī)工作狀態(tài)，調(diào)整相機(jī)位臵，保證圖像采集。5. 進(jìn)行試驗(yàn)： 

5、以預(yù)先設(shè)定的加載速度連續(xù)加載至試樣破壞，記錄破壞荷載和試樣破壞的最大位移。6. 試樣斷后尺寸測定： 取出試樣斷體，觀察斷口情況。然后將試樣在斷裂處緊密對(duì)接在一起，并盡量使其軸線處于同一直線上，測量試樣斷后標(biāo)距L（可直接用游標(biāo)卡尺測量標(biāo)距兩端點(diǎn)的距離）。7. 歸整實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)束試驗(yàn)： 完成全部測量后，將所使用的儀器設(shè)備全部復(fù)原，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄拷入U(xiǎn)盤，關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)。 由上述圖表可得到木材兩個(gè)方向的力學(xué)性能特點(diǎn)： （1）順紋壓縮的強(qiáng)度極限比橫紋壓縮大得多。 （2）對(duì)于順紋壓縮，彈性階段內(nèi)，需要很大的負(fù)荷才能使試件發(fā)生較大的變形；在彈性階段之后沒有明顯

6、的屈服階段。 （3）對(duì)于橫紋壓縮，彈性階段中，試件的變形不需要很大的外載荷；而且在彈性階段之后，有明顯的屈服階段，之后經(jīng)歷較長的強(qiáng)化之后才出現(xiàn)斷裂。 （4）木材順紋壓縮的彈性模量要比橫紋壓縮大得多。   3.試驗(yàn)結(jié)果及分析橫紋 順紋長度/mm寬度/mm厚度/mm長度/mm寬度/mm厚度/mm160.10 20.00 19.92 60.64 20.30 19.98260.30 19.98 20.00 60.66 20.14 19.92360.10 20.16 19.92 60.56 20.00 20.00平均值/mm60.17 20.05 19.

7、95 60.6220.15 19.97橫截面積/mm2 400 402微觀結(jié)構(gòu)分析：  順紋壓縮： 木材順紋方向相當(dāng)于無數(shù)纖維管束的集合體。因此，順紋壓縮可以類似于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的順纖維壓縮過程。木材在順紋壓力的作用下，細(xì)胞壁中微纖絲之間產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致木材細(xì)胞壁的壁層縱向產(chǎn)生褶皺。這些褶皺主要集中在細(xì)胞的內(nèi)壁，如果木材在持續(xù)的外力作用下被壓縮，這些纖維管會(huì)分離（破壞了半纖維素，纖維管失去固定作用），這也解釋了為什么是開裂破壞。  橫紋壓縮： 在橫紋壓縮過程中，徑向加載時(shí)，木射線是以縱向支撐受力，因此徑向應(yīng)力和彈性模量會(huì)大于弦向。弦向

8、壓縮時(shí), 由于早晚材同時(shí)受壓力影響，使之徑向應(yīng)力值大于弦向值略高些。 事實(shí)上，本次試驗(yàn)研究的對(duì)象是木材大變形壓縮試驗(yàn)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有如下所述的模型： 木材是多孔性材料, 由許多含有空腔的細(xì)胞所組成。一般來說, 當(dāng)其受到橫紋方向的大變形范圍壓縮的情況下, 可由屈服點(diǎn)應(yīng)變y和細(xì)胞壁壓密化臨界應(yīng)變d（即壓縮過程中細(xì)胞腔完全被填充而消失時(shí)刻的應(yīng)變），將應(yīng)力-應(yīng)變曲線為三個(gè)階段。即a.細(xì)胞發(fā)生微小變形, 應(yīng)力與應(yīng)變呈比例關(guān)系的領(lǐng)域，即彈性變形領(lǐng)域；b.在越過屈服點(diǎn)之后較寬的變形范圍, 細(xì)胞逐漸被壓潰，胞壁發(fā)生向腔內(nèi)塌陷的彎

9、曲和壓屈變形，應(yīng)變迅速增大而應(yīng)力僅略有增加, 應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于平坦的領(lǐng)域；c.壓縮進(jìn)行至原來對(duì)面的細(xì)胞壁相互接觸, 細(xì)胞腔被完全充填, 細(xì)胞壁實(shí)質(zhì)物質(zhì)被壓縮, 應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而急劇增大的領(lǐng)域。木材橫紋壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變特性曲線，一般都具有這樣的三段特征。 按照這一模型，完全可以解釋為什么載荷-位移曲線會(huì)有一個(gè)交替上升的過程。并且還可以得到y(tǒng)0.045，d=0.39。 上面的兩張圖片都是用MATLAB軟件擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，由上面兩張圖片可以看出，橫紋與順紋的應(yīng)力應(yīng)變曲線是有很大不同的。 順紋的各個(gè)階段的應(yīng)力值都很大，抗拉強(qiáng)度很大。但是橫紋應(yīng)變較小，故可以作為良好的減震材料?？赡軐?shí)驗(yàn)存在誤差，其中，取彈性階段的20%-80%進(jìn)行分析得