天然木材和人造木材楊氏彈性模量的測定

天然木材和人造木材楊氏彈性模量的測定

1木材力學(xué)性能檢測,是木材最佳使用條件的確定依據(jù)材料力學(xué)研究的力學(xué)性，如強度、剛度和穩(wěn)定性，是設(shè)計中材料的選擇和計算的基礎(chǔ)。天然木材和人造木材,根據(jù)使用環(huán)境的不同,對木材的力學(xué)強度、剛度等參數(shù)要求也不同,因而對木材的力學(xué)性能進(jìn)行檢測,為材料的正確使用提供重要的理論與實驗依據(jù)。本文將木材彈性模量測量及傳感器的應(yīng)用引入至學(xué)生物理實驗中,這不僅提高了學(xué)生對基礎(chǔ)物理實驗的興趣,而且還增加了許多設(shè)計性與研究性實驗內(nèi)容,取得了良好的教學(xué)效果。2本構(gòu)模型的彈性模量測試方法,主要考木材的主要力學(xué)性能有靜曲強度和彈性模量。靜曲強度是木材做結(jié)構(gòu)件的重要性能,它是表示板材抵抗彎曲外力不被破壞的最大能力,木板材部件應(yīng)有足夠的抗彎強度。但只有足夠的抗彎曲強度是不夠的,因為部件雖不會破壞,若因其剛度不夠而產(chǎn)生過大變形,同樣會影響實際的使用,所以要想保證木制品正常工作,還必須對其構(gòu)件的變形限制在一定的范圍內(nèi),即應(yīng)滿足剛度要求。彈性模量就是表示材料剛度的性能指標(biāo),它表示材料在受力線性應(yīng)變范圍內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變間的關(guān)系。木板材試件楊氏彈性模量按圖1方法進(jìn)行測量,載荷方向與木紋取向垂直。按下式計算:E=l34bh3ΔfΔz(1)E=l34bh3ΔfΔz(1)式中:E為試樣的彈性模量;Δz為在Δf的作用下,試樣的變形量;l為2個支座刀口間的距離;h為試樣厚度;Δf為在線性應(yīng)變范圍施加的外力。3古梁和梁彎曲法測定實驗裝置為FD-HY-1霍爾位置傳感器法楊氏彈性模量測定儀,由彎曲法測彈性模量裝置、讀數(shù)顯微鏡、霍爾位置傳感器、數(shù)字電壓表等組成,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)集成霍爾傳感器在均勻梯度磁場中移動Δz′時,有輸出的霍爾電勢差變化ΔUH,ΔUΗ=Κ′ΙΔBΔz′Δz′=ΚΔz(2)ΔUH=K′IΔBΔz′Δz′=KΔz(2)式中:ΔB/Δz′為磁感應(yīng)強度梯度,其值為常量;I為通過霍爾元件的電流,一般取恒定值;K′為霍爾元件的靈敏度?；魻栁恢脗鞲衅鞯撵`敏度Κ=Κ′ΙΔBΔz′K=K′IΔBΔz′由式(2)可知:由于梁彎曲的位移量Δz與Δz′成正比,所以由ΔUH和Δz對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行定標(biāo),便可用電測法測量梁的彎曲位移量Δz。用橫梁彎曲法測E時,有E=l34h3bmgΔz=l34h3bmgΚUΗ(3)E=l34h3bmgΔz=l34h3bmgKUH(3)式中:b為梁的寬度;m為加掛砝碼的質(zhì)量;Δz為梁的中心在mg作用下而下降的距離;g為重力加速度;ΔUH為霍爾電壓。其他儀器和量具有:游標(biāo)卡尺(分度值0.02mm);螺旋測微計(分度值0.01mm);米尺(分度值1mm);電子分析天平(精度0.1mg);DGG-9240型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱;SWJ-I型精密數(shù)字溫度計(分辨率0.1℃)。4測量樣品在溫室下的彈性模量將彈性模量測定儀中霍爾傳感器的輸出端與數(shù)字電壓表輸入端相連接。調(diào)節(jié)杠桿水平,并使霍爾元件處于磁場中央。調(diào)節(jié)調(diào)零電位器使在初始負(fù)載情況下數(shù)字電壓表示值處于零顯示。調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡,使標(biāo)線、叉絲、讀數(shù)都清晰可見。記下初始讀數(shù)值,逐漸增加砝碼,精確測量傳感器信號輸出值U和讀數(shù)顯微鏡測量到的標(biāo)志線位置z,即對霍爾傳感器進(jìn)行定標(biāo),求出霍爾位置傳感器的靈敏度K。測量天然椴木試樣和人造柚木試樣在室溫下的彈性模量,對測量結(jié)果進(jìn)行比較。在試樣不同含水率情況下,測量天然椴木和人造柚木的楊氏彈性模量,并作出楊氏彈性模量和含水率的關(guān)系曲線。具體做法是:將天然椴木試樣和人造柚木試樣放在溫度20～35℃的水中浸泡24h后,用脫脂棉擦去表面的水,立刻用電子天平稱其質(zhì)量,記為m1,測量其此時的彈性模量;然后將2種木材放在溫度63℃的烘干箱中,烘干20min,取出,稱其質(zhì)量,記為m2,同時測量彈性模量;依此方法,依次將2種木材放在溫度63℃的烘干箱中,烘干20min,取出,稱其質(zhì)量,記為mi,同時測量其彈性模量,序列i=10次,木材含水率計算公式如下:Wi=mi-m0m0×100%(4)Wi=mi?m0m0×100%(4)式中:m0為木材干試樣的質(zhì)量;mi為木材試樣不同濕度時的質(zhì)量;Wi為木材試樣含水率。5結(jié)果與討論5.1接觸傳感器定標(biāo)室溫26.8℃時,用天然椴木做試樣,用讀數(shù)顯微鏡測量標(biāo)志線位置z和m對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù),同時記錄數(shù)字電壓表示值U,對霍爾位移傳感器定標(biāo)(見表1)。由U和z數(shù)據(jù)函數(shù)關(guān)系進(jìn)行線性擬合,得出:U=382.72z-775.48,擬合圖線如圖3所示。從擬合結(jié)果看,霍爾傳感器的輸出電壓與天然椴木彎曲變量的線性關(guān)系顯著,求得靈敏度K及擬合系數(shù)r為:Κ=382.72mV/mm?r=0.99995K=382.72mV/mm?r=0.999955.22木材數(shù)據(jù)處理人造柚木用霍爾傳感器測量位移量的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。Δˉz=∑Δzi4=2.560mmΔzˉ=∑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=l3mg4h3bΔzˉ=(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,環(huán)境溫度t=26.8°C,環(huán)境濕度75.2%情況下,2種木材數(shù)據(jù)的處理結(jié)果如表3所示。比較表3計算結(jié)果可知,天然椴木的E比人造柚木的E大,這說明在通常情況下,天然椴木的剛性比較強。表3中測量數(shù)據(jù)與專用材料彈性模量儀測量結(jié)果基本一致。5.3種木材在空氣溫度和濕度下的穩(wěn)定性能測試結(jié)果見表5將天然椴木試樣和人造柚木試樣彈性模量與含水率關(guān)系(見表4、5)近似作直線擬合作圖,如圖4所示.從圖4可知:(1)在水中浸泡24h后,天然椴木的含水率為112.01﹪,人造柚木的含水率為64.16﹪,可見,在同樣環(huán)境中,人造柚木的吸濕性比天然椴木低。(2)被浸泡過的人造柚木的實驗直線在天然椴木的直線的下方,說明天然椴木的E始終大于人造柚木的E。同一環(huán)境下,天然椴木的剛性大于人造柚木的剛性。(3)隨著含水率的降低,2種木材剛性增強,E變大,木材力學(xué)性能有所改變。(4)由天然椴木彈性模量隨含水率變化直線斜率小于人造柚木相對應(yīng)直線斜率,說明天然椴木受潮后,力學(xué)性能比人造柚木受潮后的力學(xué)性能要穩(wěn)定些。(5)由于測量E時,空氣中的溫度為25.7℃、濕度為75.3%,每次從63℃的烘干箱中取出木材試樣時,試樣的溫度和濕度都與一直處在空氣環(huán)境中時的溫度和濕度有差異,所以測出的E與室溫狀態(tài)下E的結(jié)果不同是正常的。表4、5中數(shù)據(jù)樣品的溫度為27.5℃也是近似的。上述數(shù)據(jù)結(jié)果對木材在物理與工程設(shè)計及研究時具有重要參考價值。6本實驗的啟發(fā)筆者對彈性模量實驗改進(jìn)有如下特點:(1)以往林學(xué)院基礎(chǔ)物理實驗只對“鋼”一種樣品的彈性模量進(jìn)行測量,以至于學(xué)生興趣不大。現(xiàn)在改進(jìn)為對木材彈性模量的測量,這樣學(xué)生可以對木材的物理性質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)與含水率關(guān)系有所了解,特別是在測量木材彎曲變量時,采用了霍爾位置傳感器的方法進(jìn)行測量,可以讓學(xué)生在做經(jīng)典實驗的同時,對傳感器測量物理量有所認(rèn)識和體會,這大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。(2)木材是重要的工業(yè)和民用材料,可用于設(shè)計性實驗中作為測試對象之一,在彈性模量的測量中,由于用霍爾位置傳感器的方法測量試樣彎曲變量非常方便,還可以用此方法測量、觀察木材的蠕變現(xiàn)象,木材的松馳現(xiàn)象等木材的塑性性質(zhì)。(3)本實驗的改進(jìn),