會計學1第八章木材的力學性質

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，欲使其一部分與他它由內在聯結的另一部分相脫離，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、剪應力或剪斷應力。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。一、基本概念（一）彈性和塑性1.彈性(elasticity)—物體在卸除發生變形的載荷后，恢復其原有形狀、尺寸或位置的能力。2.塑性(plasticity)—物體在外力作用下，當應變增長的速度大于應力增長的速度，外力消失后木材產生的永久殘留變形部分，即為塑性變形，木材的這一性質稱塑性。第1頁/共46頁

圖9—1為杉木彎曲時的應力—應變圖。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9-1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第2頁/共46頁（二）柔量(compliance)和模量(modulus)

在彈性極限范圍，大多數材料的應力和應變之間存在著一定的指數關系：

—應變—應力實踐證明，木材的n=1，因此上式可寫成：

а—柔量α—為應力、應變曲線的直線部分與水平軸的夾角。柔量的倒數а-1，即為彈性模量E，簡稱模量。彈性模量E(modulusofelasticity)—在彈性極限范圍內，物體抵抗外力改變其形狀或體積的能力。它是材料剛性的指標。木材的拉伸、壓縮和彎曲模量大致相等，但壓縮的彈性極限比拉伸的要低得多。第3頁/共46頁二、分類（一）按力學性質分1.強度(strength)—是抵抗外部機械力破壞的能力。2.硬度(hardness)—是抵抗其它剛性物體壓入的能力。3.剛性(rigidity)—是抵抗外部機械力造成尺寸和形狀變化的能力。4.韌性(toughness)—是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應力的能力。（二）按載荷形式分1.靜力載荷（statictestload）是緩慢而均勻的施載形式。木材強度測試除沖擊外，都為靜力載荷；膠合板在熱壓機中的加載形式也屬靜力載荷。2.沖擊載荷（shockload）集中全部載荷在瞬間猛擊的施載形式。如鍛錘機下墊木所承受的載荷形式。第4頁/共46頁3.振動載荷依次改變力的大小和方向的一種載荷形式。如枕木在鐵軌下承受的載荷形式。4.長期載荷（long-periodload）力作用時間相當長的一種施載形式。如木屋架、木梁和木柱的承載形式。（三）按作用力的方式分有拉伸（tension）、壓縮（conpression）、剪切（shearing）、彎曲（bending;curve）、扭轉（twist）及縱向彎曲（longitudinalbending）等。（四）按作用力的方向分有順紋（alongthegrain）和橫紋（acrosstothegrain）。橫紋又分為徑向（radial）和弦向（tangential）。（五）按工藝要求分1.抗劈力（cleavageability）是木材在尖削作用下，抵抗沿紋理方向劈開的能力。它與木材加工時劈開難易、握釘牢度和切削阻力等都有密切的關系。第5頁/共46頁2.握釘力（nail-holdingability）是木材抵抗釘子拔出的能力。它的大小取決于木材與釘子間的摩擦力、木材含水率、密度、硬度、彈性、紋理方向、釘子種類及與木材接觸狀況等。3.彎曲能力（bendingability）是指木材彎曲破壞前的最大彎曲能力?？梢杂们拾霃降拇笮矶攘?。它與樹種、樹齡、部位、含水率和溫度等有關。4.耐磨性（abrasionofwood）是木材抵抗磨損的能力。木材磨損是在表面受摩擦、擠壓、沖擊和剝蝕等，以及這些因子綜合作用時，所產生的表面化過程。第6頁/共46頁第二節木材的正交異向性和彈性一、木材的正交異向性（一）概述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）。同時，由于組成木材的絕大多數細胞和組織是平行樹干呈軸向排列的，而射線組織是垂直于樹干呈徑向排列的；另外構成木材細胞壁的各層，其微纖絲的排列方向不同；以及纖維素的結晶為單斜晶體等，使木材成為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）。第7頁/共46頁（二）強度的異向性木材的強度根據方向和斷面的不同而異。壓縮、拉伸、彎曲和沖擊韌性等，當應力方向和纖維方向為平行時，其強度值最大，隨兩者間傾角變大，強度銳減。1.拉伸強度σt：σtl＜σtr＜

σtT

，即縱向遠大于橫向，橫向中徑向大于弦向。2.壓縮強度σcp：σcpL＞＞σcpR＞

σcpT3.彎曲強度σb和沖擊韌性u

（1）σbR＞σbT

（2）①針葉材：uR

＞uT

；②闊葉材通常關系不定。4.剪切強度τ：τ∥/τ⊥=2.2~6.15.硬度H和磨損阻抗①HRT

＞HLT≥HLR，斷面大于弦面，弦面大于或等于徑面。同時，硬度的異向性隨密度增加而減少。②木材磨損量A越大，表示磨損阻抗越小。ALR≥ALT

＞ART6.抗劈力S：徑面和弦面的差異根據紋理通直性和射線組織的發達程度而異。第8頁/共46頁二、木材的正交對稱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。根據樹干解剖構造，它有一個圓柱對稱性，在離髓心一定部位鋸取一個相切于年輪的立方體試樣。試樣有3個對稱軸，平行于縱向作L軸，平行于徑向作R軸，平行于弦向作T軸。它們彼此近似垂直，三軸中每兩軸可構成一平面，分別為RT面（橫切面）、LR（徑切面）和LT（弦切面）。木材的正交對稱彈性是研究木材的物理性質的一個基本的重要手段。相對三個主軸的應力所表示的應變的方程式如下：式中：E—楊氏模量或彈性模量；

u—泊松比（Poisson’sRations）=側向應變與縱向應變之比＜1。如：其中，第一個R代表應力方向，第二個字母表示橫向應變。即在徑向應力下，縱向的泊松比。第9頁/共46頁木材正交異向性綜述如下：1.木材是高度異向性材料。拉伸、壓縮和彎曲的彈性模量E近似相等。三個主軸方向的E因顯微和超微構造的不同而異：EL＞＞ER＞

ET2.木材的剪切模量G，橫斷面最?。篏LR

（徑面）＞GLT（弦面）＞

GRT（橫斷面）其中，GLR≈ER,GLT≈ET,即徑面和弦面的剪切模量分別與徑向和弦向的彈性模量數值相近。3.木材的彈性E和剪切G，均隨密度的增加而增加。4.木材的泊松比均小于1，且有uRT＞uLT＞

uLR。第10頁/共46頁

第三節木材的粘彈性（viscoelasticityofwood）一、基本概念1.木材的彈性(elasticityofwood)—木材在受某一定應力范圍內的外力而變形，外力除去同時變形消失，回復原狀的性質。2.木材的塑性(plasticityofwood)—木材在某些條件下，受外力后產生永久變形的性質。塑性變形(plasticdeformation)—又稱殘余變形，指物體受外力發生變形，在外力解除后仍不能恢復的部分變形。3.木材的粘彈性（viscoelasticityofwood）—木材（塑料）等高分子物在外力作用下表現出粘性和彈性兼有的性質。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。第11頁/共46頁二、木材的蠕變現象（creepphenomenonofwood）

蠕變(creep)：在應力不變的條件下，應變隨時間的延長而逐漸增大的現象。（一）蠕變曲線（curveofcreep）木材屬高分子結構材料，受外力作用時產生3種變形：1.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。2.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。3.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。第12頁/共46頁木材的蠕變曲線如圖9—2所示：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緩慢回復故蠕變AB包括兩個組分：彈性的組分C1C2——初次蠕變（彈性后效變形）剩余永久變形C2C3=DE——二次蠕變（塑性變形）t0t2t1時間（t）應變（ε）BAOC1C2C3DE圖9—2木材的蠕變曲線第13頁/共46頁（二）建筑木構件的蠕變問題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。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。第14頁/共46頁三、木材的松弛（relaxationofwood）

松弛(stressrelaxation)—在應變不變的條件下，應力隨時間的增加而逐漸減少的現象。松弛曲線（relaxationcurve）—表示松弛過程的荷重（應力）—時間曲線。木材的松弛曲線如圖9—3所示。松弛彈性模量—單位應變的松弛應力。方澤（1947）給出木材松弛表達式如下：式中：—在t時間時的應力，隨時間的延長而下降；

—在單位時間內的應力；

m—松弛系數，隨樹種和應力種類而不同。時間t應力σ圖9—3應力松弛曲線第15頁/共46頁四、長期載荷的影響（effectoflong-periodload）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。木材的持久強度（長期強度）σch—當木材的應力小于一定的極限時，木材不會由于長期受力而發生破壞的應力極限。（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。第16頁/共46頁五、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。（一）木材的塑性變形(plasticdeformationofwood)

當施加于木材上的應力在彈性極限以內時，去除外力后變形回復原尺寸。當超過彈性極限時，除去外力，殘留永久變形，這一性質稱為塑性。固體材料的塑性變形產生于屈服點以上。對超過屈服點的應力，以一定的變形速度進行穩定流動的狀態稱塑性流動。再，即使在極小的應力作用下，經過充分的時間，同樣也能產生流動，而形成永久變形，將這稱為粘性流動。木材同其它材料相比，特別是氣干材，因屈服點不明顯，且破壞變形也較小的緣故，所以一般認為木材是塑性較小的材料。第17頁/共46頁（二）增加木材的塑性（improvingtheplasticityofwood）木材的塑性變形較小，在加工利用方面受到一定限制。典型的塑性變形在金屬等結晶材料上受熱承載后能明顯看到，由于晶格的轉位和滑移，可產生出數倍于常溫下的塑性變形，可利用于作壓延、拉伸、擠壓等塑性加工。木材是高分子材料，它的塑性是由于在應力作用下，高分子的變形及相互間能產生相對移動的結果。在常溫下為了提高高分子材料的塑性，要添加可塑劑，使分子間結合力減弱。此外，通過加熱使木材基體物質軟化，也能增加木材塑性，將材料的這類性質稱為熱塑性。木素是熱塑性物質，其熱軟化點在全干狀態下為127~193℃，在濕潤狀態下顯著降低，為77~128℃；半纖維素由于吸著水的存在，其熱化點的降低和木素有相似的情況。作為木材骨架物質的纖維素的熱軟化點在232℃以上，其結晶性不受水分的影響，而纖維素的玻璃態轉化點隨含水率的增加而降低。第18頁/共46頁

對飽水狀態的木材，Hillis等發現在70~80℃和80~100℃呈兩個連續的熱軟化點似的溫度域，認為前者是半纖維素的，后者相當于木素的玻璃態轉化點。木材在濕潤狀態下加熱時，有顯著軟化的可能性。（日）飯田等指出：如把氣干狀態20℃時的木材彈性模量作為1，飽水狀態20℃時就為0.52，飽水狀態100℃就為0.09，彈性模量隨溫度和水分增加而明顯降低。所以木材的破壞變形隨溫度和水分增加而明顯增加，說明溫度和水分是增加木材塑性的重要因素。第19頁/共46頁第四節單軸應力下木材的變形特點一、胞壁化學組分在木材力學性質中的作用（thechemicalcompositionofcellwalleffectthemechanicalproperties）木材胞壁中的骨架物質纖維素賦予木材彈性和強度。木素為硬固物質，賦予木材硬度和剛性。在細胞壁中起填充和部分膠著作用的是半纖維素，它賦予木材剪切強度。纖維素鏈狀分子大多沿胞壁的長軸平行排列，橫向以氫鍵結合構成微纖絲，微纖絲間除借助于側面的氫鍵結合，局部尚以果膠質膠著，胞壁與胞壁之間借胞間質膠著。因此木材橫向強度遠低于縱向自身的聯接強度。從細胞壁的結構和結構物質的性質看，可以認為木材破壞的原因是由于微纖絲和填充物的撕裂或剪切，或者纖維被壓潰所造成。第20頁/共46頁二、單軸應力下的破壞特點（一）順紋壓縮（compressionalongthegrain）平行于木材紋理方向的壓縮稱順紋壓縮。1.順壓破壞宏觀表現木材順壓破壞試件上，?？梢娺B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。破壞形狀決定于木材含水率和硬度等因素。濕材和軟材以端部壓潰為常見。干的木材常在未發生明顯扭曲之前，因劈裂而破壞。第21頁/共46頁2.順壓破壞微觀表現由顯微鏡可觀察到順壓破壞有3個階段。首先在胞壁上會產生單一錯位的裂紋狀細線，稱滑移線或滑移面。而后滑移面彼此相連而形成稱微觀壓縮皺紋的綜合橫帶。上述兩階段屬初期破壞。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，錯位所產生的滑移面與胞壁主軸一般成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。第22頁/共46頁（二）橫紋壓縮（compressionperpendiculartothegrain）垂直于木材紋理方向的壓縮稱為橫紋壓縮。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。1.橫壓破壞宏觀表現首先是纖維受壓變緊密。局部橫壓時，乘壓板凹陷入木材，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。第23頁/共46頁2.順壓破壞微觀表現木材橫壓時，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。第24頁/共46頁（三）順紋拉伸（tensionalongthegrain）木材順紋拉伸破壞主要是縱向撕裂和微纖絲間的剪切。因微纖絲縱向的結合非常牢固，所以順拉破壞時的變形很小，通常應變值小于1%~3%，而強度值卻很高。即使在這種情況下，微纖絲本身的拉伸強度也未充分發揮。因為木材順紋剪切強度特別低，通常只有順拉強度的6%~10%，順紋拉伸時，微纖絲間的撕裂破壞是微纖絲間的滑移所致，其破壞斷面常呈鋸齒狀、或細裂片狀和針狀撕裂。其斷面形狀的不規則程度，取決于木材順拉強度和剪切強度之比值。一般健全材該比值較大，破壞常在強度弱的部位剪切開，破壞斷面不平整，呈鋸齒狀。而腐朽材和熱帶脆心材，兩者比值較小，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，而造成拉斷破壞，斷面處常較為平整。第25頁/共46頁（四）橫紋拉伸（tensionend-grain）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。（五）順紋剪切（shearparalleltothegrain）

木材順紋剪切的破壞特點是木材纖維在平行于紋理方向發生了相互滑移。順紋剪切又有弦面和徑面之分。1.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。2.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。第26頁/共46頁第五節木材的主要力學性質及其相互關系一、抗壓強度(compressivestrength)

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。（一）順紋抗壓強度(compressivestrengthparalleltograinofwood)

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。

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）。順紋抗壓強度試件的斷面徑、弦向名義尺寸為20×20mm，高度為30mm。順紋抗壓強度的計算公式為：

（MPa）式中：b、t—試樣寬度、厚度（mm）。第27頁/共46頁（二）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。全部受壓試件尺寸為20×20×30mm，局部受壓試件為20×20×60mm，后一尺寸均為順紋尺寸。橫壓因無法準確測定破壞強度，故需從繪制的荷載—變形圖上確定比例極限荷載P，分別以下式計算橫壓比例極限應力。全部橫壓：（MPa）局部橫壓：（MPa）式中：P為比例極限荷載（N），b為試件寬度（mm），L為試件長度（mm），t為加壓鋼板寬度（mm）。第28頁/共46頁

木材橫壓比例極限應力，局部橫壓高于全部橫壓。局部橫壓應用范圍較廣，故測定也以它為主。徑向和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），徑向橫壓比例極限應力高于弦向；其它闊葉樹材（窄木射線），徑向和弦向值相近。對于針葉樹材，特別是早、晚材區分明顯的樹種如落葉松等，則弦向大于徑向。當徑向受壓時，主要是較松軟的早材易形成變形；而在弦向受壓時，從試驗一開始即由晚材承載。第29頁/共46頁二、抗拉強度(tensilestrength)

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：（MPa）式中：Pmax—最大荷載（N），b—試件寬度（mm），

t—試件寬度（mm）。（一）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。此外，木材密度大，順紋抗拉強度也大。木材3種主要化學組成成分中，木材的順紋抗拉強度主要取決于纖維素，因纖維素分子基本按細胞縱軸排列的。木材順紋抗拉強度是各類強度中最大者。第30頁/共46頁（二）橫紋抗拉強度

(tensilestrengthperpendiculartograinofwood)

由于木材細胞排列和胞壁上微纖絲走向等原因，木材橫紋抗拉強度值很低，通常僅為順紋抗拉強度的1/10~1/65。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。第31頁/共46頁三、抗剪強度(shearingstrengthparalleltograinofwood)

木材幾種抗剪強度中，順紋剪切強度最小，故通常只測順紋剪切強度。順剪又分徑面和弦面破壞兩種。1.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。2.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。第32頁/共46頁四、抗彎強度(bendingstrength)和抗彎彈性模量(themodulusofelasticityinstaticbending)

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?？箯潖姸圈襜w

和抗彎彈性模量Ew的計算公式如下：式中：Pmax—最大荷載（N）；P—上、下限荷載之差；L—兩支座距離（mm）；b—試件寬度（mm）；h—試件高度（mm）；f—上、下荷載間試件中部的變形值。

木材抗彎強度值介于順拉和順壓強度之間，個樹種平均值約為90MPa左右。徑向和弦向抗彎強度間的差異主要表現在針葉材上，弦向比徑向高出10%~12%；闊葉材兩個方面上的差異一般不明顯。第33頁/共46頁五、沖擊韌性(toughness)

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。它不測定破壞試樣所需要的力，而是用破壞試樣所消耗的功來表示。沖擊破壞消耗的功愈大，木材韌性愈大，亦即脆性愈小。試件尺寸為20×20×300mm，后者為順紋尺寸。支座距離為240mm。沖擊韌性按下式計算：

式中：Q—試樣破壞時的吸收能量（J）；

b—試樣寬度（mm）；

h—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，其弦向和徑向沖擊韌性有明顯的差別，如落葉松徑向沖擊韌性比弦向高50%。早、晚材區別不明顯的樹種，徑、弦向幾乎相同。闊葉材沖擊韌性與針葉材相比，約為0.5~2倍。第34頁/共46頁六、硬度(hardness)

我國木材硬度試驗是采用半徑為5.64mm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。硬度試樣尺寸為50×50×70mm，后一尺寸為順紋尺寸。硬度可分弦面、徑面和端面3種。硬度可按下式計算：式中：P—鋼半球壓入試樣規定深度時的荷載（N）；

K—壓入深度為5.64或2.82mm時系數，分別等于1或4/3。

木材端面硬度高于側面，針葉材平均高出35%，闊葉材平均高出25%左右。大多數樹種的弦面和徑面硬度相近，但木射線發達的麻櫟、青岡櫟等樹種的木材硬度，弦面可高出徑面5%~10%。木材密度對硬度影響極大，密度愈大，則硬度也愈大。第35頁/共46頁七、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36頁/共46頁第六節影響木材力學性質的主要因素

影響木材力學性質的因素，除木材構造之外，還與木材中的水分、密度、作用時間、溫度和紋理等因素有關。關于荷載和時間的影響，在第三節中已有詳述。一、水分的影響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。

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。第37頁/共46頁

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。第38頁/共46頁二、木材密度的影響

木材的力學性質與單位體積中木材實質量有關，即與木材密度有著極為密切的關系。兩者的關系可用以下數學式表示：

S=aρb，S表示各類力學性質，ρ是木材密度，a是比例常數，b是關系曲線的形狀指數，a和b隨力學性質類型不同而異。木材力學性質和密度的關系除指數曲線外，多數表現為直線關系。即使是指數關系，因指數b值如與1相差不多，也可近似用直線方程S=aρ或S=aρ+b表示。當強度與密度關系簡化成S=aρ時，a=S/ρ，a即為強重比。三、溫度的影響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。第39頁/共46頁（一）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。第40頁/共46