馬尾松木材徑向與弦向抗彎性能及破壞特征的比較研究?

張婭梅 潘 彪 王 豐

木材是典型的非均質(zhì)材料，與一般鋼材、混凝土及石材等材料不同，木材屬生物材料，其構(gòu)造的各向異性導(dǎo)致其力學(xué)性能的各向異性。蔡則漠的早晚材緩變樹種杉木16個(gè)樣本的標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，除橫紋抗壓強(qiáng)度外，弦向的抗彎強(qiáng)度、彈性模量、沖擊韌性、順紋抗剪強(qiáng)度及抗劈力均不同程度地高于徑向[1]。近年來許多學(xué)者開始將木材的解剖特征與其力學(xué)性能聯(lián)系起來，提出木材微觀構(gòu)造對木材力學(xué)性能的影響是造成這種差異的主要原因之一[2]。深入研究木材的破壞機(jī)理、木材構(gòu)造與其力學(xué)性能相互關(guān)系，對克服木材缺點(diǎn)具有重要的指導(dǎo)意義[3]。研究木材的斷裂過程是認(rèn)識(shí)木材破壞機(jī)理的一個(gè)主要方面，任寧等[4]采取了連續(xù)加載的方式，實(shí)時(shí)追蹤監(jiān)測木材斷裂過程，探討了木材微觀構(gòu)造與拉伸斷裂的關(guān)系。木材的破壞過程實(shí)際上就是木材中原有微裂紋的萌生、擴(kuò)展、貫通直到最后宏觀裂紋產(chǎn)生并導(dǎo)致木材細(xì)胞壁破裂[5]。由于裂紋以聲速在木材中擴(kuò)展[6]，直接監(jiān)測裂紋在木材中的擴(kuò)展較為困難，裂紋以不同方式擴(kuò)展，必然會(huì)在破壞面上留下不同形態(tài)。因此，利用掃描電鏡分析破壞面上裂紋擴(kuò)展時(shí)留下的殘痕，對破壞面進(jìn)行觀察是研究木材破壞過程的一種有效途徑[7]。

F.Thuvander等利用光學(xué)顯微鏡觀察到樟子松橫切面的拉伸斷裂主要源于細(xì)胞壁中間層的撕裂或剝離[8]。S.W.J. BOATRIGHT用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察南非松破壞面,研究表明試件中存在不可逆的細(xì)胞變形，包括脫粘，軸向扭曲和屈曲[9]。

細(xì)胞是構(gòu)成木材微觀的基本形態(tài)單位，針葉材的管胞、木射線、細(xì)胞壁上的紋孔以及早晚材結(jié)構(gòu)的差異都可能對木材破壞有很大的影響，因此破壞面微觀的觀察分析是研究木材破壞必不可少的部分。筆者對比早晚材急變的馬尾松木材在彎曲荷載作用下抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量及破壞形態(tài)的差異，希望為探究木材微觀構(gòu)造對彎曲破壞的影響提供一些理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料

馬尾松試材按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1927—1991《木材物理力學(xué)試材采集方法》于1994年12月采自貴州龍里林場的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)林（位于東經(jīng)106°58′，北緯26°27′，海拔1 150 m，坡向東南，坡度5°～10°）。樹齡30年，取基部向上1.3～2.3 m木段的氣干板材用于試件的加工,根據(jù)GB/T 1936-1—2009《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》加工試件，尺寸為300 mm×20 mm×20 mm，長度為順紋方向。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前挑選出年輪規(guī)整、表面為標(biāo)準(zhǔn)三切面的馬尾松木材試件，用于徑、弦向抗彎試驗(yàn)的試件各50個(gè)備用。設(shè)備采用最大試驗(yàn)力為30 kN的UTM4304三思縱橫萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，徑、弦向抗彎試驗(yàn)按GB/T 1936-1—2009測定。在抗彎試驗(yàn)后測定所有馬尾松試件的含水率與氣干密度，抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量均換算成含水率為12%時(shí)的值。

試驗(yàn)后將試件在XZX7體視顯微鏡拍下破壞形態(tài)。然后在破壞部位分別截取剪切破壞處和拉伸斷裂處小塊樣品，破壞部位朝上，用導(dǎo)電膠粘在樣品臺(tái)上，接著用離子噴金儀進(jìn)行噴金處理，最后用日立TM-1000臺(tái)式掃描電子顯微鏡對樣品進(jìn)行觀察，并調(diào)整到適合的倍數(shù)拍照。將體視顯微鏡與掃描電子顯微鏡下拍到的照片分類整理，觀察并分析徑、弦向受力時(shí)破壞處細(xì)胞被破壞的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑、弦向抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量差異分析

試驗(yàn)測得所有試件的平均氣干密度為0.547g/cm3。由于密度與抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性，密度對抗彎性能有很大的影響，為減小兩組試件密度相差過大對試驗(yàn)結(jié)果的影響，從備用試件中選擇密度在0.50～0.62 g/cm3范圍內(nèi)的試件用于比較徑、弦向的抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量的差異，用于徑、弦向抗彎試驗(yàn)的試件數(shù)分別為47個(gè)和36個(gè)。

表1 馬尾松木材抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量的變異統(tǒng)計(jì)及差異分析Tab.1 Variance statistics and variation analysis of MOR and MOE of masson pine

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示：馬尾松弦向平均抗彎強(qiáng)度大于徑向平均抗彎強(qiáng)度，在顯著水平為0.01下即呈現(xiàn)顯著差異；弦向平均抗彎彈性模量大于徑向平均抗彎彈性模量，在顯著水平為0.05下即呈現(xiàn)顯著差異。徑、弦向受力對抗彎強(qiáng)度的影響大于抗彎彈性模量，這與節(jié)子[10]、含水率[11]、密度[12]等影響因子對抗彎強(qiáng)度的影響大于抗彎彈性模量的結(jié)論一致。主要原因是：

1）徑向受力時(shí)，剪切層或?yàn)樵绮?，或?yàn)橥聿摹Ｔ谀承┪恢弥挥性绮氖艿嚼旌图羟袘?yīng)力，由于早材細(xì)胞壁較薄，早晚材邊界處組織構(gòu)造差異大，早材先于晚材破壞，裂紋擴(kuò)展到早晚材邊緣時(shí)，會(huì)沿著邊界處的早材擴(kuò)展，因此剪切破壞通常發(fā)生在相鄰年輪早晚材邊界處，抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量相對較小。

2）弦向受力時(shí)，試件底部早、晚材同時(shí)受到拉伸作用力，剪切層由早、晚材間隔組成，晚材致密，不容易破壞，因此木材的抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量較大。宏觀可以看到剪切破壞處有大量的木射線，說明試件受到剪切應(yīng)力后沿木射線開裂。

徑向抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量的離散程度均大于弦向，如表1。若徑向受力試件的密度平均值、變異系數(shù)與弦向相等，可以排除密度的影響。但是所選擇徑、弦向受力試件的密度變異系數(shù)不同且徑向小于弦向，如表2，若弦向受力試件的密度的變異系數(shù)減小至與徑向相等，相應(yīng)的弦向抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量的變異系數(shù)會(huì)隨之減小，故實(shí)際徑、弦向抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量的變異系數(shù)差值應(yīng)比表1所示的數(shù)值大，離散程度相差得也就更大。

表2 馬尾松木材徑、弦向受力彎曲試件的密度變異統(tǒng)計(jì)Tab.2 Variance statistics of density of the specimen under radial and tangential bending load

2.2 木材彎曲破壞面的微觀分析

發(fā)生的木材彎曲破壞往往在拉伸區(qū)和剪切區(qū)明顯，受壓區(qū)破壞不明顯，故選取拉伸區(qū)和剪切區(qū)的破壞面進(jìn)行觀察。在試件徑、弦向受力時(shí)均觀察其受到拉伸應(yīng)力而斷裂的面，即與荷載方向平行的橫切面。徑向受力時(shí)觀察試件受到剪切應(yīng)力而破壞的面，即與荷載方向垂直的弦切面。而弦向受力時(shí)觀察試件受到剪切作用力而破壞的面，即與荷載方向垂直的徑切面。

2.2.1 拉伸斷裂面的顯微觀察

1）在彎曲荷載作用下，試件與荷載方向平行的橫截面任意點(diǎn)的拉伸應(yīng)力與該點(diǎn)至中性面的距離成正比，即沿截面高度按直線規(guī)律變化，因此截面上的同一管胞不同高度受到拉伸應(yīng)力的作用大小不同；管胞的徑、弦面壁有較明顯的差異，管胞徑面壁上紋孔的數(shù)量多于弦面壁，徑面壁木質(zhì)素含量高于弦面壁，導(dǎo)致了管胞徑、弦面壁的性能差異，因此徑、弦面壁在受到拉伸作用力時(shí)的抗拉能力不同，在拉伸應(yīng)力作用下拉伸斷裂面表層管胞會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2）弦向受力時(shí)，剪切層由早晚材共同組成，破壞強(qiáng)度較大，即試件的破壞主要是由于拉伸應(yīng)力的作用，如圖1a，反應(yīng)在微觀上為單個(gè)細(xì)胞的拉斷。因此弦向受力時(shí)試件受到拉伸應(yīng)力產(chǎn)生的斷裂面表層管胞扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象明顯，管胞的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致管胞壁沿著纖絲角方向產(chǎn)生了裂隙，如圖2a。且拉伸斷裂面比較粗糙。從橫斷面觀察如圖2b。從順紋的方向能更明顯地觀察到管胞扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，如圖2c。

圖1 徑、弦向受力時(shí)破壞形態(tài)Fig.1 Failure surface under radial and tangential bending load

圖2 弦向受力時(shí)拉伸斷裂面細(xì)胞形態(tài)Fig.2 Cell morphology of tensile fracture surfaces under tangential bending load

3）徑向受力時(shí)，剪切層與年輪平行，裂紋通常沿著早晚材邊界處擴(kuò)展，即破壞主要是由于剪切應(yīng)力的作用，如圖1b，微觀上表現(xiàn)為細(xì)胞間滑移或撕裂分離。因此徑向受力時(shí)試件因拉伸應(yīng)力產(chǎn)生的斷裂面與弦向受力時(shí)相比，管胞無明顯的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，且沒有產(chǎn)生裂隙，如圖3a。拉伸斷裂面比較粗糙，這與弦向受力時(shí)的情況是一致的, 從橫斷面觀察如圖3b,從順紋的方向觀察如圖3c。

2.2.2 剪切破壞面的顯微觀察

圖3 徑向受力時(shí)拉伸斷裂面細(xì)胞形態(tài)Fig.3 Cell morphology of tensile fracture surfaces under radial bending load

1）弦向受力時(shí),試件受到順紋方向的剪力而破壞的面在徑切面上，破壞發(fā)生在木射線細(xì)胞處，主要原因是射線薄壁細(xì)胞較為薄弱，如圖4a。剪切應(yīng)力使細(xì)胞之間產(chǎn)生滑移，觀察剪切破壞面上的管胞，如圖4b所示，管胞壁上微纖絲呈平行排列且與細(xì)胞軸呈50°～70°角，可見管胞內(nèi)壁上的紋孔，判斷是次生壁外層S1層附著在管胞外壁上。故認(rèn)為剪切破壞通常是在復(fù)合胞間層處分離，即在管胞間產(chǎn)生破壞。但由于初生壁通常只有細(xì)胞壁厚度的1%，復(fù)合胞間層很薄，分離后有部分S1層附著在管胞壁上。細(xì)胞壁被破壞后，依舊能看到完整紋孔附著在相鄰管胞的細(xì)胞壁，如圖4c。紋孔雖然是木材中比較薄弱的部分，卻能抵抗裂紋的擴(kuò)展，主要是由于微纖絲的排列方向在紋孔周圍發(fā)生改變，微纖絲繞過紋孔口而排列，與裂紋擴(kuò)展方向垂直。在馬尾松試件斷裂時(shí)，裂紋會(huì)沿著紋孔的邊緣擴(kuò)展，因此紋孔仍能保持完整形態(tài)。

圖4 弦向受力時(shí)剪切破壞面細(xì)胞形態(tài)Fig.4 Cell morphology of shear breaking surfaces under tangential bending load

2）徑向受力時(shí)，試件受到順紋方向的剪力而破壞的面在弦切面上，觀察管胞的結(jié)果同弦向受力的情況一致，剪切破壞是管胞間的分離，且裂紋會(huì)沿著紋孔的邊緣擴(kuò)展，紋孔仍能保持完整形態(tài)，如圖5。

圖5 徑向受力時(shí)剪切破壞面細(xì)胞形態(tài)Fig.5 Cell morphology of Shear breaking surfaces under radial bending load

3 結(jié)論

對比徑、弦向彎曲荷載作用下馬尾松木材抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量，使用掃描電子顯微鏡觀察徑、弦向破壞面，結(jié)果表明：

1）馬尾松弦向抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量均大于徑向，差異顯著。晚材的影響使弦向受力時(shí)破壞強(qiáng)度較大，剪切破壞則是沿木射線開裂。徑向受力時(shí)，試件剪切破壞通常發(fā)生在早晚材邊界處，破壞強(qiáng)度相對較小。受力方向?qū)箯潖?qiáng)度的影響大于抗彎彈性模量。徑向抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量的離散程度均大于弦向，由于徑、弦向受力試件的密度變異系數(shù)不同的影響，實(shí)際徑、弦向抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量的離散程度應(yīng)相差更大。

2）徑、弦向受力時(shí)拉伸斷裂面均比較粗糙，剪切破壞通常發(fā)生在管胞間。彎曲斷裂時(shí)裂紋會(huì)沿著紋孔的邊緣擴(kuò)展，紋孔仍能保持完整形態(tài)。

3）弦向受力時(shí)，拉伸斷裂面表層管胞扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象明顯，并產(chǎn)生裂隙；剪切破壞為沿比較薄弱的木射線開裂。徑向受力時(shí)，拉伸斷裂面表層管胞無明顯扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象；剪切破壞發(fā)生在相鄰年輪的早晚材邊界處。

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