糙米正面破碎特性與裂紋擴(kuò)展規(guī)律

張 濤

李修銀

廖 敏

鄭睿愷

(1. 西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610039；2. 西華大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究院，四川 成都 610039)

2020年中國(guó)稻谷產(chǎn)量約為2.12億t，其加工環(huán)節(jié)的損失率高達(dá)20%，尤其是糙米碾白加工環(huán)節(jié)，精米出米率只有70%，嚴(yán)重影響成品米精度和商品價(jià)值[1-3]。減少碾米階段的碎米對(duì)提高成品米出米率和糧食產(chǎn)量具有重要意義。米粒破碎理論涉及到稻谷脫粒和大米碾白的損傷破壞，主要從能量守恒角度對(duì)米粒損傷破碎進(jìn)行研究[4-6]；關(guān)于稻米籽粒裂紋擴(kuò)展的研究[7-13]表明，造成稻米籽粒斷裂破碎的原因大多與水分和溫度有關(guān)。而糙米正面在碾米過(guò)程中接觸面積最大，最易受到力的沖擊，文章擬對(duì)糙米正面的破碎特性與裂紋擴(kuò)展進(jìn)行研究，為碾米加工設(shè)備的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及碾米降碎工藝等方面提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

如圖1所示，糙米平放在桌面上，受桌面支承的籽粒面稱(chēng)為底面，其對(duì)立面稱(chēng)作糙米正面；糙米籽粒的粒型用長(zhǎng)度、寬度、厚度3個(gè)尺寸表示，糙米胚芽一端到另一端的最大距離稱(chēng)為糙米長(zhǎng)度，正面到底面間的最大距離稱(chēng)為糙米寬度，兩正面之間的最大距離稱(chēng)為糙米厚度。

圖1 糙米三軸尺寸Figure 1 Triaxial dimensions of brown rice

選取目前市場(chǎng)上主要售賣(mài)的秈型稻谷和粳型稻谷，產(chǎn)地分別來(lái)自于江蘇和安徽，收獲時(shí)間均為2020年6月。通過(guò)手工脫殼方式分別獲得兩品種糙米近500粒，測(cè)得糙米三軸尺寸、籽粒重量如表1所示。由表1可知，粳型糙米的寬度、厚度及密度均略大于秈型糙米。

表1 糙米的物理特征參數(shù)Table 1 Physical characteristic parameters of brown rice

賈富國(guó)等[14-15]研究發(fā)現(xiàn)，糙米在碾白加工時(shí)，當(dāng)含水率為15%～16%時(shí)，碎米率最小，因此，采用105 ℃恒重法[16]測(cè)得糙米初始含水率為(11.0±0.2)%，通過(guò)加濕調(diào)質(zhì)技術(shù)將兩種糙米的含水率控制在15%～16%，并獲得糙米樣品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 糙米力學(xué)試驗(yàn) 采用CMT1103萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)糙米進(jìn)行力學(xué)特性測(cè)試，擠壓夾具由上方的壓頭和下端為支承座組成，彎曲及剪切試驗(yàn)夾具為定制。

試驗(yàn)機(jī)預(yù)加載力為5 N，加載速度為0.5 mm/s，移動(dòng)速度為50 mm/s[8]。試驗(yàn)過(guò)程中當(dāng)壓頭檢測(cè)到籽粒斷裂后，立即停止加載，壓頭自動(dòng)提升至一定位置。隨機(jī)取30粒左右完整糙米試樣逐粒進(jìn)行加載試驗(yàn)[8]，計(jì)算破碎力、破碎變形等的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。

1.2.2 糙米損傷裂紋觀(guān)察 利用15J(JQC型)精密三維視頻顯微鏡對(duì)糙米內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展進(jìn)行觀(guān)察，并尋找糙米內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的相關(guān)規(guī)律。利用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)糙米進(jìn)行受力加載：第1階段，以一個(gè)較小力值對(duì)第一粒糙米進(jìn)行加載，并將該粒糙米平放后磨去中心線(xiàn)以下的部分(見(jiàn)圖2)，隨后將該糙米染色放入顯微鏡下觀(guān)察，若未發(fā)現(xiàn)裂紋，則繼續(xù)對(duì)第二粒同品種糙米進(jìn)行加載，第2次的加載力值大于第1次的，不斷重復(fù)此過(guò)程直至糙米出現(xiàn)裂紋；第2階段，將糙米加載至破碎，為方便與第1階段對(duì)比，需將破碎糙米沿前視方向磨掉一部分，染色后放入顯微鏡下觀(guān)察。

圖2 糙米磨削示意圖Figure 2 Chart of brown rice grinding

1.2.3 糙米正面破碎特性指標(biāo) 糙米是生物系材料，但其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力裂紋的過(guò)程與金屬極為相似，因此為研究糙米的破碎特性，借助金屬材料相關(guān)力學(xué)理論提出了破碎力、破碎變形、破碎強(qiáng)度、破碎能以及彈性模量5個(gè)表征糙米破碎特性的重要指標(biāo)，破碎力和破碎變形表示使糙米破碎或斷裂的最大外力和最大變形，其值可通過(guò)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)讀出；破碎強(qiáng)度是指引起糙米破碎或斷裂所需的最大應(yīng)力；彈性模量可表示糙米抵抗變形能力的大小，其值等于糙米彈性階段應(yīng)力與應(yīng)變之比；破碎能是指糙米從受力到斷裂過(guò)程中所消耗的能量，其值等于外力在力的位移方向上所做的功。根據(jù)文獻(xiàn)[7]計(jì)算不同試驗(yàn)條件下糙米的破碎強(qiáng)度、彈性模量及破碎能，并結(jié)合萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)讀取糙米破碎力和破碎變形值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

相同試驗(yàn)條件下，對(duì)秈型糙米和粳型糙米正面分別進(jìn)行30次擠壓、三點(diǎn)彎曲和剪切試驗(yàn)，通過(guò)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)控軟件得到相應(yīng)的力與位移數(shù)據(jù)，導(dǎo)出數(shù)據(jù)后，剔除有明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，保留規(guī)律相近的數(shù)據(jù)，選取代表性數(shù)據(jù)，以位移量作為橫坐標(biāo)，力作為縱坐標(biāo)，經(jīng)繪圖軟件繪制得到不同載荷下糙米力—位移曲線(xiàn)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 糙米正面擠壓力學(xué)特性表征

2.1.1 擠壓載荷下的力—位移曲線(xiàn) 由于秈型糙米和粳型糙米在不同荷載作用下的力—位移曲線(xiàn)基本相似，因此僅選取秈型糙米的力—位移曲線(xiàn)進(jìn)行分析。

由圖3可知，擠壓力—位移特征曲線(xiàn)主要由OA、AB和BC3段組成，OA段中，變形隨擠壓力的增大而增大，O點(diǎn)為糙米開(kāi)始發(fā)生變形的點(diǎn)，為起始點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)載荷值為10～20 N，隨著糙米變形的增大，擠壓力也逐漸增大，在A(yíng)點(diǎn)擠壓力達(dá)到最大值，隨后AB段載荷急劇下降，說(shuō)明糙米在A(yíng)點(diǎn)發(fā)生了破碎；此外，OA曲線(xiàn)上還出現(xiàn)了諸多類(lèi)似P的臺(tái)階，數(shù)量隨變形的增大而增多，直至點(diǎn)A形成階梯狀；其中OA段力—位移曲線(xiàn)與橫坐標(biāo)所圍成的面積為破碎能。BC段，曲線(xiàn)呈現(xiàn)出與OA段相似的變化規(guī)律，是由于壓頭繼續(xù)對(duì)已破碎糙米進(jìn)行擠壓，淀粉顆粒間的結(jié)合力被打破，因而B(niǎo)C段糙米變形隨載荷的增加越來(lái)越容易。

圖3 擠壓力—位移特征曲線(xiàn)

對(duì)于擠壓力—位移曲線(xiàn)出現(xiàn)多個(gè)臺(tái)階P并形成階梯狀的原因，可以參考低碳鋼在壓縮時(shí)的機(jī)械性能表現(xiàn)以及粉末壓制理論。對(duì)糙米籽粒施壓后，糙米內(nèi)部微小顆粒間會(huì)發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，顆粒會(huì)填充內(nèi)部間隙，微小顆粒迅速堆積至最緊密狀態(tài)，米粒抗壓能力增大，于是出現(xiàn)了特征曲線(xiàn)中斜率由小到大的轉(zhuǎn)變，載荷繼續(xù)增大直至達(dá)到顆粒承受極限，由于糙米形狀近似為扁平橢球體，在糙米受壓過(guò)程中，糙米越來(lái)越扁，其與壓頭的接觸面積不斷變大，新的微小顆粒繼續(xù)向間隙填充，顆粒堆積直至達(dá)到最緊密狀態(tài)，因此形成臺(tái)階P，隨著變形的增大，臺(tái)階P不斷重現(xiàn)直至糙米破碎。

此外，當(dāng)糙米被壓縮時(shí)，內(nèi)部的微粒相對(duì)移動(dòng)，并將空隙填充到緊實(shí)狀態(tài)，在此期間，擠壓力—位移特性曲線(xiàn)出現(xiàn)一個(gè)近似水平線(xiàn)的線(xiàn)段，該曲線(xiàn)段中，變形量顯著增大，但是載荷值卻幾乎不變或是微小幅度增加，如果將該線(xiàn)段放大，還可以看出該線(xiàn)段呈小鋸齒狀，這種現(xiàn)象類(lèi)似于低碳鋼壓縮屈服階段內(nèi)晶格間的相對(duì)滑移；當(dāng)顆粒填充間隙已至緊密狀態(tài)，要使糙米變形必須增加壓力，于是出現(xiàn)了曲線(xiàn)中斜率顯著增加的曲線(xiàn)段，隨變形增加，載荷大幅度增加，與低碳鋼受壓時(shí)的強(qiáng)化階段類(lèi)似，因此可認(rèn)為擠壓力—位移特征曲線(xiàn)中近似水平的曲線(xiàn)段是屬于糙米屈服階段，斜率顯著增大的曲線(xiàn)段是屬于糙米強(qiáng)化階段，糙米籽粒的斷裂來(lái)源于屈服階段和強(qiáng)化階段的不斷往復(fù)。

2.1.2 擠壓載荷下的裂紋擴(kuò)展 由圖4可知，糙米胚乳組織排列不均勻，其內(nèi)部淀粉顆粒形狀大小不一，淀粉顆粒之間容易形成微孔洞，即糙米內(nèi)部存在間隙，證實(shí)了糙米力—位移特征曲線(xiàn)上P臺(tái)階的出現(xiàn)是由于顆粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而填充內(nèi)部間隙造成的推測(cè)。

圖4 糙米未受力時(shí)內(nèi)部視圖Figure 4 Internal view of brown rice withoutstress (14 000×)

由圖5(a)可知，當(dāng)糙米受擠壓作用內(nèi)部出現(xiàn)裂紋時(shí)，產(chǎn)生了3條比較明顯的裂紋，但此時(shí)糙米還未發(fā)生破碎，裂紋從糙米中心向外延伸。由圖5(b)可知，當(dāng)糙米正面受擠壓作用斷裂時(shí)，產(chǎn)生了3條豎直裂紋，中間豎直裂紋從正面貫穿到底面，是形成糙米擠壓破碎的主要裂紋，另外兩條豎直裂紋延伸至中部后與橫向裂紋相交。綜上，隨著擠壓力的逐漸增大，裂紋由糙米內(nèi)部向外部進(jìn)行擴(kuò)展，從而引起糙米斷裂。

圖5 糙米正面受擠壓載荷內(nèi)部視圖Figure 5 Internal view of brown rice facingextrusion load

2.2 糙米正面三點(diǎn)彎曲力學(xué)特性表征

2.2.1 三點(diǎn)彎曲載荷下的力—位移曲線(xiàn) 由圖6可知，糙米正面受三點(diǎn)彎曲作用時(shí)的力—位移曲線(xiàn)與擠壓力—位移曲線(xiàn)趨勢(shì)相近，變形起始點(diǎn)O對(duì)應(yīng)的載荷值為5～10 N，小于糙米正面擠壓載荷變形起始點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的值，一定程度上反映出糙米正面抵抗彎曲變形的能力小于抵抗擠壓變形的能力；籽粒所受三點(diǎn)彎曲作用力隨變形量的增大而增大，當(dāng)增大到A點(diǎn)后，載荷急劇下降到0，如AB段所示，表明A點(diǎn)糙米斷裂，A點(diǎn)為破碎力點(diǎn)；與受擠壓時(shí)情況一致，三點(diǎn)彎曲力—位移特征曲線(xiàn)上也有諸多類(lèi)似P的臺(tái)階，表明三點(diǎn)彎曲載荷下的糙米也經(jīng)歷了屈服階段和強(qiáng)化階段的交替過(guò)程，直至糙米斷裂。

圖6 糙米正面三點(diǎn)彎曲力-位移曲線(xiàn)Figure 6 Three-point bending force-displacement curveof brown rice front

2.2.2 彎曲載荷下的裂紋擴(kuò)展 由圖7可知，當(dāng)糙米正面受三點(diǎn)彎曲載荷作用產(chǎn)生裂紋但未斷裂時(shí)，糙米從底面產(chǎn)生了豎直裂紋；當(dāng)糙米正面受彎曲載荷作用斷裂時(shí)，產(chǎn)生了從正面到底面貫穿的豎直裂紋，說(shuō)明隨著三點(diǎn)彎曲載荷的逐漸增大，裂紋是從豎直方向向底面擴(kuò)展至正面，而底面為支撐面，即裂紋會(huì)沿受力端擴(kuò)展，直至斷裂。

圖7 糙米正面受三點(diǎn)彎曲載荷內(nèi)部視圖Figure 7 Internal view of brown rice under three-pointbending load

2.3 糙米正面剪切力學(xué)特性表征

2.3.1 剪切載荷下的力—位移曲線(xiàn) 由圖8可知，糙米正面受剪切作用時(shí)的力—位移曲線(xiàn)與彎曲力—位移曲線(xiàn)相似，O點(diǎn)為變形起點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)荷載值略>5 N，小于糙米在正面擠壓和彎曲作用下變形起始點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的載荷值，一定程度上反映出糙米抵抗剪切變形的能力小于抵抗擠壓和彎曲變形的。

圖8 糙米正面剪切破碎力—位移特征曲線(xiàn)

2.3.2 剪切載荷下的裂紋擴(kuò)展觀(guān)察 由圖9可知，糙米正面在剪切載荷作用下產(chǎn)生的裂紋與三點(diǎn)彎曲載荷作用下的類(lèi)似，都是從支承端開(kāi)始產(chǎn)生豎直裂紋，隨著載荷力的增加，裂紋從支承端逐漸向受力端擴(kuò)展直至糙米斷裂。

圖9 糙米正面受剪切力內(nèi)部視圖Figure 9 Internal view of frontal shearing forceof brown rice

2.4 糙米正面壓、彎、剪力學(xué)特征比較

相同試驗(yàn)條件下，糙米正面受擠壓、彎曲、剪切載荷的破碎力—位移特征曲線(xiàn)如圖10所示，為便于觀(guān)察，只截取糙米從未受力到受力破碎、斷裂的曲線(xiàn)段。

由圖10可知，3種破碎力均隨破碎變形的增大而增大，除存在諸多臺(tái)階外，直至斷裂，上升趨勢(shì)幾乎是線(xiàn)性的，因而可以認(rèn)為含水率在15%左右的糙米近似地符合線(xiàn)彈性材料的力學(xué)特征；糙米正面在擠壓載荷下的破碎力最大，破碎變形最??；剪切載荷下的破碎力最小，破碎變形最大；擠壓載荷下的力—位移曲線(xiàn)斜率最大；擠壓破碎的力—位移特征曲線(xiàn)上的臺(tái)階數(shù)量最少，剪切破碎的力—位移曲線(xiàn)上的臺(tái)階數(shù)量最多且呈鋸齒狀；擠壓變形起始點(diǎn)O所對(duì)應(yīng)載荷均大于彎曲和剪切下的。

從3種力學(xué)狀態(tài)考慮，相同條件下，力—位移特征曲線(xiàn)斜率越大，破碎力越大，破碎變形越小，變形越小曲線(xiàn)上臺(tái)階數(shù)量越少。此外，力—位移特征曲線(xiàn)的斜率大小還代表材料線(xiàn)性剛度大小，斜率大剛度大，抵抗變形能力大，故糙米抗擠壓變形能力最大，抗剪切變形能力最小，抗彎曲變形能力位于抗擠壓和抗剪切之間。

從試驗(yàn)方面考慮，糙米正面的3種力學(xué)特性試驗(yàn)的加載壓頭與籽粒接觸形式不同，造成米粒損傷的形式不同。擠壓試驗(yàn)中，糙米粒平放在支承座上，支承座為剛性平板，擠壓壓頭也是與其形狀大小相同的剛性平板，當(dāng)壓頭向糙米粒加壓時(shí)，籽粒除了受到垂直向下的作用力外，還受到支承平板對(duì)其的支承反力，且壓頭與糙米籽粒的接觸面積在3種力學(xué)試驗(yàn)中最大，當(dāng)破碎力一定時(shí)，探頭對(duì)糙米粒產(chǎn)生的壓強(qiáng)最小，因此要使米粒斷裂，所需力就更大，故其擠壓破碎力最大，破碎變形最小。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，糙米籽粒底部是兩點(diǎn)支承，當(dāng)壓頭向下加壓時(shí)，籽粒正面受壓底部受拉，且探頭與籽粒接觸面積相較于擠壓試驗(yàn)而言更小，產(chǎn)生的壓強(qiáng)更大，因此彎曲破碎力小于擠壓破碎力、彎曲破碎變形大于擠壓破碎變形。剪切試驗(yàn)中，壓頭與糙米的接觸面積在3種力學(xué)試驗(yàn)中最小，產(chǎn)生的壓強(qiáng)水平最大，糙米在受到剪切載荷時(shí)，糙米橫截面會(huì)沿作用力方向發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)變形，故其在剪切破碎力最小，破碎變形最大。

A1、A2、A3為糙米破碎力點(diǎn)圖10 糙米正面受壓、彎、剪時(shí)破碎力—位移曲線(xiàn)

綜上可以推斷，碾米加工過(guò)程中彎曲力、剪切力下的糙米更容易被破壞，因此，加工過(guò)程中要盡量避免糙米受到彎曲和剪切作用。

2.5 糙米正面破碎特性指標(biāo)

由表2可知，無(wú)論是秈型糙米還是粳型糙米，破碎力大小為擠壓破碎力>三點(diǎn)彎曲破碎力>剪切破碎力，破碎變形力大小為擠壓破碎變形<三點(diǎn)彎曲破碎變形<剪切破碎變形，與破碎力—位移特征曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)；3種力學(xué)類(lèi)型的破碎強(qiáng)度大小為擠壓破碎強(qiáng)度>三點(diǎn)彎曲破碎強(qiáng)度>剪切破碎強(qiáng)度；糙米破碎能大小與破碎力、破碎強(qiáng)度的分布趨勢(shì)一致；同一試驗(yàn)條件下，糙米壓縮模量>三點(diǎn)彎曲模量>剪切模量。

表2 糙米破碎特性指標(biāo)Table 2 Mechanical properties of brown rice

同載荷類(lèi)型條件下，粳型糙米的破碎力、破碎變形、破碎強(qiáng)度及破碎能均大于秈型糙米，粳型糙米顯示出更好的力學(xué)特性，破碎強(qiáng)度除了與破碎力大小有關(guān)，還與糙米厚度有關(guān)，隨著破碎力的增大，糙米厚度減小，破碎強(qiáng)度增大。

3 結(jié)論

試驗(yàn)表明，由于糙米內(nèi)部胚乳組織的不均勻性，淀粉顆粒間容易形成微孔洞，糙米正面在受到擠壓載荷作用時(shí)，會(huì)先在內(nèi)部微孔洞處產(chǎn)生裂紋，裂紋的快速擴(kuò)展造成了米粒破碎或斷裂。在三點(diǎn)彎曲和剪切載荷下，糙米從支撐端底面產(chǎn)生裂紋，并擴(kuò)展至正面；糙米受力時(shí)會(huì)經(jīng)歷屈服階段與強(qiáng)化階段的交替過(guò)程，直至斷裂；與擠壓載荷相比，糙米在三點(diǎn)彎曲載荷和剪切載荷作用下的破碎強(qiáng)度和破碎能較小。糙米抗擠壓破碎的能力最大、抗彎曲破碎能力次之、抗剪切破碎能力最小，因此在對(duì)碾米機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量減少?gòu)澢?、剪切作用?duì)糙米的影響；同等條件下，粳型糙米的力學(xué)特性?xún)?yōu)于秈型糙米。糙米加工品質(zhì)與其力學(xué)特性間具體相關(guān)關(guān)系暫不明確，后續(xù)可通過(guò)米粒的三維模型建立[17]，進(jìn)行離散元仿真，以期能根據(jù)破碎特性相關(guān)指標(biāo)選擇合適加工工藝，降低碾米過(guò)程中碎米的產(chǎn)生。