交趾黃檀心邊材徑向彎曲蠕變特性

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1、交趾黃檀心邊材徑向彎曲蠕變特性 交趾黃檀心邊材徑向彎曲蠕變特性 2016/07/02 《福建林業(yè)科技雜志》2016年第二期 摘要: 采用三點(diǎn)加載方式對(duì)交趾黃檀心邊材試件進(jìn)行短時(shí)間(5h)內(nèi)徑向彎曲蠕變測(cè)試，獲得交趾黃檀心邊材的彎曲蠕變特性曲線，分別用五單元模型、六單元模型模擬交趾黃檀徑向彎曲蠕變過(guò)程，對(duì)比分析交趾黃檀心材與邊材蠕變性能的差異。結(jié)果表明:五單元模型可準(zhǔn)確地模擬交趾黃檀的徑向彎曲蠕變特性;相同應(yīng)力水平下交趾黃檀心材的蠕變小

2、于邊材的蠕變，隨應(yīng)力水平提高，心材的蠕變?cè)龃蟛幻黠@，而邊材蠕變明顯增大。 關(guān)鍵詞: 交趾黃檀;心材;邊材;蠕變;粘彈性模型木材是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等為主要成分構(gòu)成的復(fù)雜天然高分子聚合物，具有黏彈性，木材蠕變是其黏彈性的一種表現(xiàn)形式，在保持一定溫度和較小的恒定應(yīng)力作用下，木材的應(yīng)變具有隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大的現(xiàn)象［1］。近年來(lái)，在木材的蠕變行為、粘彈性模型以及應(yīng)力水平、含水率、溫度等對(duì)木材蠕變特性的影響等方面進(jìn)行了大量研究，Charles等［2］、CaiZhiyong等［3］研究了木材蠕變特性與蠕變模型，為描述木材的蠕變?cè)囼?yàn)曲線的第一階段和第二階段提出了更為精

3、確的木材蠕變模型;盧寶賢等［4－5］、史貴榮［6］提出了粘彈性模型在木材蠕變中的應(yīng)用，并確定了幾個(gè)樹(shù)種木材粘彈性的模型元件數(shù)和元件常數(shù)。交趾黃檀(Dalbergiacochinchinensis)俗稱大紅酸枝，散孔材，生長(zhǎng)輪不明顯或略明顯;心材新切面紫紅褐或暗紅褐，常帶黑褐或栗褐色深條紋;管孔在肉眼下略見(jiàn)，含黑色樹(shù)膠;軸向薄壁組織頗明顯，主為同心層式細(xì)線狀，稀翼狀;木射線在放大鏡下可見(jiàn)，射線組織同形單列(較多或甚多)及多列;有酸香氣或微弱;結(jié)構(gòu)細(xì);紋理通常直;心材的氣干密度1.01～1.09gcm－3，是紅木家具的原材料之一［7］。交趾黃檀等黃檀屬木材用于制作紅木家具的僅僅只是其心材，邊材卻往

4、往遭到丟棄，甚至被用作薪柴，或被不法商人染色或經(jīng)油漆制造假紅木家具，然而其心邊材的物理力學(xué)性能存在多大的差異，少有相關(guān)研究。本文對(duì)交趾黃檀蠕變過(guò)程粘彈性模型，及其心、邊材徑向抗彎蠕變性能的差異進(jìn)行研究。 一、材料與方法 1.1試驗(yàn)材料交趾黃檀是由某廠家提供，交趾黃檀木段直徑約為180mm，其中心材部分直徑約為130mm，長(zhǎng)70cm，整段木材沒(méi)有節(jié)子等缺陷，紋理較通直，心材氣干密度約為1.04gcm－3，邊材氣干密度約為0.83gcm－3。 1.2試驗(yàn)方法 1.2.1試件制備 1.2.2蠕變測(cè)試. 1

5、.2.3蠕變特性分析 物質(zhì)的粘彈性可以用由彈性元件和粘性元件組成的模型來(lái)表示和描述。彈性元件和粘性元件分別用彈簧和阻尼器來(lái)表示。彈性元件服從胡克定律:σ=Eε，粘性元件則服從牛頓粘性定律:dε/dt=σ/η。彈性元件與粘性元件這2個(gè)基本元件可以組成不同的粘彈性模型，用來(lái)模擬不同材料的粘彈性行為［10］。最基本的粘彈性模型是Maxwell模型和Kelvin模型，分別由1個(gè)彈性元件和1個(gè)粘性元件串聯(lián)或并聯(lián)而成。木材屬于粘彈性材料，其蠕變過(guò)程由瞬時(shí)彈性變形、延遲彈性變形和粘性變形3個(gè)部分組成。根據(jù)粘彈性理論，蠕變變形的瞬時(shí)彈性變形部分可以用理想彈簧來(lái)模擬;延遲彈性變形部分可以用理想彈

6、簧與理想粘壺并聯(lián)的模型來(lái)模擬，即Kelvin模型;另外，蠕變不可恢復(fù)的粘性變形部分可用1個(gè)粘壺來(lái)模擬。 二、結(jié)果與分析 2.1蠕變模型的選擇及分析按(5)、(6)式擬合交趾黃檀心、邊材試件的蠕變?nèi)崃縅*(t)得到蠕變?nèi)崃壳€J(t)(圖3)與五單元、六單元模型的擬合參數(shù)(表1)。對(duì)比圖3a與圖3b可以看出，采用五、六單元模型擬合的曲線均具有較高的擬合度，說(shuō)明這2種模型對(duì)交趾黃檀徑向彎曲蠕變行為的模擬與解釋都比較準(zhǔn)確。對(duì)比(5)式與(6)式，五單元模型中模擬了木材瞬時(shí)彈性變形和延時(shí)彈性變形，而六單元模型不僅模擬了木材瞬時(shí)彈性變形和延時(shí)彈性變形，還模擬了木材的粘性變

7、形。粘性變形隨著恒載時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，而在短時(shí)間內(nèi)粘性變形量較小，因而五單元模型也能準(zhǔn)確地模擬交趾黃檀在較短時(shí)間內(nèi)的蠕變行為。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在較短時(shí)間交趾黃檀徑向彎曲蠕變測(cè)試過(guò)程中，粘性變形量相對(duì)于瞬時(shí)彈性變形和延時(shí)彈性變形較小。 2.2心、邊材徑向彎曲蠕變規(guī)律分析由圖3可看出，交趾黃檀心、邊材呈現(xiàn)相似的蠕變特性曲線變化趨勢(shì)。由于蠕變測(cè)試時(shí)間較短，交趾黃檀的徑向彎曲蠕變過(guò)程只出現(xiàn)2個(gè)階段:第1階段的特點(diǎn)是開(kāi)始時(shí)應(yīng)變?cè)龃笏俾恃杆僭龃?，隨著時(shí)間的推移，蠕變的應(yīng)變?cè)龃笏俾手饾u減小;第2階段應(yīng)變?cè)龃笏俾瘦^穩(wěn)定，即蠕變以恒定的應(yīng)變?cè)龃筮M(jìn)行，圖中的曲線很好地反映了這一階段的特點(diǎn)，

8、這個(gè)階段蠕變?nèi)崃壳€斜率基本不變。由圖3和圖4可以看出，在相同應(yīng)力水平條件下，交趾黃檀心、邊材的徑向彎曲蠕變?nèi)崃壳€具有很大的差異，心材的蠕變?nèi)崃渴冀K比邊材小。另外，心材蠕變的第1階段時(shí)間非常短，而邊材的較長(zhǎng)，在彎曲破壞強(qiáng)度的30%應(yīng)力水平下，心材蠕變的第1階段僅約10min，而邊材的第1階段約1.94h，且在蠕變的第2階段，心材的蠕變?nèi)崃縅(t)的斜率比邊材的斜率小。 2.3加載應(yīng)力不同對(duì)蠕變特性的影響由圖3、圖4可知，隨加載應(yīng)力的增大，交趾黃檀心、邊材的蠕變隨之增大。從加載應(yīng)力為彎曲破壞強(qiáng)度的30%提高到50%，心材的蠕變?cè)龃蟛幻黠@，而邊材蠕變明顯增大;心材蠕變的第1階段幾

9、乎不變，第2階段的斜率也只是稍有增大，而邊材蠕變的第1階段也隨加載應(yīng)力的加大而延長(zhǎng)，且第2階段的斜率增大明顯。載荷不超過(guò)微纖絲結(jié)構(gòu)的蠕變極限下，應(yīng)力越大，微纖絲結(jié)構(gòu)中抵抗變形的阻滯力越小，即交趾黃檀中木質(zhì)素等緊固纖維素分子鏈的作用力減弱，則分子鏈間產(chǎn)生的位移越大，導(dǎo)致蠕變?cè)龃?。總之，木質(zhì)材料粘彈性的特點(diǎn)是隨著應(yīng)力水平的不同而呈不同的響應(yīng)［11］。當(dāng)應(yīng)力水平超過(guò)了該試件內(nèi)部微纖絲結(jié)構(gòu)的蠕變極限，使得分子鏈發(fā)生重新取向，在分子鏈連接力不夠的情況下，分布在微纖絲周圍的填充物質(zhì)來(lái)不及調(diào)整自己的構(gòu)象，試件的粘彈性行為中蠕變量比瞬時(shí)蠕變量大得多，則會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象［12］。 三、結(jié)論

10、 較短加載時(shí)間的交趾黃檀徑向彎曲蠕變特性，可用由1個(gè)彈性元件和2個(gè)Kelvin模型串聯(lián)的五單元模型描述，其蠕變模型主要模擬木材瞬時(shí)彈性變形和延時(shí)彈性變形，因其在短時(shí)間內(nèi)粘性變形部分較小。相同應(yīng)力條件下，交趾黃檀心材的徑向彎曲蠕變小于邊材的蠕變，且心材蠕變第1階段比邊材短，蠕變第2階段的斜率也比邊材小;隨應(yīng)力水平的提高，心材徑向彎曲蠕變變化較小，而邊材蠕變明顯增大。隨著應(yīng)力水平由彎曲破壞強(qiáng)度的30%提高到50%，交趾黃檀心材徑向彎曲蠕變變化不大，但邊材的蠕變明顯增大。 參考文獻(xiàn): ［1］虞華強(qiáng)，趙榮君，劉杏娥，等.木材蠕變模擬研究概述［J］.林業(yè)科學(xué)，20

11、07，43(7):101－105. ［2］盧寶賢，李靜輝，丁衛(wèi)，等.幾個(gè)主要樹(shù)種的蠕變特性［J］.力學(xué)與實(shí)踐，1996，18(1):36－38. ［3］盧寶賢，李靜輝，張斌.黏彈性模型在木材蠕變中的應(yīng)用［J］.力學(xué)與實(shí)踐，1989，11(2):41－44. ［4］史貴榮.木材的粘彈性及其蠕變模型［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1988，10(2):88－94. ［5］楊家駒.中國(guó)紅木———紅木國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介及詮釋［M］.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2000:3－4. ［6］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫局.GB/T1928—2009木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法總則［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009. ［7］國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T1936.1—2009木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法［S］.北京:中國(guó)質(zhì)檢出版社，2009. ［8］王蓬瑚.木質(zhì)材料流變學(xué)［M］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社，2000.