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: 采用三點加載方式對交趾黃檀心邊材試件進行短時間(5h)內(nèi)徑向彎曲蠕變測試，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程，對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，心材的蠕變增大不明顯，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)變具有隨時間的延長而增大的現(xiàn)象［1］。近年來，在木材的蠕變行為、粘彈性模型以及應(yīng)力水平、含水率、溫度等對木材蠕變特性的影響等方面進行了大量研究，Charles等［2］、CaiZhiyong等［3］研究了木材蠕變特性與蠕變模型，為描述木材的蠕變試驗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，并確定了幾個樹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，含黑色樹膠;軸向薄壁組織頗明顯，主為同心層式細線狀，稀翼狀;木射線在放大鏡下可見，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;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性能存在多大的差異，少有相關(guān)研究。本文對交趾黃檀蠕變過程粘彈性模型，及其心、邊材徑向抗彎蠕變性能的差異進行研究。 一、材料與方法 1.1試驗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70cm，整段木材沒有節(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試驗方法 1.2.1試件制備 1.2.2蠕變測試. 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表示和描述。彈性元件和粘性元件分別用彈簧和阻尼器來表示。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個基本元件可以組成不同的粘彈性模型，用來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個彈性元件和1個粘性元件串聯(lián)或并聯(lián)而成。木材屬于粘彈性材料，其蠕變過程由瞬時彈性變形、延遲彈性變形和粘性變形3個部分組成。根據(jù)粘彈性理論，蠕變變形的瞬時彈性變形部分可以用理想彈簧來模擬;延遲彈性變形部分可以用理想彈

6、簧與理想粘壺并聯(lián)的模型來模擬，即Kelvin模型;另外，蠕變不可恢復的粘性變形部分可用1個粘壺來模擬。 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，說明這2種模型對交趾黃檀徑向彎曲蠕變行為的模擬與解釋都比較準確。對比(5)式與(6)式，五單元模型中模擬了木材瞬時彈性變形和延時彈性變形，而六單元模型不僅模擬了木材瞬時彈性變形和延時彈性變形，還模擬了木材的粘性變

7、形。粘性變形隨著恒載時間的延長而增大，而在短時間內(nèi)粘性變形量較小，因而五單元模型也能準確地模擬交趾黃檀在較短時間內(nèi)的蠕變行為。同時，試驗結(jié)果可以看出，在較短時間交趾黃檀徑向彎曲蠕變測試過程中，粘性變形量相對于瞬時彈性變形和延時彈性變形較小。 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。由于蠕變測試時間較短，交趾黃檀的徑向彎曲蠕變過程只出現(xiàn)2個階段:第1階段的特點是開始時應(yīng)變增大速率迅速增大，隨著時間的推移，蠕變的應(yīng)變增大速率逐漸減小;第2階段應(yīng)變增大速率較穩(wěn)定，即蠕變以恒定的應(yīng)變增大進行，圖中的曲線很好地反映了這一階段的特點，

8、這個階段蠕變?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階段時間非常短，而邊材的較長，在彎曲破壞強度的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)力為彎曲破壞強度的30%提高到50%，心材的蠕變增大不明顯，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，且第2階段的斜率增大明顯。載荷不超過微纖絲結(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，導致蠕變增大?？傊举|(zhì)材料粘彈性的特點是隨著應(yīng)力水平的不同而呈不同的響應(yīng)［11］。當應(yīng)力水平超過了該試件內(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蠕變量大得多，則會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象［12］。 三、結(jié)論

10、 較短加載時間的交趾黃檀徑向彎曲蠕變特性，可用由1個彈性元件和2個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彈性變形和延時彈性變形，因其在短時間內(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: ［1］虞華強，趙榮君，劉杏娥，等.木材蠕變模擬研究概述［J］.林業(yè)科學，20

11、07，43(7):101－105. ［2］盧寶賢，李靜輝，丁衛(wèi)，等.幾個主要樹種的蠕變特性［J］.力學與實踐，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］.力學與實踐，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)大學學報，1988，10(2):88－94. ［5］楊家駒.中國紅木———紅木國家標準簡介及詮釋［M］.北京:中國建材工業(yè)出版社，2000:3－4. ［6］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫局.GB/T1928—2009木材物理力學試驗方法總則［S］.北京:中國標準出版社，2009. ［7］國家標準化管理委員會.GB/T1936.1—2009木材抗彎強度試驗方法［S］.北京:中國質(zhì)檢出版社，2009. ［8］王蓬瑚.木質(zhì)材料流變學［M］.哈爾濱:東北林業(yè)大學出版社，2000.