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　　ope体育[本章难点与重点]木材力学性质基本慨念与特点、主要力学性质种类及其测定方法和木材允许应力的确定原理。

　　木材力学性质是指木材抵抗使之改变其大小和形状外力的能力，也即木材适应外力作用的能力。现实生活中使用木材大都是利用木材力学性质，例如枕木承受横纹抗压，日用家具中桌、椅、板凳等用品的腿承受顺纹压缩荷载，建筑物上洐架、家具横梁承受弯曲载荷；枪托用材要求重量适中，弹性大，缓冲性能好。农业机具要求耐磨，硬度大等。

　　木材的力学性质主要分为弹性、塑性、蠕变、松弛、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、冲击韧性、抗劈力、抗扭强度、硬度和耐磨性等，其中以抗弯强度和抗弯弹性模量、抗压强度、抗剪强度及硬度等较为重要。木材力学性质的测定要破坏试样的完整性下，多数性状测定其达到破坏状态时所能承受的最大外力；而处于使用状态下的木材，其所受外力要比其破坏状态时所能承受的最大外力小得多。木材是生物材料，其构造导致木材的各向异性，因此木材的力学性质也是各向异性的，这与各向同性的金属材料和人工合成材料有很大的不同。例如木材强度视外力作用于木材纹理的方向，有顺纹强度与横纹强度之分；而横纹强度视外力作用于年轮的方向，又有弦向强度与径向强度之别。因此学习木材力学性质，掌握其材料的特性，对合理使用木材有着重要意义。

　　木材是生物质高分子材料，其力学性质主要取决于细胞壁结构特点和木材主要化学成份纤维素、木素和半纤维素的化学键结合特点与排列方式以及外力作用于木材的方式等。前面木材解剖和木材化学性质知识的掌握对于本章的学习有很大的帮助。有关物体承受拉、压、弯、剪切等受力分析是木材力学的基础，可参阅有关《材料力学》教材基础部分。另外，由于木材属于高分子有机材料，木材

　　力学性质带有高分子材料学的特点，因此学完本章后，有兴趣的同学可进一步阅读高分子材料方面的教材。

　　物体受外力作用，其内部分子间产生抵抗力以抵抗外力作用产生的破坏，这种物体内部抵抗力称为内力。物体单位截面上内力称为应力，用

　　物体在平衡状态时，内力与外力的大小相等方向相反。当外力的大小超过物体所能承受的力时，物体即失去平衡，发生大小和形状的变化或破坏。

　　按照物体受力状况和物体受力产生的变形，应力分为三种基本类型：拉应力、压应力、剪应力，如图6-1中A、B和C。

　　（1）拉应力两个大小相等而方向相反的外力沿着木材同一方向线作用，引起木材拉伸变形，此时外力垂直木材的截面上应力称为拉应力。

　　（2）压应力两个大小相等而方向相反而相对的外力，沿着木材同一方向作用引起木材压缩变形。此时外力垂直于木材截面上产生应力称为压应力。

　　（3）剪切应力两个大小相等方向相反接行外力作用于木材，促使木材一部分相对于另一部分发生错动的剪开现象，此时错开面上产生应力称为剪应力。

　　物体受外力作用后所发生大小和形状变化称为变形，一定的外力就产生一定的形变。物体单位长度上变形称为应变，用ε表示。

　　△L为物体受外力作用后，其长度上变化量。如果物体受拉力作用，长度增加，△L为正值。反之，受压长度变短，△L为负值。所以，习惯上拉应力用“+”号表示，压应力用“-”号表示。

　　物体受随外力作用产生形变，一定外力产生相应的应力、应变，应力应变是同时产生的。外力在某一限度内，应变与应变成正比，二者呈线性关系；外力超过某一范围，二者直线关系就转变为呈曲线关系。随着外力逐渐增大，物体最终出现破坏，此时应力达到最大值。以应力为纵坐标，应变为横坐标，表示应力和应变关系的曲线）。

　　按照虎克（Hook）定律，在应力与应变直线关系范围内，大多数材料的应力和应变之间存在着一定的指数关系。

　　式中：ε为应变，σ为应力，a和n为常数，取决于材料的性质。试验表明铸铁、铜、花岗石、砂石和混凝土等刚性材料n>

　　1，皮革和麻绳等柔性材料n＜1，铝和木材等材料n=1，因此木材的应力和应变关系，可用下式表示：

　　其中：E=1/a，为木材弹性模量，它是衡量材料刚性的指标，E数值大，材料的刚性大，变形小，不易破坏，单位为Gpa（或kg/cm2）。

　　图6—2，示杉木弯曲时的应力——应变图。木材在比例极限应力下可近似看作弹性，在这极限以上的应力就会产生塑性变形或发生破坏。木材的弹性和塑性还受水分、温度和时效的影响。随着水分的增加，温度的升高，作用时间延长，原弹性变形部分可转化为塑性变形。

　　图9—1应力与应变关系中，作用于木材的外力继续增大，应力与应变成正比例直线关系破坏时转折点应力称为比例极限（Pp）。

　　图9—1应力与应变关系中，，不超过比例极限的外力作用于木材所产生的变形随着外力除去而消失，即能够恢复原来的形状、尺寸，这种变形称为弹性变形。弹性变形多发生在比例极限内，弹性变形是可以恢复的，就象橡胶拉伸压缩一样。

　　作用于物体的外力超过比例极限时产生的变形，不随外力除去而消失，而保留变形后形状，这种变形称为永久变形即塑性变形。永久变形（塑性变形）发生时，外力已超过比例极限应力，不能恢复到原来形状和大小。

　　开始产生永久变形的一点称为弹性极限。木材的弹性极限微高于比例极限，但相差无几，通常二者不分，只测定比例极限时的荷载。

　　物体受外力作用时保持其原来形状和大小的能力，称为刚性。木材具有较高的刚度－密度比，故适用于建筑材料。

　　材料在破坏之前无明显变形的性质，称为脆性。脆性材料的破坏强度低于正常木材，其破坏面垂直或近于垂直木材纹理，破坏面平整，骤然破坏无预兆。脆性材料的破坏（A）与正常木材的拉伸撕裂破坏（B）面完全不一样，如图。脆性产生的原因不一，树木生长不良、遗传、生长应力、木材的缺陷和腐朽均可导致木材的脆性。脆性木材较正常木材的重量轻，细胞壁物质即纤维素的含量低。通常针叶树材生长轮特别宽，阔叶树材生长轮特别窄的木材，易形成脆性木材。

　　韧性是木材吸收能量和抵抗反复冲击荷载，或抵抗超过比例极限的短期应力的能力，其单位为kJ/m2。木材的韧性与木材的抗冲击性和抗劈性密切相关，韧性大的木材其抗冲击性和抗劈性也佳，所以木材的韧性可用木材的抗冲击性和抗劈性来表示。韧性木材与脆性木材相反，其破坏面呈纤维状，破坏前多有征兆。

　　物体受外力作用产生变形，当外力解除后能保持变形后形状的性质，称为塑性。木材不是完全的弹性材料，仅在一定限度内具有弹性。木材之所以具有永久变形，是由于木材具有塑性的缘故。

　　木材塑性大小与温度、含水率、树种和树龄有一定的关系。木材是以纤维素、半纤维素、木素等主要成份组成的高分子材料，其性质既具有弹性，也具有热塑性。木素是热塑性物质，全干状态下其热软化点在为

　　127~193℃之间；而在湿润状态下则显著降低到77~128℃之间。半纤维素由于吸着水的存在，其软化点的降低和木素有着相似的情况。骨架物质纤维素，其热的软化点大于232℃，它的结晶性不受水分的影响，但其玻璃态转化点随含水率的增加而降低。可见木材塑性受温度和含水率的影响很大。温度在0℃以上，木材的塑性随含水率的增加而增大，特别是当温度升高和含水率增加的情况下，木材的塑性则更大。

　　气干状态下，木材塑性变形小，这与木材细胞壁构造有关。木材细胞壁是以纤维素所组成的微纤丝为骨架，它埋在由木素和半纤维素所组成的基体之中。在气干状态下，这种骨架体系对抵抗外力作用非常有效，抗变形能力强。因此在木材顺纹拉伸断裂时几乎不显塑性。但若能给予基体物质可塑性时，如水热处理，微纤丝就很易产生变形，木材的塑性就能显著提高。

　　木材加工生产中，压缩木、弯曲木和人造板成型加工时就是利用木材的塑性性质，产生永久变形。不同树种和不同树龄的木材，其塑性多少有点变化。栎木、白蜡木、榆木、水曲柳等木材在水热作用下，可塑性明显增强，特别适合加工弯曲木构件。

　　微波加热作木材弯曲处理时，基体物质塑化，变形可增加到原弹性变形的30倍，并在压缩侧不出现微细组织的破坏，能产生连续而又平滑的显著变形，保证弯曲质量，这也是木材塑性加工利用中一个很好的例证。

　　弹性固体具有确定的构形，在静载荷作用下发生的变形只与外力大小有关，与时间无关；当外力卸除后，变形消失而能完全恢复原状。粘性流体没有确定的形状，取决于容器；外力作用下，变形随时间而发展，产生不可逆的流动现象。

　　木材为生物高分子材料，具有弹性固体和粘性流体的特性。木材具有弹性和粘性两种不同机理的变形，并体现着弹性固体和流体的综合特性，木材的这种特性就称作木材的粘弹性。它包括木材蠕变和松弛等现象，主

　　要与木材使用环境下的温度、负荷时间、加荷速率和应变幅值等有关，其中温度和时间的影响尤为明显。

　　（1）木材蠕变现象木材在长期荷载下，讨论应力和应变时，必须考虑时间等因素。讨论材料变形时，必须同时考虑弹性和粘性两个性质的作用。在恒定的应力下，木材的应变随时间增长而增大的现象称蠕变。

　　木材属高分子结构材料ope体育，它受外力作用时有3种变形：瞬时弹性变形、弹性后效变形及塑性变形。木材承受载荷时，产生与加荷进度相适应的变形称为瞬时弹性变形，它服从于虎克定律。加荷过程终止，木材立即产生随时间递减的弹性变形，也称粘弹性变形(弹性后效变形)，它是因纤维素分子链的卷曲或线伸展造成，这种变形也是可逆的，与弹性变形相比它具有时间滞后。而因外力荷载作用使纤维素分子链彼此滑动所造成的变形为塑性变形，是不可逆转的，如图6-4。

　　（2）木材松弛现象木材这种材料在外力作用下产生变形，长时间观测就会发现，如果变形不变，对应此恒定变形的应力会随着时间延长而逐渐减小，如图6-5。木材这种恒定应变条件下应力随着时间延长而逐渐减小的现象称之为应力松弛现象，如图。松弛现象随树种和应力种类不同而有差异。实验求得。松弛现象与木材密度成反比，轻软的木材松弛现象比硬重的木材大得多；木材松弛现象随着含水率的增加而增大，湿材的松弛系数大。

　　产生蠕变的材料必定会产生松弛，与此相反过程也能进行。二者主要区别在于：蠕变中应力是常数，应变随时间延长而增大；而在松弛中，应变是常数，应力逐渐减小。发生的根本原因就在于木材是既有弹性又有塑性的特性的材料。

　　建筑物木构件在长期承受静荷载时，要考虑蠕变所带来的影响。Denton和Riesenberger试验证明，若木梁承受衡载达到最大瞬间荷载能力的60%，因蠕变的影响，大约一年的时间木梁就遭到破坏。针叶树材在

　　含水率不发生变化的条件下，施加静力荷载小于木材比例极限强度的75%时，可以认为是安全的。但在含水率变化条件下，大于比例极限强度20%时，就可能产生蠕变，随时间延长最终会导致破坏。含水率增大会增加木材的塑性和变形，这种变形是累加的效应。温度对蠕变有显著的影响，木材温度愈高，纤维素分子链运动加剧，变形也大，木梁夏季变形大。因此木材作为承重结构材使用时，设计应力或荷重应控制在弹性极限或蠕变极限范围之内，必须避免塑性变形的产生。此外，人造板生产中，要考虑木质材料的粘弹性问题。

　　针叶材阔叶树层次状明显，木材横切面上可以见到致密的晚材与组织疏松的早材构成年轮而成同心园状。径切面上早晚材交替为平行的条纹；弦切面上则交替为“V”形花纹；木材力学性能各轮多少有点差异。

　　木材主要是细胞组成，微观构造上横切面所观察到细胞断面为孔眼；径切面、弦切面上为中空管状，及细胞壁上纹孔等；宏观构造上，导管分子孔状结构等。

　　前述木材物理性质（干缩性、热、电、声学等）构造性质各向异性，同样木材力学性质亦存在着各向异性。木材大多数细胞轴向排列，仅少量木射线径向排列。木材为中空的管状细胞组成，其各个方向施加外力，木材破坏时产生的极限应力不同。例如顺纹抗拉强度可达120.0-150.0Mpa，而横纹抗拉强度仅3.0-6.0Mpa(C-H,H-O)，这主要与其组成分子的价键不同所致。轴向纤维素链状分子是以C-C、 C-O键连接，而横向纤维素链状分子是以C-H、H-O连接，二者价键的能量差异很大。

　　木材抗拉、抗压和抗弯弹性模量E，可看作近似相等。但在三个方向上，弹性模量因显微和超微构造的不同而异。纵向弹性模量远大于横向，横向中径向弹性模量大于弦向。针叶树材，径向弹性模量与弦向之比为1.8，纵向弹性模量与径向之比为13.3，纵向弹性模量与弦向之比为24；阔叶树材对应模量比值分别为1.9，9.5和18.5。

　　前述纤维饱和点是材性变化转折点，木材含水率在纤维饱和点以下时，如木材中纤维素和半纤维素分子上游离羟基吸收空气中水分子，会使木材体积、密度发生变化，从而导致木材强度发生变化。因此在某一含水

　　率状态下的木材强度，要按公式调整到12%含水率标准下的强度值，便以比较。

　　不同树种,木材力学性质不同。同一树种，不同部位不同力学性质不同.同一树种,生长条件不同力学性质不同；同时木材各种缺隙如节子，纹理、腐朽等都会影响木材力学性能。

　　由于木材力学性质存在着以上特点，给木材力学性质研究带来很大因难，不象均匀性和，同质性的金属材料那样研究容易；到目前为止，有关木材力学性质理论还处于探索研究之中，木材有多种数学力学模型与假设方程出现，如正交对称原理应用于木材，木材共有9个独立弹性常数，计算极为复杂。木结构工程设计中，木材强度设计值计算仍是采用材料力学中有关均匀材料的原理、公式和考虑安全性进行。

　　木材力学性质研究，适及到力学种类、受力方向、静力荷载与动力荷载以及加工工艺等。木材的强度象其它材料一样，可分为抗拉、抗压、抗剪、抗弯、抗扭、抗劈ope体育、耐磨性、抗冲击和硬度等。木材是非均质性的各向异性材料，其纵向、径向向三个方向力学强度具有明显的差异。木材主要力学性质的测定主要采用静力荷载进行。

　　外力作用于木材，使其发生拉伸变形，木材这种抵抗拉伸变形的最大能力，称为抗拉强度。视外力作用于木材纹理的方向，木材抗拉强度分为顺纹抗拉强度和横纹抗拉强度。

　　木材顺纹抗拉强度，是指木材沿纹理方向承受拉力荷载的最大能力。木材的顺纹抗拉强度较大，各种木材平均约为117.7－147.1MPa，为顺纹抗压强度的2－3倍。木材在使用中很少出现因被拉断而破坏。

　　木材顺纹拉伸破坏主要是纵向撕裂粗微纤丝和微纤丝间的剪切。微纤丝纵向的C-C、C-O键结合非常牢固，所以顺拉破坏时的变形很小，通常应变值小于1％~3％，而强度值却很高。即使在这种情况下，微纤丝本身的拉伸强度也未充分发挥。因为木材顺纹剪切强度特别低，通常只有顺拉强度的6％～10％。顺纹拉伸时，微纤丝间的撕裂破坏是微纤丝间的滑行所致，其破坏断面常呈锯齿状，或细裂片状和针状撕裂。其断面形状的不规则程度，取决于木材顺拉强度和顺剪切度之比值。一般来说，整常木材该比值较大，破坏常在强度弱的部位剪切开，破坏断面不平整，呈锯齿状；

　　而腐朽材和热带脆心材，两者比值较小，且由于腐朽所产生的酸质使纤维素解聚，对大气湿度敏感性增加，这两个因素大大削弱了木材的顺拉强度，微纤丝很容易被拉断而直接破坏，断面处平整，不会出现正常材断面拉伸破坏时出现的微纤丝滑行的锯齿状纤维。

　　木材顺纹抗拉强度的测定比较困难，试样的形状不仅特殊不易加工，而且试验时容易产生扭曲，对结果影响很大。试验时试样受拉后变形很小，试验用的夹具形状及试样端部过渡到工作部位的曲率半径均左右应力的分布。因为木材的顺纹抗拉强度不低于抗弯强度，所以设计时可以直接用抗弯强度代替顺纹抗拉强度。我国国家标准规定的木材顺纹抗拉试样的形状和尺寸如图5—6所示。对于软质木材的试样，必须在两端受夹持部分的窄面，用胶合剂或木螺钉固定尺寸为90×14×8mm的硬木夹垫于试样上。

　　试验时采用附有自动对直和拉紧夹具的试验机进行，试验以均匀速度加荷，在1.6-2.0分钟内使试样破坏。顺纹抗拉强度按下式计算。

　　木材横纹抗拉强度，是指垂直于木材纹理方向承受拉力荷载的最大能力（图6-7）。木材的横纹拉力比顺纹拉力低得多，一般只有顺纹拉力的l/30—1/40。因为木材径向受拉时，除木射线细胞的微纤丝受轴向拉伸外，其余细胞的微纤丝都受垂直方向的拉伸；横纹方向微纤丝上纤维素链间是以氢键（-OH）接合的，这种键的能量比木材纤维素纵向分子间C-C、C-O 键接合的能量要小得多。此外，横纹拉力试验时，应力不易均匀分布在整个受拉上，往往先在一侧被拉劈，然后扩展到整个断面而破坏，并非真正横纹抗拉强度。因此，我国木材物理力学试验方法国家标准

　　木材顺纹抗压强度是指木材沿纹理方向承受压力荷载的最大能力，主要用于诱导结构材和建筑材的榫接合类似用途的容许工作应力计算和柱材的选择等，如木结构支柱、矿柱和家具中的腿构件所承受的压力。

　　木材顺纹抗压强度是重要的力学性质指标之一，它比较单纯而稳定，并且容易测定，常用以研究不同条件和处理对木材强度的影响。根据试样长度与直径之比值，木柱有长柱与短柱之分。当长度与最小断面的直径之比小于11或等于11时为短柱，大于11时为长柱，长柱亦称欧拉柱。长柱以材料刚度为主要因素，受压不稳定，其破坏不是单纯的压力所致，而是纵向上会发生弯曲ope体育、产生扭矩，最后导致破坏，它已不属于顺纹抗压的范畴。本节不讨论长柱受压，仅就短柱试样的抗压强度加以叙述。

　　（1）顺纹抗压强度的测定顺纹抗压既可测定其最大抗压强度，又可测定比例极限纤维应力及弹性模量。测定单项或多项材性指标，视用途的

　　需要而定。我国国家标准《木材物理力学试验方法》（GB 1927-1943-91）规定，只测定短柱的最大抗压强度。其试样尺寸为20×20×30mm，长度平行于木材纹理；试验时，以均匀速度加荷，在1.6-2.0分钟内使试样破坏。压头要有球面活动支座，以调整受压面平整、均匀受力。顺纹抗压强度按下式计算。

　　我国木材顺压强度的平均值约为45Mpa；顺压比例极限与强度的比值约为0.7，针叶树材该比值约为0.78，软阔叶树材为0.70，硬阔叶树材为0.66。针叶树材具有较高比例极限的原因是，它的构造较单纯且有规律；硬阔叶树环孔材因构造不均一，使这一比值最低。

　　（2）顺纹抗压强度试样破坏的形状根据试样破坏面的状态，顺纹抗压试样的破坏可分为以下六种形状：压缩、楔形劈裂、剪切、劈裂、压缩与顺纹剪切和压披，如图6-8。

　　④ 劈裂试样纤维沿一垂直面撕裂，过于干燥的木材时常发生此种情况ope体育。如图5—8.4。

　　⑤ 压缩与顺纹剪切斜纹理的木材常见这种破坏面，其结果数据应剔除，不予计算。如图5—8.5。

　　指垂直于木材纹理方向承受压力荷载，在比例极限时的纤维应力。木材横纹抗压只测定比例极限时的压缩应力，难以测定出最大压缩荷载。木材横向与纵向构造上有着显著的差异，其最大压缩荷载不可能在试样破坏时瞬间测得，主要与木材管状细胞的排列结构有关。

　　横纹抗压强度的测定有两种方式:横纹全部拉压和横纹局部抗压强度。荷载作用于试样的全部，称为横纹全部拉压强度；荷载作用于试样的局部，称为横纹局部抗压强度。依荷载作用于年轮的方向，分为弦向抗压和径向抗压。外力相切于年轮的方向为弦向，垂直于年轮的方向为径向。因此横纹横纹抗压强度有径向全部抗压、弦向全部抗压与径向局部抗压、弦向局部抗压四种形式（图6-9）。不同的受力方式，其比例极限应力大小不同。实际应用中，局部抗压较为普遍，如枕木就是常见的一种形式。

　　木材横纹抗压强度只能测定比例极限时的压缩应力，可从下面分析进行理解。木材承受横纹全部抗压时，宏观上其纵向管状排列的细胞（管胞或纤维等）受压逐渐变得紧密而被压实，压力越大，管状细胞被压缩的越密实，最大值出现的位置难以确定；木材管状细胞在被压紧密实化的同时，已产生了永久变形，理论上木材管状细胞已处于破坏状态。横纹局部抗压试验时，压板两侧的纤维承受拉伸和剪切作用；当承压板凹陷入木材，上部的纤维先破坏，而较内部的纤维未受影响；当荷载继续增加时，试样未受压的端部会突出，或呈水平劈裂；试样突出部分增加了直接荷载下的木

　　材强度。在木材径向受压时，由于早材强度低于晚材，其抗压曲线由早材弹性阶段（O—A）、早材破坏阶段（A—B）和晚材弹性阶段（B—C）三段曲线），这样的情况下很难确定出最大值的位置。木材弦向受压时，早晚材同时受力，不会出现上述3段式曲线。可见木材的横纹抗压强度测定不出最大压缩荷载，因此只能测定比例极限时的压缩应力。

　　横纹抗压强度试验时采用一种方式或两种方式，各国不一，我国采用两种方式ope体育。国家木材物理力学试验方法中规定，全部横纹抗压试样尺寸为20×20×3Omm，局部抗压强度的试样尺寸为20×20×80mm，局部抗压是通过尺寸10×30×50mm的钢板施加荷载。

　　试验以均匀速度加荷，在1-2分钟内达到比例极限荷载。横纹抗压因无法准确测定破坏强度，故需从绘制的荷载——变形图上确定比例极限荷载P，分别以下式计算横压比例极限应力。

　　木材横压比例极限应力，局部横压高于全部横压。局部横压应用范围较广，故试验测定以它为主。径向向横压值大小差异与木材构造有极其密切的关系，具有宽木射线和木射线含量较高的树种 (栎木、米槠等)，径向横压比例极限应力高于弦向；其它阔叶树材(窄木射线)，径向与弦向值相近；对于针叶树材，特别是早、晚材区分明显的树种如落叶松等、火炬松、马尾松等硬木松类木材，径向受压时其松软的早材易形成变形，而弦向受压时一开始就有较硬的晚材承载，故其类木材弦向抗压比例极限应力绝大多树种大于径向。

　　木材抗弯强度是指木材承受逐渐施加弯曲荷载的最大能力，可以用曲率半径的大小来度量。它与树种、树龄、部位、含水率和温度等有关。

　　木材抗弯强度亦称静曲强度，或弯曲强度，是重要的木材力学性质之一，主要用于家具中各种柜体的横梁、建筑物的桁架、地板和桥梁等易于弯曲构件的设计。静力荷载下，木材弯曲特性主要决定于顺纹抗拉和顺纹抗压强度之间的差异。因为木材承受静力抗弯荷载时，常常因为压缩而破坏，并因拉伸而产生明显的损伤。对于抗弯强度来说，控制着木材抗弯比例极限的是顺纹抗压比例极限时的应力，而不是顺纹抗拉比例极限时应力。根据国产40种木材的抗弯强度和顺纹抗压强度的分析得知，抗弯比例极限强度与顺纹抗压比例极限强度的比值约为1.72，最大荷载时的抗弯强度与顺纹抗压强度的比值约为2.0。针叶树材的比值低于阔叶树材。密度小的木材，其比值也低。

　　当梁承受中央荷载弯曲时，梁的变形是上凹下凸，上部纤维受压应力而缩短，下部纤维受拉应力而伸长，其间存在着一层纤维既不受压缩短也不受拉伸长，这一层长度不变的纤维层称为中性层。中性层与横截面的交线称为中性轴。受压和受拉区应力的大小与距中性轴的距离成正比，中性层的纤维承受水平方向的顺纹剪力。由于顺纹抗拉强度是顺纹抗压强度的

　　2—3倍，随着梁弯曲变形的增大，中性层逐渐向下位移，直到梁弯曲破坏为止。图5—11示梁弯曲时的应力分布。

　　各树种木材抗弯强度平均值约为90MPa左右。针叶树材径向向抗弯强度间有一定的差异，弦向比径向高出10％~12％；阔叶树材两个方向上的差异一般不明显。

　　抗弯强度的测定方法各国不同，区别在于试样的尺寸、加荷方式和加荷速度的差别。我国国家标准规定：试样断面为20×20mm，长度为300mm，跨度为240mm；中央荷载，弦向加荷；试验以均匀速度加荷，在1-2分钟内使试样破坏。试验时为避免试样在支座和受力点产生压痕，影响试验结果，在支座和受力点上应加钢质垫片。垫片的尺寸为30×20×5mm。抗弯强度试验装置如图6-12。

　　木材抗弯弹性模量是指木材受力弯曲时，在比例极限内应力与应变之比，用于计算梁及桁架等弯曲荷载下的变形以及计算安全荷载。

　　木材的抗弯弹性模量代表木材的刚性或弹性，表示在比例极限以内应力与应变之间的关系，也即表示梁抵抗弯曲或变形的能力。梁在承受荷载时，其变形与弹性模量成反比，弹性模量大，变形小，其木材刚度也大。

　　根据国家标准木材物理力学试验方法的规定，抗弯弹性模量测定与抗弯强度的试验采用同一试样，只作弦向试验。抗弯弹性模量测定时外力为中央二点载荷，这与抗弯强度试验中央一点载荷受力不同。试验时，先测抗弯弹性模量，再测抗弯强度。试验装置如图5—13所示，测定变形的外力荷载范围为300－700N，即下限为300N,上限为700N。对于甚软的木材可取200－400N。上下限载荷时间控制在16-10秒内，重复四次，计算最后三次上下限荷载间的变形平均值。

　　对所有树种正常木材来说，其抗弯强度与抗弯弹性模量间成正比关系，抗弯强度大，抗弯弹性模量大。目前所试验过的国产树种中，针叶材抗弯强度最大树种为长苞铁杉122.7Mpa，最小的为柳杉53.2Mpa；阔叶材抗弯强度最大的树种为海南子京183.1Mpa，最小的为兰考泡桐为

　　28.9Mpa；抗弯强度最大值与最小值之比，针叶材为2.3:1，阔叶材为

　　6.3:1。针叶材抗弯弹性模量最大树种为落叶松14.5Gpa，最小的为云杉

　　6.2Gpa；阔叶材抗弯弹性模量最大的树种为蚬木21.1Gpa，最小的为兰考

　　泡桐为4.2Gpa；抗弯弹性模量最大值与最小值之比，针叶材为2.3:1，阔叶材为6.0:1。木材抗弯强度，我国针叶材大多数树种在60—100Mpa之间，阔叶材大多数树种在60—140Mpa之间。木材抗弯弹性模量，我国针叶材大多数树种在8.0—12Gpa之间，阔叶材大多数树种在8.0—14.0Gpa 之间。

　　我国356个树种木材在含水率为15%情况下，抗弯弹性模量E与抗弯强度σ间关系为线型函数，方程如下：

　　二者高度密切相关。抗弯强度测定要容易得多，利用此式可估测木材的抗弯弹性模量。同时，在非破坏的情况下测得木材的抗弯弹性模量，也可利用此式估测木材的抗弯强度。

　　木材抗剪强度视外力作用于木材纹理的方向，分为顺纹抗剪强度和横纹抗剪强度。在实际应用中发生横纹剪切的现象不仅罕见，而且横纹剪切总是要横向压坏纤维产生拉伸作用而并非单纯的横纹剪切，因此通常不作为材性指标进行测定。木材的横纹抗剪强度为顺纹抗剪强度的3－4倍。

　　顺纹抗剪强度合理试验方法，应该是支座与试样之间的摩擦力最小，试样剪切面上剪切应力应均匀应受剪切应力而破坏，破坏的特点应是木材纤维在平行于纹理方向发生了相互滑行。按我国旧的木材标准试验时，很难避免支座与试样之

　　间的摩擦力；此外，试样纤维的弯曲应力、压缩应力、应力集中及试样的形状等均可影响试验结果，难以求得单纯的剪切应力。因此在国家木材新标准中，对顺纹抗剪试样的形状和装置作了特殊的规定，试样缺角部分的角度应是

　　106°40′(误差为正负20′)，受力方向与剪切面的θ角为16°40′，如图5－14。试验以均匀速度加荷，在1-2分钟内使试样破坏。用下式计算抗剪强度。

　　木材的顺纹抗剪强度视木材受剪面的不同，分为弦面抗剪强度和径面抗剪强度,如图。剪切面平行于年轮的弦面剪切，其破坏常出现于早材部分，在早材和晚材交界处滑行，破坏表面较光滑，但略有起伏，面上带有细丝状木毛。剪切面垂直于年轮的径面，剪切破坏时，其表面较为粗糙，不均匀而无明显木毛。在扩大镜下，早材的一些星散区域上带有细木毛。

　　木材顺剪强度较小，平均只有顺纹抗压强度的10％~30％。纹理较斜的木材，如交错纹理、涡纹、乱纹等,其顺剪强度会明显增加。阔叶树材顺剪强度平均比