木材微观构造对受载断裂的影响方式研究

论文摘要

为了能从微观尺度上揭示木材的断裂过程，为木材安全应用提供设计依据，本文探讨了木材微观构造对受载断裂的影响方式。本实验分别对红松、山杨、核桃楸和黄波罗进行LR、LT微拉伸和弯曲实验，采用对木材进行预置切口的方法，控制试件的规格和加载速度，实现了利用环境扫描电子显微镜(ESEM)对木材断裂过程的实时监测。通过断裂影像和应力应变曲线分析，实现了不同断裂模式下断裂路径的分析与预测，能够根据木材构造特点判断断口形态和裂纹的发展趋势，如直线型，Z字型和弧形等；分析了导管、纺锤形木射线、早晚材边界、木纤维、木射线和轴向管胞等木材构造分子对木材受载断裂的影响方式。在裂纹扩展过程中，胞间层间的破坏比横穿细胞壁容易的多，导管、早晚材边界和纺锤形木射线均对裂纹扩展起到延迟的作用，裂纹有时会改变原先的扩展方向，顺着这些组织的边缘处进行延展，严重时会造成试件横向劈裂；当导管处于拉伸试件的切口附近或弯曲试件受拉端表层部位时，在初始荷载作用下，导管壁就会出现微裂纹；导管壁上的纹孔由于微纤丝的排列方向发生改变，微纤丝绕过纹孔口而排列，所以在木材断裂时，裂纹会沿着纹孔的边缘扩展，纹孔常呈现出完整形态；裂纹扩展到一组木射线时，在这组外缘断裂的机会要比在木射线内部大的多；由于木纤维的强度较高，除了在切口尖端以及强力作用下，很少形成垂直纤维的直线形断裂。在裂纹扩展的惯性作用下，在纤维和导管间容易出现弧形裂纹。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 文献综述
• 1.1 断裂基本概念
• 1.1.1 断裂过程和分类
• 1.1.2 裂纹及类型
• 1.2 断裂基本理论
• 1.2.1 断裂力学
• 1.2.2 断裂物理
• 1.3 木材断裂研究进展
• 1.4 本论文主要研究内容、目的和意义
• 1.4.1 本论文主要研究内容
• 1.4.2 本论文研究的目的和意义
• 2 实验材料、设备和方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验设备
• 2.3 实验方案
• 2.4 实验方法
• 2.4.1 试件制备
• 2.4.2 实验方法和步骤
• 2.5 实验研究路线
• 3 木材拉伸、弯曲受载断裂过程的实时监测
• 3.1 木材拉伸断裂的实时监测
• 3.2 木材弯曲断裂的实时监测
• 3.3 本章小结
• 4 木材微观构造对拉伸断裂的影响方式
• 4.1 拉伸断口形态分析
• 4.1.1 红松木材断口形态分析
• 4.1.2 山杨木材断口形态分析
• 4.1.3 黄波罗木材断口形态分析
• 4.1.4 核桃楸木材断口形态分析
• 4.2 木材微观构造对拉伸断裂裂纹扩展的影响
• 4.2.1 复合胞间层对裂纹扩展的影响
• 4.2.2 导管、早晚材边界和纺锤形木射线对裂纹扩展的影响
• 4.2.3 木射线对裂纹扩展的影响
• 4.2.4 纹孔对裂纹扩展的影响
• 4.3 木材拉伸断裂物理、力学分析
• 4.4 本章小结
• 5 木材微观构造对弯曲断裂的影响方式
• 5.1 木材弯曲断口形态分析
• 5.2 木材弯曲过程中裂纹的扩展行为
• 5.3 木材弯曲断裂物理、力学分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢