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连续压缩载荷下木材力学性能及微观结构变化定量表征

作　者: 边明明
导　师: 殷亚方
学　校: 中国林业科学研究院
专　业: 木材科学与技术
关键词: 原位检测微观结构力学性能加载速度温度含水率
分类号: S781
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

木材与木质材料的力学性能在很大程度上取决于其内部结构特征。为了更好的了解和掌握木材力学性能与其微观结构的关系,本论文采用自主研发的原位检测平台,研究了不同条件下木材受连续压缩时力学性能及其微观结构的实时变化情况,并着重分析了两者之间的相互关系。本论文首先归纳了原位检测方法在木材组织力学水平上的应用,分析了现有原位检测技术存在的问题及可实现的解决方法;随后重点介绍了自主研发的原位检测平台的构架及实施方式、图像采集系统等重要部位的工作原理;并借助具体试验,综合分析了该平台可实现的技术特点;然后通过该原位检测平台,以人工林杉木(Cunninghamia lanceolata)小试样[5mm(L)×X mm(R)×5mm(T)]为研究对象,系统研究了不同生长轮早材在连续横纹径向压缩时的力学行为及其微观结构变化;并进一步研究了不同加载速度、温度和含水率条件下,早材在连续加载时的力学性能及其与内部微观结构变化的关系。本论文的主要研究结论如下:(1)自主研发的原位检测平台包括两个系统,一是加载系统,二是图像采集系统,两个系统通过时间参数并行统一。图像采集系统能在连续加载的过程中自动聚焦并实时拍摄木材变形的照片,并借助于测量与计算软件对照片进行定量分析,从而实现木材的力学性能及其微观结构变化的动态检测。(2)杉木各生长轮间早材横纹径向抗压屈服强度(σc)和横纹径向抗压弹性模量(Ec)从心材到边材呈逐渐减小趋势。不同部位(心材、边心材交界和边材)间σc与Ec存在显著的差异性。对三个部位(心材、边心材交界和边材)连续受压产生首次屈服永久变形(塑性变形)的微观结构位置进行定量研究结果表明:第7生长轮与第11生长轮出现首次屈服变形的位置一致,均在距被加载表面第15-20层早材细胞处(平均距离分别为643μm和689μm);而第17生长轮在距被加载表面第5-10层早材细胞处(平均距离为153μm)产生首次屈服变形。不同生长轮间早材微观结构的不同影响其横纹抗压力学性能在径向方向上的变化。(3)在不同加载速度(1mm/min,10mm/min和50mm/min)条件下,早材产生首次屈服变形的位置与被加载表面之间平均距离分别为689μm,166μm和23μm。不同加载速度下早材小试样的σc与Ec均差异显著,与试样产生首次屈服变形的位置有关。低速加载下(1mm/min),木材内部最脆弱部位首先产生屈服变形,得到的σc与Ec相对较小,平均值分别为3.16MPa和45.79MPa;较高加载速度下(10mm/min和50mm/min),木材内部非最脆弱部位首先产生屈服变形,得到的σc与Ec相对较大,平均值分别为3.71MPa和56.04MPa,4.51MPa和75.53MPa。(4)在不同温度(-20OC、20OC、60oC、80OC和120OC)条件下,早材σc与Ec的变化趋势一致。在负温度下(-20OC)得到σc与Ec均比正温度下的σc与Ec大。一般来说,随着温度的升高,σc与Ec逐渐减小。同时,不同温度下σc与Ec差异比较显著。较低温度(≤60oC)下与较高温度(≥80 oC)下,早材的破坏方式不同。温度≤60oC时,趋于刚性屈服;温度≥80OC时,趋于柔性屈服;不同温度(-20OC、20OC和60OC)下,出现首次屈服变形的位置相同,均为距被加载表面第17-20层早材细胞处(距被加载表面的平均距离分别为667μm、689μm和643μm),表明在较低温度(≤60OC)范围内,温度的变化并未改变木材内部最脆弱部位的位置,但最脆弱部位木材的力学性能发生变化。(5)在不同含水率(绝干、气干与饱水状态)条件下,早材σc与Ec差异均显著。σc与Ec随着含水率增加呈逐渐减小的趋势。由绝干到气干状态,早材产生首次屈服变形的位置未发生变化,均在距被加载表面第17-20层早材细胞处(距被加载表面的平均距离分别为664μm和689μm);在饱水状态下,加载过程中压出的水分影响微观结构的拍摄和检测。在不同含水率条件下,木材产生首次屈服变形时的破坏方式不同。在绝干和气干条件下,趋于刚性屈服;而在饱水条件下,趋于柔性屈服。在绝干与气干条件下,含水率变化并未改变木材内部最脆弱部位的位置,但最脆弱部位木材的力学性能发生变化。综上所述,本研究通过自主研发的原位检测平台,实现了连续加载条件下木材微观结构变化的实时检测,并较好解释了不同条件下木材横纹径向压缩力学性能变化的解剖学原因,为连续加载条件下木材力学行为的有效检测和预测提供了技术基础和理论依据。

连续压缩载荷下木材力学性能及微观结构变化定量表征

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