全 文 ：Vol. 32 No. 6
Jun. 2012
第 32卷 第 6期
2012年 6月
中 南 林 业 科 技 大 学 学 报
Journal of Central South University of Forestry & Technology
收稿日期：2012-01-17
基金项目：广西林业重大招标项目“主要速生人工林树种材性改良与深加工利用”（桂林科字［2009］第 7号）
作者简介：刁海林（1958—），男，河南郸城人，副教授，主要从事木材性能及加工利用研究；E-mail：diaohailin@sina.com
马占相思木材蠕变特性的研究
刁海林，罗建举
（广西大学 林学院，广西 南宁 530004）
摘 要：采用 4点加载方式对马占相思木材试件进行短时间 (420 min)弯曲蠕变实验，获取马占相思木材弯曲蠕
变特性曲线，根据弯曲蠕变特性曲线确定马占相思木材的粘弹性元件常数。同时研究马占相思木材在强度极限内，
应力水平与木材蠕变的关系。实验结果表明：当弯曲应力为 σb20%时，J0(瞬间弹性柔量 )为 6.954×10-7 cm2/N、
η0(粘性系数 )为 1 111.111×10-7 min N/cm2、ΣJi(延迟弹性柔量 )为 0.572×10-7 cm2/N；当弯曲应力为 σb30%时，
J0为 7.939×10-7 cm2/N、η0为 267.857×10-7 min N/cm2、ΣJi为 1.441×10-7 cm2/N；当弯曲应力为 σb40%时，J0
为 6.540×10-7 cm2/N、η0为 326.087×10-7 min N/cm2、ΣJi为 2.108×10-7 cm2/N。随着弯曲应力的增加，瞬间弹
性柔量 J0有波动，但幅度不大；延迟弹性柔量ΣJi则随着应力的增加而增加。在较高应力水平下，粘性系数 η0
具有较小值，而延迟弹性柔量ΣJi则具有较大值，说明马占相思木材抗蠕变能力较差，宜在低应力下工作。
关键词：马占相思；木材；蠕变特性；电测法
中图分类号：S784 文献标志码：A 文章编号：1673-923X(2012)06-0146-06
A study of creep properties of Acacia mangium Willd
DIAO Hai-lin, LUO Jian-ju
(Forestry College of Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, China)
Abstract: By means of the 4 point loading method, the flexural creep tests on Acacia mangium wood samples for a short time
(420 minutes) were carried out. The wood’s bending creep characteristic curves were obtained, and according to the bending creep
characteristic curves, the wood’s viscoelastic element constants were determined. At the same time, the relationship between stress level
and wood creep was studied accounted for strength limit. The experimental results show that when the bending stress σb was 20%, the
elastic compliance J0 was 6.954×10
-7 cm2/N, the viscosity η0 was 1 111.111×10
-7 minN/cm2, and the delayed elastic compliance ΣJi was
0.572×10-7 cm2/N; when the bending stress σb was 30%, J0 was 7.939×10
-7 cm2, η0 was 267.857×10
-7 minN/cm2, andΣJi was 1.441×10-7
cm2/N; when the bending stressσb was 40%, J0 was 6.540×10
-7 cm2/N, η0 was 326.087×10
-7 minN/cm2, andΣJi was 2.108×10-7 cm2/N.
With the increase of bending stress, elastic compliance J0 fl uctuated, but little changed; the delayed elastic compliance andΣJi would
increase with increase of stress. At higher stress levels, viscosity coeffi cient η0 had a relatively small value, while the delayed elastic
compliance ΣJi had a larger value, this showed that the wood’s creep resistant ability was poorer, the wood be only suitable for working
under low stress condition.
Key words: Acacia mangium Willd; wood; creep property; electric measuring method
马占相思 Acacia mangium Willd属含羞草科，
为大乔木。原产澳大利亚昆士兰沿海，以及巴布
亚新几内亚和印度尼西亚的热带湿润地区，是豆
目的一种多用途树种。20世纪 60年代以来，许多
国家和地区先后引种成功。我国于 1979年从澳大
利亚引入，先后在广东、广西、海南、福建、云
南等省区栽培，目前种植面积已超过 8万 hm2以
上，而且呈持续扩大趋势。马占相思木材是质量
优良的短纤维材，除了冲击韧性较低外，其主要
力学性质指标均属于中等水平 [1]，是造纸、胶合板、
木地板、木制工艺品、木制家具等极好的轻质硬
木原料。然而 ,木材作为一种各向异性非匀质的天
然材料，要对其进行合理、有效的利用，除了了
解其一般力学性质及一般用途外 ,尚有一些特殊性
质需要我们去了解，譬如木材的蠕变性质（材料
在恒应力作用下，变形随时间持续增加的现象）。
蠕变现象的存在，不仅会破坏结构构件的正常使
用，而且也给力学耐久性方面带来影响。特别是
车厢、轮船、飞机以及高档家具中所用木材，对
于蠕变反映极为敏感。木材的蠕变特性是衡量其
DOI:10.14067/j.cnki.1673-923x.2012.06.008
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它由一个马克斯韦尔体和 n个开尔文体串联
而成。广义伏格特模型又可由蠕变函数 (1)式来模
拟 [3]，即



n
i
zt
i
iJtJtJ
1
/
0
0 )e1()(  。 （1）
由木材的一般蠕变规律知，木材蠕变过程分
为三个阶段：即初级蠕变阶段、稳定蠕变阶段及
最后蠕变断裂阶段 [7-8]。其中第二蠕变阶段（稳定
蠕变阶段）所持续的时间最长，为主要蠕变阶段，
最能说明木材的蠕变特性。从木材的蠕变及蠕变恢
复曲线可见，该阶段一般呈一倾斜的直线，它与表
示木材粘性蠕变特性的 AE直线几乎平行。因此，
我们可以通过作稳定蠕变阶段的平行线获得AE线，
而无需通过卸载测取蠕变恢复曲线来获取 AE线，
使实验得以简化 [9]。又大本实验是根据短时间（420
min）内弯曲蠕变实验理论 [10]来研究木材蠕变特性
的，于是我们可以用第二蠕变阶段的有关特性来
说明木材的主要蠕变特性。根据文献 [9]，此阶段
的蠕变柔量可用下式表示，即
J(t) =J0+Jη(t)+ΣJi。 （2）
式（2）中：J0称为瞬间弹性柔量；Jη(t) =t/η0称为
粘性柔量；η0称为粘性系数；ΣJi称为延迟弹性柔
能否适用于高端工程用途的重要指标，因此，我
们进行对马占相思木材蠕变性质的研究，无论从
理论方面还是从实际应用方面都是十分必要的。
1 材料与方法
1.1 样木与试件
（1）样木采集
马占相思样木采自广西壮族自治区国有高峰
林场界牌分场 9.5年生的马占相思试验林。在试验
林地内，根据林分的平均树高和平均胸径，林木
的长势以及树冠幅的生长情况，选取 5株具有代
表性的马占相思作为实验样木。样木的平均树高
为 19.5 m，平均胸径为 25.3 cm。将样木伐倒并按
照国标 GB/T 1927—2009《木材物理力学试材采集
方法》[2]的有关规定截取实验木段并锯制径切板
毛试样，使毛样自然气干备用。
（2）试件制作
实验试件从径切板毛样上切取而得，将其制
成尺寸为宽（b）×厚（h）×长（L）=10 mm×4
mm×140 mm（精度为±0.1 mm）的矩形截面小
试件，同时根据应力水平制作︻形分力器（见图1）。
图 1 试件与分力器示意
Fig.1 Specimen and dividing force device
1.2 实验仪器
YJ-22型数字静态应变测量仪及 YZ-22型转换
箱（华东电子仪器厂）；BX120-10AA型箔式纸
基应变片，灵敏系数 2.08，名义阻值为 120.3 Ω，
丝栅面积为10 mm×2 mm（浙江黄岩测试仪器厂）；
其他实验材料：砝码、电烙铁、焊锡、502胶水、
砂纸等。
1.3 实验原理与方法
（1）实验原理
木材的蠕变特性曲线是一粘弹性曲线 [3]，如
图 2所示。根据流变学理论，该曲线特性可用粘
弹性力学模型（广义伏格特模型）模拟 [3-5]，如图
3所示。
图 2 木材蠕变特性曲线
Fig.2 Creeping curves of wood
图 3 粘弹性模型（广义伏格特模型）
Fig.3 Viscoelastic model (a generalized Voigt.W. model)
刁海林，等：马占相思木材蠕变特性的研究148 第 6期
量。当实验环境及条件相同时，J0、η0、ΣJi为只
与树种有关的常数，故称之为广义伏格特模型元
件常数（也称蠕变特性常数）。因此，我们只需
通过蠕变实验求取木材的广义伏格特模型元件常
数 J0、η0、ΣJi即可掌握相应树种的蠕变特性。
（2）实验方法
木材蠕变实验目前尚无统一标准，实验原理
各不相同，之前的蠕变特性实验多借助于挠度测
量法。本实验则基于笔者在文献 [9]中提出的电测
法，即通过电测实验测取试件的弯曲应变 ε(t)，再
直接由流变学中关于蠕变柔量的定义式 (3)计算蠕
变柔量 J(t)，进而绘制蠕变特性曲线，然后根据蠕
变特性曲线确定蠕变特性曲线方程 (2)中的蠕变特
性常数 J0、η0和ΣJi，即可以该三常数来说明木材
的蠕变特性。式 (3)中 σ0为加于试件的恒弯曲应力。
0
)()( 
 ttJ  。 （3）
具体实验方法如下：
1）实验环境及装置 实验在广西大学林学
院木材力学实验室进行，室内干球温度 23.5～
30.5℃，湿球温度 21.5～ 27.5℃，相对湿度 63～
86%。蠕变试验装置是根据本实验研究的要求自行
设计的，将实验试件两端简支，采用 4点弯曲加载，
蠕变实验装置示意图如图 4所示。两支承点用玻
璃片加垫，以减少支承处的摩擦。为获得恒定弯
曲荷载，本实验采用砝码加载。
力分别为：36.80 MPa、55.13 MPa和 73.50 MPa。
为获得以上各相应恒应力值，须对砝码及分力器
跨度 a进行正确配置，各相关数据如表 1所示。
表1 载荷及相关数据
Table 1 Loads and relevant data
树种 恒应力占强度极限比例 /%
载荷 (砝码 )
P/N
恒应力 σ0
/MPa
分力器跨度
a/mm
马占
相思
20% 45 36.80 31
30% 60 55.13 20
40% 80 73.50 20
3）试件处理 用精度为 0.2 mm的游标卡尺测
量试件，将不符合尺寸要求的试件剔除。用 360
号砂纸将试件表面贴片处及周围打磨光滑，以防
木材管孔吸收胶液而导致贴片时出现局部缺胶，
影响测量效果。然后用铅笔将试件的跨度线 (两端
支承线 )、中位线、加力线、应变片定位线等精确
绘出。
4）应变片检测 用万用电表检测应变片有无
短路、断路情况，然后根据各应变片的电阻值进
行分组，原则上同一组应变片阻值相差不能超过
±0.5 Ω，否则应变仪将不易调节初平衡，影响测
量结果。
5）应变片的粘贴 在试件的贴片位置上和应
变片的基底上，各涂抹一层薄薄的粘结剂（502胶），
待胶水半干后将应变片粘贴到画线位置上。在应
变片上铺一透明塑料薄膜，用手指滚压挤出多余
的胶水。然后用拇指按压 2～ 4 min后取下薄膜。
最后在试件支点处贴上玻璃片，如图 5所示。
6）贴片质量检查 首先观察粘结层有否气泡
和缺胶，应变片位置是否正确，特别是方位角度
要准确。然后用万能电表检查应变片的电阻值，
粘贴前后的阻值不应有较大的变化。最后用兆欧
表检测应变片与试件表面间的绝缘度。绝缘电阻
应达 500 MΩ以上 [11]。一切检查合格后，在室温
下自然干燥固化 4～ 6 h再进行实验。
图 4 蠕变实验装置
Fig.4 The experimental device of creep
2）载荷设置 为了掌握马占相思在不同应力
水平下的蠕变特性，将小试件分为 3组进行实验，
每组取 5枚小试件，各组分别设置不同大小的恒
应力值 σ0。恒应力比例分别按抗弯强度极限 σb的
20%、30%和 40%级别进行设置。已知马占相思
的抗弯强度极限为 σb=184 MPa，于是各组的恒应
图 5 应变片及玻璃片黏贴
Fig.5 Adhesion of strain gauges and glass
7）电测实验 本实验的电桥电路采用半桥接法
单臂测量 [11]。实验前先用电阻测湿仪测量试件含
水率并记录。将应变仪导线固定在支架上（防止
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接线头晃动），再将试件按标号顺序安装到实验
支架上，然后将导线与应变片引出线焊接。焊好
接头后将砝码挂钩挂到分力器中线上，调整试件
使跨度线与“V”型支座顶角线对齐。检查应变片
引出线是否相交，有无与试件、导线、挂钩绳子
等有否接触。检查无误后，启动应变仪进行预热
（10 min），然后按下应变仪“调零”按扭进行调
零。在 0～ 420 min内，按 5 s、2 min、5 min、10
min、30 min、60 min为时间间隔，依次测出各试
件相应时间瞬时的应变值 ε(t)并记录。
2 结果与分析
2.1 实验结果
(1)马占相思蠕变特性曲线
将同一组试件在同一瞬时的应变值进行算术平
均，得出各瞬时的平均线应变 ε(t)。再根据蠕变柔量
的定义式 (1)算出各瞬时的蠕变柔量 J(t)。然后根据
所得数据，以时间 t为横坐标，蠕变柔量 J(t)为纵坐
标，绘制 J(t)—t曲线（蠕变特性曲线）。不同载荷
下的马占相思木材蠕变特性曲线如图 6、7、8所示。
图 6 马占相思木材蠕变特性曲线（载荷为 45 N）
Fig.6 Creep curves of wood of Acacia mangium (loaded with 45 N)
图 7 马占相思木材蠕变特性曲线（载荷为 60 N）
Fig.7 Creep curves of wood of Acacia mangium (loaded with 60 N)
刁海林，等：马占相思木材蠕变特性的研究150 第 6期
（2）马占相思蠕变特性常数
根据实验所得蠕变特性曲线（图 6、7、8）确
定马占相思木材在不同载荷下的蠕变特性常数 [9]
J0、η0及ΣJi。
1）当载荷 P=45 N时，由图 6得
J0=6.954×10-7 cm2/N；
η0=t/Jη(t)=60/0.054×10-7
=1 111.111×10-7 min•N/cm2；
ΣJi= 0.572×10-7 cm2/N。
2）当载荷 P=60N时，由图 7得
J0=7.939×10-7 cm2/N；
η0=t/Jη(t)=60/0.224×10-7
=267.857×10-7 min•N/cm2；
ΣJi=1.441×10-7 cm2/N。
3）当载荷 P=80N时，由图 8得
J0= 6.540×10-7 cm2/N；
η0=t/Jη(t)=60/0.184×10-7
=326.087×10-7 min•N/cm2；
ΣJi=2.108×10-7 cm2/N。
将以上结果列表如表 2所示。
表2 马占相思木材蠕变特性常数表
Table 2 Creep constants of wood of Acacia mangium Willd
树种 载荷P/N
J0
/(×10-7cm2·N-1)
η0
/(×10-7min·N·cm-2)
ΣJi
/(×10-7 cm2·N-1)
马占
相思
45 6.954 1 111.111 0.572
60 7.939 267.857 1.441
80 6.540 326.087 2.108
2.2 结果分析
(1)关于蠕变特性常数
木材的三个蠕变特性常数中，瞬间弹性柔量
J0表示材料在加载瞬间每单位应力所带来的变形
量，J0值越小，说明材料抵抗瞬间弹性变形的能
力越强，反之，则说明材料抵抗瞬间变形的能力
越差。粘性系数 η0是蠕变特性曲线中 AE线斜率
的倒数，说明材料抵抗长期粘性蠕变的能力，η0
值越大则材料抗长期粘性蠕变能力越强。延迟弹
性柔量ΣJi则是一种继 J0之后的延迟弹性柔量，
ΣJi越小则材料抗蠕变能力越强。
(2)马占相思的蠕变特性
由实验得出的数据可看出，马占相思的瞬间
弹性柔量 J0随着载荷 P（应力水平）的增大而有
所波动但不明显，当载荷为 60 N（σ0=σb30%）
时 J0最大，说明在此应力水平下，马占相思抵抗
瞬间弹性变形的能力最弱。粘性系数 η0亦随载荷
的增加而有所波动，且幅度较大，当载荷为 45 N
（σ0=σb20%）时 η0最大，说明在此应力水平下，
马占相思抵抗长期粘性蠕变的能力最强。延迟弹
性柔量ΣJi随载荷（应力水平）的增加呈近乎 2
的倍率增加，说明随应力水平的增加，马占相思抗
延迟弹性蠕变能力以 2的倍率下降，说明马占相思
延迟弹性柔量增加的速度快于应力增加的速度。
3 结 论
随着弯曲应力的增加，瞬间弹性柔量 J0有轻
微波动；延迟弹性柔量ΣJi则明显地随着应力的
增加而增加。在较高应力水平下，粘性系数 η0具
有较小值，而延迟弹性柔量ΣJi则具有较大值，
说明马占相思木材抗蠕变能力较差，应慎用于永
久性承重结构及高档家具中的承重构件，比如书
柜、衣柜、长沙发等的横档，宜在低应力下工作。
图 8 马占相思木材蠕变特性曲线（载荷为 80 N）
Fig.8 Creep curves of wood of Acacia mangium Willd (loaded with 80 N)
151第 32卷 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报
4 讨 论
（1）由蠕变实验知，木材在蠕变过程中，瞬
间弹性柔量 J0为一瞬时定常数，不随时间而变。
而延迟弹性柔量ΣJi则在开尔文体达到平衡后亦
成为定值。此后只有粘性柔量 Jη(t)随时间变化，
变化的快慢由蠕变曲线中 AE线的 α角或粘性系数
η0来反映，α角越大或 η0越小，Jη(t)变化越快。
因此，木材的 3个蠕变特性常数中，J0、ΣJi为蠕
变过程的恒量，与时间无关。Jη(t)则是恒变因素，
与持续时间及 η0有关。随着恒应力持续时间的增
加，η0对蠕变柔量 J(t)的影响最大，是衡量木材
抗蠕变性能的主要因素。
（2）木质材料蠕变的特点，是随应力水平的
不同而呈现不同的响应。本实验所加的载荷为马
占相思强度极限的 20%、30%、40%，其中 40%
档已超过其弹性极限值，因而木材的蠕变曲线在
保持一段时间线性关系后，材料的蠕变响应不再
保持线性关系，如图 8所示。
（3）树种和载荷不同，J0、η0、ΣJi也不同。
因此，我们得以在共同设定的应力水平下，通过
测定各树种的 J0、η0、ΣJi值，以此评价或比较各
树种的蠕变特性和抵抗蠕变的能力。
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