全 文 ：第 ww卷 第 x期
u s s {年 x 月
林 业 科 学
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¤¼ou s s {
竹材的层间断裂性质
邵卓平
k安徽农业大学林学院 合肥 uvssvyl
摘 要 } 研究毛竹材的张开型和剪切型层间断裂行为 o并基于能量原理 o采用双悬臂梁和端部切口弯曲梁试样测
定毛竹材顺纹向的 ´型和 µ型层间断裂韧性 Ì≤ !̌≤ ∀结果表明 }tl 竹材的 ´和 µ型层间断裂韧性是材料固有的
属性 o分别表征毛竹材对张开型裂纹和剪切型裂纹在层间扩展时的阻力 ~ul ´型裂纹扩展区域沿轴向具有光滑纤
维与平整基体的特征 o表明竹材基本组织强度及竹纤维Π基本组织体间的界面强度较弱 ~ µ型裂纹扩展区域中基体
出现锯齿形受剪切变形的特征 o表明基本组织在断裂前产生较大的剪切变形 o故后者较前者吸收更多的断裂能
k ̌≤ Υu1x Ì≤ l ∀从整个断口形貌来看 o裂纹扩展是在基体间和纤维Π基体的界面上进行的 o均为自相似断裂且无纤
维桥联现象 ∀
关键词 } 竹材 ~层间断裂韧性 ~ ´型 ~ µ型
中图分类号 }≥z{t1uv 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kuss{lsx p stuu p sy
收稿日期 }ussz p sv p sx ∀
基金项目 }国家自然科学基金资助项目kvsxztwxul ∀
Ιντερλαµιναρ Φραχτυρε Προπερτιεσ οφ Βιοµατεριαλσ Βαµ βοο
≥«¤² «∏²³¬±ª
k Χολλεγε οφ ΦορεστρψoΑνηυι Αγριχυλτυραλ Υνιϖερσιτψ Ηεφει uvssvyl
Αβστραχτ } ׫¨ ²³¬±¬±ª¤±§¶«¨¤µ¬±·¨µ¯¤°¬±¤µ©µ¤¦·∏µ¨ ¥¨«¤√¬²µ¶²©°¨ ¶²¥¤°¥²²«¤√¨ ¥¨ ±¨¶·∏§¬¨§¬±·«¬¶³¤³¨µq…¤¶¨§²±·«¨
±¨¨ µª¼ ¦²±¦¨³·o§²∏¥¯¨¦¤±·¬¯¨ √¨ µ¥¨¤°k…≤⁄l¶¤°³¯¨¤±§ ±¨§±²·¦«¨§©¯ ¬¨∏µ¨ k∞‘ƒl¶¤°³¯¨ º¨ µ¨ ¤³³¯¬¨§·² °¨ ¤¶∏µ¨ ·«¨ °²§¨¯
´ ¤±§ °²§¨¯ µ ¬±·¨µ¯¤°¬±¤µ©µ¤¦·∏µ¨ ·²∏ª«±¨ ¶¶²© °¨ ¶² ¥¤°¥²²q ׫¨ µ¨¶∏¯·¶¶«²º ·«¤·} °²§¨¯ ´ ¤±§ °²§¨¯ µ ©µ¤¦·∏µ¨
·²∏ª«±¨ ¶¶²©¥¤°¥²²³¤µ¤¯¯¨¯·²ªµ¤¬± ¤µ¨ ¥¤¶¬¦³µ²³¨µ·¬¨¶²©¥¤°¥²²oº«¬¦«¬¶·«¨ µ¨¶¬¶·¤±¦¨ ²©·«¨ ²³¬±¬±ª¤±§¶«¨¤µ¬±ª¦µ¤¦®¶
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¶·µ¨±ª·«²©·«¨ ¥¤¶¬¦2·¬¶¶∏¨ ¤±§¬±·¨µ©¤¦¨ ¶·µ¨±ª·«²©©¬¥¨µΠ¥¤¶¬¦·¬¶¶∏¨ ¬¶µ¨ ¤¯·¬√¨ ¼¯ º¨ ¤®q׫¨ ¶³µ¨¤§¤µ¨¤²©·«¨ ¦µ¤¦®²©°²§¨¯ µ
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§¨©²µ°¤·¬²± ¥¨©²µ¨ µ∏³·∏µ¨ q≥²·«¨ ¤¯·¨µ¤¥¶²µ¥¶°²µ¨ ©µ¤¦·∏µ¨ ±¨¨ µª¬¨¶·«¤±·«¨ ©²µ°¨ µq∏§ª¨§¥¼·«¨ º«²¯¨ °²µ³«²¯²ª¬¨¶²©
µ∏³·∏µ¨ ¶∏µ©¤¦¨ o·«¨ ¦µ¤¦®¬±ªº¤¶¦¤µµ¬¨§²± ¤°²±ª¥¤¶¬¦2·¬¶¶∏¨ ¤±§·«µ²∏ª«·«¨ ¬±·¨µ©¤¦¨ ²©©¬¥¨µΠ·¬¶¶∏¨ q…²·«²©·«¨ ° ¤µ¨ ¶¨ ©¯2
¶¦¤¯¬±ª©µ¤¦·∏µ¨ ¤±§º¬·«±²©¬¥¨µ2¥µ¬§ª¬±ªq
Κεψ ωορδσ} ¥¤°¥²²~¬±·¨µ¯¤°¬±¤µ©µ¤¦·∏µ¨ ·²∏ª«±¨ ¶¶~°²§¨¯ ´ ~°²§¨¯ µ
竹子经过数亿年的演化 o形成了特殊的构造 o这种构造与竹子主要受风雪等引起的弯曲载荷相对应 o使
竹材具有很高的抗横向弯折能力和刚度 ∀相比较而言 o竹子的顺纹向抗劈裂和抗剪能力较差 o竹筒在干燥时
常出现沿轴向开裂现象 ∀关于竹材的一般力学性质已有许多报道 o但对竹材的断裂性质较少有人研究 ∀冼
杏娟等kt||tl对竹材横弯断裂行为做了研究报道 o指出竹材的横向断裂韧性与强度匹配较好 o是天然植物能
够做结构材料的重要一种 ∀但由于工业化加工利用竹材的历史较短 o人们对竹材材性的认识仅限于一些常
规性质 o还缺乏像木材那样对竹材的包括断裂在内的许多基础性质及其机制做更广泛 !深入地研究 ∀
竹壁独特的组织是竹材具有优良力学特性的物质基础 ∀竹壁内可以分辨出多种不同形态的细胞 o但从
力学的角度来考虑 o可以把竹壁细胞分成两大类 }一类是薄壁的基本组织细胞k³¤µ¨±¦«¼°¤·²∏¶ªµ²∏±§·¬¶¶∏¨l o
它们传递载荷 o起着复合材料基体的作用 ~另一类是组成维管束的厚壁细胞k¶¦¯ µ¨¤µ¨±¦«°¤·²∏¶·¬¶¶∏¨l竹纤维 o
是决定竹材力学性质的主成分 ∀整个竹秆组织中 o薄壁细胞组织约占 xs h o竹纤维约占 ws h o其余为导管与
原生木质部k申宗圻 ot||vl ∀因此 o竹材在宏观力学行为上可视之为一种典型的长纤维增强的单轴向生物复
合材料 o并在强度和刚度方面展示了强烈的各向异性性质 ∀竹材沿顺纹方向的拉伸强度可达 txs ∗ vss °¤o
但沿横纹方向的拉伸强度和顺纹向的剪切强度却很低 ∀因此 o由外部施加或因环境条件变化而引起的横向
张力与剪切力极易引发起竹材构件沿顺纹方向层裂的起始 o随后分层的传播不是由横纹方向的强度控制 o而
是由竹材的层间断裂韧性控制 ∀并且 o即便是垂直纹理的裂纹 o竹构件在承载作用下 o裂纹也常发生偏转而
改沿顺纹向扩展 o并因此影响其后的力学性质 ∀为此 o本文基于能量原理测试了竹材层间断裂韧性 o并分析
讨论了毛竹材层间裂纹扩展行为和机制 ∀
t 材料
试材为 tu月初采自安徽庐江县的 x年生毛竹k Πηψλλοσταχησπυβεσχενσl o毛竹总高约 tx ° o胸径 tux °°∀在
竹秆 s1y ∗ y °之间截取竹筒去节 o先置于恒温恒湿箱中kuz ε !ys h温湿度条件下l强制气干 us §o再顺纹向
劈制成条坯 o放在实验室内 vs §后备用 o试验时试材含水率约 tt h ∀实验室温度控制在 tx ∗ t{ ε !湿度在
ys h ∗ yx h ∀
u 试验
211 竹材 ´型顺纹理断裂试验
复合材料的纯 ´型临界应变能释放率 Ì≤的试验方法 o常采用双悬臂梁k§²∏¥¯ 2¨¦¤±·¬¯¨ √¨ µ¥¨¤° o⁄≤…l试
样k‹²§ª®¬±¶²±ousssl o通过对称弯曲试验测定裂纹体的柔度计算出来 ∀ ×µ¬¥²∏¯²·等kt|{wl曾用此法标定了含
׏型裂纹的木材断裂韧性 o并同有限元解相比较 o结果吻合很好 ∀邵卓平等kusstl应用 ⁄≤…试件测试了杉
木k Χυννινγηαµιαλανχεολαταl的 Κ׏Œ≤值 o并与用其他试样的测试结果做比较 o证明断裂韧性 Κ׏Œ≤是木材的基本属
性 ∀目前 ⁄≤…法已被美国材料实验协会k„≥א ousstl推荐作为单向纤维增强聚合物基复合材料 ´型层间断
裂韧性的标准试验方法 ∀
对于如图 t所示的 ´型 ׏裂纹体 o其应变能 Υ和应变能释放率 Ì≤分别表示为如下形式 }
Υ € tu Φ∆ €
t
u Φ
u Χo ktl
Ì≤ € 9Υ9Α €
Φu¦µ
uβ
9Χ
9α ∀ kul
式中 }∆为裂纹张开位移 oΧ€ ∆ΠΦ是柔度 ∀上式是试验标定能量释放率的基础 o它不依赖于试验机的柔度 o
而仅依赖于因裂纹扩展而引起的裂纹体柔度的变化率 ∀所以 o在试验中只需测定试样柔度随裂纹长度的变
化率 9ΧΠ9αo然后按式kul计算即得材料的断裂韧性 Ì≤ ∀
竹材双悬臂梁试样见图 t o分别从第 z节k高 t1v °l !第 tw节k高 v1w °l !第 t|节k高 x1t °l截取竹筒 o每
节竹筒制取 x ∗ y个 ⁄≤…试样k„≥א ⁄xxu{推荐试件数 ∴xl ∀试样几何尺寸为 }ε € us oω € uss oη € us °° o
试件宽 β取竹壁自然厚度不等 o加载销孔径 x °°∀用锋利的刀在试件加载端沿中层顺纹向劈制长度在 vs ∗
ws °°之间的自然尖锐的裂纹 ∀
图 t 双悬臂梁试样
ƒ¬ªqt ⁄²∏¥¯ 2¨¦¤±·¬¯¨ √ µ¨¥¨¤° ¶³¨¦¬°¨ ±
图 u 拉伸试验 ˜形钩示意
ƒ¬ªqu ≥®¨·¦«²© ˜2«²²®©²µ·¨¶·¬±ª
试验在微机控制电子力学试验机上进行 o将 ⁄≤…试件用钢销轴与钢制 ˜形钩相连k图 ul o采用位移控制
方式加载 o加载速率为 t ∗ x °°#°¬±pt o由计算机自动绘出载荷 p裂纹张口位移曲线k Φ2∆l ∀气干竹材近似
呈现脆性 o从初始加载到 Φ°¤¬ oΦ2∆保持直线关系 o一旦起裂 o其顺纹理裂纹扩展基本属非稳态扩展 o试件承
vut 第 x期 邵卓平 }竹材的层间断裂性质
载能力迅速下降 o每个最高点均代表裂纹快速扩展的临界点 ∀在每次裂纹快速扩展 !载荷下跌后即停机 !存
盘 o借助光学显微镜在试件两侧标记出裂纹尖端位置 o再卸载 !加载 o重复上述过程 o直至试件完全断裂 ∀取
下断后试件 o测量每次失稳扩展后在试件上标记的裂纹长度 o删去第一个和裂纹长度小于ws °°所对应的 Φι
和 αι 数据 o其余即为有效数据 ∀由于竹青的裂纹扩展阻力小于竹黄 o可见试件两侧裂纹扩展长度不等 o竹青
裂纹前端要比竹黄裂纹前端超前约 x ∗ y °° o故取实际裂纹长度取试件两侧裂纹的平均长度 ∀
图 v 典型的 ⁄≤…试件载荷 p位移曲线
ƒ¬ªqv ×¼³¬¦¤¯ Φ2∆¦∏µ√¨ ²© ⁄≤… ¶³¨¦¬° ±¨
图 w 柔度曲线
ƒ¬ªqw ≤²°³¯¬¤±¦¨ ¦∏µ√¨
图 v是某 ⁄≤…试样件对应裂纹长度分别为 wx !ys !zu !{| !ttw !twt !tzv °°时的载荷 p位移曲线 o图中每
一条 Φ2∆曲线的直线段斜率的大小与裂纹长度成反比 o斜率的倒数即为试件对应不同裂纹长度 αι 的柔度
Χι o利用曲线拟合 o可以得到裂纹体柔度与裂纹长度满足幂律关系 }
Χ € Ραµ ∀ kvl
式中 }µ 是由试验确定的单个试件柔度曲线的拟合系数 o与裂纹长度有关 ∀本次试验测得 µ 在 u1t ∗ v之
间 o回归系数 Ρ均在 s1|{以上 ∀图 w即为该试样的柔度拟合曲线 ∀
´型断裂韧性 Ì≤按式kul计算 o单个试件及 ν个试件断裂韧性的算术平均值 cξ及 hΞ分别为 }
cξ € tκ 6
κ
ι € t
k Ì≤lι o kwl
hΞ € tν 6
κ
ϕ€ t
cξϕ ∀ kxl
式中 }κ是单个试件的测量点数 oν是一组试样的个数 ∀
212 竹材顺纹 µ型(剪切型)断裂试验
单向纤维增强的复合材料层间 µ型裂纹断裂韧性常采用端部切口弯曲梁试样 ∞‘ƒk ±¨§±²·¦«¨§©¯ ¬¨∏µ¨l
来测试 ∀∞‘ƒ试样最初是由 …¤µ·¨ 等kt|zzl提出并用来测试木材断裂韧性的 o后来又被 • ∏¶¨¯¯ 等kt|{xl用来
测定碳纤维增强的单向复合材料的断裂韧性 ∀ ≤¤µ¶¶²±等kt|{yl用有限元对 ∞‘ƒ试件做了应力分析 o证明
∞‘ƒ试验结果为纯 µ型断裂韧性 ∀对于图 x所示的端部切口弯曲试样 o当 Θ € ΦΠu oΜ€ ΘΛo并忽略法向剪
切效应的影响 o根据弹性梁理论 o其应变能 Υ和应变能释放率 ̌≤分别为 }
Υ € Θ
ukΛu n vαvl
w{ Εt Ι €
ΦukΛu n vαvl
ty Εt βηv o kzl
̌≤ € 9Υβ9α €
|Φu¦µαu
ty Εt βu ηv ∀ k{l
式中 }Εt 是主轴方向的弹性模量 ∀
∞‘ƒ试样分别取自第 { !tt !tw !tx !t{和 us节的竹筒 o每节竹筒制作 x ∗ y个 ∞‘ƒ试样 ∀∞‘ƒ试样几何尺
寸分 u组 o一组为 }Λ€ ys °° oδ € uη € tx °° o另一组 }Λ€ zx °° oδ € uη € tz °° o宽 β取竹壁自然厚度不
等 ∀裂纹制作同前 o在试件一端沿中性层用锋利刀刃顺纹向劈制自然的尖锐裂纹 o每个试件裂纹长度不等 o
但考虑到避免支承与加载头产生的应力集中影响 o裂纹长度取 s1ux  αΠΛ s1zx范围内 o且舍弃裂纹面偏离
中性层 ? s1x °°的试件 ∀
竹材的 µ型层间裂纹在竹青处极易扩展k图 yl o但在竹黄处不仅阻力大且在表层呈现出与中性线约 wxβ
wut 林 业 科 学 ww卷
图 x 端部切口弯曲试样及受力示意图
ƒ¬ªqx ∞±§±²·¦«¨§©¯ ¬¨∏µ¨ ¶³¨¦¬° ±¨ ¤±§¶®¨·¦«²© °¨ ¦«¤±¬¦¶¤±¤¯¼¶¬¶
裂纹或裂片k图 zl o这是由于竹黄表层由石细胞构成的质硬但脆且各向同性的髓环在纯剪切状态下沿最大
拉应力方向断裂的结果 o并因此在裂纹扩展时给标注竹黄处的裂尖位置带来困难 o故竹材的 µ型层间断裂试
验宜采用多件法 ∀
图 y µ型裂纹在竹青k¤l !竹黄k¥l表层的迹线
ƒ¬ªqy ≤µ¤¦®·µ¤¦¨ ²© °²§¨¯ µ ²± ¶∏µ©¤¦¨ ¥¨·º¨¨ ± ²∏·
¤¯¼¨ µk¤l ¤±§¬±±¨ µ¯ ¤¼¨ µk¥l
图 z ∞‘ƒ试验的载荷与载荷点挠度曲线
ƒ¬ªqz ׫¨ ²¯¤§√¶ ²¯¤§³²¬±·§¨©¯ ¦¨·¬²± ²© ∞‘ƒ ¶³¨¦¬° ±¨
∞‘ƒ试验设备及环境同上 o加载速率为 u °°#°¬±pt o由计算机自动绘出载荷 p载荷点挠度曲线k Φ2∆l
k图 {l ∀加载初始 oΦ2∆曲线保持直线关系 o启裂后裂纹沿顺纹理缓慢扩展 oΦ2∆曲线呈非线性至最大载荷 o
并伴有竹黄表层脆质髓环/叭 !叭0的断裂声 ∀层间裂纹起始扩展的临界载荷 Φ¦µ取直线段斜率下降 x h时相
应的载荷 ∀
由于竹材在不同高处的弹性模量不等 o还需按照 Š…Π× txz{s p t||x分别测出各节竹材的弯曲弹性模量
≈支座跨距 !高k弦向l !宽分别为 tus °° !ts °° !竹壁厚  o近似作为竹材的轴向弹性模量 ŏ∀将各试件的临
界载荷值和相应的弹性模量值代入式k{l o即可计得 ̌≤ ∀
v 结果与分析
采用 ⁄≤…法测得的竹材 ´型层间断裂韧性 Ì≤值的统计分析例于表 t中 o其平均值为 vx{1s{ #°puk标
准差为 yt1t{ #°pul ∀表 u为不同节高处竹材 ´型层间断裂韧性 Ì≤的方差分析k Φ€ s1t|t w  Φs1sxl o可见
竹材 Œ型层间断裂韧性 Ì≤值与竹秆高度无关 ∀
表 1 不同节高处竹材 ´型层间断裂韧性 ΓΙΧ测试结果的统计描述
Ταβ .1 Στατιστιχαλ αναλψσισ οφ µ οδελ ´ ιντερλαµιναρ φραχτυρε τουγηνεσσ ΓΙΧ οφ βαµ βοο ατ διφφερεντ σεχτιονσ
取样 试件数 测点数 平均值 标准差 离散系数
≥¤°³¯¬±ª ≥¤°³¯¨±∏°¥¨µ  ¤¨¶∏µ¨ ±∏°¥¨µ  ¤¨± √¤¯∏¨Πk#°pul ≥·¤±§¤µ§§¨√¬¤·¬²±Πk#°pul ∂¤µ¬¤±·¦²¨©©¬¦¬¨±·Πh
第 z节 ≥ ¦¨·¬²± zkt1v °l y wt vzt1tz xu1v| tw1ww
第 tw节 ≥ ¦¨·¬²± twkv1w °l y xu vxt1xx yw1us t{1su
第 t|节 ≥ ¦¨·¬²± t|kx1t °l x wt vyz1|y yw1sy{ t{1su
第 z otw ot|节 ≥¨ ¦·¬²± z otw ot| tz tvv vx{1s{ yt1t{ ty1{{
采用 ∞‘ƒ法测得竹材 µ型层间断裂韧性 Ì≤值的统计分析结果列于表 v中 o其平均值为 |ss1ww #°pu
k标准差为 tsu1t| #°pul ∀表 w为测试结果的方差分析k Φ€ s1ytw w  Φs1sxl o可见在本研究所涉及的条件和
范围内 o竹材 µ型层间断裂韧性 Ì≤值基本上与竹秆高度和试件尺寸无关 ∀
xut 第 x期 邵卓平 }竹材的层间断裂性质
表 2 不同节高处竹材 ´型层间断裂韧性 ΓΙΧ测试结果的方差分析
Ταβ .2 ς αριανχε αναλψσισ οφ µ οδελ ´ ιντερλαµιναρ φραχτυρε τουγηνεσσ ΓΙΧ οφ βαµ βοο ιν διφφερεντ ηειγητσ
差异源
≥²∏µ¦¨¶²©√¤µ¬¤·¬²±
离差平方和
≥≥
自由度
§©
均方
≥ Φ Φs1sx
差异显著性
⁄¬©©¨µ¨±¦¨ °¤µ®¨ §±¨ ¶¶
组间 …¨ ·º¨¨ ± t wtw1|u| u zsz1wy s1t|t w v1syx v 无k±¶l
组内 •¬·«¬± w{w t{|1t tvt v y|y1t
合计 ≥∏°°¤µ¼ w{x ysw tvv
图 {给出了
竹材 ´型层间断
裂韧性相对不同
裂纹长度的分布
关系 o可见 Ì≤
值随裂纹长度增
加而略呈下降 o
表 3 不同节高处竹材 µ型层间断裂韧性 ΓΙΙΧ测试结果的统计描述
Ταβ .3 Στατιστιχαλ αναλψσισ οφ µ οδελ µ ιντερλαµιναρφραχτυρε τουγηνεσσ ΓΙΙΧ οφ βαµ βοο ιν διφφερεντ σεχτιονσ
取样
≥¤°³¯¬±ª
试件尺寸
≥¤°³¯¨¶¬½¨Π°°
计数
‘∏°¥¨µ
平均值
 ¤¨± √¤¯∏¨Πk#°p ul
标准差
≥·¤±§¤µ§§¨√¬¤·¬²±Πk#°pul
离散系数
∂¤µ¬¤±·¦²¨©©¬¦¬¨±·Πh
第 {节 ≥ ¦¨·¬²± {kt1x °l Λ€ ys oη € z1x y {yu1xw zv1u| {1xs
第 tx节 ≥ ¦¨·¬²± txkv1z °l Λ€ ys oη € z1x y |vu1uy txx1w| ty1y{
第 us节 ≥ ¦¨·¬²± uskx1v °l Λ€ ys oη € z1x y |x{1uu tv{1zs tw1w{
第 {节 ≥ ¦¨·¬²± {kt1x °l Λ€ zx oη € | z {{|1sz xv1u{ y1s
第 tt节 ≥ ¦¨·¬²± ttku1w °l Λ€ zx oη € | y {zu1u{ ux1v| u1|t
第 tw节 ≥ ¦¨·¬²± twkv1w °l Λ€ zx oη € | y {zu1s{ tzu1w{ t|1z{
第 t{节 ≥ ¦¨·¬²± t{lkw1z °l Λ€ zx oη € | y |sy1us zy1yw {1wy
第 { ott otw otx ot{ ous节
≥ ¦¨·¬²± { ott otw otx ot{ ous wv |ss1ww tsu1t| tt1vx
表 4 不同节高处竹材 ´型层间断裂韧性 ΓΙΧ测试结果的方差分析
Ταβ .4 ς αριανχε αναλψσισ οφ µοδελ´ιντερλαµιναρ φραχτυρετουγηνεσσ ΓΙΧ οφ βαµβοο ιν διφφερεντ σεχτιονσ
差异源
≥²∏µ¦¨¶²©√¤µ¬¤·¬²±
离差平方和
≥≥
自由度
§©
均方
≥ Φ Φs1sx
差异显著性
⁄¬©©¨µ¨±¦¨ °¤µ®¨ §±¨ ¶¶
组间 …¨ ·º¨¨ ± wx u|t1yyz y z xw{1yt s1ytw w u1vyw 无k±¶l
组内 •¬·«¬± wwu u|t1zzz vy tu u{x1{{
合计 ≥∏°°¤µ¼ w{z x{v1www wu
与 于 志 成 等
kt||yl对聚合物
基复合材料的试
验结果类似 o其
因主要是由于裂
纹增长与载荷位
移响应不完全线
性所致 ∀为此 o针对于韧性太高或弯曲刚度较低的材料 o„≥א 标准推荐试件厚度应满足如下准则 o以保证
载荷位移响应是线性的 }
η ∴ {1u{ v Ì≤ αuΠΕt ∀ k|l
参照 „≥א ⁄xxu{标准做校验 o本次试验条件满足上述要求 ∀实际上 o本次试验结果的统计分析k表 tl
和方差分析k表 ul均已能够表明在本试验条件和尺寸下 ´型层间断裂韧性 Ì≤是竹材的固有属性 o表征了该
毛竹材抵抗 ´型层间裂纹扩展的阻力 ∀
图 |为竹材 µ型层间断裂韧性 ̌≤与试件裂纹长度的分布关系 o除了大长度裂纹体易受加载压头产生
的应力集中影响而使试验结果有所分散外 o其余均差异不大 o表明在 s1ux  αΠΛ s1zx的范围内 oµ型断裂
韧性与裂纹长度无关 o其值表征了该毛竹材低抗 µ型裂纹顺纹理扩展的阻力 o是材料本身固有的属性 ∀
图 { 断裂韧性 Ì≤与 α的关系
ƒ¬ªq{ • ¨¯¤·¬²±¶«¬³¥¨·º¨¨ ± Ì≤ ¤±§ α
图 | 断裂韧性 ̌≤与 αΠΛ的关系
ƒ¬ªq| • ¨¯¤·¬²±¶«¬³¥¨·º¨¨ ± ̌≤ ¤±§ αΠΛ
yut 林 业 科 学 ww卷
w 竹材层间断裂机制
将试样断口置于显微镜下观察 o可以发现在不同类型断裂下竹材试件断裂面具有不同的微观特征 ∀图
ts¤是 ´型断裂面的显微照片 o可见在 ´型裂纹扩展区域沿轴向具有光滑纤维与平整基体的特征 o虽基体有
撕裂的痕迹 o但难以辨识出基材k基本组织l的变形 o表明基体强度和竹纤维r基体之间的界面强度较弱 ∀竹
基本组织属薄壁多孔物质 o抗拉强度较低 o当 ´型裂纹顺纹扩展时 o裂纹尖端在基体内和界面上产生高应力
集中 o使裂纹在基体内和界面上快速扩展 o基材变形得不到充分发展 o因而断面比较平整 ∀
图 ts 断口形貌
ƒ¬ªqts ׫¨ °²µ³«²¯²ª¬¨¶²©¦µ¤¦®¶
¤1 ´型断面 ≤µ¤¦®¶∏µ©¤¦¨ ²© °²§¨¯ ´ ~
¥1 µ型断面 ≤µ¤¦®¶∏µ©¤¦¨ ²© °²§¨¯ µ q
图 ts¥是 µ型裂纹面的显微照片 o在 µ型裂纹扩展区
域中基材显示出锯齿形受剪切变形的特征 ∀多孔状的竹基
本组织在剪应力作用下可以产生较大的剪切变形 o并因此
吸收较多的断裂能量 o使得 µ型断裂韧性值高出 ´型 t倍
多 ∀通常在静载试验条件下 oµ型裂纹扩展速率不大 o在裂
纹扩展过程中基本组织的塑性变形得到充分发展 o因而断
面呈锯齿状 o并且锯齿尺寸大的发生在基本组织含量多的
内侧 ∀
总之 o无论是 ´型还是 µ型裂纹面上的纤维与基体界
面光滑 o在沿轴向分层断裂过程中均无纤维桥联现象 o表明
竹材中竹纤维与基本组织之间的界面强度较弱 ∀对于主要
承受风或雪等引起弯曲载荷的竹子而言 o界面弱化有助于
提高其抗横向断裂的韧性k邵卓平等 oussvl o而每隔数十厘米有一竹节所组成纵横关联的整体 o又加强了中
空竹秆的刚度和顺纹抗力 o保证了竹子在横力作用下不易发生劈裂破坏 ∀竹子经过数亿年的演化 o所形成特
殊构造是由功能适应性所决定的 ∀
x 结论
竹材是典型的单轴向长纤维增强的生物复合材料 o其顺纹理开裂属自相似扩展 ∀在本次实验中采用
⁄≤…方法和 ∞‘ƒ方法测试的毛竹材的 ´型和 µ型层间断裂韧性分别为 vx{1s{和 |ss1wx #°pu o分析表明
Ì≤ !̌≤基本上与试样尺寸及裂纹长度无关 o是材料固有的属性 ∀
断口显微观察表明 ´型裂纹扩展区域沿轴向具有光滑纤维与平整基体的特征 o在裂纹扩展过程中消耗
较少的能量 ~ µ型裂纹扩展区域中基材出现锯齿形受剪切变形的特征 o在裂纹扩展过程中吸收较多的能量 ∀
无论是 ´型还是 µ型裂纹面上的纤维与基体界面光滑 o沿轴向分层断裂过程中均无纤维桥联现象 ∀从整个
断口形貌来看 o裂纹扩展是在基体间和纤维Π基体的界面上进行的 ∀
参 考 文 献
申宗圻 qt||v q木材学 q北京 }中国林业出版社 ou{u p u|v q
邵卓平 o任海青 o江泽慧 qusst q柔度法标定木材断裂韧性的研究 q林业科学 ovzkul }ttu p tty q
邵卓平 o任海青 o江泽慧 qussv q木材横纹理断裂及强度准则 q林业科学 ov|ktl }tt| p tux q
冼杏娟 o冼定国 qt||t q竹材的断裂特性 q材料科学进展 oxkwl }vvy p vwt q
于志成 o矫桂琼 qt||y q复合材料在 ⁄≤…试验中的裂纹尺寸效应 q航空材料学报 otykwl }wy p xv q
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k责任编辑 石红青l
zut 第 x期 邵卓平 }竹材的层间断裂性质