全 文 ：第 ww卷 第 v期
u s s {年 v 月
林 业 科 学
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鱼鳞云杉微切片拉伸破坏的细观试验与应变场分析 3
巩翠芝t 刘一星t 王 强u 刘 维t
kt1 东北林业大学 哈尔滨 txssws ~ u1黑龙江大学 哈尔滨 txss{sl
关键词 } 环境扫描电子显微镜 ~位移场 ~应变场 ~数字散斑方法
中图分类号 }≥z{t1u| 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kuss{lsv p styy p sw
收稿日期 }ussz p sw p s| ∀
基金项目 }博士点基金项目资助kusszsuuxsstl ∀
3 刘一星为通讯作者 ∀
Μεσο2Σχαλε ΕξπεριµενταλΙνϖεστιγατιον ανδ Στραιν Φιελδσ Αναλψσισ οφ Τενσιλε
Τεστσ ον Μιχροτοµεδ Σλιχεσ οφ Πιχεαϕεζοενσισϖαρ q µιχροσπερµα Σαµ πλε
Š²±ª≤∏¬½«¬t ¬∏≠¬¬¬±ªt • ¤±ª±¬¤±ªu ¬∏ • ¬¨t
kt1 Νορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txssws ~ u1 Ηειλονγϕιανγ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txss{sl
Αβστραχτ} × ±¨¶¬¯¨ ·¨¶·¶³¤µ¤¯¯¨¯·²·«¨ ªµ¤¬± º¨ µ¨ ¦¤µµ¬¨§²∏·²± ∂ °²§¨ ¬± ¤± ±¨√¬µ²±°¨ ±·¤¯ ¶¦¤±±¬±ª¨¯ ¦¨·µ²± °¬¦µ²¶¦²³¨
k∞≥∞l¦«¤°¥¨µ²± Πιχεα ϕεζοενσισ √¤µq µιχροσπερµα ¶¤°³¯¨q ⁄¬¶³¯¤¦¨ °¨ ±·¤±§¶·µ¤¬± ©¬¨ §¯¶©²µ§¬©©¨µ¨±·¯²¤§¯¨ √¨ ¶¯∏±§¨µ
³µ²³²µ·¬²± ¬¯°¬·º¨ µ¨ ²¥·¤¬±¨ §©µ²° §¬ª¬·¤¯ ¬°¤ª¨ ¦²µµ¨ ¤¯·¬²± °¨ ·«²§k⁄≥≤ l q ‹ ·¨¨µ²ª¨ ±¨ ²∏¶ °¬¦µ²¶·µ∏¦·∏µ¤¯ ¬±©¯∏¨±¦¨ ²±
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Κεψ ωορδσ} ±¨√¬µ²±°¨ ±·¤¯ ¶¦¤±±¬±ª ¨¯ ¦¨·µ²± °¬¦µ²¶¦²³¨ k∞≥∞l ~©¬¨ §¯¶²© §¬¶³¯¤¦¨ °¨ ±·~©¬¨ §¯¶²©¶·µ¤¬±~ §¬ª¬·¤¯ ¬°¤ª¨
¦²µµ¨ ¤¯·¬²± °¨ ·«²§k⁄≥≤l
木材是具有生物起源的天然高聚物复合材料 o其结构的复杂性及不均匀性导致其力学行为的复杂性和
各向异性k¬±® ετ αλqot||wl ∀在外力作用下 o木材的力学行为是其不均质的内部结构在几个层次上相互作
用的结果 ∀木材细胞及其细胞壁的纹孔以及胞间隙 !厚壁细胞和薄壁细胞的差异使得木材结构在受载之前
就具有各种各样的初始缺陷及损伤 ~而且 o在外加载荷远小于其极限载荷时 o木材基体可能会产生许多垂直
于纤维方向的微裂纹 o界面可能发生脱落 o部分较弱的纤维也可能已经断裂 ∀所以 o研究木材在外载荷作用
下其微细结构的力学特性对于理解木材的宏观力学特性 !揭示木材损伤演化规律具有重要意义k李大纲 o
usswl ∀过去 o国内外学者对木材微细观断裂机制的研究做了大量的试验性工作k…²§±¨ µ ετ αλqot||z ~
׫∏√¤±§¨µετ αλqousss ~≥¬³³²¯¤ ετ αλqoussu ~ƒµ∏«°¤¤± ετ αλqoussv ~巩翠芝等 ousszl ∀不过 o由于测试手段和方
法的限制 o有关木材微细结构对木材力学行为影响的研究还处于起步阶段 ∀许多研究者对微细力学的研究
还只局限于定性研究 o缺乏定量分析 ∀us世纪 {s年代初 o由美国南卡罗来纳大学的 °¨ ·¨µ和 •¤±¶²±等发展
的一种基于数字图像处理的先进的全场光学测量方法 ) ) ) 数字散斑相关方法k⁄≥≤l被广泛应用于试验力
学领域k°¨ ·¨µ¶ ετ αλqot|{u ~≠¤°¤ª∏¦«¬ot|{tl ∀ ⁄≥≤ 具有全场 !非接触性的特点 o在测量中可以完全保留变
形过程中的物体表面信息 ∀对于像木材这类材料k具有复杂的不均质的内部结构l的研究 o其物体表面损伤
图像与变形场的结合分析是非常重要的 ∀通过 ⁄≥≤ 可以在指定的表面来测量变形 o这对于损伤和破坏研
究非常有利 o例如可通过计算应力高度集中区域附近的变形分布来研究材料的破坏模式 ∀ ≤«²¬等kt||tl利
用 ⁄≥≤ 对木材小试样kt °° ≅ t °° ≅ w °°l进行单轴顺纹压缩试验 o获得了试件表面平行和垂直于载荷方
向的变形场 ~¬±®等kt||xl利用 ⁄≥≤ 对木材大试样kuxw °° ≅ ux1w °° ≅ tst1y °°l进行了同样的顺纹压缩
试验 o得出了相似的结论 ~≥¤°¤µ¤¶¬±ª«¨ 等kusssl利用 ⁄≥≤ 获得了木材大试样kt{s °° ≅ |x °° ≅ ts °°l平
行和垂直于纹理方向拉伸的位移场 o揭示了载荷在不均质的木材内部传递的复杂性 ∀木材解剖结构的特点 o
决定了木材在承载情况下 o载荷在其内部的传递和分布也是相当复杂的 ∀到目前为止 o很少有人进行试样厚度
为微米量级的木材力学试验 o与正常尺寸的力学试样相比 o使用微切片可以在木材的一个很小的区域内获得足
够数量的样本数 o从而尽可能保证样品内部结构和化学组成的一致性 o这在研究木材物理力学性质的影响因素
时 o是非常有利的 ∀本文将探索用数字散斑相关方法结合环境扫描电子显微镜监控下的动态拉伸试验 o对鱼鳞
云杉kΠιχεαϕεζοενσισ √¤µq µιχροσπερµαl微切片试件面 • 的细观非均质特性和断裂破坏模式进行定量研究 ∀
图 t 拉伸试件的几何形状
ƒ¬ªqt Š¨ ²°¨ ·µ¼ ²©·¨±¶¬¯¨ ¶³¨¦¬° ±¨¶
1 材料与方法
t1t 试验材料及试样制备 试材树种选用黑龙江省产的鱼鳞云杉 o
其密度为 s1vy{ ª#¦°pv o生长轮宽度平均为 u1x °°∀首先选择纹理通
直无缺陷的气干板材 o将其加工成规格为 v{ °°kl ≅ ts °°k• l ≅ us
°°k×l小试样 o再用滑移切片机加工出厚度为 s1tv °°的微切片 ∀为
了保证试件在预期的位置断裂 o以便于观察 o在试件的中部用模具加
工了缩颈 ∀为了防止试件在拉伸机夹具处被压溃 o在试件的被夹持处
两面用聚醋酸乙烯树脂粘贴了厚度为 s1u °° 的核桃楸k ϑυγλανσ
µανδσηυριχαl薄木 o试件的含水率为 y1x h ∀试件的几何形状如图 t所示 o共加工 z个试件 ∀为了观察木材密
度对断裂路径的影响 o试件包括 u个早材层和 t个晚材层 ∀
t1u 试验设备及试验过程 本试验使用的设备是 ±∏¤±·¤uss环境扫描电子显微镜k∞≥∞l和 ⁄¨ ¥¨ ±公司设
计的 ¬¦µ²·¨¶·usss ‘力学试验机 ∀通常的电子显微镜只能在静止的状态下观察试样的表面形貌 o而本试验
采用了具有加载装置的环境扫描电子显微镜 ∀在加载的同时 o开始录像 o摄下试件从开始加载到完全破坏的
全过程 o并将摄像过程以一定的时间间隔自动以 3 q·¬©图形文件格式存储下来 o再借助于数字散斑相关技
术 o计算出一定载荷下任意指定区域的位移场和应变场 ∀根据计算获得不同区域的变形场来分析木材的纵
向拉伸破坏模式 ∀卸载后 o再对启裂 !扩展及路径改变处采用较大的放大倍数观察其解剖结构 o以便进一步
解读变形场的分布 ∀
t1v 数字散斑相关方法 数字散斑相关方法的基本原理是通过比较变形前后被测试件表面 u幅数字图像
中的灰度变化来跟踪图像中各点的位置变化 o从而得到全场的位移信息 o再经过适当的数值差分计算从位移
场求得应变场 ∀
为准确跟踪变形前图像中各点在变形后图像中的位置变化 o可以在变形前的图像中取以待求点k ξ oψl
为中心的ku Μn tl ≅ ku Μn tl的矩形参考图像子区 o在变形后的目标图像中移动 o并按某一相关函数来进行
计算 o寻找与之相关系数为最大值 !以kξχ o ψχl为中心的目标图像子区以确定该点的位移 ∀通常用以下相关
函数来描述变形前后以各点为中心的图像子区的相似程度 }
Χk υ oϖl €
Ε
Μ
ξ € p Μ
Ε
Μ
ψ€ p Μ
≈φk ξ oψl p φ° ≈ γk ξ n υ oψ n ϖl p γ ° 
Ε
Μ
ξ € p Μ
Ε
Μ
ψ€ p Μ
≈φk ξ oψl p φ° u Ε
Μ
ξ € p Μ
Ε
Μ
ψ€ p Μ
≈ γk ξ n υ oψ n ϖl p γ ° u
∀ ktl
这里 }φkξ oψl !γk ξ n υ oψn ϖl分别为参考和目标中各像素点灰度 oφ° !γ ° 分别为参考和目标图像子区的灰
度平均值 oυ !ϖ为参考图像子区中心的位移 ∀实际上 o由于数字图像记录的是离散的灰度信息 o利用式ktl所
定义的相关函数来进行相关计算时只能获得整像素的位移量 o还需要通过其他方法来获得亚像素位移精度 o
本文利用相关系数曲面拟合方法来计算亚像素位移 ∀
图 u 在 ∞≥∞ 下拍摄的 • 试件加载前的散斑图
ƒ¬ªqu ˜±§¨µ©²µ° §¨³«²·²©²µ• ¶³¨¦¬°¨ ±·¤®¨ ±¬± ∞≥∞
图 v 载荷 p位移图
ƒ¬ªqv ²¤§2§¬¶³¯¤¦¨ ° ±¨·§¬¤ªµ¤°¶
zyt 第 v期 巩翠芝等 }鱼鳞云杉微切片拉伸破坏的细观试验与应变场分析
图 w 载荷为 t1x ‘时横向位移场
ƒ¬ªqw ˜ §¬¶³¯¤¦¨ ° ±¨·³µ²©¬¯¨ ¶k¯ ²¤§€ t1x ‘l
图 x 载荷为 u ‘时横向位移场
ƒ¬ªqx ˜ §¬¶³¯¤¦¨ ° ±¨·³µ²©¬¯¨ ¶k¯ ²¤§€ u ‘l
图 y 载荷为 t1x ‘时拉伸方向位移场
ƒ¬ªqy ∂ §¬¶³¯¤¦¨ ° ±¨·³µ²©¬¯¨ ¶k¯ ²¤§€ t1x ‘l
图 z 载荷为 u ‘时拉伸方横向位移场
ƒ¬ªqz ∂ §¬¶³¯¤¦¨ ° ±¨·³µ²©¬¯¨ ¶k¯ ²¤§€ u ‘l
图 { 载荷为 t1x ‘时横向应变场
ƒ¬ªq{ ˜ ¶·µ¤¬±©¬¨ §¯¶k¯ ²¤§€ t1x ‘l
图 | 载荷为 u ‘时横向应变场
ƒ¬ªq| ˜ ¶·µ¤¬±©¬¨ §¯¶k¯ ²¤§€ u ‘l
2 结果与分析
为了细致研究试件在弹性拉伸阶段中载荷在其内部的传递和分布情况 o本文在进行相关计算时 o以加载
前拍摄的 ∞≥∞ 图像为基准 o所选取的计算区域如图 u所示 o图 u中的矩形线框为选取的计算区域 o其包含
的面积为 v1z °° ≅ v1y °°∀通过散斑相关计算 o得到了木材试样在破坏之前弹性变形阶段k参照图 v载荷
p位移曲线lt1x ‘载荷和 u ‘载荷作用下的平行于载荷方向的位移场 !应变场和垂直于载荷方向的位移场 !
应变场 ∀从位移场图 w ∗ z可以看出位移在左下角处出现了明显的突变 o这可能是由于木材微结构本身的缺
陷所致 o或由于试件内部某些应力集中部位已开始发生局部滑移 ∀由于放大倍数的关系 o在录像图片上没有
观察到 o但在图 v载荷 p位移曲线上已有体现 ∀从横向应变场图 { ∗ |可以看出 o在载荷为 t1x ‘时 o全场的
应变在 p s1vx h ∗ s1wx h的范围内变化 o当载荷增加到 u ‘时 o全场的应变值进一步扩大 o在 p s1yw h ∗
s1yu h的范围内变化 ∀在拉伸过程中 o横向受到压缩的作用 o所以应变值应为负值 o而图 { ∗ |横向应变场左
侧却出现了正应变区域 o这说明该区域受到的是拉伸作用而不是压缩作用 ∀由显微图片可以看到 }该区域大
{yt 林 业 科 学 ww卷
部分为早晚材过渡区和晚材区 o管胞的刚性较大 o由于管胞之间的剪应力作用的结果 o管胞壁间此时可能已
经出现了滑移面 o由位移场图中出现的突变也可证实这点 ∀从拉伸方向应变场图 ts ∗ tt可以看出在载荷
t1x ‘时 o全场的应变在 s1sw h ∗ t1t h的范围内变化 o当载荷增加到 u‘时 o全场的应变值进一步扩大 o在
s1wx h ∗ t1{x h的范围内变化 ∀从拉伸方向的应变场分布来看 o变化较大 o这说明载荷在平行于木材纹理方
向的传递较复杂 ∀由于平行于纹理方向的载荷作用在管胞壁上 o并通过管胞壁层来传递 o而管胞壁自身具有
极其不均质的复杂的壁层结构 o所以 o拉伸方向应变图清晰地反应木材的不均质的微结构对应力分布的影
响 ∀在横向应变场的变化较小 o这可能是由于载荷在横向上主要是通过胞间层来传递 o而胞间层的结构相对
来说是较均匀的 ∀
图 ts 载荷为 t1x ‘时拉伸方向应变场
ƒ¬ªqts ∂ ¶·µ¤¬±©¬¨ §¯¶k¯ ²¤§€ t1x ‘l
图 tt 载荷为 u ‘时拉伸方向应变场
ƒ¬ªqtt ∂ ¶·µ¤¬±©¬¨ §¯¶k¯ ²¤§€ u ‘l
图 tu • 试件被拉断后的全貌图
ƒ¬ªqtu °«²·²ªµ¤³«¶²©©µ¤¦·∏µ¨ ³¤·«¶©²µ
• ¶³¨¦¬° ±¨·¤®¨ ±¬± ∞≥∞
将应变场和试件被拉断后的全貌图 tu对照看 o应变集中的分布
扩展趋势与试件的破坏进程是一致的 ∀
3 结论
tl 数字散斑相关方法k⁄≥≤l作为一种全场 !非接触的变形测
量方式 o对于研究像木材这样非均质材料的力学行为是非常有效的 o
⁄≥≤ 的全场测量结果有助于全面展示木材的力学性质并分析木材
中载荷传递的机理和失稳发生的原因 ∀
ul 通过数字散斑相关计算发现 }在木材的弹性阶段 o尽管在它
的显微图片上没有观察到明显的变化 o但从后续发展的裂纹图像上
来看可以以此阶段应变场的分布情况来推断试样内部发生了损伤朝向裂纹的发展演化 o这说明数字散斑相
关方法可以通过观测和计算弹性阶段材料表面的信息 o预估材料内部损伤变化 ∀
参 考 文 献
李大纲 qussw1 木材细胞壁细观断裂及其损伤机理 q科学技术与工程 owktl }uw p uz q
巩翠芝 o刘一星 o崔永志 o等 qussz1 利用环境扫描电子显微镜原位监测木材的断裂过程 q东北林业大学学报 ovxkyl }z p | q
…²§±¨ µo¬¦«¤¨¯ Š ≥ oŠ¨ µ«¤µ§Š qt||z1 ƒµ¤¦·∏µ¨ ¬±¬·¬¤·¬²± ¤±§³µ²ªµ¨¶¶¬± º²²§¶³¨¦¬°¨ ±¶¶·µ¨¶¶¨§¬± ·¨±¶¬²±q‹²¯½©²µ¶¦«∏±ªoxt }wzs p wzw q
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k责任编辑 石红青l
|yt 第 v期 巩翠芝等 }鱼鳞云杉微切片拉伸破坏的细观试验与应变场分析