全 文 ：第 wv卷 第 w期
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林 业 科 学
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木材损伤断裂与木材细观损伤基本构元
邵卓平
k安徽农业大学林学与园林学院 合肥 uvssvyl
摘 要 } 木材承载时细观结构上的损伤会在木材中扩展 o并且损伤和缺陷在载荷下的演化行为决定着木材的宏
观力学行为 ∀木材的细观损伤基元可以归纳为 w类 }tl胞 !壁层间界面损伤 ~ul细胞壁屈曲与局部塌溃损伤带 ~vl
微孔洞损伤与汇合 ~wl微裂隙损伤k区l ∀追踪分析木材从变形 !损伤到断裂破坏的全过程 o探明微结构演化与宏观
行为关系 o有助于揭示木材破坏的机制 o并从中获得新的木材构造与其强韧功能相互关系的认识 o对研发能够克服
木材缺点 !具有特殊强韧性能的新型木基复合材料具有重要指导意义 ∀
关键词 } 木材损伤断裂 ~细观损伤基元 ~唯象学方法
中图分类号 }≥z{t1u| 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusszlsw p stsz p sw
收稿日期 }ussx p tu p s{ ∀
基金项目 }国家自然科学基金项目kvsxztwxul ∀
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自 us世纪 |s年代以来 o木质复合材料的发展已成为木材科学发展的重点 o现代工业及高技术领域对优
质 !高性能木质复合材料的需求 o迫使人们必须深入到木材的微观或细观层次上去研究构造与强韧功能的相
互关系并形成一种新的理论 ∀虽然在近 ts年里 o木材物理力学领域中越来越多的工作已经转向微观或细观
范围的研究 o但却较少关注宏观力学行为与微细结构演化的相互联系 ∀木材是一种具有明显细观结构 !可在
多尺度下研究的天然复合材料 o由于非均匀 !各向异性和/天然0存在的微观甚至宏观的缺陷或损伤k裂纹l o
受荷后这些初始缺陷或损伤的不规则演化行为决定着木材的宏观力学行为 ∀因而 o探明木材受荷后内部微
细结构的变化 o沟通其与宏观力学响应之间的联系 o并由此获得新的木材构造与其强韧功能相互关系的认
识 o对研发能够克服木材缺点 !具有特殊强韧性能的新型木质复合材料具有重要指导意义 ∀
t 木材破坏的传统方法与木材断裂力学
长期以来 o研究木材变形与破坏的传统方法是基于均质连续性假设之上的材料力学方法 o这是一种直
观 !经验的处理方法 o表述简单 o易于应用 o但忽视了材料固有缺陷的影响 o而实际上材料的变形和断裂在很
大程度上是由这些固有缺陷所支配 ∀断裂力学抛弃了物体的连续性假设 o通过引入新的物理量k断裂韧度l
和由它建立的准则 o给出了全新的强度设计观念 o对整个材料制造业带来具有重要指导意义的影响k如界面
弱化的增韧机制即为断裂力学原理在人工复合材料设计中得到很好应用的一个范例l ∀将断裂力学原理应
用于木质材料中 o始于 °²µ·¨µkt|ywl的首篇论文 o此后各国学者做了大量的深入研究 o并提出了各种木材断裂
模式和断裂判据 ∀用于木质材料的宏观断裂准则大致可分为 u类 }一类是基于裂尖过程区能量耗散的 Š准
则 ~另一类是基于裂尖过程区应力场强度的 Ž准则 ∀
线弹性断裂力学原理用于木材裂纹沿顺纹扩展的断裂问题是成功的 o早期的研究正是集中在这类裂纹
体上 ∀由于木材在刚度和强度方面展示了强烈的各向异性性质 o因外载或湿 !温度变化而引起的张力 o对在
垂直纤维方向非常不利 o所以 o在木材横断面上由于张力而形成并扩展的裂纹以及界面强度仍是当前木材断
裂力学研究领域中活跃的课题k⁄¬¯¯2¤±ª¨µετ αλqoussul ∀与国外相比较 o我国木材断裂力学研究开展较迟 o
鹿振友kt|{{l发表了国内首篇介绍国外在该领域进展的综述文章 o此后范文英等kt||vl !孙艳玲等kt|||l !
江泽慧等kusssl !任海青等kusstl !王丽宇等kussul !费本华等kussvl先后在木材断裂力学领域开展研究 ∀笔
者也在近几年中比较深入 !系统地研究了木材断裂 o并在基础理论k阐明了线弹性断裂力学原理应用于木材
断裂的特殊性lk邵卓平等 oussul !试验方法k邵卓平等 ousst ~邵卓平 oussul !横纹断裂强度设计准则以及在
阐述木材构造与强韧性关系k邵卓平等 oussvl等方面有着独立的见解 ∀
u 木材损伤与损伤力学
断裂力学是一种由整体上研究宏观裂纹扩展规律并做出定量分析的方法 o但它没有涉及到宏观裂纹产
生之前 o已存在着不容忽视的微观缺陷的力学效应 ∀由于木材中往往存在大量的原生细观缺陷k如纹孔 !细
胞壁裂隙 !界面损伤等l o在外载作用下 o这些微缺陷或损伤将逐渐演化 !汇合 o并形成宏观裂纹 ∀木材损伤是
指在载荷或环境作用下材料的微缺陷形成 o导致其内黏聚力的进展性减弱而引起的力学性质逐步劣化的现
象 o这是木材内部微细结构状态的一种不可逆的 !耗能的演化过程 o宏观裂纹的形成正是损伤变量达到其极
值的结果 ∀损伤演化是断裂纹形成的前提 o断裂纹的扩展又为损伤扩展了范围 o可见木材的损伤与断裂反映
了木材从变形到破坏的物理全过程 ∀
损伤力学是继断裂力学之后对材料内部微细缺陷的萌生 !扩展 !汇合以及所产生的力学效应的研究 o它
不仅适用于有宏观裂纹的材料 o也适用于无宏观裂纹的材料 ∀材料损伤的描述模型按其特征尺度和研究方
法可分为细观和宏观k即唯象学的lu种 o前者是根据材料的微细结构或组分的单独力学行为以及相互作用
来建立细观模型描述损伤的物理过程 ~后者是通过引入一种所谓/损伤变量0的内部状态变量来描述分布于
整个材料内部的微细缺陷损伤 ∀由于材料的微细结构状态决定了其宏观物理行为 o因此可以通过测试材料
的某种表征物理量的变化k如弹性系数 !屈服应力 !拉伸强度 !伸长率 !密度 !应力波速和声发射等l来描述损
伤的状态和发展 o并间接地判断材料的受损程度 o避免了对缺陷几何性质 !微观机制和均匀化过程的复杂分
析 ∀损伤过程的最终状态就是宏观裂纹的出现 o从这以后就可按断裂力学方法来处理宏观裂纹扩展直至材
料失稳断裂 ∀
损伤力学也是继断裂力学后在材料科学中应用研究最活跃的理论之一 o它与断裂力学联结在一起 o构成
了现代破坏力学或破坏理论的主要内容 ∀但至今尚未见将损伤力学原理用于木材的研究报告 o虽然已有木
材学家认识到应用损伤力学原理来分析木材的变形与破坏具有广阔的前景并已乐意采用/损伤0一词 ∀
v 木材细观损伤基本构元
如何将损伤力学原理应用到木质材料中 o虽早有提议 o但迄今尚未见实质性进展的研究报道 o其根本原
因是木材中所含缺陷的复杂多样性和不规则的演化行为 o使人难以在细观物理模型上穷尽对其机制的描述 ∀
木材的细观是一个相对的层次 o如同生物学的亚微观近似地从微米kΛ°l至毫米k°°l 的尺度 o这一相关
v个数量级的尺度范围跨越了木材的组织 !细胞 !细胞壁与细胞器 o直至高分子集聚体 ∀细观结构泛指在光
学或常规电子显微镜下可见到的细结构或微结构 ∀木材在高倍率下 o具有纤维增强复合材料的结构 ~在较
低的倍率下 o木材是一种多孔材料 o一种具有严重各向异性孔穴的材料 ∀在大多数木材中 o纤维增强孔壁的
组成和接合似乎都是类似的 o木材之间的主要差异在于它们多孔结构的不同 o如孔壁的相对厚度 !相对密度 !
壁腔比等kŠ¬¥¶²± ετ αλqot||zl ∀
木材的多孔层次状结构使其损伤过程复杂 o并且相邻不同尺度自组织结构的相互耦合还会产生分别在
u个尺度上做独立考虑时不能遇到的力学现象 ∀木材的抗破损能力取决于木材结构的几何因素 !射髓孔穴 !
管胞间或胞壁层间的界面 o薄弱的界面能使整个树杆增韧 o但也易导致低能量剥离模式的破坏 ∀由于在裂尖
前方的一个较大区域中 o同时存在着垂直与平行裂纹表面的拉应力 o因此 o裂纹前端的木材在裂尖应力场的
{st 林 业 科 学 wv卷
作用下会形成含有大量顺纹取向的微裂隙损伤区 o这些裂隙为减少表面能 o在外力作用下 o在管胞的纹孔或
射髓处聚积成核 !连通 o形成新的界面裂缝 o并驱使裂纹或沿孔壁剥离 !或撕裂孔壁向前扩展 ~木材细胞还会
因其 t级细观蜂窝结构和 u 级细观 ≥u层的螺旋状纤维铺设结构相互耦合产生一种拉伸 ∞∏¯ µ¨屈服
k¨µ²±¬°¬§¬¶ot|zyl o这是因非对称螺旋结构的 ≥u 层受拉而使细胞壁出现的向内屈服 o并因此在细胞壁上生成
螺旋取向的微细裂隙 ~木材在受到面内压缩或剪切时 o由于胞体的应变软化 o变形场会在早材区因薄壁细胞
屈曲而首先出现塌溃损伤带kפª«¬ετ αλqousstl o这是多胞材料所常见的变形局部化效应的结果 ~同样 o在变
形场中的纹孔和木射线周围会因出现应变集中形成破坏区k≤«∏ ετ αλqot||yl ~纹孔和木射线常因应力集中
而成为首先损伤成核的敏感因素 o但同时又是捕捉与阻止裂纹扩展的细观构造因子 ∀
显然 o木材中所含缺陷的复杂多样性和不规则的群体演化行为 o妨碍了人们对损伤机制的认识 o但若能
对木材的损伤基本构元进行科学地界定与归类 o将有助于对木材损伤断裂本质的研究 o提高对木材破坏机制
的认识水平 ∀根据作者近 u年的试验观察和分析归纳 o木材的细观损伤基元可以初步归纳为 w类 }tl胞 !壁
层间界面损伤 ~ul细胞壁屈曲与局部塌溃损伤带 ~vl微孔洞损伤与汇合 ~wl微裂隙损伤k区l ∀
严格说来 o木材不是弹性固体 o甚至在室温下迅速加载 o它也会呈现黏弹性 ∀由于荷载和温 !湿度的作
用 o木材纤维链分子之间会发生滑动 o分子链间的氢键结合会断裂重组 o形成黏性移动 o并在胞壁上产生微细
裂隙 ∀木构件上的蠕变损伤扩展区会对主裂纹产生屏蔽与劣化双重作用 o一方面使荷载响应的奇异性下降 o
使木材裂纹具有/延迟断裂0的现象 ~另一方面 o又使材料对断裂扩展的阻力有所减小 o引起荷载和变形间的
非线性响应 o并使局部破坏和整体失效不再一致 o即在承受某种荷载的初期表现为安全的裂纹体 o随着荷载
作用时间的延长 o裂纹将会突然扩展并导致突然断裂 ∀这表明 o若不考虑流变性能对木材断裂行为的影响是
不完备和不安全的 ∀
w 基于细观过程的唯象学研究方法
现代试验技术和计算机科学的飞速发展 o使得人们可以观测和研究宏细微尺度上的力学行为 ∀但当深
入到材料微细观层次上时 o自然也会面临在数学上如何定量描述微细观结构和损伤的复杂形态 !在应用上如
何恰到好处地将微细观结构损伤演化的过程与宏观力学行为结合起来的困难 ∀所以 o在近 us年来 o特别值
得关注的尝试是力图从材料细微结构本身及损伤断裂过程所反映出的复杂现象中找出某些特征参量 o并建
立起与之相应的宏观力学现象间的联系 ∀近年来发展起来的基于细观的唯象破坏理论已在四大材料中的金
属 !石料和塑料中得到很好的应用 o在对这些材料破坏机制的研究表明 o只要抓住能够反映其主要特征的物
理模型 o建立基于细观过程的唯象损伤理论 o还是有可能的 ∀但由于木材多胞层状结构的复杂性 o目前国内
外对木材断裂破坏的研究 o还仍限于或是应用断裂力学原理 o从整体上对木构件的宏观裂纹所产生的力学效
应做出定量分析 o或是应用显微技术 o对裂尖形貌和扩展方式做定性描述 o尚不能在两者间建立起联系 ∀
基于细观过程研究木材损伤断裂的唯象学方法 o需要首先针对不同形态的木材缺陷与损伤演化模式进
行科学界定和归纳 o建立能够抓住其主要特征的损伤基本构元体系 o这是能够发展木材损伤力学 !探明微结
构演化与宏观行为关系的关键 ∀然后 o在此体系基础上 o在细观方法上 o根据木材的损伤基元或微细结构的
单独力学行为建立细观模型描述损伤的物理过程 ~在宏观k唯象学l方法上 o则通过测试木材试件某种表征
物理量的变化来描述损伤的状态和发展 o并建立起与之相应的宏观力学现象间的联系 ∀最后 o是将两者结合
起来 o建立起基于细观过程的木材损伤断裂机制 o并从中获得构造与强韧关系的新认识 ∀
另外 o产生于 us世纪末的分形理论也提供了另一条唯象学研究途径 ∀最新的文献表明 o材料科学中的
分形理论已从对破坏后的断面分析深入到了可用于裂纹形核与扩展的分析k褚武扬 ousswl ∀木材构件内部
损伤与微裂纹形核 !扩展时 o因其弹性松弛而释放出应力波k¤¦²∏¶·¬¦ °¨¬¶¶¬²±l o°¨ ·µ¬等kt||wl研究发现 o高分
子合成材料的裂纹形核扩展时 o其声发射 „∞的对数积分分布与 „∞的对数振幅成线性关系 o表明用声发射
探测到的裂纹形核和扩展是一个分形 ∀ °¨ ·µ¬的报道对深入木材内部探索裂纹形核与扩展的物理机制是一个
很好启示 ∀
总之 o木材作为生物复合材料 o具有与其他天然材料不同的固有特性 ∀研究木质材料的力学特性和破坏
规律 !失效过程 o在理论上涉及木材学 !断裂力学 !损伤力学 !细观力学 !流变学 o以及物理 !数学和化学 o充分
体现多学科的交叉和融合 o从宏细微观相结合地研究损伤演化与缺陷扩展的耗散过程 ∀木材科学作为研究
|st 第 w期 邵卓平 }木材损伤断裂与木材细观损伤基本构元
四大原材料之一的科学 o必须与当今其他材料科学的发展相适应 o并广泛吸收 !应用相关学科新知识 o使学科
边缘向其他学科不断延伸 ∀通过追踪木材从变形 !损伤到断裂破坏的全过程 o对裂纹尖端的应力应变分布 !
界面在断裂过程的作用 !裂纹扩展与微观组织结构的关系 !微细k甚至纳米l尺寸上的损伤演化过程进行宏细
k微l观相结合的描述 o揭示木材破坏的机制 o并从中获得新的木材构造与其功能相互关系的认识 o其意义不
仅在于为合理利用木材和木结构安全设计提供依据 o更重要的是为今后研制开发能够克服木材缺点 !具有特
殊强韧性能的新型木基复合材料提供基础理论 ∀
参 考 文 献
鹿振友 qt|{{1 断裂力学在木材加工上的应用 q北京林业大学学报 otskvl }w| p xy
费本华 o张东升 qussv q木材断裂裂纹及应力场的分形研究 q木材工业 otzkvl }z p tu
范文英 o徐 虹 o龚 蒙 qt||v q木材断裂韧性 ŽŒ≤测定方法的研究 q南京林业大学学报 }自然科学版 otzkvl }{s p {u
江泽慧 o任海青 o胡一贵 o等 qusss1 木材断裂过程的研究 q核技术 ouvk{l }xzu p xzy
任海青 o江泽慧 qusst1 人工林杉木 !马尾松木材的断裂特性 q林业科学 ovzkvl }tt{ p tut
王丽宇 o鹿振友 o赵 东 o等 qussu1 白桦材 ×型裂纹的演化与增长行为的研究 q北京林业大学学报 ouwkul }x| p yt
邵卓平 o任海青 o江泽慧 qussu1 线弹性断裂力学原理在木材中应用的特殊性及木材顺纹理断裂 q林业科学 ov{kyl }tts p ttx
邵卓平 o江泽慧 o任海青 qusst1 柔度法标定木材断裂韧性的研究 q林业科学 ovzkul }ttu p tty
邵卓平 qussu1 木材断裂韧性测试研究 q力学与实践 ouwkwl }w| p xt
邵卓平 o任海青 o江泽慧 qussv1 木材横纹理断裂及强度准则 q林业科学 ov|ktl }tt| p tux
孙艳玲 o鹿振友 qt|||1 用有限元计算水曲柳裂纹尖端应力强度因子 q北京林业大学学报 outkvl }xv p xz
褚武扬 qussw1 材料科学中的分形 q北京 }化学工业出版社 !材料科学与工程出版中心
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k责任编辑 石红青l
stt 林 业 科 学 wv卷