全 文 ： 第 vz卷 第 v期u s s t年 x 月
林 业 科 学
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人工林杉木 !马尾松木材的断裂特性
任海青 江泽慧
k中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 tsss|tl
摘 要 } 使用扫描电子显微镜观察杉木 !马尾松横纹拉应力 !顺纹拉应力及冲击载荷作用下的破坏表面 o结
果表明不同的加载方式 !加载速度对木材的断裂过程有影响 ~木材的微观构造影响其断裂过程 ∀
关键词 } 杉木 o马尾松 o扫描电子显微镜 o断裂过程
收稿日期 }t|||2tu2vs ∀
基金项目 }本文为/九五0攀登项目/人工林木材性质及其生物形成与功能性改良机理研究0中的一部分 ∀
ΜΟΡΠΗΟΛΟΓΨ ΟΦ ΩΟΟ∆ ΦΡΑΧΤΥΡΕ ΟΦ ΧΗΙΝΕΣΕ ΦΙΡ ΑΝ∆ ΜΑΣΣΟΝ ΠΙΝΕ
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k Ρεσεαρχη Ινστιτυτε οφ Ωοοδ Ινδυστρψo ΧΑΦ Βειϕινγ tsss|tl
Αβστραχτ } ׫¨ ©¤¬¯∏µ¨ ¶∏µ©¤¦¨¶²©≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µ¤±§¤¶¶²± ³¬±¨ ∏±§¨µ·¨±¶¬²± ³¨µ³¨ ±§¬¦∏¯¤µ·²ªµ¤¬±o·¨±¶¬²± ³¤µ¤¯2
¯¨ ¯·²ªµ¤¬± ¤±§¬°³¤¦·¬±ª¤µ¨ ²¥¶¨µ√¨ §¥¼ ≥∞ q׫¨ µ¨¶∏¯·¶¶«²º·«¤··«¨ ³¤·¨µ±²© ²¯¤§¤±§·«¨ ¶³¨ §¨²© ²¯¤§«¤√¨
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Κεψ ωορδσ} ≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µo ¤¶¶²± ³¬±¨ o≥¦¤±±¬±ª¨¯ ¦¨·µ²± °¬¦µ²¶¦²³¼ k≥∞l oƒ¤¬¯∏µ¨ ³µ²¦¨¶¶
研究木材的断裂过程是认识木材断裂机理的一个重要方面 o但由于裂纹扩展速度很快 o尤其在失稳
扩展时 o裂纹以声速在木材中扩展 ∀因此 o除了高速摄影而外 o直接研究裂纹在木材中的扩展是比较困
难的 ~但另一方面 o裂纹以不同方式扩展时 o必然在断面上留下不同形态 o这样分析断面上裂纹扩展时留
下的残痕 o有助于人们认识裂纹在木材中的扩展方式和扩展路径 ∀因此断面观察是木材强度研究中不
可缺少的部分 ∀
在描述木材的断裂表面时 o各国的木材科学工作者使用的术语各不相同 ∀ Ž²µ¤±kt|yz ~t|y{l观察
了 …¯¤¦®¶³µ∏¦¨ 在不同温度下横纹抗拉的径向和弦向管胞的断裂表面 o他使用 ≥∞ 观察木材的分离 o引
入了 u个术语 }¬±·µ¤º¤¯¯©¤¬¯∏µ¨ o·µ¤±¶º¤¯¯©¤¬¯∏µ¨ o⁄¨ ¥¤¬¶¨kt|zs ot|zul同样用 ≥∞ 观察木材中的断裂位置 o
对于位于细胞壁之间和 u个细胞之间的断裂 o分别定义为¬±·¨µ¦¨¯¯∏¯¤µ和¬±·µ¤¦¨¯¯∏¯¤µ∀根据 ≤¬·i ¤±§‹¤±2
±¤kt|{vl的研究 o他们介绍了 v种细胞断裂的方式 }¬±·¨µ¦¨¯¯kŒ≤l 是指相邻细胞在胞间层的分离 o¬±·µ¤º¤¯¯
kŒ• l 是指发生在细胞壁的次生壁中的断裂 o·µ¤±¶º¤¯ k¯× • l是指横过细胞壁的断裂 ∀在本文的研究中 o
遵循 ≤¬·i ¤±§ ‹¤±±¤的分类 ∀
t 试验材料和方法
1 .1 试验材料
选取杉木 Χυννινγηαµια λανχεολατα ¤°¥和马尾松 Πινυσ µασσονιανα ¤°¥q作为试验材料 o均为 ux¤
生 ∀树种采自江西省分宜县境内的中国林业科学研究院亚热带林业研究中心下属的山下林场 ∀按照国
家标准 Š…t|uz ∗ t|wv p |t5木材物理力学性质试验方法6k国家标准技术监督局 ot||tl进行抗弯强度 !
冲击韧性试验 o以及按照国家标准/金属材料平面应变断裂韧性 ΚΙΧ的测试0进行木材断裂韧性试验后 o
在新鲜的断面上切取 u °°厚 ow °° ≅ w °°左右长方体 o用于电子显微镜的观察 ∀
1 .2 试验方法
将试样锯切成上述小长方体 o参照周 !姜笑梅kt||yl报道的方法 o断口部位朝上 o用双面胶带纸
粘贴在铝制试样托上 o并用银粉导电胶形成导电通路 o用高真空蒸发镀膜机 o对样品表面镀金 o样品安置
在万能旋转台上可使得表面喷镀均匀 o严格控制蒸发电流k一般小于 ts „l以防止样品表面层受热 o镀金
后的木材 ≥∞ 样品 o增加了对电子的散射能力 ∀剩余部分分心边材按照国家标准进行化学性质的测
试 o包括苯醇抽提物 !纤维素 !木素和聚戊糖 ∀
u 断面观察
2 .1 抗弯强度试验破坏后的木材表面
杉木抗弯强度试验破坏后 o选择受拉的一侧断面进行观察 o由图版 ´2t !´2u可以清楚地看出早晚
材断裂表面显著不同 ∀早材部分可以看到相当多的管胞被拉出断面 o管胞壁发生分层 o主要是 ≥t层与
初生壁发生分离 o或者是胞间层的分离 o也有的早材断面非常光滑 o管胞之间有胞间层的分离现象 ∀木
射线的断裂表面很光滑 o呈横过细胞壁的断裂模式 ∀晚材的断裂表面相对光滑 o横过细胞壁的断裂占大
多数 ∀无论是杉木还是马尾松 o早晚材分界处 o早材管胞细胞壁具有分层现象 ∀
2 .2 冲击韧性试验破坏后的木材表面
杉木冲击试验后 o选择受拉的一侧断面进行观察 o由图版 ´2v可见 o冲击载荷的作用下 o早材大部
分是横过细胞壁的断裂 o断面光滑 o偶尔可以发现一束管胞被拉出 o可以明显看到断裂有沿细胞壁中的
初生壁和 ≥t层路径前行 o有沿胞间层的路径前行 ∀图版 ´2w同样可以发现早晚材断裂表面的差异 o早
材略显粗糙 o有细胞壁之间的分离 o晚材的断裂表面较光滑 o显示了大部分横过细胞壁的断裂 ∀早晚材
分界处可以见到比较大的空洞 o提示其对应的断裂面有管胞拔出的迹象 ∀图版 ´2x中的木射线在冲击
载荷作用下 o此处产生了比较大的裂缝 o左侧比右侧位置高 o显然是木射线薄壁细胞在冲击载荷的作用
下 o与相邻的管胞发生胞间层的分离 o并被拔出 ∀
图版 ´2y !´2z显示马尾松冲击破坏后光滑的断裂表面 o早晚材的断裂仍然是有差异的 o显然晚材
为横过细胞壁的断裂 o表面平整光滑 o而早材则发生细胞壁之间的分离 o不仅有沿胞间层的分离 o≥t与
初生壁的分离可以使我们看到 ≥t层 o另外细胞壁中初生壁与次生壁以及次生壁中 ≥t与 ≥u的分层也可
以观察到 o在马尾松的冲击破坏表面同样可以发现与杉木冲击破坏后类似的木射线断裂k图版 ´2{l o在
木射线处产生了较大的裂缝 ∀图版 ´2y还可以发现完整的纹孔 o说明纹孔具有一定抵抗破坏的能力 ∀
2 .3 断裂韧性试验后的破坏表面
木材在冲击和弯曲载荷作用下 o试件受拉一侧的断裂表面形态 o可以认为是在顺纹拉应力作用下的
木材破坏 ∀断裂韧性试验根据应力的方向 o可以确定试样的破坏是木材在横纹拉应力作用下的破坏 ∀
杉木靠近预制裂纹处 o木材表面光滑 o晚材沿胞间层破坏 o早材的破坏比较复杂 o有细胞壁间的分
离 o可见到 ≥u层 ~有横过细胞壁的破坏 o可以看到细胞腔 ∀预制裂纹的杉木 o在横向拉应力的作用下 o首
先在裂纹尖端处形成应力集中 o裂纹沿刀口寻找最薄弱的路径前行 o因而表现为胞间层或细胞壁分离 o
裂纹在扩展过程中必然会受到一定的抵抗 o在前进的某一点发生了停顿 o随着外力的增加 o裂纹尖端积
累的能量一旦超过木材中的抵抗 o就发生了快速的继续扩展 o这时往往表现为横过细胞壁的断裂k图版
´2|l o在离预制裂纹一段距离的地方 o表现为横过细胞壁和细胞壁间的断裂两种形式 o图版 µ2t可以看
到 ≥u层 o说明 ≥t !≥u层有分离 ∀尤其横过细胞壁的破坏往往是成一定倾斜的方向破坏 o提示着可能是
沿着 ≥u层微纤丝排列的方向断裂 o也就是说 ≥u层微纤丝之间的空隙是裂纹起裂的地方 ∀k图版 µ2vl
图版 µ2u ov ow显示了木射线在木材横纹拉应力作用下的表现 ∀图版 µ2u清楚地看到裂纹在木射线
处中止 o当裂纹前进到木射线处 o其尖端进入到木射线的细胞腔中 o正如在裂纹前端处钻孔可以阻止裂
纹扩展一样 o木射线在此处起到了中止裂纹扩展的作用 o从这方面来看 o木射线是木材细胞中的增强体 o
这是很容易理解的 ∀木材组织大部分是轴向排列 o并且是管状的 o彼此间依靠分子力 !化学键互相结合 o
而木射线是垂直于木材轴向的组织 o它在木材结构中起到的是/销钉0作用 ∀但这并不能说木射线是木
材中强度比较高的细胞组织 o相反 o木射线也是木材细胞中最薄弱的组织之一 o由图版 ´2x !´2{能够很
好地说明 ∀在木射线处重新开始的裂纹扩展中可以发现 o开始部分大多数是胞间层的开裂 o或者是 ≥t
层与初生壁的分离 o说明此时裂纹是缓慢扩展的 ∀扩展路径并不是沿着开始的方向直线前进 o随着受到
|tt 第 v期 任海青等 }人工林杉木 !马尾松木材的断裂特性
抵抗力量的不同 o裂纹在木材中的扩展路径是不规则的k图版 µ2u ov owl ∀木射线既对裂纹扩展有阻止
作用 o但往往又是裂纹重新开始的地方 ∀
v 结果与讨论
杉木木材在弯曲载荷和冲击载荷作用下受拉一侧的断面观察显示 }早材的断裂表面比较粗糙 o可以
看到细胞壁的分层现象 o而晚材的断裂表面相对而言 o比较光滑 o大多数为横过细胞壁的断裂 ∀表 t化
学成分分析显示 o杉木早材中半纤维素的含量低于晚材 o而木素的含量又高于晚材 o纤维素的含量低于
晚材 ∀由于除了纤维素作为木材细胞壁的骨架物质之外 o半纤维素是细胞壁中与纤维素紧密联结的物
质 o起粘结作用 o而木质素是细胞壁形成过程中 o最后沉积在细胞壁中的一种高聚物 o它们互相贯穿着纤
维 o起强化细胞壁的作用 o由表 t的结果可以知道早材细胞壁中各层次彼此间的结合强度略低于晚材 o
虽然细胞壁的强度略低 o而细胞壁的强化作用又高于晚材 o因而在拉伸荷载的作用下 o更容易发生细胞
壁层次的分离 o而不是细胞壁的断裂 ∀管胞间胞间层的结合力是很弱的 o因而有时发生胞间层分离很容
易理解 ∀
表 1 杉木 !马尾松木材化学成分 ≠
Ταβ .1 Τηε χηεµιχαλ χοµπονεντσ οφτηε ωοοδ οφ Χηινεσεφιρ ανδ Μασσον πινε
树种
≥³¨¦¬¨¶
苯醇抽提物
∞¬·µ¤¦·¶²©¥¨ ±½¨ ±¨ 2¤¯¦²«²¯k h l
纤维素
≤¨¯ ∏¯¯²¶¨k h l
木素
¬ª±¬±k h l
聚戊糖
°¨ ±·²¶¤±k h l
马尾松早材
∞¤µ¯¼ º²²§²©  q° q v q|t wy qw| uw qsv tt qwx
马尾松晚材
¤·¨ º²²§²©  q° q v qxy wy q{v uw qts ts q{t
杉木边材晚材
¤·¨ º²²§¬± ¶¤³º²²§²© ≤ qƒ q t qxs w{ q{t vt quv z q|s
杉木心材晚材
¤·¨ º²²§¬± «¨¤µ·º²²§²© ≤ qƒ q v qt{ wy q|s u| qwz { q{|
杉木边材早材
∞¤µ¯¼ º²²§¬± ¶¤³º²²§²© ≤ qƒ q t q{w wx qxy vv qst z qtw
杉木心材早材
∞¤µ¯¼ º²²§¬± «¨¤µ·º²²§²© ≤ qƒ q v qvu wz qwz vs qw{ z q{x
≠  q° q ¤¶¶²± ³¬±¨ ≤ qƒ q ≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µq
晚材细胞壁比较厚 o≥t层与 ≥u层的比例远远小于早材 o由于 ≥t层的微纤丝角是与管胞轴几乎垂
直 o因而在拉伸载荷的作用下 o通过 ≥t层会对管胞产生一个横向的拉应力 o晚材细胞壁 ≥t层比例小 o因
它而引起的横向分量就比早材小 o晚材受到的横向拉应力分量相应低于早材 o结果造成早材的断裂易发
生细胞壁的分离 o而晚材则是横过细胞壁的断裂 ∀
冲击载荷作用下的断裂表面 o无论早材 !晚材 o都比弯曲载荷作用下的木材表面光滑 o显示不同的加
载方式对木材断裂有很大影响 ∀冲击荷载是瞬间加载 o木材细胞组织来不及发生变形就发生整个细胞
壁的断裂 o而弯曲载荷则是缓慢加载 o由于单根管胞的拉伸强度是非常大的 o因而在未达到将其拉断之
前 o胞间 !细胞壁各层次间就发生了滑移分离 ∀
在顺纹拉伸荷载的作用下 o木材中木射线处易产生比较大的裂纹 o这主要是由于木射线均为薄壁细
胞 o其细胞壁各层次间的结合力更小于早材 o而且其排列方向又与管胞轴向垂直 o在顺纹拉应力作用下 o
很容易发生细胞之间的分离或细胞壁之间的分层而被拔出 o形成较大的裂缝 ∀
木材在横向拉伸载荷的作用下 o本文研究预制裂纹的情况 ∀靠近裂纹处的断裂面比较光滑 o说明裂
纹在预制刀口的引导下 o首先选择木材中最薄弱的地方前行 o这时是裂纹缓慢扩展的过程 o但木材结构
是相当复杂的 o它们的排列虽然有一定的顺序 o但也有很多变化 o因此裂纹在扩展过程中受到的阻力各
不相同 ∀当它扩展到某一点时 o由于阻力较大 o发生了暂时的停顿 o随着外力的增加 o一旦裂纹尖端积累
的能量超过木材中的抵抗 o就发生了快速扩展 o这时往往表现为横过细胞壁的断裂 ∀发生这种快速断裂
sut 林 业 科 学 vz卷
的地方很多在管胞末端 ∀木材中裂纹的扩展路径不规则 o交替发生缓慢的扩展和快速扩展两个阶段 ∀
裂纹缓慢扩展大部分在胞间层或细胞壁之间 o形成的断裂表面是光滑的 o快速扩展则大部分是横过细胞
壁的断裂 ∀随着裂纹尖端的前行 o交替发生胞间层或细胞壁间的分离的慢速扩展和横过细胞壁的快速
扩展 ∀
在断裂表面 o可以观察到纹孔和木射线具有抵抗裂纹扩展的能力 o但并不能说纹孔和木射线是木材
组织中强度比较高的部分 o相反 o木射线和纹孔都是木材中比较薄弱的部分 o它们对裂纹的抵抗能力强
主要是由于其微纤丝的排列和细胞的排列与裂纹扩展方向几乎是垂直的 o若方向一致 o则有可能是最先
形成大裂纹的地方 ∀
参 考 文 献
周 o姜笑梅 q中国裸子植物材的木材解剖学及超微构造 q北京 }中国林业出版社 ot||y ot|w
≤¬·i o • „ ¤±§Ž… ‹¤±±¤q ˜¯·µ¤¶·µ∏¦·∏µ¤¯ ¦«¤µ¤¦·¨µ¬¶·¬¦¶²© º²²§©µ¤¦·∏µ¨ ¶∏µ©¤¦¨¶q • ²²§¤±§ƒ¬¥¨µ≥¦¬¨±¦¨ ot|{v otxkul }tvx ∗ tyv
⁄¨ ¥¤¬¶¨ Š • q  ¦¨«¤±¬¦¶¤±§ °²µ³«²¯²ª¼ ²© º²²§¶«¨¤µ©µ¤¦·∏µ¨ q°«q⁄q⁄¬¶¶¨µ·¤·¬²±o≥·¤·¨ ˜±¬√ µ¨¶¬·¼ ²© ‘¨º ≠²µ®o≥¼µ¤¦∏¶¨ ot|zs
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´2t q杉木抗弯强度破坏后的早材 ≅ vxs ~´2u q杉木抗弯强度破坏后的早晚材 ≅ vxs ~´2v q杉木冲击破坏后的早材 ≅ txs ~´2w q杉
木冲击破坏后的早晚材 ≅ uss ~´2x q杉木冲击破坏后的木射线 ≅ uss ~´2y q马尾松冲击破坏后的早材 ≅ vss ~´2z q马尾松冲击破坏
后的晚材 ≅ uxs ~´2{ q马尾松冲击破坏后的木射线 ≅ uxs ~´2| q杉木横纹拉伸破坏后的表面 }靠近裂纹 ≅ txs ~
´2t q∞¤µ¯¼ º²²§²© ≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µ¥¼ ¥¨ ±§¬±ª ≅ vxs ~´2u q∞¤µ¯¼ º²²§¤±§ ¤¯·¨ º²²§²© ≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µ¥¼ ¥¨ ±§¬±ª ≅ vxs ~´2v q∞¤µ¯¼ º²²§²© ≤«¬±¨ ¶¨
©¬µ¥¼¬°³¤¦·¬±ª ≅ txs ~´2w q∞¤µ¯¼ º²²§¤±§ ¤¯·¨ º²²§²©≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µ¥¼¬°³¤¦·¬±ª≅ uss ~´2x q•¤¼¶²©≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µ¥¼¬°³¤¦·¬±ª ≅ uss ~´2y q∞¤µ2
¼¯ º²²§²© ¤¶¶²± ³¬±¨ ¥¼¬°³¤¦·¬±ª ≅ vss ~´2z q¤·¨ º²²§²© ¤¶¶²± ³¬±¨ ¥¼¬°³¤¦·¬±ª ≅ uxs ~´2{ q•¤¼¶²© ¤¶¶²° ³¬±¨ ¥¼¬°³¤¦·¬±ª ≅ uxs ~
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任海青等 }人工林杉木 !马尾松木材的断裂特性 图版 µ
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µ2t q杉木横纹拉伸破坏后的表面 }远离裂纹 ≅ uss ~µ2u ov ow q杉木横纹拉伸破坏后的表面 }木射线
≅ uss o≅ tus o≅ uxs q
µ2t q≥∏µ©¤¦¨ ²©≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µ¥¼·¨±¶¬²± ³¨µ³¨ ±§¬¦∏¯¤µ·²ªµ¤¬±}©¤µ¤º¤¼©µ²°¦µ¤¦® ≅ uss ~µ2u ov ow q≥∏µ©¤¦¨ ²©
≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µ¥¼ ·¨±¶¬²± ³¨µ³¨ ±§¬¦∏¯¤µ·²ªµ¤¬±} •¤¼¶ ≅ uss o≅ tus o≅ uxs q