植物材料斷裂力學

《植物材料(木、竹)斷裂力學》是一部專著，重點反映了作者在近十年中對木材和竹材的斷裂破壞行為和植物材料強韌性機制的研究工作，目前國內外有關研究植物材料斷裂行為的專著尚未見有。

《植物材料(木、竹)斷裂力學》可供材料科學與工程專業、木材科學與工程專業的本科生、研究生學習使用，也可供相關領域的研究人員、工程技術人員參考。

前言

第1章 緒論

1.1 斷裂力學產生簡史

1.2 材料力學與斷裂力學

1.3 木材斷裂力學及研究進展

1.3.1 對木質材料強度的預測

1.3.2 斷裂力學結合聲發射技術在分析木材裂紋擴展機制上的應用

1.3.3 國內在木材斷裂力學領域的研究進展

1.3.4 竹材斷裂性質的研究

1.4 本書的主要內容

參考文獻

第2章 木材構造的力學特徵及應力應變關係

2.1 木材構造的力學特徵

2.2 固體材料的應力應變關係

2.3 工程彈性常數

2.4 木材的工程彈性常數

2.5 平面應力與平面應變的概念

2.5.1 等厚平板與平面應力

2.5.2 長柱體與平面應變

2.5.3 平面問題的應力應變關係

2.6 木材彈性係數的測定

2.6.1 電測法測試木材彈性係數簡介

2.6.2 數字散斑相關方法測試木材彈性係數簡介

2.6.3 彈性常數的限制

參考文獻

第3章 木材順紋理斷裂

3.1 引言

3.2 線彈性斷裂力學的原理

3.2.1 裂紋及特徵

3.2.2 應力強度因子K及K準則

3.2.3 能量釋放率G及G準則

3.2.4 K與G關係

3.3 各向異性材料斷裂力學

3.4 線彈性斷裂力學在木材中應用的特殊性

3.5 木材順紋理斷裂應力強度因子K IC

3.5.1 測試應力強度因子的基本方法

3.5.2 不同厚度下CT試件的K TL IC

3.5.3 不同裂紋長度下WOL試樣的K TL IC

3.6 能量法測試木材順紋斷裂韌性G TL IC

3.6.1 試材與試樣

3.6.2 DCB試驗與結果

3.6.3 木材順紋開裂能量釋放率(G IC)與臨界應力強度因子(K IC)的關係

3.7 應用分形理論研究木材順紋理斷裂

3.7.1 引言

3.7.2 分形原理

3.7.3 實驗與分析

3.7.4 順紋理斷面分維數與斷裂韌性的關係

3.8 木材順紋理Ⅲ型斷裂性質

3.8.1 引言

3.8.2 試材與方法

3.8.3 實驗與結果

3.9 本章小結

參考文獻

第4章 木材橫紋理斷裂

4.1 引言

4.2 木材橫紋理裂紋尖端應力場分析

4.3 橫紋理裂紋開裂方向

4.4 木材啟裂時臨界應力強度因子的測試

4.4.1 試材和測試方法

4.4.2 啟裂斷裂韌性K LT IC的測試與計算結果

4.5 橫紋理裂紋對木材常規強度的影響

4.5.1 含垂直紋理裂紋時的抗彎強度

4.5.2 含垂直紋理裂紋時的衝擊韌性

4.5.3 含垂直紋理裂紋時的順紋抗拉強度

4.6 木樑Ⅰ型層裂和木膠合板彎曲脫層損傷中的應變能釋放率

4.7 本章小結

參考文獻

第5章 木材裂尖應力場的有限元分析和開裂方向預測

5.1 材料與方法

5.1.1 材料與基礎數據

5.1.2 斷裂分析模型

5.2 裂紋尖端應力場

5.2.1 Mises應力場

5.2.2 垂直和平行原裂紋面的σ y、σ x應力場

5.2.3 開裂方向預測

5.3 對木材界面強度與韌性的討論

5.4 本章小結

參考文獻

第6章 木材損傷斷裂過程的聲發射特性分析與Felicity效應

6.1 引言

6.2 木材損傷與木材細觀損傷基本構元

6.3 材料、設備與方法

6.3.1 試材與試樣

6.3.2 設備

6.3.3 AE研究方法

6.4 實驗結果與分析

6.4.1 彎曲試驗

6.4.2 產生純Ⅰ型層間損傷的DCB試驗與產生胞壁屈曲與塌潰損傷的壓縮試驗

6.4.3 木材不同損傷類型的聲發射特徵

6.5 Felicity效應

6.6 本章小結

參考文獻

第7章 竹結構的力學特徵與組分力學性質

7.1 引言

7.2 竹結構的力學特徵

7.3 竹材組分的力學性質

7.3.1 混合律方法

7.3.2 單束纖維測試方法

7.3.3 拉伸破壞的斷口分析

7.4 毛竹節間材與節部材的構造與強度差異研究

7.4.1 材料與方法

7.4.2 竹節與節間材的結構差異

7.4.3 竹節與節間材的強度差異

7.5 本章小結

參考文獻

第8章 竹材的層間斷裂性質

8.1 引言

8.2 竹材的Ⅰ型層裂性質

8.2.1 試驗原理

8.2.2 試樣與方法

8.2.3 結果與分析

8.2.4 Ⅰ型斷面分析

8.3 竹材的Ⅱ型層間斷裂

8.3.1 試驗原理

8.3.2 試材與方法

8.3.3 結果與分析

8.4 本章小結

參考文獻

第9章 竹材橫向斷裂的物理模型與能量吸收機制

9.1 引言

9.2 竹材橫向斷裂的特徵

9.3 竹材韌性斷裂的能量吸收機制

9.3.1 對增強體的力學簡化

9.3.2 基本組織的變形和開裂

9.3.3 界面脫黏分離

9.3.4 纖維斷裂及斷後應力重新分佈

9.3.5 竹纖維束抽拔

9.3.6 實例計算

9.4 橫斷面分析

9.5 本章小結

參考文獻

第1章緒論

木材和竹材是植物中能夠用作結構材料的兩種天然材料，同時也是世界上使用最久遠並且目前仍用得最為廣泛的天然結構材料。今天，這兩種天然材料的世界產量與鋼鐵大致相當，每年大約為10億t，其中有許多是用於結構方面的，如承受載荷的梁、棚架、地板和支撐體。竹材也是一種優良的工程結構材料，它強度大、剛度好、耐磨損，很早人們就用竹材建造竹樓，用作建築腳手架、竹梯。因此，研究它們的強度和剛度，認識其破壞行為，對於木、竹結構的設計和安全評價非常重要。斷裂是材料或結構最危險的失效形式，在很多情況下可能會產生災難性的後果。所以，研究材料和構件斷裂的機理、控制和減少斷裂事故的發生，一直是材料科學工作者和工程技術人員的重要課題之一[1]。

木材和竹材也是具有明顯細觀結構、可在多尺度下研究的天然複合材料，由於非均勻、各向異性和天然存在的微觀甚至宏觀的缺陷或損傷（裂紋），受載荷后這些初始缺陷或損傷的不規則演化行為決定著木、竹材的宏觀力學行為。因此，用斷裂力學的理論和方法去分析木、竹材的斷裂破壞行為，了解生物材料受載荷后內部微細結構的變化，並溝通其與宏觀力學響應之間的聯繫，對於木、竹結構的設計選材和結構安全分析具有重要意義，同時也對研發能夠克服生物材料缺點、具有特殊強韌性能的新型生物質複合材料具有指導作用。

1.1 斷裂力學產生簡史

早在1920年，Griffith曾對玻璃、陶瓷等理想脆性材料的斷裂問題進行過研究，得到了一些關於材料強度的新觀念[2]。但在當時這些脆性體不作為工程結構材料，其他結構材料表現為脆性斷裂的也為數甚少，因此他的理論並未引起廣泛的重視。

自第二次世界大戰以來，隨著高強度鋼的廣泛應用，人們建造了許多大型焊接結構物，結果發生的大事故明顯增多。儘管這些結構物都滿足傳統的設計要求，但常在低應力水平下突然發生脆性斷裂，而且在發生前沒有預兆，所以常會造成災難性破壞。例如，在1938～1940年，連續發生了40座焊接橋樑的突然倒塌；在第二次世界大戰期間，有兩千多艘焊接艦船出現了一千多次的斷裂事故，238艘報廢，有的萬噸輪會在風平浪靜中突然斷裂成兩半；1965年英國海上鑽井平台因支柱的拉杆發生脆斷，平台沉沒；1965、1968年，美、日分別出現巨型壓力容器的爆炸，美國一巨型液糖罐破裂，竟淹死了35人；1969年美國連續發生F-111戰鬥機、C-56軍用機因機翼轉軸脆斷墜毀等。這些重大破壞的頻繁發生震驚整個工程界，因為這些結構物的破壞都是在滿足傳統強度設計要求的情況下發生的。人們感到這不再是偶然因素的作用，一定是傳統的設計思想忽略了什麼。通過大量的調查研究，人們發現許多事故的直接破壞原因是結構中有裂紋存在。

近五十多年來，人們對含裂紋體的破壞進行了大量的理論和試驗研究，產生了斷裂力學這門新的學科，為結構和構件的安全設計提供了新的思想和方法，並廣泛用於金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、木材及複合材料中。因此，可以說斷裂力學是一門研究裂紋體強度的科學，它的產生與發展是與工程重大破壞事故的發生有密切的關係。

1.2 材料力學與斷裂力學

防止斷裂是材料力學這門學科的主要任務之一。按照材料力學的設計思想[3，4]，對每種材料要求測定四項機械性能指標：

強度指標屈服極限σs

強度極限σb

韌性指標延伸率δ

衝擊韌性Kα

傳統的設計方法：

σ構件≤[σ]

式中，塑性材料[σ]=σsn，脆性材料[σ]=σbn，其中n>1，為安全係數。並且，對於承受衝擊的構件和壓力容器須校核韌性。

上述傳統的設計思想的基礎是建立在材料的連續均勻性假設之上的，認為材料中沒有裂紋和缺陷存在。實際上，工程材料中的裂紋和缺陷是不可避免的。但並不是說存在裂紋就一定發生斷裂，是否會發生斷裂，除了與裂紋長度、外力大小等因素有關外，還與材料對裂紋的敏感度――“斷裂韌度”有關[4]。

斷裂力學拋棄了物體的連續性假設，它以彈、塑性力學為理論工具，給出了含裂紋體的應力場和位移場，並據此確定出決定裂紋擴展的物理量――斷裂韌度，並給出了全新的強度設計觀念，通過試驗測定出材料抵抗裂紋擴展的能力（即斷裂韌度KC、GC），從而建立新的強度準則――斷裂判據，如針對材料脆性斷裂的準則：

K準則：K=KC

G準則：G=GC

材料力學方法是一種直觀、經驗的處理方法，表述簡單，易於應用，但忽視了材料固有缺陷的影響。斷裂力學則是對傳統設計概念的不足和不合理提供了補償，並因此對整個材料製造業帶來具有重要指導意義的影響，如界面弱化的增韌機制即為斷裂力學原理在人工複合材料設計中得到很好應用的一個範例[5]。

1.3 木材斷裂力學及研究進展

1.3.1 對木質材料強度的預測

將斷裂力學原理應用於木質材料中，始於Porter的首篇論文“On the me-chanics of fracture in wood”[6]，Porter基於能量平衡，將線彈性斷裂力學理論成功地應用於美國西部白松在LT和LR平面的張開型斷裂。該研究提出了一種確定木材斷裂參數（應變能釋放率）的方法，研究表明，開裂過程中的應變能釋放率GⅠC是獨立於試件幾何尺寸和裂紋長度的，GⅠC也代表著材料對於順紋理裂紋擴展的阻力，通過對GⅠC的了解可以提供對應力和裂紋長度綜合值的預測，該值將導致裂紋快速擴展並導致最終斷裂。繼此篇研究論文之後，各國木材科學研究人員在這方面做了大量的工作，提出了各種木材斷裂模式以及斷裂韌性的測試方法和各種斷裂判據，並應用斷裂力學原理在解決木材及木結構的一些實際問題上取得了初步結果。

截至目前，用於木質材料的宏觀斷裂準則大致可分為兩類：一類是具有熱力學意義、基於沉入裂紋尖端過程區能量的準則，如能量釋放率G準則[7，8]；另一類是具有力學意義、基於裂尖過程區範圍強度的準則，如應力強度因子K準則[9，10]。但由於木材具有許多不同於其他正交異性材料的明顯特點，從而也給應用線彈性斷裂力學帶來了困難，從木材的組成與構造來看，其三個主方向間的高度異性是主要問題[11]。各向異性情況的複雜性在於裂紋並不一定沿其初始方向以平面的形式擴展，由於在處理與主方向成一定夾角的裂紋時所存在的數學困難太大，所以到目前為止，關於木質材料的斷裂問題，大多數都是討論裂紋以自相似擴展時的情況。

木材斷裂性質的早期研究主要集中在TL、RL型裂紋體上，這是因為木材在樹木生長過程中和加工過程中形成的裂紋和缺陷大都在纖維方向上，而木材又在沿纖維方向上抵抗裂紋擴展的阻力最小。線彈性斷裂力學原理用於裂紋沿木材順紋擴展的斷裂問題是成功的，並已取得了大量的研究成果。而近幾年的研究工作則集中在TR、RT裂紋體的擴展模式和木材的界面機制上（後者是與LR、LT裂紋體有關）。木材在剛度和強度方面展示了強烈的各向異性性質，由外部施加的載荷或由周圍環境條件（如濕度和溫度）瞬變而引起的張力，對在垂直纖維方向是非常不利的，實驗中的TR裂紋擴展與木材的徑裂、RT裂紋擴展與木材的輪裂非常相似，所以，在木材中沿紋理面上由張力而形成並擴展的裂紋，自然一直是木材斷裂力學研究領域中活躍的課題。

Wu最早將正交各向異性模型應用於木材之上[12，13]，並應用線彈性斷裂力學（LEMF）預測了含裂紋木材橫紋抗拉強度和順紋抗剪強度，同時還提出了一個在混合應力模式下的預測破壞的經驗模型。此後，各國學者如Mindness等[14]、Barrett和Foschi[15]、Schnewind[16]、Smith和Penny[17]、White和Green[18]應用線彈性斷裂力學在預測木材強度方面做了大量的工作。Triboulot和Pluvinage[19]在1984年進一步應用有限元法對實驗結果進行了比較，證實將木材假定為正交各向異性體和彈性體以及將斷裂力學的概念用於木材中是可行的。

木材由於樹節、切口、裂縫或其他不連續性引起應力集中，斷裂力學可以對其起裂進行合理的預測。例如，對於包含樹節的板材強度，Boatright和Garrentt用“等量裂紋長度Le”代替樹節[20]，Le表示與含樹節試樣發生初始開裂相同的應力水平的無疵試樣產生斷裂的裂紋長度，但此方法僅適用於順紋拉伸荷載。

Murphy應用斷裂力學原理對含有樹節、切口、邊裂或端裂的板材的抗彎強度進行估算，即使在順紋應力狀態下，裂紋沿與切口垂直的方向擴展，斷裂力學依然能夠預測帶切口試件的強度[21]。1976年，Foschi和Barrett[22]在研究不同斷裂長度對木樑抗彎強度的影響時，得到不影響短期強度的最大允許斷裂長度，此項研究成果被加拿大標準協會在《木材工程結構設計》中採用[23]。

應用斷裂力學對於木材及木質構件的強度設計和安全預測，目前有許多研究工作在深入開展。法國木材科學研究所應用斷裂力學原理與方法，預測因生長應力的積累與釋放而使木材開裂的方向和開裂深度，是在研究思路上的全新探索和突破。近幾年木材斷裂破壞的研究正通過和微觀相結合來探索木材的強韌機制。

例如，Stefanie和Stanzl[24]在2006年通過置於環境掃描電子顯微鏡的斷裂試驗，研究了承載木材的微結構演化和斷裂力學響應，同時還分析了Ⅰ型裂紋啟裂時的斷裂韌性KⅠC和相應的斷裂能量GⅠ的關係，以及KⅠC和GⅠ相對應不同木材種類（硬木和軟木材）、取向和密度、濕度間的關係。

1.3.2 斷裂力學結合聲發射技術在分析木材裂紋擴展機制上的應用

美國的Porter教授首先在1964年將聲發射（acoustic emission，AE）技術應用在木材斷裂研究[6]，並在1972年由Knuffel提出了木材斷裂可以分為三個階段：啟裂、生長和最終破壞，根據他們的觀點，把破壞看作非單一的事件，而是一個連續的過程，並且每一個階段聲發射呈現不同的特徵[25]。以後有人利用聲音在木材中傳播的特點和用聲發射預測木材的彈性模量。1982年Ansell研究三種軟材的拉伸性質時發現AE應變曲線的形狀受早晚材率的影響[26]。1984年Sato和Fushitani也研究了在拉伸實驗中的AE行為發現AE總數與強度有負相關係，並區別了同微裂紋穿過年輪擴展有關的慢速AE和同宏觀裂紋穿過年輪擴展有關的快速AE[27]。Ogino等於1986年試圖建立AE與開裂的關係，發現AE能（由振幅峰值的平方計算得到）在第一個微裂紋發生后不久即迅速增加，通過頻譜分析表明在開裂之前會出現高頻分量，一旦開裂，頻率就會減低，而低的頻率僅出現在已經開裂之後，發自木材幹燥的AE信號的頻譜可以分為四種模式，可以通過觀察，如果其中的兩種模型出現，則可以作為開裂的預警信號[28]。1987年Su-zuki和Schniewind研究了斷裂韌性和用不同黏結劑的木質材料的聲發射[29]，發現斷裂韌性與單位裂紋區域上的AE總數之間存在線性關係。1990年Rice和Skarr研究了在橫向力彎曲下的紅櫸板材的聲發射，發現生材與乾材兩者是有差別的[30]。1992年Niemz和Luhmann研究了聲發射在不同的負荷下和不同木材的關係，他們並沒有發現AE參數與材料強度之間的關係並給出AE測量值具有很高分散性的報告[31]。同年Ando等採用單邊裂紋試樣研究了斷裂韌性與聲發射之間的關係，並指出紋理角度的影響[32]。1996年Schniewind等記錄了木材在不同含水率和溫度時Ⅰ型與混合型斷裂試驗中的AE信號，發現在混合型試驗中AE活動特別頻繁，而且還應用聚類分析發現了AE性質與木材斷裂僅存在很小的相互關係，但又發現在遠遠超過木材極大荷載的載荷下的聲發射與在很低的載荷下的聲發射有明顯的不同[33]。1998年Aicher和Dill-langer將AE用於定位在垂直纖維受拉伸中膠合板的裂紋源[34]。2000年Reiteres等結合聲發射監測裝置對三種硬材、兩種軟材的Ⅰ型斷裂過程進行了研究，所用試樣為RL裂紋擴展系統試樣。

發現槽口拉伸強度與密度相關，斷裂比能和特徵長度則顯示在軟材和硬材之間存在差別，軟材多以延性方式斷裂，硬材多以線彈性方式斷裂，這一特徵得到AE測試結果的支持，硬材AE總數很少表明硬材較少有微裂紋形成，並且“纖維橋連”（fiber bridgig）的影響也不大，從而解釋硬材具有更多的脆性性質[35]。Ando等基於聲學發射特徵和斷裂表面分析，研究了新舊木材在剪切斷裂過程中微觀行為，發現在低負荷時發生的AE積累數在舊木材中比在新木材中多，根據聲學發射振幅分佈分析，發現舊木材在承載過程中比新木材更易發生小振幅AE信號[36]。

1.3.3 國內在木材斷裂力學領域的研究進展

我國對木材斷裂力學性質的研究開始較晚。鹿振友教授在1988年發表了國內首篇介紹國外在該領域的研究進展的綜述文章[37]，5年後範文英和徐虹[38]在實驗室採用單邊切口的三點彎曲試件對杉木橫紋斷裂韌性KTLⅠC做了測試，同時也探討了試件厚度的影響。1999年孫艷玲和鹿振友應用有限元計算了水曲柳Ⅰ型斷裂時裂紋尖端的應力場及應力強度因子[39]，並通過對數據進行後期處理，繪製出裂紋尖端附近的應力強度因子分布圖。江澤慧和胡一貫在2000年運用同步輻射光源，對杉木和馬尾松徑、弦向切片在拉應力作用下的破壞過程進行了觀察[40]，發現木射線和紋孔對裂紋擴展起阻礙和終止作用。2001年，任海青和江澤慧[41]應用線彈性斷裂力學理論測試了人工林杉木、馬尾松的斷裂韌性，並使用掃描電子顯微鏡觀察了杉木、馬尾松橫紋拉應力、順紋拉應力及衝擊載荷作用下的破壞表面，認為木材的微觀構造影響其斷裂過程。王麗宇和鹿振友在2002年以白樺為研究對象，利用數字散斑相關技術對白樺Ⅰ型裂紋的演化、增長的力學行為作了實驗研究，記錄了裂紋尖端局域場形變信息的散斑圖像[42]，通過對位移場分布圖的分析表明，裂紋尖端附近有較大變形，應力集中明顯。費本華和張東升在2003年運用數盒子法對裂紋發育帶在二維平面內的分佈進行了分形特徵研究[43]，表明木材裂紋的分形維數在1.2～1.5，並認為裂紋的分形維數隨著裂紋的擴展呈增加的趨勢。此後費本華又以不同手段測量了木材橫斷破壞斷口的分維數[44，45]。

作者也在近幾年中較系統地研究了木材斷裂力學行為，並就線彈性斷裂力學原理應用於木材斷裂的特殊性[11]、實驗方法[46，47]、木材橫紋理斷裂強度的設計準則和強韌性機制[48]、木材中不同方位裂紋的裂尖應力場和開裂方向預測[49]、木材細觀損傷基本構元的界定[50]，以及揭示木材抗順紋理斷裂性能與木材細觀構造的內在聯繫等[51]方面均有著獨立的見解。但從總體而言，由於國內在木材斷裂力學領域裡的研究起步晚，研究的範圍和深度還不及國外廣泛深入。