不同温度条件下白桦和水曲柳木材横纹弯曲及应力松弛性能研究

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本研究选取散孔材白桦(Betula platyphylla Suk.)和环孔材水曲柳(Fraxinus mandshurica Rupr.)两种木材为试验材料,在20℃-180℃温度范围内对木材弯曲和应力松弛性能进行研究,并分析应力松弛对弯曲形变固定的影响。不仅能丰富木材力学理论知识,还能为实木弯曲工艺提供数据支持和理论指导。试验内容包括:①温度对木材弯曲性能的影响,通过研究弹性模量、比例极限应力、破坏应力、比例极限应变、破坏应变以及韧性系数随温度的变化关系,探讨温度对弯曲力学性能的影响。根据控温介质的不同,试验分别在两种不同的状态下进行:20℃-100℃恒定温度水饱和状态和80℃-180℃恒定温度乙二醇饱和状态。②温度对木材应力松弛及形变固定的影响,通过研究不同温度条件下残余应力及应力松弛率随时间的变化关系,揭示20℃-80℃恒定温度及匀速升温条件、80℃-180℃的恒温及匀速升温条件下的木材弯曲应力松弛性能。同时,通过测量松弛结束后的弯曲形变,考察松弛过程对木材弯曲形变固定的影响。通过上述研究,本论文得出以下主要结论:1、弦向加载时的气干材各弯曲力学指标变异系数都比径向加载时小,相同加载方向条件下的白桦气干材各力学指标值分别大于水曲柳气干材。水饱和状态下的弹性模量、比例极限应力和破坏应力都比气干时的小,但水饱和状态下的破坏应变和韧性系数反而远大于气干状态时,气干和水饱和状态下的比例极限应变几乎无差异,说明水分能增大木材的塑性变形。2、不同温度条件下的弯曲力学性能:①在20℃-100℃温度范围内,随温度的升高,水饱和状态下弹性模量、比例极限应力、破坏应力都减小,比例极限应变几乎不变,破坏应变和韧性系数都增大,说明在水饱和状态下,升高温度能增大木材的塑性变形。②在80℃-180℃的温度范围内的乙二醇饱和状态下,白桦和水曲柳木材的弯曲比例极限应力、破坏应力、比例极限应变、破坏应变以及弹性模量都随温度升高而减小。其中白桦木材的比例极限应力、破坏应力和弹性模量均比水曲柳的大,而比例极限应变和破坏应变则比水曲柳小。在80℃-180℃温度范围内,白桦木材的韧性系数随温度升高而连续减小,而水曲柳木材的韧性系数几乎不变。3、弯曲应力松弛性能:①在20℃-80℃恒定温度的水饱和状态下,应变水平对白桦和水曲柳木材应力松弛的影响比温度更明显。升温条件能明显加剧饱水材应力松弛,升温幅度越大,残余应力越小,松弛率越大。②在80℃-180℃的恒定温度范围内,处于乙二醇饱和状态的木材弯曲残余应力随温度升高呈减小趋势。但应力松弛松弛率与具体温度有关,当温度在80℃-120℃时,应力松弛率几乎保持不变;但在120℃-180℃温度范围内,温度越高,应力松弛率越大。③在温度从80℃-170℃升至180℃的条件下,当处于乙二醇饱和状态的白桦木材初始温度在80℃-120℃温度范围时,应力松弛试样均发生破坏,但初始温度在130℃-170℃温度范围时试样不发生破坏。对于处于乙二醇饱和状态的水曲柳木材,初始温度在80℃-140℃时试样发生破坏,而初始温度在150℃-170℃时不破坏。无论试样破坏与否,不同升温条件下应力松弛结束时的残余应力都极小,应力松弛率都极大,且彼此间大小差别不大。4、弯曲形变固定量:①对于松弛发生在20℃-80℃温度范围内的饱水材,应力松弛结束24hr后其相对弯曲形变量便趋于稳定。温度越高,稳定后的相对形变量越大;对于在升温条件下发生应力松弛的饱水材,其最终相对形变量比相应初始恒定温度条件下大,且升温幅度越大,最终相对形变量也越大。②对于乙二醇饱和状态的木材,当应力松弛发生在80℃-180℃温度范围内时,应力松弛结束48hr后其相对弯曲形变量便趋于稳定。对于在80℃-120℃恒定温度条件下发生弯曲应力松弛的木材,其稳定后的相对形变量差异不大,但在130℃-180℃的恒定温度条件下,应力松弛时的温度越高,木材相对形变量越大。而对于温度从80℃-170℃升至180℃升温条件下未破坏的应力松弛试样,同一树种试样的最终弯曲形变量大小几乎相等且大于相应恒定温度条件下的形变量。
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