6.1.1 应力与应变

6.1.1.1 应力（Stress）

物体受外力作用，其内部分子间产生抵抗力以抵抗外力作用产生的破坏，这种物体内部抵抗力称为内力。物体单位截面上内力称为应力，用σ表示，单位为Mpa（或kg/cm2）。

σ= P/A

式中：P为外力，单位为N或Kg；

A为物体受力面积，单位为mm 2或cm2

物体在平衡状态时，内力与外力的大小相等方向相反。当外力的大小超过物体所能承受的力时，物体即失去平衡，发生大小和形状的变化或破坏。

按照物体受力状况和物体受力产生的变形，应力分为三种基本类型：拉应力、压应力、剪应力，如图6-1中A、B和C。

（1）拉应力 两个大小相等而方向相反的外力沿着木材同一方向线作用，引起木材拉伸变形，此时外力垂直木材的截面上应力称为拉应力。

（2）压应力 两个大小相等而方向相反而相对的外力，沿着木材同一方向作用引起木材压缩变形。此时外力垂直于木材截面上产生应力称为压应力。

（3）剪切应力 两个大小相等方向相反接近平行外力作用于木材，促使木材一部分相对于另一部分发生错动的剪开现象，此时错开面上产生应力称为剪应力。

6.1.1.2 应变(Strain)

物体受外力作用后所发生大小和形状变化称为变形，一定的外力就产生一定的形变。物体单位长度上变形称为应变，用ε表示。

ε=△L/L（无量纲单位）

式中：L为物体原来的长度

△L为物体受外力作用后，其长度上变化量。如果物体受拉力作用，长度增加，△L为正值。反之，受压长度变短，△L为负值。所以，习惯上拉应力用“+”号表示，压应力用“-”号表示。

6.1.1.3 应力、应变间相互关系

物体受随外力作用产生形变，一定外力产生相应的应力、应变，应力应变是同时产生的。外力在某一限度内，应变与应变成正比，二者呈线性关系；外力超过某一范围，二者直线关系就转变为呈曲线关系。随着外力逐渐增大，物体最终出现破坏，此时应力达到最大值。以应力为纵坐标，应变为横坐标，表示应力和应变关系的曲线称应力——应变图（图6-2）。

按照虎克（Hook）定律，在应力与应变直线关系范围内，大多数材料的应力和应变之间存在着一定的指数关系。

ε=a×σⁿ

式中：ε为应变，σ为应力，a和n为常数，取决于材料的性质。试验表明铸铁、铜、花岗石、砂石和混凝土等刚性材料n>1，皮革和麻绳等柔性材料n＜1，铝和木材等材料n=1，因此木材的应力和应变关系，可用下式表示：

ε=a×σ

σ=ε×1/a ＝ E×ε

其中：E=1/a，为木材弹性模量，它是衡量材料刚性的指标，E数值大，材料的刚性大，变形小，不易破坏，单位为Gpa（或kg/cm²）。

图6—2，示杉木弯曲时的应力——应变图。木材在比例极限应力下可近似看作弹性，在这极限以上的应力就会产生塑性变形或发生破坏。木材的弹性和塑性还受水分、温度和时效的影响。随着水分的增加，温度的升高，作用时间延长，原弹性变形部分可转化为塑性变形。

木材的抗压、抗拉和抗弯弹性模量大致相等，但抗压弹性极限比抗拉的小得多。

6.1.2 比例极限、弹性变形、永久变形

6.1.2.1 比例极限（应力）

图9—1应力与应变关系中，作用于木材的外力继续增大，应力与应变成正比例直线关系破坏时转折点应力称为比例极限（Pp）。

6.1.2.2 弹性变形

图9—1应力与应变关系中，，不超过比例极限的外力作用于木材所产生的变形随着外力除去而消失，即能够恢复原来的形状、尺寸，这种变形称为弹性变形。弹性变形多发生在比例极限内，弹性变形是可以恢复的，就象橡胶拉伸压缩一样。

6.1.2.3 塑性变形

作用于物体的外力超过比例极限时产生的变形，不随外力除去而消失，而保留变形后形状，这种变形称为永久变形即塑性变形。永久变形（塑性变形）发生时，外力已超过比例极限应力，不能恢复到原来形状和大小。

开始产生永久变形的一点称为弹性极限。木材的弹性极限微高于比例极限，但相差无几，通常二者不分，只测定比例极限时的荷载。

6.1.3 刚度、脆性、韧性和塑性

6.1.3.1 刚度

物体受外力作用时保持其原来形状和大小的能力，称为刚性。木材具有较高的刚度－密度比，故适用于建筑材料。

6.1.3.2 脆性

材料在破坏之前无明显变形的性质，称为脆性。脆性材料的破坏强度低于正常木材，其破坏面垂直或近于垂直木材纹理，破坏面平整，骤然破坏无预兆。脆性材料的破坏（A）与正常木材的拉伸撕裂破坏（B）面完全不一样，如图。脆性产生的原因不一，树木生长不良、遗传、生长应力、木材的缺陷和腐朽均可导致木材的脆性。脆性木材较正常木材的重量轻，细胞壁物质即纤维素的含量低。通常针叶树材生长轮特别宽，阔叶树材生长轮特别窄的木材，易形成脆性木材。

6.1.3.3 韧性

韧性是木材吸收能量和抵抗反复冲击荷载，或抵抗超过比例极限的短期应力的能力，其单位为kJ/m2。木材的韧性与木材的抗冲击性和抗劈性密切相关，韧性大的木材其抗冲击性和抗劈性也佳，所以木材的韧性可用木材的抗冲击性和抗劈性来表示。韧性木材与脆性木材相反，其破坏面呈纤维状，破坏前多有征兆。

6.1.3.4 塑性

物体受外力作用产生变形，当外力解除后能保持变形后形状的性质，称为塑性。木材不是完全的弹性材料，仅在一定限度内具有弹性。木材之所以具有永久变形，是由于木材具有塑性的缘故。

木材塑性大小与温度、含水率、树种和树龄有一定的关系。木材是以纤维素、半纤维素、木素等主要成份组成的高分子材料，其性质既具有弹性，也具有热塑性。木素是热塑性物质，全干状态下其热软化点在为127~193℃之间；而在湿润状态下则显著降低到77~128℃之间。半纤维素由于吸着水的存在，其软化点的降低和木素有着相似的情况。骨架物质纤维素，其热的软化点大于232℃，它的结晶性不受水分的影响，但其玻璃态转化点随含水率的增加而降低。可见木材塑性受温度和含水率的影响很大。温度在0℃以上，木材的塑性随含水率的增加

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