竹材的斷裂特性及斷裂機理研究.pdf

1、竹材的力學(xué)性質(zhì)是竹材研究的主要方向，也是竹材加工利用的重要基礎(chǔ)。竹材是一種天然生物質(zhì)梯度復(fù)合材料，具有分級復(fù)合結(jié)構(gòu)；其中空、壁薄、離散分布的竹節(jié)等外觀形態(tài)，維管束的梯度分布和細(xì)胞壁多層結(jié)構(gòu)造就了竹材強度高、韌性好的優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)建筑等領(lǐng)域。斷裂是斷裂力學(xué)的研究范疇，也是構(gòu)件使用過程中選擇和設(shè)計的重要依據(jù)。本研究以毛竹（Phyllostachys pubescens Mazel ex H.de Lebaie）為研究對象，以杉木

2、（Cunninghamia lanceolata[Lamb.]Hook.）為對照材料，基于線彈性斷裂力學(xué)理論，研究竹材Ⅰ型（張開型）斷裂韌性KIC；運用數(shù)字散斑相關(guān)法、電子顯微鏡與加載聯(lián)用裝置和同步輻射μ-CT技術(shù)研究竹材斷裂破壞的演變過程和破壞模式，揭示竹材的韌性破壞機理。竹材斷裂特性的研究不僅是竹材基礎(chǔ)性質(zhì)研究的重要補充，更重要的是為竹材在結(jié)構(gòu)建筑等領(lǐng)域的優(yōu)化設(shè)計、合理、科學(xué)、高效和安全使用提供科學(xué)指導(dǎo)。
　　本論文的主要研究

3、結(jié)果歸納如下：
　　1.預(yù)置LR方向裂紋竹材的Ⅰ型斷裂韌性KIC明顯高于杉木；從竹青到竹黃竹材的KIC呈下降趨勢。緊湊拉伸法測得竹材KLRIC平均值為12.211 MPa?m1/2。
　　2.三點彎曲法研究竹材預(yù)置 LR裂紋的斷裂韌性KLRIC表明，由于竹材纖維在竹材內(nèi)部分布的不均勻性，裂紋預(yù)置在竹黃面K LRIC為9.81MPa?m1/2，裂紋預(yù)置在竹青面KLRIC5.476 MPa?m1/2高78.82％。
　　3

4、.三點彎曲法研究預(yù)置LT裂紋竹材的K LTIC，竹青、竹肉和竹黃部位竹材K LTIC分別為9.636 MPa?m1/2，6.533 MPa?m1/2和4.361 MPa?m1/2，呈梯度下降，竹材的斷裂韌性KLTIC與纖維含量相關(guān)。
　　4.沿徑向分層竹片預(yù)制LT的竹材斷裂韌性KLTIC從竹青到竹黃逐漸下降；杉木木片斷裂韌性KLTIC介于竹片竹肉2和竹肉3之間，比竹肉2低42.47%，比竹肉3高出5.9%，竹材的I斷裂韌性總體上高

5、于杉木。
　　5.數(shù)字散斑相關(guān)法研究竹材受力過程中應(yīng)變場演變過程表明，隨著拉伸載荷增加，應(yīng)變量增大，在裂紋頂端區(qū)域應(yīng)變場集中，隨著載荷增加應(yīng)變場集中范圍擴大；相同拉伸載荷水平下從竹青到竹黃，應(yīng)變量應(yīng)變集中區(qū)逐漸增大。三點彎曲加載方式下，預(yù)制LR裂紋的竹材，裂紋預(yù)制在竹黃面的應(yīng)變量小于裂紋預(yù)制在竹青面應(yīng)變量；前者應(yīng)變場集中區(qū)域在裂紋頂端沿垂直預(yù)置裂紋方向擴展，而后者沿裂紋預(yù)置方向擴展，主要受竹材內(nèi)纖維不均勻分布影響。相同條件下，杉木

6、應(yīng)變量和裂紋頂端的集中區(qū)域都大于竹材，對比表明竹材抗斷裂能力高于杉木。
　　6.電子顯微鏡與加載裝置聯(lián)用，原位觀察竹材破壞過程顯示，竹材受拉伸和彎曲荷載時其裂紋擴展方式不同。順紋拉伸時，裂紋先沿著原來方向擴展至纖維束之后，裂紋擴展方向發(fā)生改變，沿著纖維束與薄壁組織界面順紋擴展，主要由于界面強度遠(yuǎn)小于纖維束的拉伸強度。不同部位竹材拉伸斷裂方式不同，竹青為沿界面發(fā)生劈裂，竹肉呈臺階式破壞，竹黃斷面齊整，破壞模式與竹材的纖維含量相關(guān)。三

7、點彎曲加載方式竹材破壞路徑呈“Z”字形，纖維束逐層破裂破壞，裂紋擴展需要較多的能量，與木材裂紋擴展過程中會產(chǎn)生很多小裂紋不同，表現(xiàn)出很好的韌性。
　　7. ESEM觀察竹材拉伸破壞斷面顯示，薄壁組織拉伸破壞為整齊破壞，維管束先拔出、拉長，到逐漸破壞。三點彎曲破壞特征為，纖維束被拉出竹材，界面破壞；外側(cè)拉伸纖維束長度較內(nèi)層長。杉木破壞斷面整齊斷裂，斷面粗糙。竹材的破壞模式為復(fù)合材料的斷裂特性。
　　8.同步輻射μ-CT技術(shù)觀察

8、竹材破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，竹材拉伸破壞的內(nèi)部斷裂模式為：基質(zhì)斷裂，界面損傷，基質(zhì)破壞、纖維橋聯(lián)，纖維斷裂。竹青纖維含量高，主要發(fā)生界面破壞，纖維斷裂；竹肉纖維含量適中，發(fā)生基質(zhì)破壞、纖維橋聯(lián)；竹黃纖維含量較少發(fā)生基質(zhì)斷裂，纖維拉出斷裂。斷面觀察纖維束破壞呈塔狀。弦向三點彎曲加載時，竹黃側(cè)破壞比竹青側(cè)快，纖維束逐層剝裂，表現(xiàn)出典型的韌性破壞模式。
　　9.竹材竹青、竹肉和竹黃三個部位的維管束拉伸強度和模量逐漸下降。纖維的拉伸強度和模量分別為