許敏敏 孫正軍 王軍 李俊

(國際竹藤中心，北京，100102)

竹材是我國森林資源的重要組成部分，具有生長周期短、成材早、產(chǎn)量高、可再生、輕質(zhì)高強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，具有應(yīng)用于建筑材料的巨大潛力。竹材的力學(xué)特性是竹材研究的主要方向，也是竹材加工利用的重要基礎(chǔ)。但是從結(jié)構(gòu)上看，竹材是天然梯度復(fù)合材料[1]，表現(xiàn)出兩相、多孔、可壓縮和各向異性等力學(xué)特性，給準(zhǔn)確分析和試驗(yàn)帶來較大難度，也限制了其推廣應(yīng)用。

斷裂韌性是材料的基本性能之一。近年來，國內(nèi)外對竹材的斷裂韌性開展了一些研究[2－4]。冼興娟[5]通過三點(diǎn)彎曲方法對毛竹和蒿竹進(jìn)行了初步徑向斷裂韌性測試，Shigeyasu[6]、徐曼瓊[7]進(jìn)一步探討了竹材徑向斷裂韌性由竹青至竹黃的變化趨勢。一方面，現(xiàn)有的研究主要針對徑向和層間斷裂韌性[8－9]，缺乏弦向斷裂韌性的工作，而竹材的各向異性和重組竹材的應(yīng)用對弦向斷裂韌性提出要求;另一方面，現(xiàn)有的研究未采用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的試件和試驗(yàn)方法，因而結(jié)果差異較大，只能用于不同材料的相對比較，無法作為絕對性能數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

據(jù)文獻(xiàn)可知，可用于竹材斷裂韌性測定的參考標(biāo)準(zhǔn)有ISO 13586—2000及ASTM E 399—09。考慮到ISO13586—2000為塑料材料標(biāo)準(zhǔn)，塑料為不可壓縮的彈塑性材料，而竹材為多孔可壓縮材料，在進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí)會有壓痕對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，本研究采用ASTM E399—09標(biāo)準(zhǔn)測量毛竹的弦向斷裂韌性。此標(biāo)準(zhǔn)適用于線彈性平面應(yīng)變金屬材料斷裂韌性測試。測量方法包括緊湊拉伸法(CT)和三點(diǎn)彎曲方法(SENB)，由于竹材呈薄壁筒狀，難以制作含弦向裂紋的標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試樣。本研究采用SENB法加載，利用COD規(guī)測量裂紋張開位移，采用剛度割線法確定PQ，根據(jù)ASTM E399—09標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算KIC值。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料選取

實(shí)驗(yàn)用原材料為4年生毛竹(Phyllostachys heterocycla var.pubescens)，毛竹總高約 15.6 m，圍徑404 mm，采集于安徽黃山公益林場。選取毛竹時(shí)，選用的是1.5～4.0 m的竹筒。本次試驗(yàn)從根部向上1.5 m 處選取4個(gè)竹筒，編號1、2、3、4號。竹筒平均長度為22.8 cm。

1.1.2 試樣制備

試樣在加工廠加工，截取竹筒去節(jié)，縱向劈成條坯，將竹材加工成標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣，試樣長寬厚分別用L、W、H表示。在試件長度的中間位置，預(yù)制裂紋長度為a。a與W的關(guān)系是a/W=0.45～0.55。取 a/W=0.50，即 a的名義尺寸為 8 mm?？紤]到竹材沿徑向的梯度變異，在加工試樣時(shí)，要盡量去掉梯度變化劇烈的外表面竹青和內(nèi)表面竹黃部分，保留梯度變化平緩的竹肉(見圖1)，以減小不對稱性對穿透裂紋影響。圖1為試樣的形狀及端面示意圖。

圖1 試樣的形狀示意圖

表1給出了試樣的含水率、密度、幾何尺寸。

表1 試樣幾何尺寸

1.2 試驗(yàn)方法

利用三點(diǎn)彎曲法測量竹材弦向斷裂韌性。將加工好的試件依次編號，在萬能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)(INSTRON 5582)上對試件進(jìn)行弦向加載，通過COD規(guī)測量裂紋張開位移。載荷傳感器為10 kN。支輥和壓輥直徑都為10 mm，支輥之間的跨距為S=4W。試樣裝置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置圖

采用勻速加載，速度為1.5 mm/min，保證試件在60～90 s破壞。由載荷傳感器及位移傳感器自動(dòng)記錄所得載荷—位移曲線見圖3，裂紋及臨界載荷PQ見圖4。

平面應(yīng)變斷裂韌性KIC均由下列公式得出。其中，PQ為剛出現(xiàn)初始裂紋的臨界載荷，f(a/W)為幾何校正因子。

圖3 試樣的載荷—位移曲線

表2 試樣初始斷裂的KIC值

2 結(jié)果與分析

2.1 臨界載荷PQ的確定

如圖3所示，裂紋出現(xiàn)初始擴(kuò)展之前，載荷—位移曲線為近似線性，裂紋開始擴(kuò)展后，載荷會繼續(xù)增大，直到完全破壞。裂紋剛出現(xiàn)初始擴(kuò)展的臨界點(diǎn)通過剛度法確定:對所得的載荷—位移曲線做切線曲線，得到初始剛度。按照95%剛度原則法，得到另外一條曲線。它與初始的載荷—位移曲線的交點(diǎn)即認(rèn)為是出現(xiàn)初始裂紋那一點(diǎn)，即PQ。加載載荷在350～450 N時(shí)，出現(xiàn)初始裂紋。

圖4 用剛度法確定初始裂紋載荷

2.2 預(yù)制裂紋長度a的確定

預(yù)制裂紋長度a是試件被破壞后測量的。a值是指試件的厚度面與所開預(yù)制裂紋最低端的距離。測量時(shí)對邊緣和中間部位分別測量，求加權(quán)平均值[10]。圖5為試件斷面，圖6為預(yù)制裂紋長度a與KIC的關(guān)系。可知，所選取試樣KIC值在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，可認(rèn)為裂紋深度不會影響KIC的結(jié)果。

圖5 裂口斷面

圖6 裂紋a與KIC的關(guān)系

表2為測得的弦向斷裂韌性KIC值統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，其平均值為 17.10 MPa·m1/2，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.91 MPa·m1/2。比冼興娟(3－4 MPa·m1/2)的結(jié)果高，但遠(yuǎn)低于Shigeyasu(116 MPa·m1/2)的結(jié)果。考慮到后者采用的為非標(biāo)準(zhǔn)測試方法，實(shí)驗(yàn)過程中避免了壓痕對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響和對剛度進(jìn)行了修正，數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定。

表3為4個(gè)竹筒斷裂韌性KIC的方差分析(F=2.260347≤F0.05)，可以看出，選取的毛竹弦向斷裂韌性值比較穩(wěn)定，與竹稈的高度無關(guān)。

表3 毛竹斷裂韌性KIC測試結(jié)果方差分析

2.3 竹材試件斷裂失效模式

對破壞試件，在顯微鏡下觀察，并對破壞模式進(jìn)行分析。圖7為試件的竹青面竹黃面和初始裂紋處的破壞模式。可以看出，試件被破壞后，裂紋并不是按照初始裂紋方向繼續(xù)擴(kuò)展，而是呈現(xiàn)出撕裂的裂紋。并且竹青竹黃斷面的形狀并不一樣。這是因?yàn)橹顸S面的竹纖維較少，密度小，容易撕裂。而竹青面的竹纖維多，密度大。因此斷裂時(shí)，不會沿預(yù)制裂紋方向擴(kuò)展，而是沿纖維方向破壞，并且呈Z型。裂紋尖端在基體內(nèi)和界面上產(chǎn)生高應(yīng)力集中，使裂紋在基體內(nèi)和界面上快速擴(kuò)展，呈撕裂狀態(tài)。

圖7 試件破壞模式

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)參考ASTM E399—09標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，采用COD規(guī)測量裂紋張開位移，避免了因?yàn)橹癫亩嗫仔援a(chǎn)生的壓痕對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，所得的載荷—位移曲線更貼近實(shí)際值。

處理數(shù)據(jù)時(shí)，利用剛度割線法確定初始裂紋載荷，并用95%剛度割線法，試驗(yàn)方法可以很好反映毛竹的斷裂韌性。

參考標(biāo)準(zhǔn)制作試樣，裂紋開口深度不會影響毛竹斷裂韌性，并且毛竹斷裂韌性與竹稈的位置無關(guān)。

竹材有很好的斷裂韌性，斷裂韌性KIC平均值為17.10 MPa·m1/2，可以用作結(jié)構(gòu)材料;竹材出現(xiàn)斷裂時(shí)，呈各向異性特征，由竹青面到竹黃面性能逐漸減弱，竹黃面先出現(xiàn)裂紋，并且裂紋沿著預(yù)制裂紋發(fā)展，竹青面裂紋沿著竹纖維方向擴(kuò)展。竹材出現(xiàn)裂紋后，不會直接被破壞，裂紋擴(kuò)展比較緩慢。

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