毛竹弦向断裂韧性1)

许敏敏 孙正军 王军 李俊

(国际竹藤中心，北京，100102)

竹材是我国森林资源的重要组成部分，具有生长周期短、成材早、产量高、可再生、轻质高强等显著优点，具有应用于建筑材料的巨大潜力。竹材的力学特性是竹材研究的主要方向，也是竹材加工利用的重要基础。但是从结构上看，竹材是天然梯度复合材料[1]，表现出两相、多孔、可压缩和各向异性等力学特性，给准确分析和试验带来较大难度，也限制了其推广应用。

断裂韧性是材料的基本性能之一。近年来，国内外对竹材的断裂韧性开展了一些研究[2－4]。冼兴娟[5]通过三点弯曲方法对毛竹和蒿竹进行了初步径向断裂韧性测试，Shigeyasu[6]、徐曼琼[7]进一步探讨了竹材径向断裂韧性由竹青至竹黄的变化趋势。一方面，现有的研究主要针对径向和层间断裂韧性[8－9]，缺乏弦向断裂韧性的工作，而竹材的各向异性和重组竹材的应用对弦向断裂韧性提出要求;另一方面，现有的研究未采用符合国际标准的试件和试验方法，因而结果差异较大，只能用于不同材料的相对比较，无法作为绝对性能数据标准。

据文献可知，可用于竹材断裂韧性测定的参考标准有ISO 13586—2000及ASTM E 399—09。考虑到ISO13586—2000为塑料材料标准，塑料为不可压缩的弹塑性材料，而竹材为多孔可压缩材料，在进行弯曲试验时会有压痕对实验结果产生影响，本研究采用ASTM E399—09标准测量毛竹的弦向断裂韧性。此标准适用于线弹性平面应变金属材料断裂韧性测试。测量方法包括紧凑拉伸法(CT)和三点弯曲方法(SENB)，由于竹材呈薄壁筒状，难以制作含弦向裂纹的标准紧凑拉伸试样。本研究采用SENB法加载，利用COD规测量裂纹张开位移，采用刚度割线法确定PQ，根据ASTM E399—09标准公式计算KIC值。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 材料选取

实验用原材料为4年生毛竹(Phyllostachys heterocycla var.pubescens)，毛竹总高约 15.6 m，围径404 mm，采集于安徽黄山公益林场。选取毛竹时，选用的是1.5～4.0 m的竹筒。本次试验从根部向上1.5 m 处选取4个竹筒，编号1、2、3、4号。竹筒平均长度为22.8 cm。

1.1.2 试样制备

试样在加工厂加工，截取竹筒去节，纵向劈成条坯，将竹材加工成标准三点弯曲试样，试样长宽厚分别用L、W、H表示。在试件长度的中间位置，预制裂纹长度为a。a与W的关系是a/W=0.45～0.55。取 a/W=0.50，即 a的名义尺寸为 8 mm。考虑到竹材沿径向的梯度变异，在加工试样时，要尽量去掉梯度变化剧烈的外表面竹青和内表面竹黄部分，保留梯度变化平缓的竹肉(见图1)，以减小不对称性对穿透裂纹影响。图1为试样的形状及端面示意图。

图1 试样的形状示意图

表1给出了试样的含水率、密度、几何尺寸。

表1 试样几何尺寸

1.2 试验方法

利用三点弯曲法测量竹材弦向断裂韧性。将加工好的试件依次编号，在万能力学实验机(INSTRON 5582)上对试件进行弦向加载，通过COD规测量裂纹张开位移。载荷传感器为10 kN。支辊和压辊直径都为10 mm，支辊之间的跨距为S=4W。试样装置如图2所示。

图2 试验装置图

采用匀速加载，速度为1.5 mm/min，保证试件在60～90 s破坏。由载荷传感器及位移传感器自动记录所得载荷—位移曲线见图3，裂纹及临界载荷PQ见图4。

平面应变断裂韧性KIC均由下列公式得出。其中，PQ为刚出现初始裂纹的临界载荷，f(a/W)为几何校正因子。

图3 试样的载荷—位移曲线

表2 试样初始断裂的KIC值

2 结果与分析

2.1 临界载荷PQ的确定

如图3所示，裂纹出现初始扩展之前，载荷—位移曲线为近似线性，裂纹开始扩展后，载荷会继续增大，直到完全破坏。裂纹刚出现初始扩展的临界点通过刚度法确定:对所得的载荷—位移曲线做切线曲线，得到初始刚度。按照95%刚度原则法，得到另外一条曲线。它与初始的载荷—位移曲线的交点即认为是出现初始裂纹那一点，即PQ。加载载荷在350～450 N时，出现初始裂纹。

图4 用刚度法确定初始裂纹载荷

2.2 预制裂纹长度a的确定

预制裂纹长度a是试件被破坏后测量的。a值是指试件的厚度面与所开预制裂纹最低端的距离。测量时对边缘和中间部位分别测量，求加权平均值[10]。图5为试件断面，图6为预制裂纹长度a与KIC的关系。可知，所选取试样KIC值在很小的范围内波动，可认为裂纹深度不会影响KIC的结果。

图5 裂口断面

图6 裂纹a与KIC的关系

表2为测得的弦向断裂韧性KIC值统计分析结果，其平均值为 17.10 MPa·m1/2，标准差为 0.91 MPa·m1/2。比冼兴娟(3－4 MPa·m1/2)的结果高，但远低于Shigeyasu(116 MPa·m1/2)的结果。考虑到后者采用的为非标准测试方法，实验过程中避免了压痕对实验结果的影响和对刚度进行了修正，数据相对稳定。

表3为4个竹筒断裂韧性KIC的方差分析(F=2.260347≤F0.05)，可以看出，选取的毛竹弦向断裂韧性值比较稳定，与竹秆的高度无关。

表3 毛竹断裂韧性KIC测试结果方差分析

2.3 竹材试件断裂失效模式

对破坏试件，在显微镜下观察，并对破坏模式进行分析。图7为试件的竹青面竹黄面和初始裂纹处的破坏模式。可以看出，试件被破坏后，裂纹并不是按照初始裂纹方向继续扩展，而是呈现出撕裂的裂纹。并且竹青竹黄断面的形状并不一样。这是因为竹黄面的竹纤维较少，密度小，容易撕裂。而竹青面的竹纤维多，密度大。因此断裂时，不会沿预制裂纹方向扩展，而是沿纤维方向破坏，并且呈Z型。裂纹尖端在基体内和界面上产生高应力集中，使裂纹在基体内和界面上快速扩展，呈撕裂状态。

图7 试件破坏模式

3 结论

本实验参考ASTM E399—09标准进行试验，采用COD规测量裂纹张开位移，避免了因为竹材多孔性产生的压痕对实验结果的影响，所得的载荷—位移曲线更贴近实际值。

处理数据时，利用刚度割线法确定初始裂纹载荷，并用95%刚度割线法，试验方法可以很好反映毛竹的断裂韧性。

参考标准制作试样，裂纹开口深度不会影响毛竹断裂韧性，并且毛竹断裂韧性与竹秆的位置无关。

竹材有很好的断裂韧性，断裂韧性KIC平均值为17.10 MPa·m1/2，可以用作结构材料;竹材出现断裂时，呈各向异性特征，由竹青面到竹黄面性能逐渐减弱，竹黄面先出现裂纹，并且裂纹沿着预制裂纹发展，竹青面裂纹沿着竹纤维方向扩展。竹材出现裂纹后，不会直接被破坏，裂纹扩展比较缓慢。

[1]Wegst U G K，Ashby M F.The mechanical efficiency of natural material[J].Philosophical Magazine，2004，84(21):2167－2186.

[2]云李宁，马少鹏，李霞镇，等.用数字散斑相关方法研究竹材在拉伸载荷下的断裂行为[J].北京理工大学学报，2011，31(3):258－261.

[3]于文吉，余养伦，江泽慧.竹材纤维增强材料的特性[J].东北林业大学学报，2006，34(4):3－6.

[4]Obataya E，Kitin P，Yamauchi H.Bending characteristics of bamboo(Phyllostachys pubescens)with respect to its fiber-foam composite structure[J].Wood Science and Technology，2007，41(5):385－400.

[5]冼兴娟，冼定国.竹材的断裂韧性[J].材料科学进展，1991，5(4):336－341.

[6]Amada S，Sun Untao.Fracture properties of bamboo[J].Composites:B，2001，32(5):451－459.

[7]徐曼琼，赵红平，黄虎，等.竹材的断裂特性研究[M]//杨卫，冯西桥，秦庆华.损伤，断裂与微纳米力学进展.北京:清华大学出版社，2009:228－232.

[8]邵卓平.竹材的层间断裂性质[J].林业科学，2008，44(5):122－127.

[9]Shao Zhuoping，Fang Changhua，Tian Genlin.Mode I interlaminar fracture property of moso bamboo(Phyllostachys pubescens)[J].Wood science and technology，2009，43(5/6):527－536.

[10]程靳，赵树山.断裂力学[M].北京:科学出版社，2006.