温-185核桃壳断口形貌的研究

张 宏 ，马 岩，张兆国 ，兰海鹏 ，雷福祥

（1.东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040；2. 塔里木大学，新疆 阿拉尔 843300；3. 昆明理工大学，云南 昆明650500）

温-185核桃壳断口形貌的研究

张 宏1.2，马 岩1，张兆国3，兰海鹏2，雷福祥2

（1.东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040；2. 塔里木大学，新疆 阿拉尔 843300；3. 昆明理工大学，云南 昆明650500）

为正确选择破壳方法，通过观察温-185核桃壳的断口形貌，依据断口表面微观细胞形貌的不同，将核桃壳的断口分为疏松区、致密区和过渡区三个区域，并采用数学分析的方法对这三个区域的微观结构进行了统计及描述。判断为核桃壳体断裂时体现为外层脆断内层韧性断裂行为，而在内外相连的区域呈混合断裂状态。致密区占有总体高度的55.6%，而疏松区占有24.2%，因此核桃在总体致密区细胞占有绝对优势，同时疏松区的细胞较致密区体积大，意味着在相同体积内疏松区较致密区细胞的数量明显少。因此温185核桃壳体在宏观上呈现了脆性特征，该结果可以为机械自动破壳方法提供参考。

核桃壳；断口；形貌；电镜观察

国内核桃加工生产起步晚， 技术相对落后，主要体现在加工规模小、 产品种类少、 产品市场影响力低，加工水平远远落后于国外。当前核桃科研单位也研制出了不少核桃加工设备，如青核桃脱皮机、核桃清洗机、核桃清选机、 核桃分级机以及多种核桃破壳机，但由于缺乏对核桃破壳过程的研究，使得目前国内的核桃破壳机总是存在一定的技术缺陷。

在国内外研究核桃破壳方面的研究人员已经做了许多工作。研究主要集中在以下方向上[1-5]：a.加载速度和坚果大小对力学特性的影响；b.加载加速度和坚果大小对力学特性的影响；c.基于有限元方法的坚果力学特性研究；d基于断裂力学和壳体力学的力学特性研究。但关于核桃壳体在微观条件下断面的观察与分析的研究国内外均未见报道。为此本文对核桃破壳的过程进行了研究，从核桃破壳的机理上探讨了核桃破壳的过程，只有这样才可以设计出破壳效率高，破壳方法正确的核桃破壳设备[6-13]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所选核桃品种为温185、储存半年左右、原始质量含水率为6.22%。

1.2 试验方法

取常温储存的核桃库中任意10个核桃。为获得比较全面的断口形态，试验中将新疆温185核桃依照不同部位（轴部、径部、棱部）编号并取样（见图1），分别取材于1、3、5，进行扫描电镜的观察。

图1 SEM观察取样部位Fig.1 Sections of samples observed by SEM

1.3 仪器与设备

扫描电子显微镜SEM（JEM-1200EX）；恒温恒湿箱（CTHI-150(A)B型，施都凯仪器设备有限公司）；电子天平（FA2004）。

2 核桃壳断口的观察

2.1 电镜样品的制作

取核桃壳不同部位的样品若干，然后将样品利用双面胶粘于观测基座上，将观测核桃壳的断面部位露于上端，喷金后放入扫描电子显微镜试验台进行观察。由于电镜样品在制作的时候对断面无任何物理和化学损伤，因此在观测时可以真实反映断面的实际情况。

2.2 核桃壳断口的分类

试验中对温185核桃壳的断口在扫描电子显微镜（SEM）下进行了观察，通过观察研究发现核桃壳断面如图2所示。根据图2（a）、2（b）、2（c）的断面情况，可见虽取材于核桃的部位不同，在相同放大倍数（400.00 μm）的情况下，其断面形貌大致相似。因此这里可以取2（a）图作为研究对象，在断口处微观组织的变化可以将核桃壳断面可以分为3个区域。根据组织排布致密程度的不同把这3个区域分别定义为疏松区、致密区和过渡区见图2（d）。

2.3 核桃壳断口各区的形态描述

2.3.1 致密区的形态描述

图2 核桃断面形貌及分类Fig.2 Cross section morphology and classification of wen-185 walnut shell

致密区细胞的形貌比较完整（见图3a），断口处的细胞为球状或椭球状，中间间或有输送养料的管状通道。球状或椭球状细胞断裂时裂纹是沿着细胞的界面开裂的，属于沿胞断裂。出现此种断裂的主要原因是该区域细胞的尺寸较小，单位体积细胞的密度较大。当受到外加载荷的作用是，整个区域的细胞受力均匀，并且单个细胞受到的载荷不大，细胞在感受到外界载荷时细胞界面的强度小于细胞壁的强度，由于裂纹扩展时是沿着受力最弱的方向进行的。图3a中断口处很少能观察到细胞的破坏，而使破坏主要出现在细胞与细胞之间的界面处，因而图3a中断口呈现沿胞断裂的形式。在得知沿胞断裂形式的情况下，以图3a中裂纹穿过细胞界面且裂纹面方向发生了显著的改变为证明；可以推断，裂纹在萌生和扩展时“觉察”到细胞界面的存在[3-4]，即细胞界面破坏的能量小于破坏细胞壁的能量而形成了图3a的形态。

从力学角度分析：细胞壁的力学性能强于细胞界面，因而导致沿着细胞界面断裂。在晶体中的沿晶断裂定义为沿晶界析出连续或不连续的网状脆性相时，在外力的作用下，这些网状脆性相将直接承受载荷，很易于破碎形成裂纹并使裂纹沿晶界扩展，造成试样沿晶界断裂，它是完全脆性的正断。由于核桃壳体明显为脆性材料，因此在这里我们有理由相信在致密区里的这种脆断进一步验证了核桃壳体的脆性特性。经测量图2d该部分位置高度约为540.00 μm，占总体高度的55.6%。

2.3.2 疏松区的形态描述

疏松区的破坏主要出现在细胞内部（见图3b），断口处的呈蜂窝状。断裂时裂纹是沿着细胞的内部开裂的，属于穿胞断裂。出现此种断裂的主要原因是该区域细胞的尺寸较大（相对于致密区），单位体积细胞的密度较小。当受到外加载荷的作用是，整个区域的细胞受力易出现不均匀的现象，同时单个细胞承受的载荷相对较大，超过了单个细胞的断裂强度，而此时的外力还未达到细胞与细胞之间的界面强度，同时细胞的破坏还释放了部分应力，使界面受力减小，所以在断口处观察到的大都是细胞的破坏，而很少观察到细胞与细胞之间的界面破坏，最终才使断口呈现沿晶断裂的形式[5]。

从力学角度分析：该区的细胞均为细胞壁断口（见图3b），呈蜂窝状。由此可见，在断裂时是沿着细胞壁开裂，此时，细胞壁的力学性能弱于细胞界面因而导致沿着细胞壁断裂。在细胞中穿过胞断裂时裂纹穿过细胞内部扩展。穿胞断裂可以是宏观塑性断裂，也可以是宏观脆性断裂。在这里我们认为，由于核桃内部的湿度高于外表皮，因而此处呈现韧性特性而导致其为穿胞断裂形貌。经测量该部位高度约为196.00 μm，占总体高度的20.2%。

图3 核桃壳断口各区的形态描述Fig.3 Morphological description of each zones of walnut shell fracture

2.3.3 过渡区的形态描述

该区的细胞为沿细胞壁和细胞壁断口的混合状态（见图3c）。由此可见，在断裂时既有沿着细胞壁开裂也有在断裂时是沿着细胞壁开裂。在这里我们认为，此区域为细胞界面断裂和穿过细胞壁断裂的混合区域，故此称之为过渡区。经测量该部位高度约为235.00 μm，占总体高度的24.2%。

3 核桃壳断面形貌定量描述

3.1 致密区的细胞测量

在致密区里细胞外形较为完整，形态呈球形、椭球形及其他异形，但大多数以球形和椭球形为主，在此由于球体能较好的描述。下表就图3a以球形（细胞外表面）的大致尺寸范围列出。

图4 对图3a的测量Fig.4 Measurement of the fig.3a

测量方法，按照比例尺在CAD中依照比例将50.00 μm放大至50.00 mm，用圆形测量细胞直径，例如第一个细胞测量值为33.06 mm，转换为真实测量值为33.06 μm。经测量，横坐标表示细胞的编号，纵坐标表示细胞的直径大小，绘制细胞直径分布图（见图5）。

图5 致密区的细胞直径分布Fig.5 Cell diameter distribution of the dense zone

由上图可知，在图细胞最大值为42.85 μm；最小值为16.09 μm；均值为25.41 μm。细胞尺寸多数集中在20.00～35.00 μm之间，可以推断，在致密区域起强度作用的细胞直径是20.00～35.00 μm

3.2 疏松区的细胞测量

同样，依照图4测量方法测量疏松区的细胞直径，依然采用横坐标表示所测细胞的序号，纵坐标表示细胞的直径大小，绘制细胞直径分布图（见图6）。

图6 疏松区的细胞直径分布Fig.6 Cell diameter distribution of the loose zone

由上图可知，细胞最大值为52.75 μm；最小值为27.36 μm；均值为39.55 μm细胞尺寸大多数集中在30.00～50.00 μm之间，可以推断，在致密区域起强度作用的细胞直径为是30.00～50.00 μm。

在致密区域起强度作用的细胞直径是20.00～35.00 μm，而在疏松区的细胞尺寸大多数集中在30.00～50.00 μm之间，显然可知致密区的细胞较致密区体积大。通过测量在同一面积内测量细胞数致密区为48个而疏松区为32个，可知在相同体积内疏松区较致密区细胞的数量明显少。通过以上分析核桃壳取样于不同部位强度有所差异，但通过核桃壳的断口形貌观测核桃壳的细胞组织形态是相同的。

4 结 论

温185核桃壳依据断口表面微观细胞形貌的不同，可分为疏松区、致密区和过渡区三个区域，其中致密区占有总体高度的55.6%，而疏松区占有24.2%。根据断裂力学和核桃壳自身的机构可知，因此温185核桃壳体在宏观上呈现脆性特征，冲击载荷作用更加利于温185核桃破壳。

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Experimental study on fractography of wen-85 walnut shell

ZHANG Hong1,2, MA Yan1, ZHANG Zhao-guo3, LAN Hai-peng2, LEI Fu-xiang2
(1.College of Engineering, Northeast Forestry University University, Harbin 150040, Heilongjiang, China;2. College of Mechanic and Electrical Engineering, Tarim University, Alar 843300, Xinjiang, China;
3. College of Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, Yunnan, China)

In order to correctly choose the method of breaking walnut shell, the fracture of wen-185 walnut shell was divided into three zones (loose zone, dense zone and the transition zone) through observing the fracture morphology and according to the different microscopic cell morphology of the fracture surface，and by adopting mathematical analysis method, the three zones’ microstructure statistics and description were carried out. The results show that the fracture behaviors of the inner were failure and the outer layer were brittle failure,while the transition zone appeared a mixed fracture status of gliding and brittle; the dense zone’s height occupied 55.6% of the total height of the shell, while the loose zone’s occupied 24.2%, so the walnut had an absolute advantage of cells in dense zone, the loose zone’s cell volume were bigger than that of the dense zone’s. Therefore, the wen-185 walnut shell shows a macroscopic brittle characteristic.

walnut shell; fracture; fractography; electron microscopic observation

S792.13

A

1673-923X(2013)09-0103-04

2012-12-17

国家自然科学基金项目（31160196）

张 宏（1975-），男，内蒙古武川人，副教授，博士生，主要从事农业机械化电气化研究；E-mail：zhghog@163.com通讯作者：马 岩（1955-），男，吉林榆树人，教授，从事林业与木工机械方面的研究；E-mail：mayan@vip163.com

[本文编校：吴 毅]