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竹材在压缩大变形时的微观特征
2004-03-05|邵卓平

    竹壁内可以分辨出多种不同形态的细胞。但从力学观点考虑,可以把竹壁细胞分成两大类:一类是薄璧的基本组织细胞,它们传递载荷。起着复合材料基体的作用;另一类是以厚壁细胞为主体的维管束,呈连续纤维状"被基本组织细胞包围着。是决定竹材力学性质的主成分。在整个竹壁组织申"薄壁细胞组织和维管柬各占50%。维管柬申纤维占40州,导管与筛管占10%。分布在众多维管束之间的薄壁基本组织起着缓冲作用,增强了竹材的弹性和韧性。因此,可以把竹材看作一种天然的两相纤维增强的复合材料从竹壁横断面的形态上看,在竹壁靠近外侧部分的维管束小而分布较密。在内侧部分的则大而稀少。外侧部分的维管束虽形小,饵导管孔径亦。,上。下两个深色纤维群的横断面积远远大于维管柬的申心区域;而靠近内侧的维管束包含的导管直径较大。导管四周的纤维群壁薄色浅。面积与其所包含的两个大导管。一个筛管以及其它薄璧组织的申心区面积相当(见图1)如下。

图1竹壁内侧与外侧的维管束形态

    图2是8mmX8mmX4mm小试样用螺旋加载器在径向和弦问加载的应力-应变曲线。与文献中竹材在力学试验机上所得到的加载曲线有着相同的屈服极限和相近的曲线形状。


 

    在承受径向压缩载荷时,在显微镜下观察到竹材结构的动态变化过程:首先基本组织受压相互挤紧,并将力传至维管束,使靠近竹壁内侧的导管由圆形变至椭圆形,在此阶段竹材结构尚未被破坏,变形是弹性可恢复的。继续加载时,基本组织开始变扁吨  竹壁外侧部分的基本组织有压溃迹象,这是由于外侧部维管束分布密、不易变形的维管束含量高,而其周围基本组织含量相对少,当维管束因受压而被压人基本组织时,其周围的基本组织就会因可供维管束变形或位移的空间小而先被压溃。与此同时,竹壁内侧部分至中部的维管束因中间脆弱部分的初生韧皮组织开始破坏,导管亦被逐渐压扁至压溃;而靠近外侧部分的导管,因受厚实的纤维束所围不易变形,直至最后被压溃。
    在承受弦向压缩载荷时,初始变形也是基本组织相互挤紧,但随着载荷的增加,在显微镜下可见,靠近竹壁外侧部分的基本组织和导管先于内侧的基本组织和导管出现变形、压扁乃至压溃,其原因如前所述,也是由于竹壁外侧部分维管束分布密集、纤维束厚实不易变形,可供变形的空间少;而靠近竹壁内侧部分的维管柬纤维群相对较少,可供变形的空间大,当竹材弦向受压时,载荷更多地由外侧结构组织承担,因此外侧的基本组织和导管先于内侧变形乃至被压溃。从弦向受压后试件的剖面显微照片可见。靠外侧的导管和基本组织的压密程度比内侧严重。
    图4是在径向压缩过程中,竹壁中部一导管对应图2应力-应变曲线上各标注点的结构变化的显微图片。其中乃点表示未受力时的原始状态)B是弹性阶

段的末点,C是屈服始点,D是线性弱强化段的中点,E是开始迸人幂强化的始点F则可视为细胞腔被完全填充后的压密点,(沿曲线)再向上则进入物质实体内原子间距变化与所施应力呈线性变化的关系。分析B、C两点,可见在屈服点前后维管束及其内的导管和韧质部形状变化不大,表明竹材横向受压屈服时主要是基本组织被压屈服,这也是竹材在径向受压和弦向受压时具有相同屈服极限的原因所在。从C点到D点,随着周围基本组织屈服后总体变形迅速增大,径向两股纤维束压向维管柬中部脆弱部分。使得初生韧质部破碎,导管压扁;继续加压至E点。明显可见维管束中部组织和周围基本组织多已破碎,仅导管腔受压曲的纤维帽周围尚存少量空隙。继续迫使两侧纤维帽压折、前后纤维柬合拢则需要更大的压力。该点即易被认为是压密阶段的起始点);至尸点竹材完全压密。
    竹材的轴向压密与横向压密在微观构造上是有着本质的不同,后者是细胞壁腔沿横向被压扁、压溃,而前者则是厚、薄细胞壁在轴向压力下扭曲或皱摺后压扁致密。在轴向压缩下,竹材承载的圭体是竹纤维,呈独立星散状的维管束在周围基本组织的簇拥下具有较高的稳定性和韧性,其轴压屈服极限是横压屈服极限的3倍。在显微镜下可见,施力初始,基本组织沿轴向挤紧略缩短,继续加载,基本组织细胞壁开始出现皱摺,维管束微弯至失稳(失去直线平衡的能力),同时基本组织胞壁皱摺区变大,直至薄壁细胞破碎连片,维管柬开始发生严重扭曲。图4所示为菜卡切片机切取的竹材试件在轴向压缩大变形后,其纵剖面和横剖面的显微图片。由图4可见,纵向纤维柬严重扭曲,基本组织破碎无完形,但横切面上维管束形状完好,在纤维束间尚嵌有完整的薄壁细胞,基本组织亦可见胞腔轮廓,但多己被压溃。

    结论
    1)竹材在径向受压和弦向受压时具有相同的屈服极限,这主要取决于薄壁的基本组织在径向和弦向具有相同的屈服行为。
    2)竹材在横向压缩大变形下。通常在竹壁外侧部分的基本组织因受纤维束挤压易先屈服、压溃;在径向压缩下,导管压溃从内至中,最后是外侧导管;在弦向压缩下,虽然外侧导管刚性大,但由于竹壁外侧部分的细胞腔隙少、可供纤维束的位移空间小,其导管管腔反而会先于竹壁内侧而被压溃合拢。由于竹材基本组织是传递荷载的优良基体,使竹壁在径向压缩和弦向压缩具有相同的宏观力学行为。故可将竹材视为两相纤维复合材料。
    3)竹材在轴向压缩大变形下。其承载的主体是竹纤维。由于维管束在其周围基本组织的相拥下具有较高的稳定性和韧性,故竹材轴压屈服极限是横压屈服极限的3倍;纤维柬屈服后将产生严重扭曲,并导致薄壁组织的胞壁皱摺继而压溃。


 

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