木材是具有生物起源的天然高聚物复合材料，其结构的复杂性及不均匀性导致其力学行为的复杂性和各向异性(Zink et al., 1994)。在外力作用下，木材的力学行为是其不均质的内部结构在几个层次上相互作用的结果。木材细胞及其细胞壁的纹孔以及胞间隙、厚壁细胞和薄壁细胞的差异使得木材结构在受载之前就具有各种各样的初始缺陷及损伤; 而且, 在外加载荷远小于其极限载荷时, 木材基体可能会产生许多垂直于纤维方向的微裂纹, 界面可能发生脱落, 部分较弱的纤维也可能已经断裂。所以，研究木材在外载荷作用下其微细结构的力学特性对于理解木材的宏观力学特性、揭示木材损伤演化规律具有重要意义(李大纲，2004)。过去，国内外学者对木材微细观断裂机制的研究做了大量的试验性工作(Bodner et al., 1997；Thuvander et al., 2000；Sippola et al., 2002；Fruhmaan et al.，2003；巩翠芝等，2007)。不过，由于测试手段和方法的限制，有关木材微细结构对木材力学行为影响的研究还处于起步阶段。许多研究者对微细力学的研究还只局限于定性研究，缺乏定量分析。20世纪80年代初，由美国南卡罗来纳大学的Peter和Ranson等发展的一种基于数字图像处理的先进的全场光学测量方法——数字散斑相关方法(DSCM)被广泛应用于试验力学领域(Peters et al., 1982；Yamaguchi，1981)。DSCM具有全场、非接触性的特点，在测量中可以完全保留变形过程中的物体表面信息。对于像木材这类材料(具有复杂的不均质的内部结构)的研究，其物体表面损伤图像与变形场的结合分析是非常重要的。通过DSCM可以在指定的表面来测量变形，这对于损伤和破坏研究非常有利，例如可通过计算应力高度集中区域附近的变形分布来研究材料的破坏模式。Choi等(1991)利用DSCM对木材小试样(1 mm×1 mm×4 mm)进行单轴顺纹压缩试验，获得了试件表面平行和垂直于载荷方向的变形场；Zink等(1995)利用DSCM对木材大试样(254 mm×25.4 mm×101.6 mm)进行了同样的顺纹压缩试验，得出了相似的结论；Samarasinghe等(2000)利用DSCM获得了木材大试样(180 mm×95 mm×10 mm)平行和垂直于纹理方向拉伸的位移场，揭示了载荷在不均质的木材内部传递的复杂性。木材解剖结构的特点，决定了木材在承载情况下，载荷在其内部的传递和分布也是相当复杂的。到目前为止，很少有人进行试样厚度为微米量级的木材力学试验，与正常尺寸的力学试样相比，使用微切片可以在木材的一个很小的区域内获得足够数量的样本数，从而尽可能保证样品内部结构和化学组成的一致性，这在研究木材物理力学性质的影响因素时，是非常有利的。本文将探索用数字散斑相关方法结合环境扫描电子显微镜监控下的动态拉伸试验，对鱼鳞云杉(Picea jezoensis var. microsperma)微切片试件面LR的细观非均质特性和断裂破坏模式进行定量研究。

1 材料与方法 1.1 试验材料及试样制备

试材树种选用黑龙江省产的鱼鳞云杉，其密度为0.368 g·cm^－3，生长轮宽度平均为2.5 mm。首先选择纹理通直无缺陷的气干板材，将其加工成规格为38 mm(L)×10 mm(R)×20 mm(T)小试样，再用滑移切片机加工出厚度为0.13 mm的微切片。为了保证试件在预期的位置断裂，以便于观察，在试件的中部用模具加工了缩颈。为了防止试件在拉伸机夹具处被压溃，在试件的被夹持处两面用聚醋酸乙烯树脂粘贴了厚度为0.2 mm的核桃楸(Juglans mandshurica)薄木，试件的含水率为6.5%。试件的几何形状如图 1所示，共加工7个试件。为了观察木材密度对断裂路径的影响，试件包括2个早材层和1个晚材层。

1.2 试验设备及试验过程

本试验使用的设备是Quanta200环境扫描电子显微镜(ESEM)和Deben公司设计的Microtest 2000 N力学试验机。通常的电子显微镜只能在静止的状态下观察试样的表面形貌，而本试验采用了具有加载装置的环境扫描电子显微镜。在加载的同时，开始录像，摄下试件从开始加载到完全破坏的全过程，并将摄像过程以一定的时间间隔自动以*.tif图形文件格式存储下来, 再借助于数字散斑相关技术，计算出一定载荷下任意指定区域的位移场和应变场。根据计算获得不同区域的变形场来分析木材的纵向拉伸破坏模式。卸载后，再对启裂、扩展及路径改变处采用较大的放大倍数观察其解剖结构，以便进一步解读变形场的分布。

1.3 数字散斑相关方法

数字散斑相关方法的基本原理是通过比较变形前后被测试件表面2幅数字图像中的灰度变化来跟踪图像中各点的位置变化，从而得到全场的位移信息，再经过适当的数值差分计算从位移场求得应变场。

为准确跟踪变形前图像中各点在变形后图像中的位置变化，可以在变形前的图像中取以待求点(x, y)为中心的(2M+1)×(2M+1)的矩形参考图像子区，在变形后的目标图像中移动，并按某一相关函数来进行计算，寻找与之相关系数为最大值、以(x′, y′)为中心的目标图像子区以确定该点的位移。通常用以下相关函数来描述变形前后以各点为中心的图像子区的相似程度：

(1)

这里：f(x, y)、g(x+u, y+v)分别为参考和目标中各像素点灰度，f_m、g_m分别为参考和目标图像子区的灰度平均值, u、v为参考图像子区中心的位移。实际上，由于数字图像记录的是离散的灰度信息，利用式(1)所定义的相关函数来进行相关计算时只能获得整像素的位移量，还需要通过其他方法来获得亚像素位移精度，本文利用相关系数曲面拟合方法来计算亚像素位移。

2 结果与分析

为了细致研究试件在弹性拉伸阶段中载荷在其内部的传递和分布情况，本文在进行相关计算时，以加载前拍摄的ESEM图像为基准，所选取的计算区域如图 2所示，图 2中的矩形线框为选取的计算区域，其包含的面积为3.7 mm×3.6 mm。通过散斑相关计算，得到了木材试样在破坏之前弹性变形阶段(参照图 3载荷－位移曲线)1.5 N载荷和2 N载荷作用下的平行于载荷方向的位移场、应变场和垂直于载荷方向的位移场、应变场。从位移场图 4~7可以看出位移在左下角处出现了明显的突变，这可能是由于木材微结构本身的缺陷所致，或由于试件内部某些应力集中部位已开始发生局部滑移。由于放大倍数的关系，在录像图片上没有观察到，但在图 3载荷－位移曲线上已有体现。从横向应变场图 8~9可以看出，在载荷为1.5 N时，全场的应变在-0.35%~0.45%的范围内变化，当载荷增加到2 N时，全场的应变值进一步扩大，在-0.64%~0.62%的范围内变化。在拉伸过程中，横向受到压缩的作用，所以应变值应为负值，而图 8~9横向应变场左侧却出现了正应变区域，这说明该区域受到的是拉伸作用而不是压缩作用。由显微图片可以看到：该区域大部分为早晚材过渡区和晚材区，管胞的刚性较大，由于管胞之间的剪应力作用的结果，管胞壁间此时可能已经出现了滑移面，由位移场图中出现的突变也可证实这点。从拉伸方向应变场图 10~11可以看出在载荷1.5 N时，全场的应变在0.04%~1.1%的范围内变化，当载荷增加到2N时，全场的应变值进一步扩大，在0.45%~1.85%的范围内变化。从拉伸方向的应变场分布来看，变化较大，这说明载荷在平行于木材纹理方向的传递较复杂。由于平行于纹理方向的载荷作用在管胞壁上，并通过管胞壁层来传递，而管胞壁自身具有极其不均质的复杂的壁层结构，所以，拉伸方向应变图清晰地反应木材的不均质的微结构对应力分布的影响。在横向应变场的变化较小，这可能是由于载荷在横向上主要是通过胞间层来传递，而胞间层的结构相对来说是较均匀的。

将应变场和试件被拉断后的全貌图 12对照看，应变集中的分布扩展趋势与试件的破坏进程是一致的。

3 结论

1) 数字散斑相关方法(DSCM)作为一种全场、非接触的变形测量方式，对于研究像木材这样非均质材料的力学行为是非常有效的，DSCM的全场测量结果有助于全面展示木材的力学性质并分析木材中载荷传递的机理和失稳发生的原因。

2) 通过数字散斑相关计算发现：在木材的弹性阶段，尽管在它的显微图片上没有观察到明显的变化，但从后续发展的裂纹图像上来看可以以此阶段应变场的分布情况来推断试样内部发生了损伤朝向裂纹的发展演化，这说明数字散斑相关方法可以通过观测和计算弹性阶段材料表面的信息，预估材料内部损伤变化。