研究木材的断裂过程是认识木材断裂机理的一个重要方面, 但由于裂纹扩展速度很快, 尤其在失稳扩展时, 裂纹以声速在木材中扩展。因此, 除了高速摄影而外, 直接研究裂纹在木材中的扩展是比较困难的; 但另一方面, 裂纹以不同方式扩展时, 必然在断面上留下不同形态, 这样分析断面上裂纹扩展时留下的残痕, 有助于人们认识裂纹在木材中的扩展方式和扩展路径。因此断面观察是木材强度研究中不可缺少的部分。

在描述木材的断裂表面时, 各国的木材科学工作者使用的术语各不相同。Koran (1967; 1968)观察了Black spruce在不同温度下横纹抗拉的径向和弦向管胞的断裂表面, 他使用SEM观察木材的分离, 引入了2个术语:intrawall failure, transwall failure, Debaise(1970, 1972)同样用SEM观察木材中的断裂位置, 对于位于细胞壁之间和2个细胞之间的断裂, 分别定义为intercellular和intracellular。根据Côté and Hanna (1983)的研究, 他们介绍了3种细胞断裂的方式:intercell (IC)是指相邻细胞在胞间层的分离, intrawall (IW)是指发生在细胞壁的次生壁中的断裂, transwall (TW)是指横过细胞壁的断裂。在本文的研究中, 遵循Côté and Hanna的分类。

1 试验材料和方法 1.1 试验材料

选取杉木Cunninghamia lanceolata Lamb和马尾松Pinus massoniana Lamb.作为试验材料, 均为25a生。树种采自江西省分宜县境内的中国林业科学研究院亚热带林业研究中心下属的山下林场。按照国家标准GB1927~1943-91《木材物理力学性质试验方法》 (国家标准技术监督局, 1991)进行抗弯强度、冲击韧性试验, 以及按照国家标准“金属材料平面应变断裂韧性K_IC的测试”进行木材断裂韧性试验后, 在新鲜的断面上切取2 mm厚, 4 mm×4 mm左右长方体, 用于电子显微镜的观察。

1.2 试验方法

将试样锯切成上述小长方体, 参照周崟、姜笑梅(1996)报道的方法, 断口部位朝上, 用双面胶带纸粘贴在铝制试样托上, 并用银粉导电胶形成导电通路, 用高真空蒸发镀膜机, 对样品表面镀金, 样品安置在万能旋转台上可使得表面喷镀均匀, 严格控制蒸发电流(一般小于10 A)以防止样品表面层受热, 镀金后的木材SEM样品, 增加了对电子的散射能力。剩余部分分心边材按照国家标准进行化学性质的测试, 包括苯醇抽提物、纤维素、木素和聚戊糖。

2 断面观察 2.1 抗弯强度试验破坏后的木材表面

杉木抗弯强度试验破坏后, 选择受拉的一侧断面进行观察, 由图版Ⅰ-1、Ⅰ-2可以清楚地看出早晚材断裂表面显著不同。早材部分可以看到相当多的管胞被拉出断面, 管胞壁发生分层, 主要是S1层与初生壁发生分离, 或者是胞间层的分离, 也有的早材断面非常光滑, 管胞之间有胞间层的分离现象。木射线的断裂表面很光滑, 呈横过细胞壁的断裂模式。晚材的断裂表面相对光滑, 横过细胞壁的断裂占大多数。无论是杉木还是马尾松, 早晚材分界处, 早材管胞细胞壁具有分层现象。

2.2 冲击韧性试验破坏后的木材表面

杉木冲击试验后, 选择受拉的一侧断面进行观察, 由图版Ⅰ-3可见, 冲击载荷的作用下, 早材大部分是横过细胞壁的断裂, 断面光滑, 偶尔可以发现一束管胞被拉出, 可以明显看到断裂有沿细胞壁中的初生壁和S1层路径前行, 有沿胞间层的路径前行。图版Ⅰ-4同样可以发现早晚材断裂表面的差异, 早材略显粗糙, 有细胞壁之间的分离, 晚材的断裂表面较光滑, 显示了大部分横过细胞壁的断裂。早晚材分界处可以见到比较大的空洞, 提示其对应的断裂面有管胞拔出的迹象。图版Ⅰ-5中的木射线在冲击载荷作用下, 此处产生了比较大的裂缝, 左侧比右侧位置高, 显然是木射线薄壁细胞在冲击载荷的作用下, 与相邻的管胞发生胞间层的分离, 并被拔出。

图版Ⅰ-6、Ⅰ-7显示马尾松冲击破坏后光滑的断裂表面, 早晚材的断裂仍然是有差异的, 显然晚材为横过细胞壁的断裂, 表面平整光滑, 而早材则发生细胞壁之间的分离, 不仅有沿胞间层的分离, S1与初生壁的分离可以使我们看到S1层, 另外细胞壁中初生壁与次生壁以及次生壁中S1与S2的分层也可以观察到, 在马尾松的冲击破坏表面同样可以发现与杉木冲击破坏后类似的木射线断裂(图版Ⅰ-8), 在木射线处产生了较大的裂缝。图版Ⅰ-6还可以发现完整的纹孔, 说明纹孔具有一定抵抗破坏的能力。

2.3 断裂韧性试验后的破坏表面

木材在冲击和弯曲载荷作用下, 试件受拉一侧的断裂表面形态, 可以认为是在顺纹拉应力作用下的木材破坏。断裂韧性试验根据应力的方向, 可以确定试样的破坏是木材在横纹拉应力作用下的破坏。

杉木靠近预制裂纹处, 木材表面光滑, 晚材沿胞间层破坏, 早材的破坏比较复杂, 有细胞壁间的分离, 可见到S2层; 有横过细胞壁的破坏, 可以看到细胞腔。预制裂纹的杉木, 在横向拉应力的作用下, 首先在裂纹尖端处形成应力集中, 裂纹沿刀口寻找最薄弱的路径前行, 因而表现为胞间层或细胞壁分离, 裂纹在扩展过程中必然会受到一定的抵抗, 在前进的某一点发生了停顿, 随着外力的增加, 裂纹尖端积累的能量一旦超过木材中的抵抗, 就发生了快速的继续扩展, 这时往往表现为横过细胞壁的断裂(图版Ⅰ-9), 在离预制裂纹一段距离的地方, 表现为横过细胞壁和细胞壁间的断裂两种形式, 图版Ⅱ-1可以看到S2层, 说明S1、S2层有分离。尤其横过细胞壁的破坏往往是成一定倾斜的方向破坏, 提示着可能是沿着S2层微纤丝排列的方向断裂, 也就是说S2层微纤丝之间的空隙是裂纹起裂的地方。(图版Ⅱ-3)

图版Ⅱ-2, 3, 4显示了木射线在木材横纹拉应力作用下的表现。图版Ⅱ-2清楚地看到裂纹在木射线处中止, 当裂纹前进到木射线处, 其尖端进入到木射线的细胞腔中, 正如在裂纹前端处钻孔可以阻止裂纹扩展一样, 木射线在此处起到了中止裂纹扩展的作用, 从这方面来看, 木射线是木材细胞中的增强体, 这是很容易理解的。木材组织大部分是轴向排列, 并且是管状的, 彼此间依靠分子力、化学键互相结合, 而木射线是垂直于木材轴向的组织, 它在木材结构中起到的是“销钉”作用。但这并不能说木射线是木材中强度比较高的细胞组织, 相反, 木射线也是木材细胞中最薄弱的组织之一, 由图版Ⅰ-5、Ⅰ-8能够很好地说明。在木射线处重新开始的裂纹扩展中可以发现, 开始部分大多数是胞间层的开裂, 或者是S1层与初生壁的分离, 说明此时裂纹是缓慢扩展的。扩展路径并不是沿着开始的方向直线前进, 随着受到抵抗力量的不同, 裂纹在木材中的扩展路径是不规则的(图版Ⅱ-2, 3, 4)。木射线既对裂纹扩展有阻止作用, 但往往又是裂纹重新开始的地方。

3 结果与讨论

杉木木材在弯曲载荷和冲击载荷作用下受拉一侧的断面观察显示:早材的断裂表面比较粗糙, 可以看到细胞壁的分层现象, 而晚材的断裂表面相对而言, 比较光滑, 大多数为横过细胞壁的断裂。表 1化学成分分析显示, 杉木早材中半纤维素的含量低于晚材, 而木素的含量又高于晚材, 纤维素的含量低于晚材。由于除了纤维素作为木材细胞壁的骨架物质之外, 半纤维素是细胞壁中与纤维素紧密联结的物质, 起粘结作用, 而木质素是细胞壁形成过程中, 最后沉积在细胞壁中的一种高聚物, 它们互相贯穿着纤维, 起强化细胞壁的作用, 由表 1的结果可以知道早材细胞壁中各层次彼此间的结合强度略低于晚材, 虽然细胞壁的强度略低, 而细胞壁的强化作用又高于晚材, 因而在拉伸荷载的作用下, 更容易发生细胞壁层次的分离, 而不是细胞壁的断裂。管胞间胞间层的结合力是很弱的, 因而有时发生胞间层分离很容易理解。

晚材细胞壁比较厚, S1层与S2层的比例远远小于早材, 由于S1层的微纤丝角是与管胞轴几乎垂直, 因而在拉伸载荷的作用下, 通过S1层会对管胞产生一个横向的拉应力, 晚材细胞壁S1层比例小, 因它而引起的横向分量就比早材小, 晚材受到的横向拉应力分量相应低于早材, 结果造成早材的断裂易发生细胞壁的分离, 而晚材则是横过细胞壁的断裂。

冲击载荷作用下的断裂表面, 无论早材、晚材, 都比弯曲载荷作用下的木材表面光滑, 显示不同的加载方式对木材断裂有很大影响。冲击荷载是瞬间加载, 木材细胞组织来不及发生变形就发生整个细胞壁的断裂, 而弯曲载荷则是缓慢加载, 由于单根管胞的拉伸强度是非常大的, 因而在未达到将其拉断之前, 胞间、细胞壁各层次间就发生了滑移分离。

在顺纹拉伸荷载的作用下, 木材中木射线处易产生比较大的裂纹, 这主要是由于木射线均为薄壁细胞, 其细胞壁各层次间的结合力更小于早材, 而且其排列方向又与管胞轴向垂直, 在顺纹拉应力作用下, 很容易发生细胞之间的分离或细胞壁之间的分层而被拔出, 形成较大的裂缝。

木材在横向拉伸载荷的作用下, 本文研究预制裂纹的情况。靠近裂纹处的断裂面比较光滑, 说明裂纹在预制刀口的引导下, 首先选择木材中最薄弱的地方前行, 这时是裂纹缓慢扩展的过程, 但木材结构是相当复杂的, 它们的排列虽然有一定的顺序, 但也有很多变化, 因此裂纹在扩展过程中受到的阻力各不相同。当它扩展到某一点时, 由于阻力较大, 发生了暂时的停顿, 随着外力的增加, 一旦裂纹尖端积累的能量超过木材中的抵抗, 就发生了快速扩展, 这时往往表现为横过细胞壁的断裂。发生这种快速断裂的地方很多在管胞末端。木材中裂纹的扩展路径不规则, 交替发生缓慢的扩展和快速扩展两个阶段。裂纹缓慢扩展大部分在胞间层或细胞壁之间, 形成的断裂表面是光滑的, 快速扩展则大部分是横过细胞壁的断裂。随着裂纹尖端的前行, 交替发生胞间层或细胞壁间的分离的慢速扩展和横过细胞壁的快速扩展。

在断裂表面, 可以观察到纹孔和木射线具有抵抗裂纹扩展的能力, 但并不能说纹孔和木射线是木材组织中强度比较高的部分, 相反, 木射线和纹孔都是木材中比较薄弱的部分, 它们对裂纹的抵抗能力强主要是由于其微纤丝的排列和细胞的排列与裂纹扩展方向几乎是垂直的, 若方向一致, 则有可能是最先形成大裂纹的地方。