木材的生长特点及其解剖结构是影响其力学行为的重要因素。针叶材结构简单，主要由轴向管胞和横向射线细胞组成。木材细胞严格的方向性排列，决定了木材强烈的各向异性的力学性质。木材是高度各向异性材料，纵向、径向和弦向通常被定义为3个基本轴，分别用字母L，R，T表示。由于木材的正交各向异性，其裂纹扩展与裂纹平面位置和裂纹扩展方向有关，裂纹生成面通常被定义为6个系统，每个系统都用一对字母表示，第1个字母表示裂纹面的法向，即加载方向，第2个字母表示裂纹的扩展方向，试样分别表示为LR，LT，RL，RT，TR和TL。为了洞察木材的结构和其力学行为之间的关系，一些学者借助于显微镜技术完成了一些相应的研究(Ashby et al., 1985; Bodner et al., 1997; Dill-Langer et al., 2000; Thuvander et al., 2000; Sippola et al., 2002; Frühmaan，2003; 江泽慧，2000; 巩翠芝，2007)。不过，木材在载荷作用下，由于其裂纹的产生和扩展过程相当复杂，有关木材在微、细观尺度上的力学行为还只局限于定性研究，缺乏定量分析。近年来发展起来的一种试验力学测试方法———数字散斑相关方法得到了长足的发展(Peters et al., 1982; Yamaguchi，1981)。由于数字散斑相关方法具有全场、非接触性测量、在测量中可以完全保留变形过程中的物体表面信息等特点，其在研究木材的微观力学行为及破坏机制时具有独特的魅力。国内外学者将数字散斑相关方法应用到木材力学行为方面的研究，已经做了一些试验性工作(Choi et al., 1991; Zink et al., 1995; Samarasinghe et al., 2000; 王丽宇等，2002; 巩翠芝等，2008)。

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)木材小试样TR型裂纹扩展系统进行研究:一方面对从环境扫描电子显微镜获得的显微图像进行研究，从而在微尺度下研究木材的破坏机制; 另一方面用数字散斑相关方法计算不同载荷作用下显微观察区域的位移场和应变场，从而定量分析木材的损伤断裂行为。

1 材料与方法 1.1 试验材料及试样制备

试材树种选用鱼鳞云杉，首先在远离髓心的部位加工出纹理通直无缺陷的气干板材，其木材密度为0.368 g·cm^-3，生长轮宽度平均为2.5 mm。将其加工成规格为38 mm (T) × 10 mm (R) × 5.5 mm (L)的小试样，再分别用120，240，360，480，600目5种规格的干砂纸由粗到细到精磨光观察面，最后用微切片机刀片将观察面片去薄层材质，以便于观察细胞腔和细胞壁。为了保证试件在预期的位置断裂，以便于观察，在试件的中部预制切口，初始切口深度为1~1.5 mm，试件的含水率为6.5%。试件被观察表面的几何形状如图 1所示。

1.2 试验设备及试验过程

本试验使用的设备是Quanta 200环境扫描电子显微镜(ESEM)和Deben公司设计的Microtest 2 000 N力学试验机。Microtest 2 000 N力学试验机安装在ESEM样品舱内，使力学试验和电镜观察同时进行。试验时，首先启动ESEM抽真空装置，设置工作模式为LV模式，几分钟后完成抽真空的步骤，调节样品仓内的压力，调整放大倍数使试件有预制切口的中部全部显示出来并位于屏幕中部，调整屏幕上所显示ESEM图像的灰度和对比度，使图像具有较好的衬度和较多的灰度层次; 启动Microtest 2 000 N力学试验机，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，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。根据计算获得的不同区域的变形场来分析木材的横向拉伸破坏模式。在卸载后，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

数字散斑相关方法是依据物体表面随机分布的散斑场(灰度)在变形前后的概率统计相关性来确定位移的一种测量方法。为准确地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)

式中: f(x, y), g(x + u, y + v)分别为参考和目标图像中各像素点灰度; 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，因此利用式(1)所定义的相关函数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计算亚像素位移。考虑到离散位移数据中的噪声影响，对原始的离散位移数据用局部最小二乘拟合的方法求解位移的导数(应变)。

2 结果与分析 2.1 原位监测断裂过程 2.1.1 TR裂纹扩展系统在生长轮层次上观察断裂路径

为了在生长轮层次上实时监测TR裂纹扩展系统，选择较低倍的放大倍数使试件全部位于视野之内。从10个试件的试验结果来看，基本上可得到一致规律，现以其中的1个试件为例来描述试验结果。从拉伸试验过程的摄像可以看到裂纹的产生、扩展及断裂的全过程。摄像清晰地反映了在生长轮层次材料性质的渐变对断裂路径的影响，如图 2展示了典型的TR裂纹扩展路径呈台阶式(图 2中箭头所指为起裂点)。在早材区的裂纹尖端沿着径向开裂一段距离后，会转向在弦向上开裂一小段距离，然后再沿径向开裂。当裂纹尖端接近晚材区时，扩展受阻，裂纹不再扩展，随着载荷的进一步增加，裂纹会在晚材区沿着受阻前的裂纹面直接径向扩展，也可能在晚材区前方的早材区薄弱位置形成新的裂纹面，沿着新的裂纹面径向扩展。路径的扭曲扩展主要是由于复杂的早晚材壁层结构以及径向上散布的射线的影响，裂纹扩展总是寻求薄弱部位。

2.1.2 TR裂纹扩展系统在细胞层次上裂纹扩展断裂模式

图 4中的4幅小图是以较大的放大倍数来展示破坏部位。从图中可以看出:在早材区破坏的主要形式是管胞壁的断裂和相邻2个管胞壁间的分离，断裂路径有时会在弦向上偏移原来的路径几个管胞的尺寸，断裂面较粗糙，如图 4a，d所示，管胞壁的断裂部位会露出细胞腔; 在晚材区破坏的主要形式是2个管胞壁间的分离，断裂面较光滑，如图 4b所示; 图 4c还显示了破坏发生在木射线处时，破坏形式是射线薄壁细胞与管胞壁间的分离，破坏面较光滑，没有露出细胞腔。

2.2 试样在早晚材区域应变场分布

为了进一步解释在ESEM下观察到的TR系统裂纹的产生、扩展及断裂的全过程，本文运用数字散斑相关方法计算了试件在完全破坏之前，在某一载荷作用下，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 5矩形线框所示。通过散斑相关计算，得到了木材试样在完全破坏之前59 N(图 3中1号箭头所指位置)和79 N(图 3中2号箭头所指位置)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、应变场以及剪应变场。

从拉伸方向(弦向)的位移场图 6和垂直于载荷方向(径向)的位移场图 7可以看出:位移等高线呈非均匀分布; 位移等高线并不是沿着与载荷方向平行或垂直的方向分布，而是呈一定角度分布，这是由木材所特有的显微结构特征决定的。木材不均值的解剖结构，使其各组分对载荷的承载和传递能力有很大不同，试样中还会存在较大剪应力的影响。

从横向应变场图 8可以看出:在载荷为59 N时(图 3中1号箭头所指位置)，全场的应变在-0.8%~-0.04%的范围内变化，由于在拉伸过程中，横向受到压缩的作用，所以应变为负值。从横向应变场分布来看，变化较大，这是由于木材复杂的壁层结构、早晚材的生长特点以及径向分布的射线，使径向局部刚性产生强弱不均的分布，导致载荷在其内部的传递遇到强弱不同的阻力，进而导致局部应力集中的缘故。从拉伸方向应变场图 9可以看出:在载荷59 N时，全场应变在0.2%~0.6%的范围内变化。从拉伸方向应变场分布来看，虽然变化幅度不如横向应变场变化幅度大，但也反映了载荷在不均质的木材试样内部传递的详细信息，同时也反映了径向分布的射线对弦向的变形及载荷传递方式影响不大。应变较大的部位发生在初始切口的正前方(应变为0.6%)，即在初始切口的正前方产生了较大的应力集中。在初始切口的正前方的前方(晚材区和早晚材过渡区)应变值变小(应变为0.375%)，而在初始切口的右上方又出现了新的应变较大的区域(应变为0.6%)。当载荷进一步增加时，应变值分布的范围进一步增大，应力集中区域被进一步强化，当载荷达到79 N(图 3中2号箭头所指位置)时，全场的横向应变在－ 2.45%~0.35%的范围内变化，全场的拉伸方向的应变在0.7%~1.9%的范围内变化。由于篇幅的限制，本文没有列出79 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、应变场以及剪应变场图。将应变场分布变化的趋向和TR试件断裂路径图(图 2)对照看，应变的分布变化趋向与试件的破坏路径是一致的，即开裂是先沿着试件初始切口向前扩展，当裂纹向前开裂了一段距离之后，遇到厚壁的晚材层，裂纹不再向前扩展，而是在晚材层的前方发生较大应变的早材部位产生新的裂纹面，随着新裂纹面的扩展，夹持在原裂纹面和新裂纹面之间的晚材区承受的应力也越来越大，进而被撕裂。

从剪应变图 10可以看出:在晚材区和早晚材过渡区，剪应力带基本上与弦向平行，剪应力的分布由早材到晚材到生长轮边界依次增大，在生长轮边界剪应力最大，这表明木材生长结构的变化对剪应力的分布影响较大。

3 结论

1) 在环境扫描电子显微镜下拍摄的拉伸试验过程可清晰地展示试验破坏的全过程。在TR裂纹扩展系统中，裂纹沿径向扩展占主导，偶尔也会沿弦向扩展几个管胞尺寸。无论是在早材区还是在晚材区，大部分破坏发生在管胞壁间的胞间层，破坏模式是胞间层的分离; 在早材区也有少部分破坏发生在管胞壁内，破坏模式是壁层内的劈裂。

2) 用数字散斑相关方法计算试件在破坏之前若干阶段的位移场和应变场(由于篇幅的限制，本文只列出了载荷F = 59 N时的变形场)，反映了载荷在不均质木材试样内部传递的详细信息以及应力集中区域。根据应变场分布变化的趋向，可准确预测出试件最终破坏的位置，预估材料内部损伤演化进程。

3) 应变场分布变化的趋向与环境扫描电子显微镜照片中裂纹发展及变化过程结果吻合较好。

将环境扫描电子显微镜下的力学试验与数字散斑相关分析相结合的研究方法，对解明微观尺度下木材等非均质材料的力学行为行之有效，并有利于进一步深入探讨相关的微观断裂力学问题。