木材流变特性rheological behavior ofwood

木材在受力后，随时间的推移所表现的应力和应变的定量关系。木材作为结构材料在其应力低于弹性极限时，以往被看作是弹性固体，这在实用上是适合的，但对于所谓“弹性固体”的木材，在力的长期作用下，可观察到它的非弹性性能，如木梁受长期荷载作用所产生的挠度，当卸去荷载以后，其挠曲变形仍有部分不可恢复。木材流变力学指出：木材受荷载一定时间后再卸载，变形的一部分会立即恢复，即所谓弹性变形部分；另一部分则随时间推移而逐渐恢复，最终还有一些变形则将永久保留着。这些与时间有函数关系及永久保留的变形称粘弹性变形。通常木材受弯曲荷载，并在应力和应变不大的情况下，可用线性的粘弹性描述，亦即弹性效应服从于虎克定律，粘性效应则服从牛顿流体定律。
木材流变学主要研究以时间为函数的有关应力和应变，以及与之有相当大影响的两个其他变量，即含水率和温度。对于木材高聚物来说，水即相当于塑料高聚物的柔韧剂，材料取决于时间的力学性能，为人们最熟悉的是蠕变和松弛两个现象。
流变学中为近似而定性地模拟物体的力学特性，用一些理想的力学单元组成模型，按其作用力与变形的关系，导出物体的流变方程。通常，单元中用完全弹性的弹簧比拟弹性性质；粘性性质则与减震器即阻尼器相似。木材的弹性区和粘性区是结合起来的，是木材内不同的解剖分子和胞壁的化学组成总的表观体现。木材高度晶态的纤维素单独存在时具弹簧的性质，而无定形的木质素单独存在则表现出减震器的性质。然而，木材在一定的应力一应变的范围内，也确有不少情况可按弹性及粘性单元，以部分串联或部分并联所得的力学模型加以表达。对于木材或某些高分子聚合体来说，表示串联和并联的弹性及粘性单元的配置图（见图），是一个简化的，但又令人满意的力学模型。这一模型按照以荷载时间为函数的弹性一塑性体的变形，描述了应力—应变性能。图中a是表示未荷载时，图中b表示加荷载到t₁时，所引起的总应变(ε)由下列组分构成：
ε=BC₁+C₁C₂+C2C3=ε_el+ε_ea+ε_pl
式中 ε_el为瞬时弹性变形；εea为推迟弹性变形；εp_l为塑性变形。

表示串联和并联的弹性及
粘性单元的配置自北原觉一，1974

现在考虑弹性与粘性单元串联和并联交替配置的恒应力一流动曲线，理想的弹性体在恒应力(σ)下的变形(ε)不随时间而变化，根据虎克定律ε=σ/E代表弹性模量，可推导出流动曲线E=f(t)=常数：

式中 ^dε/dt为应变速度，^dσ/dt为应力变化速度。
若物体是粘性的，并具有牛顿液体的性质，变形与时间成比例，则

式中 η为粘性系数，当材料具有弹性单元与粘性单元串联时，其流动速度按下式计算：

上式为流变学基本公式，包含了理想的粘性流动条件，并可写为为常数。由于这一方程是线性微分方程，故称为线性粘弹性方程。以此方程所描叙的以时间为函数的应力和应变特性，称为线性粘弹性。

木材流变特性rheological behavior of wood

木材在受力后，随时间推移所表现的应力和应变的定量关系。木材受荷载一定时间后再卸载，变形的一部分会立刻恢复，即所谓弹性变形部分；另一部分即随时间推移而逐渐恢复，最终还有一些变形将永远保留。这些与时间有函数关系及永远保留的变形称黏弹性变形。通常木材受弯曲荷载，并在应力和应变不大的情况下，可用线性的黏弹性描述，亦即弹性效应服从虎克定律，黏性效应则服从牛顿流体定律。木材流变学主要研究以时间为函数的有关应力和应变，以及与之有相当大影响的含水率和温度两个变量。对木材高聚物来说，水相当于塑料高聚物的柔韧剂，材料取决于时间的力学性质，为人们所熟悉的是“蠕变”和“松弛”两个现象。