毛竹与胶合竹断裂韧性(Ⅰ型)评价

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近年来,竹材由于其优良的性能已经被广泛应用,包括竹材的拉伸性能、压缩性能、弯曲性能以及剪切强度等。而断裂韧性是构件及工程材料使用过程中选择和设计的重要依据,因此准确的测定竹材的断裂韧性对于保证结构安全和提高承载效率至关重要。本文的目的是对毛竹、胶合竹进行断裂韧性评价,从而实现今后竹材在工程上更宽范围的应用。竹材具有良好的断裂韧性。很多竹材方面专家都对竹材断裂韧性进行过研究。但是,所得竹材断裂韧性研究结果差异较大。原因有以下几点:第一,竹材自身的各向异性以及梯度变异性等特点;第二,并没有竹材断裂韧性测试标准;第三,试验时,并没有参考现有材料的标准进行试验。现如今,测定材料断裂韧性可参考的标准有ISO13586-2000、ASTM E399-09以及ASTM E1820等,试验方法有三点弯曲方法以及紧凑拉伸方法。本研究分别以毛竹弦向、径向以及胶合竹为试验材料,参考ASTM E399-09标准进行三点弯曲试验,测定材料的断裂韧性,最后分析及评价3种材料的断裂韧性性能。对于本研究,得出的主要结论以及创新点如下:1.本试验采用三点弯曲方法进行试验,得出最适合竹材断裂韧性的标准为ASTME399-09标准,毛竹弦向断裂韧性为4.28MPa m1/2,并且毛竹断裂韧性与竹秆的高度无关;2.毛竹径向试样呈梯度变异性,将毛竹径向试样分6个等级,断裂韧性值呈梯度变异性。其中,竹青处断裂韧性值最大(预制裂纹是从竹黄往竹青侧开),为6.56MPa m1/2,竹黄处断裂韧性值最小(预制裂纹是从竹青往竹黄侧开),为2.61MPa m1/2。中间位置即竹肉处的断裂韧性相差不大,断裂韧性值分别为4.62MPa m1/(2竹黄往竹青侧开裂纹)和4.07MPa m1/2(竹青往竹黄侧开裂纹)。所测试样的预制裂纹长度a即所开预制裂纹的位置对试验结果有很大影响,同时,所开预制裂纹方向也对试验结果有很大的影响。裂纹从竹黄往竹青侧方向开,开在竹青位置,断裂韧性值最大;裂纹从竹青往竹黄侧方向开,开在竹黄位置,断裂韧性值最小;3.胶合竹的弦向弹性模量的平均值为7.92GPa,静曲强度平均值为108.63MPa,顺纹拉伸模量平均值为18.11GPa,拉伸强度平均值为157.65MPa。胶合竹的断裂韧性值平均为4.65MPa m1/2,几乎和毛竹断裂韧性值一致;4.胶合竹试样出现断裂时,各向异性特征并不明显,试样的两个宽面几乎是同时发生破坏,并且两面都呈现出纤维的拔出。5.创新点:本文的创新点在于以毛竹材料的I型断裂韧性为依托,研究了新型工程材料——胶合竹的力学性能及I型断裂韧性,得出胶合竹有优良的力学性能以及较高的断裂韧性。本文将非均匀弹性体的毛竹制成胶合竹,胶合竹为近似的线弹性体,参照ASTM E399标准测量的断裂韧性,试验结果可信。为胶合竹在工程上的应用提供了依据。
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