涂郡成，趙東，趙健

（北京林業(yè)大學工學院，北京 100083）

微裂紋萌生是引起木構件斷裂失效的主要原因［1-3］。木材作為一種天然的非均質生物質材料，除天然裂紋外，在生產加工和水分循環(huán)變化過程中也會產生裂紋，在這些缺陷附近或者裂紋尖端都可能出現應力的奇異性，為了準確有效地預測含有初始裂紋木材的破壞，通常采用斷裂準則評估含裂紋構件在低應力下的強度和安全，斷裂韌性是表征材料對裂紋擴展抵抗能力的重要力學參數，其準確程度取決于起裂載荷的確定（GB／T 4161—2007）。

目前，國內外關于木材斷裂韌性方面的研究主要集中在順紋斷裂方面［4-6］，所針對的木材斷裂模式主要是TL／TR 型和RL／RT 型，而對于含有LT型裂紋的木材在起裂階段方面的研究較少。由于木材中裂紋的擴展受材料內部特殊的纖維組織排列特性影響較大，含LT 型橫紋裂紋的木構件發(fā)生斷裂時，裂紋通常并不一定沿著其初始方向擴展而是沿著纖維方向擴展［7］。Wu［8］最早將木材作為正交各向異性材料開展了斷裂力學的相關研究，Schachner 等［9］、King 等［10］對木材單邊切口試件三點彎曲試驗研究和有限元數值模擬時發(fā)現：木材縱向長纖維的構造特性使得從順紋斷裂模式到橫紋斷裂模式的斷裂韌度不斷增大，故對于含有LT 型裂紋木梁在承載過程中，當木梁起裂后仍具有一定的承載能力，其韌性斷裂時的最大載荷不一定是起裂載荷［11-12］。以最大載荷作為起裂載荷計算木材橫紋斷裂韌性KIC 的方法，盡管在一定程度上也能夠評估木材對裂紋擴展的抵抗能力，但會出現高估的情況。因此，準確確定含LT 型裂紋木梁起裂載荷大小是計算木梁橫紋斷裂韌性的關鍵。

盡管研究人員已經對微裂紋開展了幾十年的研究工作，但目前研究木材微裂紋萌生的試驗手段有限，且缺乏統一評估的標準。范文英等［13］、邵卓平［14］采用光學顯微鏡觀察木材裂紋擴展點，用觀察法測定裂紋開始出現擴展時的起裂載荷。King等［10］采用金屬材料平面應變斷裂韌度的標準來測定輻射松橫紋理斷裂韌度，取載荷位移曲線中線性階段和非線性階段的臨界點作為木材橫紋起裂點的判定依據。王麗宇等［15］采用數字圖像相關法對白樺橫紋裂紋的演化與增長行為進行研究，以第一次聽到淸脆的“爆裂聲”時的迸發(fā)載荷作為橫紋起裂載荷。王堅偉［16］、邵卓平［7］等采用聲發(fā)射方法分別檢測了杉木TL、RL 和LT 型斷裂的起裂，試驗中將聲發(fā)射儀開始出現AE 波，同時醫(yī)用聽筒可以聽到有輕微開裂聲作為裂縫起裂的判定方法。目前，這些試驗方法在研究木材斷裂過程中裂紋擴展情況和材料斷裂韌度的尺寸效應方面具有較好的適用性，但在確定起裂載荷的評判標準上受主觀因素影響較大，缺乏對試驗結果統一的量化分析，這樣確定起裂載荷也非常困難。

基于上述原因，筆者結合聲發(fā)射方法、數字圖像相關法、電測法監(jiān)測含預制LT 型裂紋木梁的損傷和斷裂過程，研究載荷作用下聲學參數、表面應變信息變化與裂縫萌生的關系，并對梁的破壞過程進行分析，準確確定起裂載荷。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為杉木（Cunninghamia lanceolata），試件氣干含水率約10%，密度為0.365 g／cm3，木材橫紋斷裂臨界斷裂韌度的測試方法參照GB／T 4161—2007，采用三點彎曲梁試件（圖1）。試件加工為390 mm×40 mm×20 mm（l×b×h）通直無缺陷的順紋木梁試件，試件表面使用亞光漆噴涂成白底黑色散斑圖樣，并人工制作LT 型單邊切口裂紋，縫高比a/h分別為0.1，0.2，0.3 等3 組，每組試件數為3，縫寬度均為1 mm。

圖1 三點彎曲試樣示意圖Fig.1 Three-point bending specimen

1.2 試驗設計

1.2.1 試驗儀器及設備

試驗加載設備為電子萬能力學試驗機（Reger深圳瑞格爾）；監(jiān)測儀器為DS2 型聲發(fā)射監(jiān)測系統（北京軟島時代科技），主要包括聲發(fā)射傳感器、前置放大器、聲發(fā)射數據采集儀和主機；自制二維數字圖像測量系統，主要包括CCD 相機和主機；箔式紙基應變片（B×120-10AA 型）和靜態(tài)電阻應變儀（BZ2208-A 型）等。

1.2.2 應變片布置方式

為了對比驗證聲發(fā)射方法的有效性，本研究采用電測法測試整個加載過程中裂縫的擴展情況，其中應變片的布置方式是保證測量結果有效的關鍵。電阻應變片測點布置如圖2 所示，為避免木梁彎曲過程中由于變形過大造成應變片被撕裂，應變片對稱分布于裂縫延長線兩側，粘貼方向與預制裂縫延長線垂直。同時為了更好地觀察木梁拉壓區(qū)的應變值變化，將應變片測點關于木梁中性層對稱分布，上下間距設置為5 mm，其中應變片5、6 與木梁中性層位置重合。

圖2 應變片布置方式Fig.2 Strain gauge layout

1.2.3 試驗方法

試驗裝置如圖3 所示，該裝置由加載系統、聲發(fā)射系統和數字圖像測量系統構成。加載系統采用電子萬能力學試驗機，試驗前預加一定載荷，以減小壓頭與木梁之間的摩擦噪聲。試驗機加載方式為位移控制加載，加載速率為0.001 m／min，由計算機繪出載荷-加載點位移（P-δ）曲線。聲發(fā)射傳感器對稱布置于梁上端兩側，分別與梁中點位置距離100 mm，通道門限設置為20 mV，傳感器頻率范圍是50～400 kHz，多通道同步采集，前置放大器增益為40 dB。采樣頻率采用2.5 MHz／s，傳感器表面與試件表面的聲耦合劑采用高真空脂，并用夾具固定于木梁表面；木梁的正面采用二維數字圖像測量系統采集裂縫尖端圖像，CCD 相機安裝于水平架上，放置在試件正前方250 mm 處，CCD 相機每隔1 s 采集一次圖像；木梁的背面從縫端到梁的頂端等距布置應變片（如圖3 所示），試驗中應變值數據通過多通道IMC 自動采集，間隔時間為5 s。啟動試驗機同時觸發(fā)聲發(fā)射系統和數字圖像測量系統，三者同步動態(tài)跟蹤監(jiān)測微裂紋的開裂和擴展全過程，當試件出現載荷快速下降后停止加載，同時停止聲發(fā)射和圖像系統。

圖3 試驗裝置Fig.3 Test device

2 結果與分析

在3 種不同縫高比（a/h=0.1，0.2，0.3）條件下，對含LT 型裂紋的木梁進行三點彎曲損傷斷裂試驗，測出試件的聲發(fā)射信號參數、裂縫尖端兩側應變值及裂紋尖端應變場信息與加載時間變化之間的關系，從以下兩方面對試驗結果進行分析討論。

2.1 裂縫擴展與聲學參數的關系分析

木梁整個加載過程中累計聲發(fā)射振鈴計數、加載載荷與加載點位移的關系見圖4，整個加載過程中聲發(fā)射信號幅度與加載點位移的關系見圖5。已知加載時間到達300 s 時木梁表面已經產生肉眼可見的裂紋，故木梁在300 s 之前可能已經發(fā)生起裂。從圖4 可以看出，聲發(fā)射累計振鈴計數在裂紋起裂前后的總體變化趨勢相似。大致表現可以分為3 個階段：當加載點位移在2.75 mm 之前（δ＜2.75），累計聲發(fā)射振鈴計數比較穩(wěn)定且處于較低水平（累計振鈴計數＜150），該階段的P-δ曲線近似為斜直線，說明木梁處于彈性階段，試件還未發(fā)生起裂。

圖4 聲發(fā)射累計振鈴計數曲線Fig.4 Acoustic emission cumulative ringing count curve

從圖5 可以看出，當加載點位移δ為2.75 mm時（t=190 s），聲發(fā)射信號的幅度產生第1 個峰值（最大幅度＞1 000 mV）。除此之外，累計振鈴計數在起裂點的變化趨勢較明顯，其與時間相關曲線的斜率在190 s 處出現顯著增大現象（載荷2 080 N），說明聲發(fā)射計數開始大量產生，微裂紋開始萌生，木材發(fā)生起裂。當δ＞2.75 時，隨著作用力的增加，P-δ曲線開始出現非線性，說明此階段木梁內部損傷開始加劇，P-δ之間呈曲線變化規(guī)律，聲發(fā)射信號幅度密集產生高峰值（2 000 mV＜最大幅度＜10 000 mV），累計振鈴計數曲線持續(xù)快速攀升，表明木梁內部微裂紋不斷增加，直到加載時間到達300 s 以后，木梁表面出現肉眼可見的宏觀裂紋。

圖5 聲發(fā)射幅度歷程圖Fig.5 Acoustic emission amplitude history diagram

2.2 起裂載荷Pini的確定

2.2.1 聲發(fā)射

在木材損傷斷裂過程中，由于累計振鈴計數、幅度較其他聲學參數變化明顯，故應用聲發(fā)射累計振鈴計數、幅度隨木梁的彎曲撓度變化的關系圖以確定起裂載荷Pini。由于木梁會在加載過程中不斷產生彎曲變形，一旦梁的縫端起裂，在木梁內部積蓄的應變能快速轉為彈性波由起裂位置釋放，則聲發(fā)射監(jiān)測到的聲波信號發(fā)生突變，表現為聲發(fā)射信號幅度急劇升高，出現該階段的高峰值，累計振鈴計數會發(fā)生突變，故用以上聲學參數來確定起裂載荷是可行的。如圖4 和圖5（以LS10-2 為例）所示，從關系曲線上可以看出，在加載點位移為2.75 mm 以前，波幅表現為較穩(wěn)定的階段，說明梁處于彈性階段，木梁內部沒有裂縫產生，但加載點位移超過2.75 mm 以后，幅度產生峰值，累計振鈴計數-加載點位移曲線的斜率發(fā)生明顯增大，因此以載荷-加載點位移曲線上的位移為2.75 mm 所對應的載荷為起裂載荷。

2.2.2 數字圖像相關法

應用數字圖像法觀測木梁表面裂縫的起裂擴展情況，實際上是根據木梁表面的應變場變化情況來判斷裂紋的起裂，裂紋的產生可以簡單理解為物體表面應變的突變，而裂紋產生前期物體表面應力集中的區(qū)域與裂紋萌生位置有確定關系。以LS10-2 為例，木梁預制裂縫尖端表面應變場觀測隨加載點位移變化如圖6 所示。根據所選取的3張不同加載點位移所對應木梁表面應變云圖可以看出，當δ=1.8 mm 時，試件表面最大應變?yōu)?.8×10-3～1.0×10-2，應變場分布規(guī)律沒有顯著變化且未出現明顯的應力集中區(qū)域。隨著載荷的增加，當δ=3.2 mm 時試件表面出現應力集中區(qū)域，試件的表面最大應變?yōu)椋?.0～4.0）×10-2；當δ=4.4 mm時，可以觀察到試件表面有明顯的應變突變區(qū)域，變形集中區(qū)域的應變量大于7.4×10-2，此區(qū)域正是木梁表面開裂區(qū)域，可見DIC 技術能夠精確捕捉加載過程中的變形和有效的觀測開裂過程。

圖6 木試件表面應變云圖Fig.6 Surface strain cloud image of wood specimen

為進一步探究木試件開裂時的應變情況，取試件表面縫端位置的A 點（194，88）為例，研究裂縫尖端位置表面應變與裂紋萌生起裂的關系。已知木梁在300 s 時已出現肉眼可見裂紋，故選取時間區(qū)間為0～300 s（載荷區(qū)間為0～3 250 N）的表面應變繪制隨載荷變化曲線，如圖7 所示。

圖7 試件A 點位置處木梁表面應變Fig.7 Surface strain of the wooden beam at the point A of the test piece

從圖7 可以看出，試件在三點彎曲狀態(tài)下，A處的應變量可以分為2 個階段：O-B 彈性階段，試件表面的應變呈緩慢線性增長；B-C 為突變階段，表面應變與之前有顯著變化，表面應變隨載荷變化曲線斜率出現明顯增大。有關研究表明試件表面應變突增伴隨著表面出現初裂現象［17］，由此可以認為拐點B 代表木梁表面出現初始開裂。本次試驗拐點位置B 的應變量為0.009，即載荷為2 550 N時，試件表面A 處已經有肉眼看不到的微裂縫，故將B 點對應的載荷作為判斷起裂的起裂載荷。

2.2.3 電測法

對于用應變片來說，根據應變-加載時間確定起裂載荷，并結合肉眼觀測表面裂縫，記錄該時刻縫端的應變片的應變值（以LS10-2 試件為例），失穩(wěn)斷裂前測得最大載荷為4.45 kN，測點布置如圖2 所示，應變結果如圖8 所示。

圖8 各測點應變Fig.8 Strain points of each point

當載荷加載到D 點時，中性層位置的應變片5、6 應變值近似保持不變，應變片1～4 和7～10 的應變-加載點位移曲線斜率出現增大現象，將此時的應變值作為梁的彎曲極限拉伸應變值。根據最大拉應變準則，當應變大于梁的極限拉伸應變時，可以認為該點已經發(fā)生起裂，此時應變所對應的載荷大小即為起裂載荷。

各試件的主要測試參數比較見表1。從表1可以看出：在3 種不同縫高比（a/h=0.1，0.2，0.3）條件下，聲發(fā)射、數字圖像相關法、電測法測得含LT 型裂紋木梁的的起裂載荷均小于極限載荷，這說明3 種方法應用于監(jiān)測木材裂紋起裂方面都有較好的適用性，在實際應用時，它可以幫助在木材達到極限載荷之前檢測到裂紋的起裂。但由于不同測量方法的測量原理、測量精度的差異，3 種方法所確定的各試件起裂載荷大小為：電測法＞數字圖像相關法＞聲發(fā)射（表1）。這說明當發(fā)現試件表面裂縫時，其內部裂縫的發(fā)展早已在聲波振鈴計數、波幅幅值的變化上得到了反映。電測法和數字圖像法確定木梁起裂載荷的原理都是根據木材表面的應變變化發(fā)生突變來判定木材起裂，但從結果上來看，電測法所確定的起裂載荷比數字圖像相關法大，即所判斷起裂時刻較為滯后，說明電測法作為一種傳統的點接觸測量方法，應用于測量木材表面應變變化時，對木材變形的響應靈敏度比數字圖像相關法差，且受粘貼條件的限制對測量結果產生較大影響，相比之下數字圖像相關法的測量結果更加精確、靈敏度高，且數字圖像法具有全場、非接觸的特點，更加高效、直觀預測裂紋萌生的位置和裂紋擴展路徑，同時能夠避免對被測量對象造成二次傷害。綜上所述，本試驗結果為選擇含LT 型橫紋裂紋的木梁起裂載荷的確定方法提供了依據，應用時可結合實際工況選擇合適的測量方法。

表1 各試件測試參數結果Table 1 Test parameters of each specimen

3 結論

筆者利用聲發(fā)射技術、數字圖像相關法和電測法對含LT 型裂紋木梁的起裂荷載Pini進行了試驗研究。通過試驗，對含LT 型裂紋木梁在加載過程中聲發(fā)射累計振鈴計數、幅度以及表面應變的變化規(guī)律進行了詳細討論。分析和總結了試驗現象和結果，得出如下結論：

1）聲學參數與加載點位移關系曲線表現出不同階段斜率變化特征，且聲發(fā)射對于木材內部損傷檢測有較好的靈敏度，進一步提高了確定含LT 型橫紋裂紋木材起裂載荷的準確性。

2）數字圖像相關方法能夠有效測量木梁表面的變形分布情況，圖像測量結果驗證了利用聲發(fā)射累計振鈴計數、幅度等參數對木梁裂紋萌生規(guī)律的預測。同時根據表面應力集中區(qū)域的演變提前預測出木材裂紋萌生的位置和裂紋擴展方式。

3）用聲發(fā)射方法、數字圖像相關法、電測法所確定的起裂載荷大?。郝暟l(fā)射方法＜數字圖像相關法＜電測法，說明木材起裂所產生的內部損傷會先在聲發(fā)射參數變化上體現，再在表面應變的變化上反映，在實際應用時可結合實際工況選擇合適的測量方法。