是什么让木材变得“硬”或“软”？

是什么让木材变得“硬”或“软”？

本文转载自微信公众号“学习木工”

    ▲在真正的橡木(Quercus)中，可以看到端面导管和宽阔的射线。

图文/ Dr Jugo Ilic

    人们可能认为，硬木和软木这两个术语指的是具有相应属性的木材，一些热情的销售人员甚至可能试图推销这种观念。然而，事实上，“硬木”和“软木”这两个术语既不准确也不具有描述性，因为有些软木实际上比某些硬木还要硬，例如白柏松（Callitris glaucophylla）比昆士兰枫木（Flindersia pimenteliana）、榆木（Ulmus sp）、雪松（Toona ciliata 国内称为‘红椿’）和桃花心木（Swietenia macrophylla）都要硬。这两类木材的结构是典型的，并且这种结构上的差异导致了它们不同的物理性质，从而使它们适用于不同的用途。

    从植物学的角度来看，商业上的软木是分类在称为裸子植物（Gymnosperms）中的针叶树，这个术语大致指的是带有裸露种子的植物，这些种子通常起源于松果。另一个植物学类别包括各种硬木，属于被子植物类（Angiosperms）这一类，这类植物在通俗意义上具有真正意义上的花朵和包裹在果实中的种子。

    大多数北方温带的针叶树有针状或者鳞状的叶子，这些叶子除了落叶松以外，这些叶子在整个冬季都能保持，另一方面，阔叶树是落叶的。在澳大利亚和热带地区，阔叶树通常不会在秋天落叶，而且许多针叶树并没有针叶，例如芹叶松或棕黑松（Podocarpus ‘罗汉松属’）。

    ▲松木直纹叠加在端纹上

    ▲表格数据来源：Kloot, N.H. & Bolza, E. (1961) 《进口到澳大利亚的木材属性》。CSIRO林产品技术部技术论文第12号

    木材还有其他三种类型的细胞（纤维、薄壁组织和射线），其中纤维数量最多，存在于硬木和软木中。射线细胞是从树皮到髓心的细胞。在某些硬木中，如丝木橡树（Grevillea）或木麻黄（Casuarina），这些木材射线细胞非常明显，肉眼易见。当这些木材被四分切时，射线细胞会形成类似鳞片的图案(枫亚注:指径切面或接近于径切的材面)，使得单板或木材呈现出突出的纹理。

▲高度纹理化的“波浪状”端纹

    薄壁细胞，有时被称为软组织，是与射线细胞相似的细胞，但它们沿着树干长度方向分布，就像导管一样，当它们存在时形成特有的图案，例如榕木（Ficus）和玫瑰桃花心木（Dysoxylum fraserianum）中的同心带，在铁木（Intsia）或黄檀（ramin）中包围导管，而在白蜡桉树（ash eucalypts）中几乎不存在。在大多数树种中，纤维构成了木材的主体，其特有的细胞壁厚度影响木材的硬度和密度。纤维细胞壁越厚，木材就会越坚固和坚硬。

▲丝木橡树弦切面上的射线条纹

测 量 硬 度

    木材的硬度通常是指其抵抗压痕或穿透的能力，根据标准程序，通过测量将直径为0.444英寸的球体嵌入到其半径深度所需的载荷来确定硬度，从而在表面上形成一个平方厘米的空腔。这种测试称为Janka硬度测试。它能够对木材的硬度进行记录和比较。

    请注意，Janka硬度测试是一种常用的测量木材硬度的方法，它提供了客观的数据来比较不同木材种类的硬度。这个测试方法广泛应用于木材行业，帮助消费者和制造商了解木材的物理特性，以便选择适合的木材用于不同的应用场合。通过比较不同木材的Janka硬度值，可以更准确地了解它们之间的硬度差异，从而做出更明智的决策。

    ▲Janka硬度测试设备。测试后，木材样本上出现了一个小凹槽。图片由塔斯马尼亚大学可持续木结构中心罗斯·法雷尔博士提供

    因此，在12%的含水率下，威廉王松（King William pine，澳大利亚最软的木材之一）的平均硬度为460磅，而灰铁木（grey ironbark）则为3100磅（使用旧英制单位）。（lb=磅，N=牛顿；两者都是力的单位。1千牛=1000牛顿。将英制单位转换为公制单位：1磅=4.44822牛顿（1000磅=4448.22牛顿或4.44822千牛。）

换句话说，威廉王松需要460磅的重量才能将半个球推入木材中。（注：旧版出版物通常以磅（lb）为单位给出Janka评级。）

▲显著的压力才会在这个铁树地板上造成压痕。

    另一方面，需要3100磅的重量才能在灰铁树上造成同样的压痕。这种抗压痕性能通常也衡量了木材在手工或机械工具加工时的难度。然而，有一些木材，如昆士兰胡桃木和刷毛箱木，其加工难度比根据其硬度测量值所预期的更难。这可能是由于这些木材的细胞中存在微小的二氧化硅颗粒沉积物所致。

    端 纹(面) 和 侧 纹(面)

    虽然抗压痕性通常是衡量木材在受到磨损（如地板磨损）时耐磨能力的一个指标，但也有例外。例如，木材的端面硬度通常比侧面硬度高约25%，但端面的耐磨性通常远大于这种差异所表明的耐磨性。每种木材在三个结构方向（切向、径向和横向）上的测量值是不同的。当将测得的硬度与木材的密度进行比较时，发现其中一个属性的增加会导致另一个属性的增加。这也适用于抗压强度。

    ▲巴沙木在硬度等级中是最软的，并且容易被标记

    与所有机械性能一样，除了韧性（冲击强度）可能有所例外外，硬度会随着木材的干燥而增加。侧纹(面)（切向和径向）的硬度低于端纹(面)硬度，但是无论是硬木还是软木，从湿材到干材的过程中，侧纹(面)硬度都会增加，硬木大约增加30%，软木大约增加40%。在实践中，人们经常发现这两个方向的侧面硬度是相似的，并且文献中引用的侧纹(面)硬度值通常给出径向和切向两个方向的平均值。为了更好地理解硬度和密度在硬木和软木中的重要性和相似性，下面列出了一些树种。硬度等级（通常称为Janka等级）通常以千牛为单位表示，而密度（以千克每立方米表示）则针对木工和地板木材中常用的木材提供。这些树种按照硬度递增的顺序排列，最低值在前。硬度和密度的值已经编码为10个类别，并且每个类别代表了一系列测量值，如描述所述。使用类别表示属性具有两个主要优点。首先，它使得木材之间的整体比较相对简单——可以迅速看出哪些木材相似，哪些木材有显著差异。其次，它避免引用实际木材属性值，这往往会暗示一种不切实际的精确性。

    朱戈·伊利奇博士（Dr Jugo Ilic）在澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）担任木材科学家长达36年。作为研究活动的一部分，他撰写了《CSIRO硬木图谱》（CSIRO Atlas of Hardwoods），并策展了澳大利亚木材收藏品（Australian Wood Collection）。他还为《澳大利亚木材评论》（Australian

Wood Review）撰写了多篇文章，其中部分文章如上图右侧所示。本文首次发表于2007年第59期。