材料的延性,是指材料结构或所选择的结构部分超越弹性极限后,在没有明显刚度或者强度退化情况下的变形能力。本文以4年生毛竹(Phyllostachys edulis(Carr.)J.Houz.)材为研究对象,从细胞层面开展竹材弯曲延性的研究。采用原位加载电子显微镜,X射线三维显微镜和场发射环境扫描电镜对弯曲前后的竹篾进行观察,重点研究了导管、纤维和薄壁细胞在交互加载模式下的形态变化规律和对竹材延性的力学响应,比较导管、纤维和薄壁细胞在不同分布位置下对竹材延性的影响和贡献,总结了导管、纤维、薄壁细胞的破坏模式,对比分析不同维管束含量的竹篾在交互加载作用下细胞的变形规律和力学响应,以及弯曲交互加载过程中竹材各组织之间的协同作用,从细胞的层面去揭示竹材具有良好延性的原因。主要研究结果如下:(1)竹材延性可用延性系数和相对曲率两个参数来表征,二者呈正相关关系。本研究采用Iamge-Pro Plus软件可直接分析观察竹篾弯曲过程中细胞的形态变化。(2)导管对竹材延性的影响机制:大孔径的导管处于受压层时可提高竹材的延性。试样卸载后,导管的长轴和短轴均发生回弹,长轴的回弹率大于短轴。导管长轴方向的变形能力大于短轴方向的变形能力,长轴方向具有很好的拉伸能力。所有试验回弹率大小关系如下:宏观回弹率>导管长轴回弹率>导管短轴回弹率,导管回弹性较差。导管的破坏模式分为贯穿纹孔和在纹孔上下附近断裂两种类型。(3)纤维对竹材延性的影响机制:纤维的分布位置影响竹材延性大小,组织分布模式为薄壁-纤维-薄壁(P-F-P)试样的延性最好。组织分布模式同为纤维-薄壁-纤维(F-P-F)时,纤维含量高的,竹材刚度和强度大,竹材的延性低。纤维的断裂会降低竹材的回弹率。纤维短轴的回弹率小于试样的回弹率,纤维与纤维之间界面组合降低了试样的回弹率。受压层纤维由于挤压、拉伸和分层而发生破坏;中性层与受拉层的纤维破坏模式类似,纤维会发生近齐口断裂和多级脱层断裂。试样在弯曲至断裂的过程中,纤维首先会发生滑移分层,然后发生断裂,薄壁细胞在纤维断裂之后发生破坏。(4)薄壁细胞对竹材延性的影响机制:卸载后的细胞均发生了回弹。薄壁细胞具有很好的拉伸性能和压缩性能。薄壁细胞在受拉层良好的长轴拉伸性性能,和受压层的压缩性能使得竹材能够发生较大弯曲变形而不发生破坏,从而提高竹材的延性。不同分布位置薄壁细胞的回弹率大小均为:长轴回弹率>宏观回弹率>短轴回弹率。同一受拉层的长薄壁细胞与短薄壁细胞的形态变化规律一致,但是长薄壁细胞可以产生较大的长轴应变。受拉层薄壁组织在后期呈现非线性变化,而受拉层薄壁细胞在破坏前呈现线性变化,薄壁细胞具有良好的弹性。在交互加载试验中,回弹率的大小为:薄壁细胞>薄壁组织>宏观试样。薄壁细胞之间的界面和各组织之间的界面降低了竹材的回弹率,提高了竹材的延性。薄壁细胞的多层细胞壁结构阻碍了裂纹的扩展和试样的破坏,提高了竹材的延性。(5)维管束含量对竹材延性的影响机制:维管束含量较高的竹青篾试样抗弯强度大,弹性变形范围大,后期塑性变形范围小,延性较小,回弹率较高;维管束含量较低的竹黄篾试样弹性变形范围比维管束含量高的竹青篾小,后期塑性变形范围大,延性较大,回弹率较低。在交互加载过程中,受压层薄壁细胞长轴变短,短轴变长,而竹青篾的受压层薄壁细胞短轴变短。在同一个循环周期内,卸载后,长轴和短轴均发生回弹。薄壁细胞与薄壁细胞之间的界面降低了竹材的回弹率;纤维与薄壁组织之间的界面降低了竹材的回弹率。(6)竹材各组织协同作用机制:竹材的导管、纤维和薄壁细胞具有良好的组织协同作用。在试样发生弯曲变形时,细胞腔大的导管和弹性好的薄壁细胞能为与其相邻的纤维提供较大的变形空间,使纤维不会发生断裂,导管和薄壁细胞的细胞腔和细胞壁上的纹孔释放试样产生的应力,延迟了试样发生的破坏。竹材的组织协同作用提高了竹材的延性。竹材具有优良的延性,是导管分子、纤维细胞、薄壁细胞各自贡献以及三者的合理分布与协同作用的结果。深入研究竹材的延性,有助于揭示竹材高强、高韧性的形成机理,并为竹材高附加值利用提供科学依据。