稻谷外殼拉伸力學性能實驗研究

李 陽 李永祥 曹憲周 王明旭 崔 帆

(河南工業(yè)大學，鄭州 450001)

我國是稻谷生產(chǎn)和消費大國，國內(nèi)有60%以上的人口以大米為主要食物[1]。根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2017/18年度我國的稻谷總產(chǎn)量預(yù)計為20 856萬t，國內(nèi)稻谷總消費量預(yù)計為18 560萬t[2]。稻谷在收獲、流通、加工過程中由于外力和自身屬性等原因，會產(chǎn)生裂紋、破碎，對后續(xù)加工、儲存等影響較大[3-4]。數(shù)據(jù)顯示，稻谷在收獲、流通、加工過程中的平均損失率達20%[5]，造成了嚴重的浪費及企業(yè)經(jīng)濟效益的下降。稻谷外殼對內(nèi)部的米粒有保護作用，它的力學特性與收割、儲藏、加工的米粒破碎相關(guān)，因此稻谷外殼力學特性的研究對糧食安全生產(chǎn)及提高企業(yè)經(jīng)濟的效益十分重要。

目前，國內(nèi)外主要對稻谷和稻谷籽粒(糙米)的力學特性進行了研究，如李耀明等[6]對稻谷和糙米的擠壓力學性能進行了研究，得出稻谷外殼對降低稻谷在收獲、流通、加工過程中所產(chǎn)生的損傷有影響；Siebenmorgen等[7-8]研究了糙米的壓縮強度、三點彎曲強度與整精米率的相關(guān)性關(guān)系,得出糙米三點彎曲力與整精米率相關(guān)性較大；任祖方等[9]進行稻谷的擠壓和剪切試驗,得出稻谷品種和含水率對稻谷力學性能的影響；丁林峰等[10]進行稻谷壓縮試驗，得出稻谷的彈性模量和泊松比等常用力學參數(shù)；周顯青等[11]進行糙米的錐刺、三點彎曲、剪切、擠壓試驗，得出糙米斷裂主要與厚度及胚乳特性有關(guān)。但對于稻谷外殼的力學特性，目前并未引起大多數(shù)學者的重視。

本研究運用TMS-Pro物性分析儀進行稻谷外殼拉伸實驗，得到稻谷外殼的拉伸力學參數(shù)、力-位移曲線；運用電子顯微鏡對稻谷外殼拉伸斷裂裂紋處進行顯微觀察，并結(jié)合力-位移曲線分析拉伸斷裂過程；運用MINITAB對稻谷外殼拉伸破壞前的力和位移參數(shù)進行多項式回歸分析；運用MINITAB對不同產(chǎn)地的秈稻稻谷外殼拉伸力學參數(shù)進行差異顯著性分析。

1 材料與方法

1.1 實驗設(shè)備

選擇TMS-Pro物性分析儀及自制拉伸實驗夾具進行實驗，自制拉伸實驗夾具如圖1所示，物性分析儀的力感應(yīng)單元量程為500 N，力檢測精度優(yōu)于0.015%，位移指示精度0.000 1 mm，整個實驗系統(tǒng)采用計算機控制，配套專用分析軟件，利用該分析軟件可記錄完善的實驗數(shù)據(jù)。稻谷外殼斷裂處的顯微觀察采用ZYJ-1000E型電子顯微鏡(上海兆儀光電儀器廠)。對稻谷外殼的外形尺寸測量采用精度為0.02 mm的游標卡尺。實驗裝置如圖2所示。

1.2 實驗材料

實驗所選用稻谷樣本分別為產(chǎn)自江西、廣西、安徽的秈稻，稻谷樣本的含水率控制在14.8%。首先去掉癟谷和病谷，選取顆粒飽滿的籽粒，剝?nèi)サ竟韧鈿ぃ冕t(yī)用手術(shù)刀將稻谷外殼沿長軸方向加工為寬 2 mm，長6 mm的長方形試樣，試樣完好無破損和撕裂。

注：1.夾具上夾頭,2.調(diào)節(jié)螺栓,3.彈簧,4.夾具下夾頭。圖1 拉伸實驗夾具

注：1.機架，2.加載裝置附帶力感應(yīng)單元，3.拉伸夾具上夾頭，4.稻谷外殼試樣，5.拉伸夾具下夾頭6.底座，7.計算機，8.打印機。圖2 拉伸實驗設(shè)備

1.3 實驗方法

在TMS-Pro物性分析儀上設(shè)置加載速率為5 mm/min，夾具間距為0.5 mm，拉伸距離為1 mm，初始拉力為0.75 N。對每個產(chǎn)地稻谷外殼試樣進行20組拉伸實驗，實驗過程中保證試樣在夾具間斷裂，對同一產(chǎn)地的稻谷外殼拉伸實驗數(shù)據(jù)取平均值,結(jié)果保留3位有效數(shù)字[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻谷外殼拉伸力-位移曲線分析

稻谷外殼拉伸力-位移曲線如圖3所示。

圖3 安徽稻谷外殼拉伸力-位移曲線

從圖3可知，進行稻谷外殼拉伸實驗時，力與位移的曲線為非線性，曲線可以分為OA、AB、BC三段段,OA段為稻谷外殼從受到拉力至斷裂的過程，隨著拉伸力的逐漸增大曲線呈逐漸上升趨勢,曲線峰值處A點即為稻谷外殼斷裂點，A點對應(yīng)縱軸的值即為稻谷外殼拉伸破壞力；從AB段可以看出此段曲線總體呈下降趨勢,但該區(qū)間仍存在幾個波峰,這是由于在進行稻谷外殼拉伸實驗過程中當曲線到達A點處稻谷外殼總體斷裂,但是還存在一些韌性較大的稻谷外殼纖維沒有立即斷裂,隨著實驗的進行這些纖維逐漸斷裂,這些斷裂即表現(xiàn)為AB線段上的波峰。不同產(chǎn)地的稻谷外殼在進行拉伸實驗過程中AB段的波峰數(shù)量會有所差異。從B點之后拉伸載荷下降為零即C點。

2.2 稻谷外殼拉伸破壞前，力-位移參數(shù)回歸分析

運用MINITAB對曲線OA進行曲線擬合，將稻谷外殼拉伸力和位移數(shù)據(jù)導(dǎo)入MINITAB數(shù)據(jù)輸入框，設(shè)置響應(yīng)為力，預(yù)測變量為位移，回歸模型類型為立方型。得到的拉伸力F拉與位移S間的三次回歸方程見式(1),方差分析表見表1，擬合曲線結(jié)果圖見圖4。

稻谷外殼拉伸破壞前，力-位移回歸方程為

F拉=0.863 7+77.56S+887.2S2-11 410S3

(1)

表1 多項式回歸分析方差分析表

注：SS為離均差平方和；MS為均方差；F為F統(tǒng)計量；P為顯著性概率。

注：S為擬合優(yōu)度；R-Sq為相關(guān)指數(shù)；R-Sq(調(diào)整)為Minitab調(diào)整的相關(guān)系數(shù)。圖4 Minitab擬合曲線結(jié)果圖

從表1可以看出P=0.000<0.05，表明回歸方程是顯著的。

從圖4可以看出R-Sq=R-Sq(調(diào)整)=98.4%，表明建立的回歸模型非常可靠。

由分析可知，擬合的三次回歸方程可以較為真實反映實驗數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。

2.3 稻谷外殼拉伸斷裂處顯微圖像分析

利用電子顯微鏡對拉伸實驗過程中的稻谷外殼進行顯微分析，進一步對圖3中AB段的分析進行驗證，拉伸實驗前稻谷外殼顯微圖像如圖5所示，可以看出稻谷外殼的纖維呈網(wǎng)狀分布，纖維分布密集的區(qū)域為沿稻谷長軸方向，但是這些稻谷外殼纖維也呈現(xiàn)明顯的差異性，具體表現(xiàn)為纖維粗細、分布不均勻。進行拉伸實驗過程中稻谷外殼顯微圖像如圖6所示，在進行稻谷外殼拉伸實驗過程中，稻谷外殼總體斷裂，但仍然有一部分稻谷外殼纖維沒有斷裂。進行拉伸實驗后稻谷外殼顯微圖像如圖7所示，可以看出稻谷外殼完全斷裂，從斷裂處可以看出稻谷外殼斷裂邊緣呈明顯的不規(guī)則性，斷口處還存在已經(jīng)斷裂的稻谷外殼纖維。圖6、圖7中稻谷外殼的狀態(tài)可以由圖3曲線AB段反映出來。

圖6 拉伸實驗中稻谷外殼顯微圖像

圖7 拉伸實驗后稻谷外殼顯微圖像

2.4 稻谷外殼拉伸實驗數(shù)據(jù)分析

2.4.1 稻谷外殼拉伸力學參數(shù)計算

稻谷外殼的拉伸強度、斷裂伸長率、彈性模量、拉伸破壞能等重要的力學屬性可通過實驗數(shù)據(jù)計算得出。

拉伸強度計算公式：

(2)

式中：σb為拉伸強度/MPa;P為最大載荷即拉伸破壞力/N;A0為稻谷外殼橫截面面積/mm2;b為試樣寬度/mm;d為試樣厚度/mm。

斷裂伸長率計算公式：

(3)

式中：δ為斷裂伸長率/%;Δlb為伸長量即拉伸變形量/mm;l0為測量標距即夾具間試樣的長度/mm。

彈性模量計算公式：

(4)

式中：E為彈性模量/MPa;ΔP為載荷增量/N;Δl為與載荷增量對應(yīng)的變形增量/mm。

拉伸破壞能計算公式：

(5)

式中：G為拉伸破壞能/N·mm;F為拉伸力/N;δ為變形量/mm。

2.4.2 稻谷外殼拉伸實驗結(jié)果

經(jīng)過對產(chǎn)地為江西、廣西、安徽秈稻的稻谷外殼進行拉伸實驗可以得到稻谷外殼的力學屬性如表2。

表2 稻谷外殼拉伸實驗結(jié)果

2.4.3 稻谷外殼拉伸實驗數(shù)據(jù)差異顯著性分析

運用MINITAB對稻谷外殼的拉伸破壞力和彈性模量進行差異顯著性分析。原假設(shè)所有樣本的均值都相等，備選假設(shè)至少有一個均值不同，顯著性水平α=0.05，對三個產(chǎn)地的稻谷外殼拉伸實驗數(shù)據(jù)進行單因子方差分析。方差分析結(jié)果如表3、表4所示。

表3 不同產(chǎn)地稻谷外殼拉伸破壞力方差分析表

注：AdjSS為調(diào)整后的偏差平方和；AdjMS為調(diào)整后平均后的偏差平方和,余同。

表4 不同產(chǎn)地稻谷外殼彈性模量方差分析表

從方差分析表3可知P=0.003<0.01，故三個不同產(chǎn)地的稻谷外殼拉伸破壞力具有極其顯著的統(tǒng)計學差異。

從方差分析表4可知P=0.004<0.01，故三個產(chǎn)地的稻谷外殼彈性模量具有極其顯著的統(tǒng)計學差異。

由分析可知，不同產(chǎn)地的秈稻稻谷外殼的拉伸破壞力和彈性模量存在顯著性差異。

3 結(jié)論

根據(jù)稻谷外殼拉伸斷裂裂紋處的顯微圖像,并結(jié)合力-位移曲線進行分析，得出在力-位移曲線達到最大波峰后仍存在幾處較小波峰的原因：在進行稻谷外殼拉伸實驗過程中，稻谷外殼總體結(jié)構(gòu)斷裂后，仍然有一部分稻谷外殼纖維沒有斷裂。

經(jīng)過差異顯著性分析得出不同產(chǎn)地的秈稻稻谷外殼在拉伸破壞力和彈性模量上存在顯著的不同。拉伸破壞力的差異性同樣也反映了壟谷機脫殼效率及脫殼率的設(shè)備特性；彈性模量的差異性反映了稻谷外殼抵抗變形的能力，在設(shè)定的相同實驗(或加工)參數(shù)時稻谷產(chǎn)生裂紋維數(shù)及裂紋擴展方向會有所不同，從而影響到稻谷的破碎程度。

力-位移曲線和回歸方程，能較好的反映出稻谷外殼受拉斷裂的過程，可對稻谷壟谷、碾白工藝及加工裝備的參數(shù)優(yōu)化提供設(shè)計支撐。