糙米正面破碎特性與裂紋擴展規律

張 濤

李修銀

廖 敏

鄭睿愷

(1. 西華大學機械工程學院，四川 成都 610039；2. 西華大學現代農業裝備研究院，四川 成都 610039)

2020年中國稻谷產量約為2.12億t，其加工環節的損失率高達20%，尤其是糙米碾白加工環節，精米出米率只有70%，嚴重影響成品米精度和商品價值[1-3]。減少碾米階段的碎米對提高成品米出米率和糧食產量具有重要意義。米粒破碎理論涉及到稻谷脫粒和大米碾白的損傷破壞，主要從能量守恒角度對米粒損傷破碎進行研究[4-6]；關于稻米籽粒裂紋擴展的研究[7-13]表明，造成稻米籽粒斷裂破碎的原因大多與水分和溫度有關。而糙米正面在碾米過程中接觸面積最大，最易受到力的沖擊，文章擬對糙米正面的破碎特性與裂紋擴展進行研究，為碾米加工設備的設計、結構優化，以及碾米降碎工藝等方面提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

如圖1所示，糙米平放在桌面上，受桌面支承的籽粒面稱為底面，其對立面稱作糙米正面；糙米籽粒的粒型用長度、寬度、厚度3個尺寸表示，糙米胚芽一端到另一端的最大距離稱為糙米長度，正面到底面間的最大距離稱為糙米寬度，兩正面之間的最大距離稱為糙米厚度。

圖1 糙米三軸尺寸Figure 1 Triaxial dimensions of brown rice

選取目前市場上主要售賣的秈型稻谷和粳型稻谷，產地分別來自于江蘇和安徽，收獲時間均為2020年6月。通過手工脫殼方式分別獲得兩品種糙米近500粒，測得糙米三軸尺寸、籽粒重量如表1所示。由表1可知，粳型糙米的寬度、厚度及密度均略大于秈型糙米。

表1 糙米的物理特征參數Table 1 Physical characteristic parameters of brown rice

賈富國等[14-15]研究發現，糙米在碾白加工時，當含水率為15%～16%時，碎米率最小，因此，采用105 ℃恒重法[16]測得糙米初始含水率為(11.0±0.2)%，通過加濕調質技術將兩種糙米的含水率控制在15%～16%，并獲得糙米樣品。

1.2 試驗方法

1.2.1 糙米力學試驗 采用CMT1103萬能材料試驗機對糙米進行力學特性測試，擠壓夾具由上方的壓頭和下端為支承座組成，彎曲及剪切試驗夾具為定制。

試驗機預加載力為5 N，加載速度為0.5 mm/s，移動速度為50 mm/s[8]。試驗過程中當壓頭檢測到籽粒斷裂后，立即停止加載，壓頭自動提升至一定位置。隨機取30粒左右完整糙米試樣逐粒進行加載試驗[8]，計算破碎力、破碎變形等的平均值及標準差。

1.2.2 糙米損傷裂紋觀察 利用15J(JQC型)精密三維視頻顯微鏡對糙米內部裂紋的產生和擴展進行觀察，并尋找糙米內部裂紋擴展的相關規律。利用萬能材料試驗機對糙米進行受力加載：第1階段，以一個較小力值對第一粒糙米進行加載，并將該粒糙米平放后磨去中心線以下的部分(見圖2)，隨后將該糙米染色放入顯微鏡下觀察，若未發現裂紋，則繼續對第二粒同品種糙米進行加載，第2次的加載力值大于第1次的，不斷重復此過程直至糙米出現裂紋；第2階段，將糙米加載至破碎，為方便與第1階段對比，需將破碎糙米沿前視方向磨掉一部分，染色后放入顯微鏡下觀察。

圖2 糙米磨削示意圖Figure 2 Chart of brown rice grinding

1.2.3 糙米正面破碎特性指標 糙米是生物系材料，但其內部產生應力裂紋的過程與金屬極為相似，因此為研究糙米的破碎特性，借助金屬材料相關力學理論提出了破碎力、破碎變形、破碎強度、破碎能以及彈性模量5個表征糙米破碎特性的重要指標，破碎力和破碎變形表示使糙米破碎或斷裂的最大外力和最大變形，其值可通過萬能材料試驗機讀出；破碎強度是指引起糙米破碎或斷裂所需的最大應力；彈性模量可表示糙米抵抗變形能力的大小，其值等于糙米彈性階段應力與應變之比；破碎能是指糙米從受力到斷裂過程中所消耗的能量，其值等于外力在力的位移方向上所做的功。根據文獻[7]計算不同試驗條件下糙米的破碎強度、彈性模量及破碎能，并結合萬能材料試驗機讀取糙米破碎力和破碎變形值。

1.3 數據分析

相同試驗條件下，對秈型糙米和粳型糙米正面分別進行30次擠壓、三點彎曲和剪切試驗，通過萬能材料試驗機測控軟件得到相應的力與位移數據，導出數據后，剔除有明顯錯誤的數據，保留規律相近的數據，選取代表性數據，以位移量作為橫坐標，力作為縱坐標，經繪圖軟件繪制得到不同載荷下糙米力—位移曲線圖。

2 結果與分析

2.1 糙米正面擠壓力學特性表征

2.1.1 擠壓載荷下的力—位移曲線 由于秈型糙米和粳型糙米在不同荷載作用下的力—位移曲線基本相似，因此僅選取秈型糙米的力—位移曲線進行分析。

由圖3可知，擠壓力—位移特征曲線主要由OA、AB和BC3段組成，OA段中，變形隨擠壓力的增大而增大，O點為糙米開始發生變形的點，為起始點，其對應載荷值為10～20 N，隨著糙米變形的增大，擠壓力也逐漸增大，在A點擠壓力達到最大值，隨后AB段載荷急劇下降，說明糙米在A點發生了破碎；此外，OA曲線上還出現了諸多類似P的臺階，數量隨變形的增大而增多，直至點A形成階梯狀；其中OA段力—位移曲線與橫坐標所圍成的面積為破碎能。BC段，曲線呈現出與OA段相似的變化規律，是由于壓頭繼續對已破碎糙米進行擠壓，淀粉顆粒間的結合力被打破，因而BC段糙米變形隨載荷的增加越來越容易。

圖3 擠壓力—位移特征曲線

對于擠壓力—位移曲線出現多個臺階P并形成階梯狀的原因，可以參考低碳鋼在壓縮時的機械性能表現以及粉末壓制理論。對糙米籽粒施壓后，糙米內部微小顆粒間會發生相對移動，顆粒會填充內部間隙，微小顆粒迅速堆積至最緊密狀態，米粒抗壓能力增大，于是出現了特征曲線中斜率由小到大的轉變，載荷繼續增大直至達到顆粒承受極限，由于糙米形狀近似為扁平橢球體，在糙米受壓過程中，糙米越來越扁，其與壓頭的接觸面積不斷變大，新的微小顆粒繼續向間隙填充，顆粒堆積直至達到最緊密狀態，因此形成臺階P，隨著變形的增大，臺階P不斷重現直至糙米破碎。

此外，當糙米被壓縮時，內部的微粒相對移動，并將空隙填充到緊實狀態，在此期間，擠壓力—位移特性曲線出現一個近似水平線的線段，該曲線段中，變形量顯著增大，但是載荷值卻幾乎不變或是微小幅度增加，如果將該線段放大，還可以看出該線段呈小鋸齒狀，這種現象類似于低碳鋼壓縮屈服階段內晶格間的相對滑移；當顆粒填充間隙已至緊密狀態，要使糙米變形必須增加壓力，于是出現了曲線中斜率顯著增加的曲線段，隨變形增加，載荷大幅度增加，與低碳鋼受壓時的強化階段類似，因此可認為擠壓力—位移特征曲線中近似水平的曲線段是屬于糙米屈服階段，斜率顯著增大的曲線段是屬于糙米強化階段，糙米籽粒的斷裂來源于屈服階段和強化階段的不斷往復。

2.1.2 擠壓載荷下的裂紋擴展 由圖4可知，糙米胚乳組織排列不均勻，其內部淀粉顆粒形狀大小不一，淀粉顆粒之間容易形成微孔洞，即糙米內部存在間隙，證實了糙米力—位移特征曲線上P臺階的出現是由于顆粒間的相對運動進而填充內部間隙造成的推測。

圖4 糙米未受力時內部視圖Figure 4 Internal view of brown rice withoutstress (14 000×)

由圖5(a)可知，當糙米受擠壓作用內部出現裂紋時，產生了3條比較明顯的裂紋，但此時糙米還未發生破碎，裂紋從糙米中心向外延伸。由圖5(b)可知，當糙米正面受擠壓作用斷裂時，產生了3條豎直裂紋，中間豎直裂紋從正面貫穿到底面，是形成糙米擠壓破碎的主要裂紋，另外兩條豎直裂紋延伸至中部后與橫向裂紋相交。綜上，隨著擠壓力的逐漸增大，裂紋由糙米內部向外部進行擴展，從而引起糙米斷裂。

圖5 糙米正面受擠壓載荷內部視圖Figure 5 Internal view of brown rice facingextrusion load

2.2 糙米正面三點彎曲力學特性表征

2.2.1 三點彎曲載荷下的力—位移曲線 由圖6可知，糙米正面受三點彎曲作用時的力—位移曲線與擠壓力—位移曲線趨勢相近，變形起始點O對應的載荷值為5～10 N，小于糙米正面擠壓載荷變形起始點所對應的值，一定程度上反映出糙米正面抵抗彎曲變形的能力小于抵抗擠壓變形的能力；籽粒所受三點彎曲作用力隨變形量的增大而增大，當增大到A點后，載荷急劇下降到0，如AB段所示，表明A點糙米斷裂，A點為破碎力點；與受擠壓時情況一致，三點彎曲力—位移特征曲線上也有諸多類似P的臺階，表明三點彎曲載荷下的糙米也經歷了屈服階段和強化階段的交替過程，直至糙米斷裂。

圖6 糙米正面三點彎曲力-位移曲線Figure 6 Three-point bending force-displacement curveof brown rice front

2.2.2 彎曲載荷下的裂紋擴展 由圖7可知，當糙米正面受三點彎曲載荷作用產生裂紋但未斷裂時，糙米從底面產生了豎直裂紋；當糙米正面受彎曲載荷作用斷裂時，產生了從正面到底面貫穿的豎直裂紋，說明隨著三點彎曲載荷的逐漸增大，裂紋是從豎直方向向底面擴展至正面，而底面為支撐面，即裂紋會沿受力端擴展，直至斷裂。

圖7 糙米正面受三點彎曲載荷內部視圖Figure 7 Internal view of brown rice under three-pointbending load

2.3 糙米正面剪切力學特性表征

2.3.1 剪切載荷下的力—位移曲線 由圖8可知，糙米正面受剪切作用時的力—位移曲線與彎曲力—位移曲線相似，O點為變形起點，其對應荷載值略>5 N，小于糙米在正面擠壓和彎曲作用下變形起始點所對應的載荷值，一定程度上反映出糙米抵抗剪切變形的能力小于抵抗擠壓和彎曲變形的。

圖8 糙米正面剪切破碎力—位移特征曲線

2.3.2 剪切載荷下的裂紋擴展觀察 由圖9可知，糙米正面在剪切載荷作用下產生的裂紋與三點彎曲載荷作用下的類似，都是從支承端開始產生豎直裂紋，隨著載荷力的增加，裂紋從支承端逐漸向受力端擴展直至糙米斷裂。

圖9 糙米正面受剪切力內部視圖Figure 9 Internal view of frontal shearing forceof brown rice

2.4 糙米正面壓、彎、剪力學特征比較

相同試驗條件下，糙米正面受擠壓、彎曲、剪切載荷的破碎力—位移特征曲線如圖10所示，為便于觀察，只截取糙米從未受力到受力破碎、斷裂的曲線段。

由圖10可知，3種破碎力均隨破碎變形的增大而增大，除存在諸多臺階外，直至斷裂，上升趨勢幾乎是線性的，因而可以認為含水率在15%左右的糙米近似地符合線彈性材料的力學特征；糙米正面在擠壓載荷下的破碎力最大，破碎變形最小；剪切載荷下的破碎力最小，破碎變形最大；擠壓載荷下的力—位移曲線斜率最大；擠壓破碎的力—位移特征曲線上的臺階數量最少，剪切破碎的力—位移曲線上的臺階數量最多且呈鋸齒狀；擠壓變形起始點O所對應載荷均大于彎曲和剪切下的。

從3種力學狀態考慮，相同條件下，力—位移特征曲線斜率越大，破碎力越大，破碎變形越小，變形越小曲線上臺階數量越少。此外，力—位移特征曲線的斜率大小還代表材料線性剛度大小，斜率大剛度大，抵抗變形能力大，故糙米抗擠壓變形能力最大，抗剪切變形能力最小，抗彎曲變形能力位于抗擠壓和抗剪切之間。

從試驗方面考慮，糙米正面的3種力學特性試驗的加載壓頭與籽粒接觸形式不同，造成米粒損傷的形式不同。擠壓試驗中，糙米粒平放在支承座上，支承座為剛性平板，擠壓壓頭也是與其形狀大小相同的剛性平板，當壓頭向糙米粒加壓時，籽粒除了受到垂直向下的作用力外，還受到支承平板對其的支承反力，且壓頭與糙米籽粒的接觸面積在3種力學試驗中最大，當破碎力一定時，探頭對糙米粒產生的壓強最小，因此要使米粒斷裂，所需力就更大，故其擠壓破碎力最大，破碎變形最小。三點彎曲試驗中，糙米籽粒底部是兩點支承，當壓頭向下加壓時，籽粒正面受壓底部受拉，且探頭與籽粒接觸面積相較于擠壓試驗而言更小，產生的壓強更大，因此彎曲破碎力小于擠壓破碎力、彎曲破碎變形大于擠壓破碎變形。剪切試驗中，壓頭與糙米的接觸面積在3種力學試驗中最小，產生的壓強水平最大，糙米在受到剪切載荷時，糙米橫截面會沿作用力方向發生相對錯動變形，故其在剪切破碎力最小，破碎變形最大。

A1、A2、A3為糙米破碎力點圖10 糙米正面受壓、彎、剪時破碎力—位移曲線

綜上可以推斷，碾米加工過程中彎曲力、剪切力下的糙米更容易被破壞，因此，加工過程中要盡量避免糙米受到彎曲和剪切作用。

2.5 糙米正面破碎特性指標

由表2可知，無論是秈型糙米還是粳型糙米，破碎力大小為擠壓破碎力>三點彎曲破碎力>剪切破碎力，破碎變形力大小為擠壓破碎變形<三點彎曲破碎變形<剪切破碎變形，與破碎力—位移特征曲線對應；3種力學類型的破碎強度大小為擠壓破碎強度>三點彎曲破碎強度>剪切破碎強度；糙米破碎能大小與破碎力、破碎強度的分布趨勢一致；同一試驗條件下，糙米壓縮模量>三點彎曲模量>剪切模量。

表2 糙米破碎特性指標Table 2 Mechanical properties of brown rice

同載荷類型條件下，粳型糙米的破碎力、破碎變形、破碎強度及破碎能均大于秈型糙米，粳型糙米顯示出更好的力學特性，破碎強度除了與破碎力大小有關，還與糙米厚度有關，隨著破碎力的增大，糙米厚度減小，破碎強度增大。

3 結論

試驗表明，由于糙米內部胚乳組織的不均勻性，淀粉顆粒間容易形成微孔洞，糙米正面在受到擠壓載荷作用時，會先在內部微孔洞處產生裂紋，裂紋的快速擴展造成了米粒破碎或斷裂。在三點彎曲和剪切載荷下，糙米從支撐端底面產生裂紋，并擴展至正面；糙米受力時會經歷屈服階段與強化階段的交替過程，直至斷裂；與擠壓載荷相比，糙米在三點彎曲載荷和剪切載荷作用下的破碎強度和破碎能較小。糙米抗擠壓破碎的能力最大、抗彎曲破碎能力次之、抗剪切破碎能力最小，因此在對碾米機結構進行設計時，要盡量減少彎曲、剪切作用對糙米的影響；同等條件下，粳型糙米的力學特性優于秈型糙米。糙米加工品質與其力學特性間具體相關關系暫不明確，后續可通過米粒的三維模型建立[17]，進行離散元仿真，以期能根據破碎特性相關指標選擇合適加工工藝，降低碾米過程中碎米的產生。