張 宏 ，馬 巖，張兆國(guó) ，蘭海鵬 ，雷福祥

（1.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040；2. 塔里木大學(xué)，新疆 阿拉爾 843300；3. 昆明理工大學(xué)，云南 昆明650500）

溫-185核桃殼斷口形貌的研究

張 宏1.2，馬 巖1，張兆國(guó)3，蘭海鵬2，雷福祥2

（1.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040；2. 塔里木大學(xué)，新疆 阿拉爾 843300；3. 昆明理工大學(xué)，云南 昆明650500）

為正確選擇破殼方法，通過觀察溫-185核桃殼的斷口形貌，依據(jù)斷口表面微觀細(xì)胞形貌的不同，將核桃殼的斷口分為疏松區(qū)、致密區(qū)和過渡區(qū)三個(gè)區(qū)域，并采用數(shù)學(xué)分析的方法對(duì)這三個(gè)區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)及描述。判斷為核桃殼體斷裂時(shí)體現(xiàn)為外層脆斷內(nèi)層韌性斷裂行為，而在內(nèi)外相連的區(qū)域呈混合斷裂狀態(tài)。致密區(qū)占有總體高度的55.6%，而疏松區(qū)占有24.2%，因此核桃在總體致密區(qū)細(xì)胞占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)疏松區(qū)的細(xì)胞較致密區(qū)體積大，意味著在相同體積內(nèi)疏松區(qū)較致密區(qū)細(xì)胞的數(shù)量明顯少。因此溫185核桃殼體在宏觀上呈現(xiàn)了脆性特征，該結(jié)果可以為機(jī)械自動(dòng)破殼方法提供參考。

核桃殼；斷口；形貌；電鏡觀察

國(guó)內(nèi)核桃加工生產(chǎn)起步晚， 技術(shù)相對(duì)落后，主要體現(xiàn)在加工規(guī)模小、 產(chǎn)品種類少、 產(chǎn)品市場(chǎng)影響力低，加工水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外。當(dāng)前核桃科研單位也研制出了不少核桃加工設(shè)備，如青核桃脫皮機(jī)、核桃清洗機(jī)、核桃清選機(jī)、 核桃分級(jí)機(jī)以及多種核桃破殼機(jī)，但由于缺乏對(duì)核桃破殼過程的研究，使得目前國(guó)內(nèi)的核桃破殼機(jī)總是存在一定的技術(shù)缺陷。

在國(guó)內(nèi)外研究核桃破殼方面的研究人員已經(jīng)做了許多工作。研究主要集中在以下方向上[1-5]：a.加載速度和堅(jiān)果大小對(duì)力學(xué)特性的影響；b.加載加速度和堅(jiān)果大小對(duì)力學(xué)特性的影響；c.基于有限元方法的堅(jiān)果力學(xué)特性研究；d基于斷裂力學(xué)和殼體力學(xué)的力學(xué)特性研究。但關(guān)于核桃殼體在微觀條件下斷面的觀察與分析的研究國(guó)內(nèi)外均未見報(bào)道。為此本文對(duì)核桃破殼的過程進(jìn)行了研究，從核桃破殼的機(jī)理上探討了核桃破殼的過程，只有這樣才可以設(shè)計(jì)出破殼效率高，破殼方法正確的核桃破殼設(shè)備[6-13]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所選核桃品種為溫185、儲(chǔ)存半年左右、原始質(zhì)量含水率為6.22%。

1.2 試驗(yàn)方法

取常溫儲(chǔ)存的核桃?guī)熘腥我?0個(gè)核桃。為獲得比較全面的斷口形態(tài)，試驗(yàn)中將新疆溫185核桃依照不同部位（軸部、徑部、棱部）編號(hào)并取樣（見圖1），分別取材于1、3、5，進(jìn)行掃描電鏡的觀察。

圖1 SEM觀察取樣部位Fig.1 Sections of samples observed by SEM

1.3 儀器與設(shè)備

掃描電子顯微鏡SEM（JEM-1200EX）；恒溫恒濕箱（CTHI-150(A)B型，施都凱儀器設(shè)備有限公司）；電子天平（FA2004）。

2 核桃殼斷口的觀察

2.1 電鏡樣品的制作

取核桃殼不同部位的樣品若干，然后將樣品利用雙面膠粘于觀測(cè)基座上，將觀測(cè)核桃殼的斷面部位露于上端，噴金后放入掃描電子顯微鏡試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行觀察。由于電鏡樣品在制作的時(shí)候?qū)嗝鏌o任何物理和化學(xué)損傷，因此在觀測(cè)時(shí)可以真實(shí)反映斷面的實(shí)際情況。

2.2 核桃殼斷口的分類

試驗(yàn)中對(duì)溫185核桃殼的斷口在掃描電子顯微鏡（SEM）下進(jìn)行了觀察，通過觀察研究發(fā)現(xiàn)核桃殼斷面如圖2所示。根據(jù)圖2（a）、2（b）、2（c）的斷面情況，可見雖取材于核桃的部位不同，在相同放大倍數(shù)（400.00 μm）的情況下，其斷面形貌大致相似。因此這里可以取2（a）圖作為研究對(duì)象，在斷口處微觀組織的變化可以將核桃殼斷面可以分為3個(gè)區(qū)域。根據(jù)組織排布致密程度的不同把這3個(gè)區(qū)域分別定義為疏松區(qū)、致密區(qū)和過渡區(qū)見圖2（d）。

2.3 核桃殼斷口各區(qū)的形態(tài)描述

2.3.1 致密區(qū)的形態(tài)描述

圖2 核桃斷面形貌及分類Fig.2 Cross section morphology and classification of wen-185 walnut shell

致密區(qū)細(xì)胞的形貌比較完整（見圖3a），斷口處的細(xì)胞為球狀或橢球狀，中間間或有輸送養(yǎng)料的管狀通道。球狀或橢球狀細(xì)胞斷裂時(shí)裂紋是沿著細(xì)胞的界面開裂的，屬于沿胞斷裂。出現(xiàn)此種斷裂的主要原因是該區(qū)域細(xì)胞的尺寸較小，單位體積細(xì)胞的密度較大。當(dāng)受到外加載荷的作用是，整個(gè)區(qū)域的細(xì)胞受力均勻，并且單個(gè)細(xì)胞受到的載荷不大，細(xì)胞在感受到外界載荷時(shí)細(xì)胞界面的強(qiáng)度小于細(xì)胞壁的強(qiáng)度，由于裂紋擴(kuò)展時(shí)是沿著受力最弱的方向進(jìn)行的。圖3a中斷口處很少能觀察到細(xì)胞的破壞，而使破壞主要出現(xiàn)在細(xì)胞與細(xì)胞之間的界面處，因而圖3a中斷口呈現(xiàn)沿胞斷裂的形式。在得知沿胞斷裂形式的情況下，以圖3a中裂紋穿過細(xì)胞界面且裂紋面方向發(fā)生了顯著的改變?yōu)樽C明；可以推斷，裂紋在萌生和擴(kuò)展時(shí)“覺察”到細(xì)胞界面的存在[3-4]，即細(xì)胞界面破壞的能量小于破壞細(xì)胞壁的能量而形成了圖3a的形態(tài)。

從力學(xué)角度分析：細(xì)胞壁的力學(xué)性能強(qiáng)于細(xì)胞界面，因而導(dǎo)致沿著細(xì)胞界面斷裂。在晶體中的沿晶斷裂定義為沿晶界析出連續(xù)或不連續(xù)的網(wǎng)狀脆性相時(shí)，在外力的作用下，這些網(wǎng)狀脆性相將直接承受載荷，很易于破碎形成裂紋并使裂紋沿晶界擴(kuò)展，造成試樣沿晶界斷裂，它是完全脆性的正斷。由于核桃殼體明顯為脆性材料，因此在這里我們有理由相信在致密區(qū)里的這種脆斷進(jìn)一步驗(yàn)證了核桃殼體的脆性特性。經(jīng)測(cè)量圖2d該部分位置高度約為540.00 μm，占總體高度的55.6%。

2.3.2 疏松區(qū)的形態(tài)描述

疏松區(qū)的破壞主要出現(xiàn)在細(xì)胞內(nèi)部（見圖3b），斷口處的呈蜂窩狀。斷裂時(shí)裂紋是沿著細(xì)胞的內(nèi)部開裂的，屬于穿胞斷裂。出現(xiàn)此種斷裂的主要原因是該區(qū)域細(xì)胞的尺寸較大（相對(duì)于致密區(qū)），單位體積細(xì)胞的密度較小。當(dāng)受到外加載荷的作用是，整個(gè)區(qū)域的細(xì)胞受力易出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，同時(shí)單個(gè)細(xì)胞承受的載荷相對(duì)較大，超過了單個(gè)細(xì)胞的斷裂強(qiáng)度，而此時(shí)的外力還未達(dá)到細(xì)胞與細(xì)胞之間的界面強(qiáng)度，同時(shí)細(xì)胞的破壞還釋放了部分應(yīng)力，使界面受力減小，所以在斷口處觀察到的大都是細(xì)胞的破壞，而很少觀察到細(xì)胞與細(xì)胞之間的界面破壞，最終才使斷口呈現(xiàn)沿晶斷裂的形式[5]。

從力學(xué)角度分析：該區(qū)的細(xì)胞均為細(xì)胞壁斷口（見圖3b），呈蜂窩狀。由此可見，在斷裂時(shí)是沿著細(xì)胞壁開裂，此時(shí)，細(xì)胞壁的力學(xué)性能弱于細(xì)胞界面因而導(dǎo)致沿著細(xì)胞壁斷裂。在細(xì)胞中穿過胞斷裂時(shí)裂紋穿過細(xì)胞內(nèi)部擴(kuò)展。穿胞斷裂可以是宏觀塑性斷裂，也可以是宏觀脆性斷裂。在這里我們認(rèn)為，由于核桃內(nèi)部的濕度高于外表皮，因而此處呈現(xiàn)韌性特性而導(dǎo)致其為穿胞斷裂形貌。經(jīng)測(cè)量該部位高度約為196.00 μm，占總體高度的20.2%。

圖3 核桃殼斷口各區(qū)的形態(tài)描述Fig.3 Morphological description of each zones of walnut shell fracture

2.3.3 過渡區(qū)的形態(tài)描述

該區(qū)的細(xì)胞為沿細(xì)胞壁和細(xì)胞壁斷口的混合狀態(tài)（見圖3c）。由此可見，在斷裂時(shí)既有沿著細(xì)胞壁開裂也有在斷裂時(shí)是沿著細(xì)胞壁開裂。在這里我們認(rèn)為，此區(qū)域?yàn)榧?xì)胞界面斷裂和穿過細(xì)胞壁斷裂的混合區(qū)域，故此稱之為過渡區(qū)。經(jīng)測(cè)量該部位高度約為235.00 μm，占總體高度的24.2%。

3 核桃殼斷面形貌定量描述

3.1 致密區(qū)的細(xì)胞測(cè)量

在致密區(qū)里細(xì)胞外形較為完整，形態(tài)呈球形、橢球形及其他異形，但大多數(shù)以球形和橢球形為主，在此由于球體能較好的描述。下表就圖3a以球形（細(xì)胞外表面）的大致尺寸范圍列出。

圖4 對(duì)圖3a的測(cè)量Fig.4 Measurement of the fig.3a

測(cè)量方法，按照比例尺在CAD中依照比例將50.00 μm放大至50.00 mm，用圓形測(cè)量細(xì)胞直徑，例如第一個(gè)細(xì)胞測(cè)量值為33.06 mm，轉(zhuǎn)換為真實(shí)測(cè)量值為33.06 μm。經(jīng)測(cè)量，橫坐標(biāo)表示細(xì)胞的編號(hào)，縱坐標(biāo)表示細(xì)胞的直徑大小，繪制細(xì)胞直徑分布圖（見圖5）。

圖5 致密區(qū)的細(xì)胞直徑分布Fig.5 Cell diameter distribution of the dense zone

由上圖可知，在圖細(xì)胞最大值為42.85 μm；最小值為16.09 μm；均值為25.41 μm。細(xì)胞尺寸多數(shù)集中在20.00～35.00 μm之間，可以推斷，在致密區(qū)域起強(qiáng)度作用的細(xì)胞直徑是20.00～35.00 μm

3.2 疏松區(qū)的細(xì)胞測(cè)量

同樣，依照?qǐng)D4測(cè)量方法測(cè)量疏松區(qū)的細(xì)胞直徑，依然采用橫坐標(biāo)表示所測(cè)細(xì)胞的序號(hào)，縱坐標(biāo)表示細(xì)胞的直徑大小，繪制細(xì)胞直徑分布圖（見圖6）。

圖6 疏松區(qū)的細(xì)胞直徑分布Fig.6 Cell diameter distribution of the loose zone

由上圖可知，細(xì)胞最大值為52.75 μm；最小值為27.36 μm；均值為39.55 μm細(xì)胞尺寸大多數(shù)集中在30.00～50.00 μm之間，可以推斷，在致密區(qū)域起強(qiáng)度作用的細(xì)胞直徑為是30.00～50.00 μm。

在致密區(qū)域起強(qiáng)度作用的細(xì)胞直徑是20.00～35.00 μm，而在疏松區(qū)的細(xì)胞尺寸大多數(shù)集中在30.00～50.00 μm之間，顯然可知致密區(qū)的細(xì)胞較致密區(qū)體積大。通過測(cè)量在同一面積內(nèi)測(cè)量細(xì)胞數(shù)致密區(qū)為48個(gè)而疏松區(qū)為32個(gè)，可知在相同體積內(nèi)疏松區(qū)較致密區(qū)細(xì)胞的數(shù)量明顯少。通過以上分析核桃殼取樣于不同部位強(qiáng)度有所差異，但通過核桃殼的斷口形貌觀測(cè)核桃殼的細(xì)胞組織形態(tài)是相同的。

4 結(jié) 論

溫185核桃殼依據(jù)斷口表面微觀細(xì)胞形貌的不同，可分為疏松區(qū)、致密區(qū)和過渡區(qū)三個(gè)區(qū)域，其中致密區(qū)占有總體高度的55.6%，而疏松區(qū)占有24.2%。根據(jù)斷裂力學(xué)和核桃殼自身的機(jī)構(gòu)可知，因此溫185核桃殼體在宏觀上呈現(xiàn)脆性特征，沖擊載荷作用更加利于溫185核桃破殼。

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Experimental study on fractography of wen-85 walnut shell

ZHANG Hong1,2, MA Yan1, ZHANG Zhao-guo3, LAN Hai-peng2, LEI Fu-xiang2
(1.College of Engineering, Northeast Forestry University University, Harbin 150040, Heilongjiang, China;2. College of Mechanic and Electrical Engineering, Tarim University, Alar 843300, Xinjiang, China;
3. College of Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, Yunnan, China)

In order to correctly choose the method of breaking walnut shell, the fracture of wen-185 walnut shell was divided into three zones (loose zone, dense zone and the transition zone) through observing the fracture morphology and according to the different microscopic cell morphology of the fracture surface，and by adopting mathematical analysis method, the three zones’ microstructure statistics and description were carried out. The results show that the fracture behaviors of the inner were failure and the outer layer were brittle failure,while the transition zone appeared a mixed fracture status of gliding and brittle; the dense zone’s height occupied 55.6% of the total height of the shell, while the loose zone’s occupied 24.2%, so the walnut had an absolute advantage of cells in dense zone, the loose zone’s cell volume were bigger than that of the dense zone’s. Therefore, the wen-185 walnut shell shows a macroscopic brittle characteristic.

walnut shell; fracture; fractography; electron microscopic observation

S792.13

A

1673-923X(2013)09-0103-04

2012-12-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31160196）

張 宏（1975-），男，內(nèi)蒙古武川人，副教授，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化電氣化研究；E-mail：zhghog@163.com通訊作者：馬 巖（1955-），男，吉林榆樹人，教授，從事林業(yè)與木工機(jī)械方面的研究；E-mail：mayan@vip163.com

[本文編校：吳 毅]