Чем отличаются механические свойства древесины вдоль и поперек волокон
Чем отличаются механические свойства древесины вдоль и поперек волокон
Изучение механических свойств древесины начинается с изучения такого главного механического свойства как прочность древесины.
Прочность древесины — это способность или свойство древесины сопротивляться разрушающему воздействию механических усилий. В зависимости от направления действия сил выделяют следующие механические усилия: растяжение, сжатие, сдвиг, поперечный изгиб, кручение и продольный изгиб. А в свою очередь каждое действие сил тоже имеет разновидности это зависит от направления воздействия по отношению к направлению годичных слоев и волокон. При воздействии внешних сил в древесине возникает напряжение и появляется деформация, т. е. происходит изменение размеров или формы образца. Если после прекращения воздействия механической силы деформация частично остается, она называется остаточной, а если полностью исчезает, — упругой.
Прочность древесины как правило характеризуется пределом прочности, это величина напряжения, равным отношению наибольшей нагрузки, предшествовавшей разрушению образца, к первоначальной площади его сечения. Деформация древесины может быть различной она зависит не только от величины действующих механических сил, но и от продолжительности их воздействия. Так, при кратковременном воздействии определенной силы деформация может быть упругой, а при длительном воздействии той же силы — остаточной и тем большей, чем длительнее воздействие. Таким образом, древесина под действием длительных нагрузок течет. Наука, занимающаяся изучением течения вещества и законов деформации материала под воздействием нагрузки в течение определенного времени, называется реологией.
Испытания механических свойств древесины выполняют по соответствующим ГОСТам. В соответствии с ГОСТами испытания должны выполняться при стандартной влажности 12%. Если влажность отличается от стандартной, показатели механической прочности пересчитываются с учетом поправочных коэффициентов, указанных в ГОСТах.
Прочность древесины при сжатии вдоль волокон. Это одно из важных механических свойств древесины. Сопротивление сжатию вдоль волокон составляет довольно значительную величину и колеблется у различных пород от 45 до 65 МПа при стандартной влажности 12% и от 25 до 45 МПа при влажности выше 35%. При производстве мебели, свай, стоек, стропильных ферм и др. имеете важное значение сжатие древесины вдоль волокон.
Ещё одним из важных механических свойств древесины является прочность древесины при сжатии поперек волокон. При сжатии древесины поперек волокон в зависимости от направления сжатия (радиального, тангентального) и породы деформация древесины может быть неравномерной — трехфазной и равномерной — однофазной. В первом случае при испытании вначале проявляется повышение напряжений и деформации (1 фаза), затем прирост напряжений практически прекращается и наблюдается только увеличение деформации образца (2 фаза), далее напряжения начинают возрастать (3 фаза). В связи с наличием пофазной деформации испытания на сжатие поперек волокон ведутся с регистрацией как усилий воздействия, так и величин деформации. Напряжение принимают за условный предел прочности при сжатии поперек волокон, соответствующее пределу пропорциональности, т. е. максимальное значение напряжения на прямолинейном участке диаграммы. Условный предел в 5-11 раз меньше чем при сжатии вдоль волокон.
Прочность древесины при растяжении вдоль волокон. При растяжении древесины вдоль волокон показатель прочности имеет наибольшие значения. Деформация древесины при растяжении (удлинение образца) незначительна. Разрушение происходит в виде разрыва тканей. При низкой прочности древесины разрыв — раковистый, почти гладкий, а при высокой прочности разрыв длинноволокнистый. Прочность древесины на растяжение вдоль волокон как обычно зависит от породы древесины и находится в пределах 60-160 МПа при влажности 12%. Увеличение влажности приводит к некоторому снижению прочности.
Прочность древесины при растяжении поперек волокон. Древесина сравнительно слабо сопротивляется растяжению поперек волокон. Величина предела прочности при растяжении поперек волокон примерно в 20 раз меньше, чем при растяжении вдоль волокон, а если ещё есть трещины, это значение вообще может упасть до нуля. Поэтому на практике древесину не применяют в работе на растяжение поперек волокон. Перед сушкой или резанием древесины определяют величину прочности древесины на растяжение поперек волокон во избежании растрескивания древесины и для выбора режимов резания.
Прочность древесины при статическом изгибе. При изгибе древесины возникают напряжения сжатия на вогнутой и напряжения растяжения на выпуклой стороне. Так же при скалывании вдоль волокон возникают касательные напряжения. Сопротивление древесины статическому изгибу имеет большое значение во многих конструкциях, изготовляемых из нее, — балках, мебели, стропилах, мостах, лыжах. Предел прочности древесины при статическом изгибе в зависимости от породы колеблется в пределах 75-155 МПа (при влажности 12%). Увеличение влажности приводит к снижению предела прочности до 45-95 МПа (при влажности 30% и выше).
Прочность древесины при сдвиге. При сдвиге на древесину действуют две противоположные и равные по направлению силы. Многие конструкции узлов мостов, мебели, ферм работают на сдвиг. При сдвиге действуют касательные силы, расположенные в плоскости, параллельной действию внешних сил.
Чем отличаются механические свойства древесины вдоль и поперек волокон
Сосна, лиственница, дуб и др. отличаются ярко выраженной окраской ядровой части; ель, береза, липа и др. не имеют такой окраски.
Цвет древесины с течением времени меняется под действием физико-химических факторов. Так, например, только что спиленная ольха за короткий промежуток времени на воздухе из светлорозовой становится желтовато-красной. Это изменение окраски происходит в результате окисления (под воздействием на древесину воздуха и света) находящегося в клетках древесины ольхи красящего вещества. При действии раствора солей железа древесина некоторых пород (дуб, каштан) темнеет, так как в ней содержится таннин.
Ненормальный цвет древесины, темные или цветные пятна или полосы являются признаком развития в ней грибов.
Древесина хвойных пород обладает в основном простой и однообразной текстурой (рисунком), древесина лиственных пород — более сложной. Древесные породы, такие, как дуб, ясень, каштан, орех, сосна, лиственница, тисе и др., дают красивую текстуру на тангентальном разрезе; клен, бук, чинар и др. дают красивую текстуру на радиальном разрезе. Благодаря богатству и разнообразию текстуры древесины ряд пород высоко ценится о столярно-отделочных работах.
Как ведет себя древесина при сжатии
На прочность древесины оказывают влияние влажность форма и размеры образцов, пороки древесины и т. п. Характеристику механических свойств древесины устанавливают путем испытания чистых (не имеющих пороков) образцов стандартные размеров. При испытаниях обязательно учитывают влажность образцов древесины.
Сопротивление древесины сжатию
Сопротивление древесины сжатию используется в различных частях сооружений (сваи, колонны, стойки, опоры, подкосы и другие элементы деревянных ферм).
В зависимости от направления усилия по отношению к направлению волокон древесины различают
Сжатие: а — вдоль волокон; б — поперек волокон в радиальном направлении, в — поперек волокон в тангентальном направлении
Кроме указанных видов усилий могут быть и такие, направление которых составляет острый или тупой угол с направлением волокон древесины. При сжатии образца древесины вдоль волокон на его боковых поверхностях обнаруживаются линии разрушения; на радиальной поверхности они имеют вид горизонтальных линий, а на тангентальной — наклонных, их угол обычно несколько больше 45° (рис. 2)
Рис. 2. Характер разрушения образца древесины при сжатии вдоль волокон.
Как показывают наблюдения и исследования под микроскопом, при сжатии вдоль волокон у образца древесины еще до появления линий разрушения, заметных простым глазом, происходят изменения в стенках клеток. Эти изменения проявляются в трахеидах хвойных пород в виде тонких, четко очерченных линий, идущих под некоторым углом к продольной оси волокна.
Влажность оказывает большое влияние на деформативность и прочность древесины.
С увеличением влажности повышается деформативность древесины, уменьшается ее прочность по сравнению с сухой древесиной, что особенно заметно при статическом изгибе и сжатии. Это влияние проявляется при изменениях влажности в пределах от 0 до точки насыщения волокон. При более высоких значениях влажности (в среднем свыше 30%) прочность древесины остается почти постоянной.
Оболочка (стенка) клетки состоит из элементарных волоконец, образующих сложную структурную сетку. Промежутки между волоконцами сетки заполнены гидрофильным упругим коллоидным веществом. При высыхании древесины оно упрочняется и оказывает сопротивление воздействию внешних сил, как упругое тело, вместе с сеткой упругих элементарных волоконец. Во влажном состоянии коллоидное вещество переходит в пластичное состояние и тогда сопротивление внешним усилиям оказывает только набухшая сетка.
Сопротивляемость растяжению древесины. Предел прочности древесины при растяжении
Древесина обладает высокой сопротивляемостью растяжении вдоль волокон и очень малой — поперек волокон.
Сопротивление древесины растяжению вдоль волокон характеризуется большой изменчивостью показателей прочности (от 500 до 2000 кг/см2), зависящей главным образом от строения древесины длины волокон, угла наклона волокон по отношению к направлению действующей силы и т. п. На прочность, оказывает влияние и химический состав древесины при повышенном содержании лигнина прочность на растяжение снижается.
В элементах конструкции прочность зависит от наличия местных ослаблений рабочего сечения, появляющихся при обработке древесины, от влияния пороков древесины и т. п. Вследствие этого по нормам и техническим условиям основное допускаемое напряжение при растяжении вдоль волокон для древесины сосны составляет всего 70—85 кг/см2.
Растяжение в конструкциях возникает редко, главным образом, в затяжках стропил.
Для определения предела прочности древесины при растяжении вдоль волокон применяют стандартный образец форма и размеры которого показаны на рис.
Формы и размеры образца, испытываемого на растяжение
Влажность древесины не оказывает заметного влияния на прочность при растяжении
Испытания древесины на изгиб
Древесина обладает высоким сопротивлением изгибу и потому широко применяется в ответственных изгибаемых деталях сооружений (балки, стропила, мостовые брусья и т. п.) Однако сопротивление древесины изгибу имеет большие пределы колебаний, чем сопротивление сжатию вдоль волокон, вследствие более сложных явлений, возникающих при изгибе.
Сопротивление древесины изгибу находится в зависимости от тех же факторов, что и сопротивление сжатию, т.е. от влажности объемного веса и т.п.
Наличие в древесине сучков, а также косое расположение волокон и годичных слоев могут значительно снизить прочность древесины (на 30% и более). С изменением размеров образца наблюдается изменение коэффициента относительной прочности так же и при сжатии, растяжении, скалывании и т. п.
Разрушение образцов древесины при статическом поперечном изгибе (в случае приложения нагрузки по середине): 1 — в сжатой зоне вследствие образования складок, 2 — от скалывающих напряжений при наличии мелких скрытых трещин; 3 — простой разрыв, свойственный прямослойной древесине; 4 — косой разрыв, вследствие косого направления волокон 5—тупой излом свойственный хрупкой древесине; 6 — лучинистый излом, свойственный вязкой древесине.
Скалывающие напряжения в древесине
Сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон, скалыванию поперек волокон, перерезыванию.
В зависимости от плоскости, по которой действуют на образец внешние силы, различают:
Скалывание: 1 — скалывание вдоль волокон; 2 — скалывание поперек волокон; 3 — перерезывание поперек волокон.
При скалывании вдоль и поперек волокон прочность самих древесных волокон не нарушается, а нарушается только сцепление их между собой. Поэтому сопротивление скалыванию значительно меньше сопротивления перерезыванию.
Скалывающие напряжения вдоль волокон возникают в древесине довольно часто, например, в соединениях деревянных элементов.
Скалывающие напряжения поперек волокон испытывают деревянные поперечные шпонки в составных (по высоте) деревянных балках; скалывающие напряжения вдоль волокон — деревянные стропильные затяжки; перерезывание — пластинчатые нагели — дощечки из дуба или бука, применяемые в составных по высоте поперечного сечения балках.
Сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон в общем невелико и составляет 15—25% от сопротивления сжатию в этом же направлении.
Сопротивление скалыванию поперек волокон составляет 30— 80% от сопротивления скалыванию вдоль волокон.
Сопротивление перерезыванию значительно выше (в 3—4 раза) сопротивления скалыванию вдоль волокон, но практически получить чистый срез чрезвычайно трудно, так как в этом случае волокна под действием поперечной сжимающей нагрузки сминаются и изгибаются.
Удерживание гвоздей и шурупов, прочность древесины
Сопротивление выдергиванию гвоздей и шурупов, как установлено опытами, зависит от силы трения, твердости и упругости древесины, а также и от направления волокон, т. е. от того, вколачивают гвоздь в торец или в боковую поверхность доски или бруса.
Способность древесины прочно удерживать гвозди, шурупы, костыли, скобы и т. п. общеизвестна и широко используется. Гвоздь, входя в древесину, подобно клину раздвигает и отчасти перерезывает ее волокна. Разделенные части древесины оказывают на боковую поверхность гвоздя давление, которое и вызывает трение, удерживающее гвоздь. Мерой удерживающей способности гвоздя или шурупа служит величина наибольшего усилия (в килограммах), необходимого для их выдергивания.
Для увеличения трения, а следовательно, для большей прочности скрепления соединяемых элементов вместо гвоздей применяют шурупы или глухари.
Твердые породы обладают более высокой сопротивляемостью выдергиванию гвоздей, чем породы рыхлые, мягкие.
В сырую древесину значительно легче забить гвоздь, но когда она высохнет, гвоздь легче выдергивается, так как уменьшается трение волокон, соприкасающихся с поверхностью гвоздя.
Сопротивление выдергиванию гвоздя, вбитого в торец древесины, на 25—50% меньше (в зависимости от породы дерева) сопротивления выдергиванию гвоздя, вбитого в боковую поверхность (радиальную или тангентальную).
Прочность древесины
Прочность древесины при долговременных нагрузках
Эта прочность характеризуется так называемым пределом долговременного сопротивления, под которым понимается максимальное напряжение, не вызывающее разрушения при любой продолжительности действия нагрузки. Впервые определение предела долговременного сопротивления как начала непрекращающихся деформаций, приводящих к разрушению, было дано в Ф. П. Белянкиным, исследовавшим деформации древесины под длительной нагрузкой.
Опытами Ф. П. Белянкина установлено, что деревянные бруски под постоянно действующей и не возрастающей изгибающей нагрузкой при напряжениях ниже предела прочности, определяемого стандартным методом, разрушались по истечении более или менее длительного срока.
Установлено значение предела долговременного сопротивления для основных строительных пород древесины. В среднем оно составляет 0,5—0,6 от предела прочности, определяемого обычными лабораторными испытаниями.
Механические свойства древесины
Целлюлозные цепочки всегда представляют собой нитевидные молекулы. Растительная клетка имеет форму трубки, стенки которой образованы длинными, уложенными приблизительно параллельно нитевидными молекулами целлюлозы.
Таким образом, с инженерной точки зрения любую древесину можно считать пучком параллельных трубок. Поскольку материал этих трубок по существу для всех пород одинаков, то прочность древесины зависит от толщины стенок и, следовательно, от средней плотности древесины.
Механические качества древесины не отличаются от свойств, которые можно ожидать от пучка трубок или волокон.
Прочность древесины определяют путем испытания малых, чистых (без видимых пороков) образцов древесины. Прочность древесины характеризуется пределами ее прочности при сжатии, растяжении, статическом изгибе, скалывании. Кроме того, могут определяться условный предел прочности при местном смятии и предел прочности при перерезании поперек волокон.
Прочность древесины как анизотропного волокнистого материала в большой степени зависит от того, под каким углом к волокнам будет направлена сила (рис. 7).
Диаграмма растяжения – сжатия древесины вдоль волокон представлена на рис. 8. в области растяжения она практически линейна, а дерево при этом ведет себя как хрупкий материал. При испытании на сжатие кривая «напряжение-деформация» существенно не линейна.
Прочность древесины зависит также от породы дерева, средней плотности, косвенно характеризующей пористость древесины, наличия пороков и влажности.
Прочность древесины определяют на небольших лабораторных образцах без пороков.
Прочность при сжатии определяют вдоль и поперек волокон. Прочность древесины при сжатии вдоль волокон в 4-6 раз больше, чем прочность поперек волокон. Например, предел прочности при сжатии образцов воздушно-сухой сосны вдоль волокон – около 100 МПа, а поперек – только 20- 25 МПа.
Прочность древесины при растяжении вдоль волокон в среднем в 2,5 раза превосходит соответствующий предел прочности при сжатии.
Удельная прочность древесины при растяжении вдоль волокон примерно такая же, как у высокопрочной стали и стекло-пластика.
Прочность при статическом изгибе древесины достаточно высокая: она примерно в 1,8 раза превышает прочность при сжатии вдоль волокон и составляет около 70% прочности при растяжении. Поэтому древесина (балки, настилы и т.п.) чаще всего работает на изгиб.
К тому же дерево стойко к концентрации напряжений ввиду наличия внутренних поверхностей раздела между волокнами.
Прочность древесины при скалывании имеет большое значение при устройстве врубок, клеевых швов и т.п. в деревянных конструкциях. Предел прочности при скалывании вдоль волокон для большинства применяемых в строительстве древесных пород составляет 6,0-13 МПа, а при скалывании поперек волокон – в 3-4 раза выше. Кроме этих испытаний может проводиться определение предела прочности древесины при перерезании поперек волокон.
Статическая твердость численно равна нагрузке, которая необходима для вдавливания в образец древесины половины металлического шарика радиусом 5,64 мм (при этом площадь отпечатка равна 1 см2). Твердость древесины по торцу на 15-50% больше, чем в радиальном и тангенциальном направлениях. Мягкие породы (сосна, ель, пихта, ольха) имеют торцовую твердость 35-50 МПа, твердые породы (дуб, граб, береза, ясень, лиственница и др.) – более 100 МПа. Твердые породы труднее обрабатываются, но зато они обладают повышенной износостойкостью и лучше удерживают шурупы.
Факторы, влияющие на механические свойства древесины. Общая тенденция состоит в том, что, чем плотнее древесина, тем большую прочность она имеет. Плотность и прочность древесины возрастает, если лес растет на возвышенных местах и песчаных почвах.
Прочностные характеристики древесины несколько снижаются с повышение температуры.
Стандартные методы определения механических свойств на малых «чистых» образцах позволяют сравнивать между собой прочность древесины одной породы или разных пород и оценивать общее качество древесины из данного лесонасаждения. Несмотря на это фактическая прочность строительной древесины в элементах стандартных размеров (досок, брусьев, бревен), в которых имеются те или другие дефекты строения и другие особенности, может быть значительно ниже. Поэтому при нормировании допускаемых напряжении (расчетных сопротивлений) устанавливается относительно большие коэффициенты запаса прочности.
По этой причине в отличие от других строительных материалов сорта лесоматериалов определяют не по прочности образцов, а на основании тщательного осмотра материала и оценки имеющихся в нем пороков.
Авторы: редакционная статья ТехСтройЭкспертизы
Механические свойства древесины
Древесина вследствие волокнистого строения отличается высокой прочностью при растяжении и сжатии вдоль волокон и значительно меньшей — поперек волокон. У хвойных пород предел прочности при сжатии вдоль волокон в 10-12 раз больше, чем поперек, а у лиственных — в 5-8 раз. Механическая прочность древесины в значительной степени зависит от объемной массы; с увеличением объемной массы древесины повышается прочность.
Прочность зависит от влажности — с повышением влажности она уменьшается. На прочность древесины оказывает влияние лишь изменение количества гигроскопической влаги. При повышении влажности выше точки насыщения волокон прочность древесины практически не уменьшается.
Прочность древесины характеризуется пределом прочности, т.е. напряжением, равным отношению наибольшей нагрузки, предшествовавшей разрушению образца, к первоначальной площади его сечения. Деформация древесины может быть различной не только в зависимости от величины действующих сил, но и от продолжительности их воздействия. Так, при кратковременном воздействии определенной силы деформация может быть упругой, а при длительном воздействии той же силы — остаточной и тем большей, чем длительнее воздействие.
Во многих деревянных конструкциях древесина работает на сжатие, смятие, скалывание, изгиб и реже на растяжение как вдоль, так и поперек волокон. В связи с этим древесину испытывают, главным образом, на сжатие вдоль и поперек волокон, на скалывание и изгиб.
Прочность древесины при сжатии вдоль волокон. Это одно из важных механических свойств древесины. Сопротивление сжатию вдоль волокон составляет значительную величину и колеблется у различных пород от 40 до 60 МПа при стандартной влажности 12% и от 20 до 40 МПа при влажности выше 30%. Сжатие древесины вдоль волокон имеет важное значение при использовании ее для мебели, свай, стоек, стропильных ферм и т. д.
Предел прочности о 12, Па, вычисляют по формуле Оц * Pab. Здесь Р — максимальное разрушающее усилие, Н; а и b — ширина и толщина образца, м.
Прочность древесины при сжатии поперек волокон. При сжатии древесины поперек волокон в зависимости от породы и направления сжатия (радиального, тангентального) деформация может быть равномерной — однофазной и неравномерной — трехфазной. В последнем случае при испытании вначале наблюдается повышение напряжений и деформации (фаза), затем прирост напряжений почти прекращается и наблюдается только увеличение деформации образца (фаза), далее напряжения начинают возрастать (фаза). Вследствие наличия пофазной деформации испытания на сжатие поперек волокон ведут с регистрацией как усилий, так и величин деформации. За условный предел прочности при сжатии поперек волокон принимают напряжение, соответствующее пределу пропорциональности, т.е. максимальное значение напряжения на прямолинейном участке диаграммы. Условный предел в 6-10 раз меньше чем при сжатии вдоль волокон.
Прочность при растяжении вдоль волокон. При растяжении древесины вдоль волокон показатель прочности имеет наибольшие значения. Деформация древесины при растяжении (удлинение образца) незначительна. Разрушение происходит в виде разрыва тканей. При высокой прочности разрыв длинноволокнистый, а при низкой — раковистый, почти гладкий. Прочность древесины на растяжение вдоль волокон зависит от породы древесины и находится в пределах 70-170 МПа при
влажности 12%. Увеличение влажности приводит к некоторому снижению прочности. Предел прочности определяют по формуле а = Pmax/bh. Здесь b и h — ширина и толщина рабочей части образца, см; Ртах — максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца; Н.
Прочность при растяжении поперек волокон. Древесина сравнительно слабо сопротивляется растяжению поперек волокон. Величина предела прочности при растяжении вдоль волоконца если есть трещины, это значение вообще может упасть до нуля. Поэтому на практике древесину не применяют для работы на растяжение поперек волокон. Определение величины прочности древесины на растяжение поперек волокон необходимо для разработки безопасных в отношении растрескивания режимов сушки и для обоснования режимов резания.
Прочность древесины при сдвиге. При сдвиге на древесину действуют две равные и противоположные по направлению силы. Многие конструкции узлов мебели, мостов, ферм работают на сдвиг. При сдвиге действуют касательные силы, расположенные в плоскости, параллельной действию внешних сил.
Испытание на сдвиг возможно в трех направлениях: скалывание вдоль волокон, скалывание поперек волокон, перерезание древесины поперек волокон. Каждый вид испытания молено проводить в радиальном и тангентальном направлениях. Всего возможны шесть случаев испытания на сдвиг. Наиболее
распространенное испытание — на скалывание вдоль волокон. Предел прочности при скалывании вдоль волокон для хвойных пород древесины почти не зависит от радиального или танген-тального направления и составляет 6,5-10 МПа. У лиственных пород при радиальном скалывании предел прочности в зависимости от породы находится в пределах 6-16 МПа, при танген-тальном на 10-30% выше, чем при радиальном. Прочность древесины при других случаях сдвига мало изучена. Предел прочности при сдвиге определяют по формуле х = Р/Ы. Здесь b — ширина площади скалывания, см; — длина площади скалывания, см.
Ударная вязкость древесины. При статическом изгибе на древесину действует определенная нагрузка, величина которой либо остается постоянной либо возрастает постепенно. Однако в отдельных случаях изгибающая нагрузка может действовать и более резко: при прыжке на лыжах с трамплина, большой нагрузке на мост или стул, ударе судна о причал. Здесь важно знать о поведении и прочности древесины. Нагрузка при ударном изгибе производится на специальной испытательной машине — маятниковом копре.
Твердость древесины. С твердостью древесины приходится сталкиваться при изучении ее стойкости на истирание (деревянные полы, паркет, деревянные настилы), при обработке режущим инструментом, скреплении гвоздями (тара строительные блоки). Твердость может быть различной на торцовой, радиальной и тангнентальной поверхностях. Наиболее твердая — торцовая поверхность (22-97 МПа в зависимости от породы при влажности 12%). Твердость радиальной и тангентальной поверхностей почти одинаковы между собой, а по отношению к торцовой ниже на 30-40%. При увеличении влажности твердость уменьшается.
Модули упругости. Способность материала деформироваться, т.е. его жесткость, характеризуется модулем упругости, который представляет собой отношение напряжения в материале к упругой деформации. При растяжении и сжатии модуль упругости Е, МПа, определяют по формуле Е = ст/е (модуль рода). Здесь о — нормальное напряжение, МПа, е — относительная деформация (величина безразмерная).
При действии сдвигающих сил модуль сдвига определяют по формуле G = т/У (модуль рода). Здесь т — касательное напряжение, МПа; У — относительный сдвиг (величина безразмерная), характеризуемый относительным искажением прямого угла. Для определения модуля упругости или сдвига при испытаниях одновременно измеряют напряжения и деформации (с высокой точностью).
Технологические свойства древесины имеют большое значение при изготовлении из нее изделий. К ним относятся обрабатываемость резанием, сопротивление истиранию, способность к загибу, склеиванию и окрашиванию, а также способность удерживать гвозди и другие металлические крепления. Многие из них зависят от объемной массы, влажности и элементов анатомического строения древесины.
Обрабатываемость резанием — пилением, строганием, долблением и сверлением — зависит от твердости древесины и определяется усилием на обработку и степенью чистоты поверхности. Твердая и плотная древесина обрабатывается легче и чище, чем мягкая. Чем выше влажность древесины, тем труднее ее обрабатывать; практически невозможно чисто обработать поверхность влажной древесины. На мягкой древесине (ива, тополь, осина, липа) часто остаются царапины и вмятины. Больше усилий затрачивается на обработку древесины с повышенной объемной массой.
Сопротивление истиранию зависит от направления волокон, объемной массы, твердости и влажности древесины. Сопротивление истиранию с торца значительно больше, чем с боковой поверхности. С повышением объемной массы и твердости сопротивление истиранию возрастает, а при увеличении влажности — уменьшается. Истирание древесины происходит в результате постепенного разрушения поверхности под воздействием мелких твердых частиц и трения, при этом мелкие частицы удаляются неровностями трущихся деталей.
Способность древесины к загибу учитывают при изготовлении гнутой мебели, колец, полуколец и других
криволинейных деталей, а также бочек, ободов, дуг, т.е. в тех случаях, когда необходимо придать форму шаблона без разрушения волокон древесины и снижения механической прочности. Способность к загибу, как правило, выше у кольцесосуди-стых пород (дуба, ясеня и др.) и некоторых рассеяннососудистых пород с повышенной пластичностью, например бука. Уплотнение древесины происходит за счет крупных сосудов, без разрушения волокон. Способность древесины к загибу повышается по мере увеличения ее влажности до точки насыщения, а также температуры. При вбивании гвоздей в твердую древесину приходится затрачивать больше усилий. В этом случае в древесине высверливают отверстия диаметром на 0,2-0,3 мм меньше толщины гвоздя.
Способность древесины удерживать гвозди, шурупы и другие крепления имеет большое значение как в строительстве, так и при сборке мебели. Гвоздь, вбитый в древесину, испытывает давление ее отдельных частей, которое и удерживает его за счет трения. Показателем способности древесины удерживать крепления является усилие, необходимое для выдергивания гвоздя (в Н на м 2 поверхности соприкосновения гвоздя с древесиной). Это усилие зависит от породы, направления волокон, объемной массы и влажности древесины. Поперек волокон оно на 25% выше, чем вдоль. С увеличением объемной массы удельное усилие возрастает. При высыхании древесины способность удерживать крепление снижается вследствие уменьшения упругости волокон. Удерживающая способность древесины твердых пород в несколько раз выше, чем мягких. Удельное усилие для выдергивания шурупов при прочих равных условиях в 2 раза выше, чем для выдергивания гвоздей.
Коэффициенты качества древесины. При»использовании древесины в различных отраслях промышленности, если решающее значение имеет не только прочность, но и масса деталей и узлов, изготовленных из разных материалов, комплексным показателем свойств материала, в том числе и древесины, является коэффициент качества.
Коэффициент качества — это отношение показателя механических свойств к плотности материала. Если сравнить коэффициенты качества* различных материалов при растяжении, окажется, что древесина по этому показателю стоит выше многих металлов, соперничая с лучшими сортами стали: Сталь легированная 0,95-2,3
Стальное литье 0,45-0,55
Коэффициенты качества могут быть определены для любого показателя прочности. При сравнении показателей хвойных и лиственных пород древесины можно установить, что лиственные породы по многим механическим свойствам превосходят хвойные. Однако показатели качества при сжатии и статическом изгибе у хвойных пород выше, чем у лиственных.
Допускаемые напряжения для древесины. Прочностные показатели, полученные при различных видах нагрузки, являются предельными и не могут служить исходными данными при расчете конструкций из древесины по разным причинам. Во-первых, для удовлетворительной работы деревянных конструкций необходим определенный запас прочности. Во-вторых, в реальных условиях прочность древесины может быть ниже, чем при испытаниях, из-за несовпадения направления волокон, наклона волокон, изменения влажности, пороков в древесине (сучков, гнили и др.), влияния колебаний температуры и т. д. Поэтому при расчете конструкции принимают так называемые допускаемые напряжения. Отношение величины предела прочности к величине допускаемого напряжения называется коэффициентом запасам.
Вследствие анизотропности строения древесины и значительной изменчивости ее свойств во времени и под влиянием различных факторов коэффициенты запаса для нее устанавливаются более высокими, чем для металлов. Коэффициенты запаса для сжатия и скалывания составляют от 3 до 5, при растяжении
вдоль волокон — до 8-10. Модуль упругости при приближенных расчетах принимают независимо от породы равным 10000 МПа, если изделие эксплуатируют в сухом помещении, 7000 МПа для элементов, долго находящихся в увлажненном состоянии.
Для расчета элементов из сосны и ели, эксплуатируемы в сухом помещении при длительных нагрузках, принимают следующие допускаемые напряжения, МПа: изгиб и сжатие вдоль волокон — 10; растяжение вдоль волокон — 7; перерезание поперек волокон — 4,5; смятие поперек волокон — 3,5; скалывание вдоль волокон — 1-2; скалывание поперек волокон 0,5. Для древесины ясеня, дуба, клена допускаемые напряжения могут быть выше в 2 раза, кроме скалывающих напряжений, которые выше в 1,6 раза.
Факторы, влияющие на механические свойства древесины
В табл. сопоставлены объемная масса и показатели прочности древесины хвойных и лиственных пород.
Средние показатели механических свойств древесины хвойных и лиственных пород (при 15%-ной влажности)
Общая тенденция состоит в том, что чем плотнее древесина, тем большую прочность Она имеет. Плотность и прочность древесины возрастают, если лес растет на возвышенных местах и песчаных почвах.
Повышение влажности до предела гигроскопичности (до 30%) понижает механические свойства древесины. Высушивание же древесины на 1% (в пределах изменения влажности от 20 до 8%) повышает ее сопротивление сжатию и изгибу на 4%, растяжению — на 1%.
Пороки древесины понижают ее прочность.
Пороками называют недостатки отдельных участков древесины, снижающие ее качество и ограничивающие возможности использования.
Дефектами называют пороки механического происхождения, возникающие в древесине в процессе заготовки, транспортировки, сортировки, штабелевки и обработки.
Ввиду наличия пороков прочность бруса или доски не может быть оценена по результатам испытания малых чистых образцов. Поэтому в отличие от других материалов сорта лесоматериалов устанавливают не по прочности образцов, а на основании оценки характера, размеров и количества пороков.