Механические свойства древесины

Принято различать следующие свойства древесины, проявляющиеся под действием механических нагрузок: прочность - способность со­противляться разрушению; деформативность - способность сопро­тивляться изменению размеров и формы; технологические и эксплуатационные механические свойства. Механические свойства древесины могут проявляться при действии статических (плавно возрастающих), ударных (действующих вне­запно полной величиной), вибрационных (попеременно изменяющих величину и направление) и долговременных (действующих весьма продолжительное время) нагрузок. Показатели механических свойств древесины определяют обычно при растяжении, сжатии, изгибе и сдвиге (реже при кручении). Поскольку древесина - анизотропный материал ее испытывают в разных направлени­ях: вдоль или поперек волокон (в радиальном или тангенциальном направ­лении). В древесине, как в любом другом материале, под действием внешних нагрузок возникают силы сопротивления. Эти силы, приходящиеся на еди­ницу площади сечения тела, называются напряжением и выражаются в Н/мм² или МПа. Изменение размеров и формы тела под действием на­грузок называется деформацией. Напряжения и деформации могут возникать в теле и без участия внешних нагрузок вследствие неоднород­ных изменений его объема при сушке, увлажнении, нагревании и т. д.. Напряжения, действующие по нормали (перпендикуляру) к сечению тела, называются нормальными и обозначаются буквой а (сигма). Напряжения, действующие в плоскости сечения, называются касательны­ми и обозначаются буквой (тау). Максимальное напряжение, предшест­вующее разрушению тела называют пределом прочности. Зависимость между напряжениями и деформациями (относительными удлинениями- укорочениями или сдвигом) идеально упругого тела ли­нейная и выражается законом Гука. Она представляет собой систему уравнений, в которые входят составляющие деформаций и напря­жений, действующих на трех взаимно перпендикулярных площадках (ком­поненты тензоров деформаций и напряжений). Связь между напряжениями и деформациями осуществляется через упругие постоянные. У древесины близкая к линейной зависимость между напряжениями и деформациями наблюдается при кратковременных нагрузках до величи­ны напряжений, соответствующей пределу пропорционально­сти. Для крупных образцов (сортиментов) древесины, у которых нельзя пренебречь кривизной годичных слоев, а также при отсутствии правиль­ной ориентации сечений элементов конструкции по отношению к годич­ным слоям (доски, бруски) есть основание применять схему трансверсальной изотропии. В этом случае предполагается, что для всех направлений, лежащих в плоскости перпендикулярной волокнам, механи­ческие свойства одинаковы. Следовательно, учитываются только различия между свойствами вдоль и поперек волокон. У трансверсально изотропно­го (транстропного) тела пять независимых характеристик упругости. Между анизотропией упругих и прочностных свойств существует тесная связь. Однако различия в показателях прочности по разным структурным направлениям выражены слабее, чем в показателях упругих свойств. При расчете прочности элементов деревянных конструкций учитывают величину действующих усилий (напряжений), а также их ориентацию по отношению к волокнам и годичным слоям. Наибо­лее опасны растягивающие напряжения, действую­щие поперек волокон, т. е. перпендикулярно пло­щадкам приводящие к появ­лению в древесине трещин, параллельных волок­нам. Хрупко разрушается древесина и при скалыва­нии из-за касательных напряжений, действующих, по указанным площадкам. В некоторых элементах деревянных конст­рукций возникают сложные напряженные состоя­ния, при которых нормальные (главные) напряже­ния действуют одновременно по двум или трем вза­имно перпендикулярным площадкам. Таким образом, для расчета условий сохранения прочности детали при плоском напряженном состоянии необходимо знать механические ха­рактеристики древесины не только вдоль и поперек волокон, но и в диаго­нальном направлении. Различают следующие режимы нагружения: статический, динамиче­ский, вибрационный и длительный. Последние два режима связаны с про­должительным приложением нагрузок. В этих условиях заметно проявля­ется зависимость деформативности древесины от времени. Древесина, или, точнее, материал клеточных стенок, в основном представляет собой комплекс природных полимеров, имеющих длинные гибкие цепные молекулы. Такая особенность строения полимеров опреде­ляет особый характер их поведения под нагрузкой. При приложении уси­лий к полимеру могут возникнуть следующие три вида деформаций: уп­ругие - вследствие обратимого изменения средних междучастичных расстояний; высокоэластические, связанные с обратимой пере­группировкой частиц (звеньев цепных молекул); при этом объем тела не изменяется; вязко-текучие, обусловленные необратимым смещением молекулярных цепей; объем тела при этом также не изменяется. Полимеры могут находиться в трех физических состояниях - стекло­образном, высокоэластическом и вязко-текучем. Каждое из них характери­зуется преобладающим типом деформаций. Для первого состояния харак­терны обратимые упругие деформации, для второго - также обратимые высокоэластические, для третьего - необратимые вязко-текучие. Переход полимеров из одного состояния в другое обычно происхо­дит при изменении температуры. Различают фе­номенологическую и молекулярную реологию. Первая из них характеризует внешние проявления механических свойств материала под действием нагрузки во времени, вторая изучает молекулярный меха­низм деформаций. Для феноменологической и отчасти молекулярной рео­логии характерно изучение поведения реального материала на идеализиро­ванных, чаще всего механических моделях.

Из формулы (68) видно, что поведение моделей и, следовательно, ре­альных тел можно описать при помощи соотношений, содержащих в об­щем случае напряжения, деформации и их производные по времени. Такие соотношения называются реологическими уравнениями; па­раметры, характеризующие модель (материал), называются реологи­ческими коэффициентами,а напряжения и деформации -рео­логическими переменными. Реологические коэффициенты можно получить при двух основных видах испытаний -на ползучесть и релаксацию.В первом слу­чае ведется наблюдение за величиной деформации образца, возникающей под действием мгновенно приложенного и постоянного на протяжении ис­пытания напряжения. Во втором случае образцу мгновенно сообщается начальная деформация, которая на протяжении опыта поддерживается по­стоянной. При этом величина начальных напряжений уменьшается. Кроме того, реологические испытания часто проводят при постоянной скорости возрастания напряжений или при постоянной скорости деформации. К числу эксплуатационных и технологических свойств, проявляющихся при воздействии усилий, можно отнести твер­дость, ударную вязкость, износостойкость, способность удерживать креп­ления и др. Сюда же относится и обрабатываемость древесины режущими инструментами. Вопросы, характеризующие это свойство: качество обра­зованной резцом поверхности, влияние материала на затупление резца, удельная работа резания и др. - рассматриваются в руководствах по реза­нию древесины.