Микроструктура

Микроструктура — это строение дерева видимое только при значительном увеличении.

Дерево состоит из очень большого числа живых и омертвевших клеток различной формы, величины и назначения.

Живая клетка состоит из оболочки—стенки и содержимого— протопласта (плазмы и ядра).

Оболочку или стенку клеток в основном образует вещество называемое целлюлозой или клетчаткой.

Со временем в клетчаткё под действием плазмы происходит химическое изменение—одревеснение, связанное с образованием в оболочке живой клетки особого вещества— лигнина, благодаря которому оболочка упрочняется, но становится болеё хрупкой.

Основными элементами, входящими в состав органической части древесных тканей, являются углерод, кислород, водород
и азот.

Стенки клеток состоят главным образом из целлюлозы и ряда других веществ (углеводов и лигнина). Химический состав целлюлозы: С—49,5%, О и N—44,2%, Н—6,3%.

Целлюлоза в чистом виде не растворяется в воде, спирте, бензине, эфире.

При действии на древесину горячих кислот или щелочных растворов в условиях высокого давления целлюлоза не растворяется, а углеводы и линин переходят в раствор. На этом основано получение целлюлозы из древесины.

Клетки древесины могут быть классифицированы по выполняемым ими функциям: а) проводящие; б) опорные (клетки древесных волокон); в) запасающие.

Проводящие клетки —сосуды и трахеиды. По этим клеткам по стволу от корней к ветвям и листьям проходит вода с растворенными в ней минеральными веществами.

Сосуды представляют собой тонкостенные широкополостные трубочки, расположенные по вертикали одна над другой и утратившие полностью или частично поперечные стенки. Диаметр сосудов от 0,04 до 0,3 мм; длина в среднем около 100 мм, но в отдельных случаях она достигает 2—3 м.

Трахеиды представляют собой удлиненные клетки до 10 мм длиной и 0,01—0,3 мм толщиной (клетки в поперечном сечении имеют форму многоугольника).

Древесина хвойных пород состоит главным образом из трахеид, на долго которых приходится 90—95% общего объема древесины.

Размеры трахеид в пределах одного и того же годичного слоя неодинаковы; трахеиды ранней древесины имеют сравнительно широкую полость и тонкую стенку, а трахеиды поздней древесины—узкую полость и утолщенную стенку.

На боковых поверхностях трахеид, а также сосудов имеются микроскопические отверстия—поры f и h, через которые они сообщаются (в поперечном направлении.

Трахеиды у хвойных пород являются одновременно и водопроводящей и опорной тканью; механические свойства древесины находятся в прямой зависимости от прочности трахеид поздней древесины.

В древесине лиственных пород имеются древесные волокна — это узкие и относительно толстостенные, вытянутые в длину клетки с заостренными концами. Благодаря этим толстостенным и прочным элементам, их плотному соединению между собой и равномерному распределению по годичному слою эти клетки придают древесине необходимую прочность.

Опорной тканью в стволах лиственных пород являются древесные волокна (рнс. 8), а в хвойных—трахеиды поздней древесины.

Запасающие клетки находятся главным образом в сердцевидных лучах. Эти клетки служат для передачи питательных веществ к живым клеткам. Кроме того, они хранят в себе запасы этих веществ на зимний период. Связь этих клеток с соседними непрочная.

Физико-механические свойства древесины

Цвет и текстура древесины

Цвет древесины ─ один из отличительных признаков древесных пород. По окраске древесины и ее строению можно определять доброкачественность материала и породу дерева

Влажность

Влажность ─ один из наиболее существенных физических факторов, влияющих на прочность, плотность и другие свойства древесины.

В древесине различают влагу свободную или капиллярную, заполняющую полости клеток, сосудов и межклеточные пространства, и так называемую гигроскопическую влагу, находящуюся в стенках клеток.

Влажность лесоматериалов следующая:

свежесрубленной древесины ─ 35 % и более;

мокрой (сплавной) древесины ─ обычно выше влажности свежесрубленной древесины;

воздушносухой древесины ─ 15 ─20 %;

комнатносухой ─ 8 ─ 13 %.

Гигроскопичность

Гигроскопичность древесины характеризует ее способность поглощать из воздуха влагу, находящуюся в нем в виде водяных паров. Влажная древесина легко отдает влагу достаточно сухому окружающему его воздуху, сухая ─ легко поглощает влагу из насыщенного воздуха.

Усушка и разбухание

Древесина, высыхая от самого влажного состояния до точки насыщения волокон, т.е до влажности 25 ─ 35 %, не меняет своих размеров, при дальнейшем понижении влажности древесина дает усушку (усадку).

Величина усушки или разбухания вследствие структурных особенностей древесины неодинакова в разных направлениях. Усушка по длине волокон относительно мала ≈ 0,1 %, в радиальном направлении 3 ─ 6 %, а в тангентальном 6 ─ 12 %. Эта же закономерность относится и к разбуханию.

Плотность древесины

Вещество из которого состоят стенки клеток, в среднем составляет, для всех пород 1,55 г/см³.

Так как в древесине много пор (до 90 %), заполненных воздухом, то плотность большинства древесных пород зависит от влажности.

Различают плотность древесины: 1. мокрой (сплавной), 2) свежесрубленной, 3) воздушносухой, 4) воздушносухой при стандартной влажности (15 %) и абсолютно сухой.

Воздушносухая плотность при стандартной влажности некоторых пород, г/ см³:

Береза ─ 0,64; бук ─ 0,65; дуб ─ 0,72; ель ─ 0,46; кедр ─ 0,44; лиственница ─ 0,68; сосна ─ 0,53.

Прочность

Сжатие. В зависимости от направления усилия по отношению к направлению волокон древесины различают:

─ сжатие вдоль волокон, когда усилие направлено параллельно волокнам;

─ сжатие поперек волокон, когда усилие в радиальном направлении перпендикулярно волокнам;

─ сжатие поперек волокон, когда усилие в тангентальном направлении перпендикулярно волокнам.

Растяжение. Древесина обладает высокой сопротивляемостью растяжению вдоль волокон (в два ─ три раза выше, чем прочность при сжатии вдоль волокон) и очень малой ─ поперек волокон. При растяжении древесины вдоль волокон волоконца не разрушаются, нарушается только связь между ними, так как эта связь меньше прочности самого волоконца.

Прочность на сжатие (растяжение) вдоль волокон некоторых пород древесины при стандартной влажности представлена ниже, кг/см³:

Дуб ─ 520 (1290); ель ─420 (1220); кедр ─ 350 (780); лиственница ─ 515 (1290); сосна ─ 440 (1150); ясень ─ 510(1660).

Изгиб. Древесина обладает высоким сопротивлением изгибу и потому широко применяется. Однако сопротивление древесины изгибу имеет большие колебания, вследствие сложных явлений возникающих при изгибе.

Пороки древесины

Пороками древесины называют неправильность ее строения, внутренние и наружные повреждения и различные заболевания.

Трещины, наружные и внутренние, встречаются на растущем дереве, а также на заготовленном лесоматериале и изделиях из древесины. Влияние трещин на качество материала зависит от их размера, количества, вида, а также положения по длине, ширине и толщине материала.

Метик ─ одна или несколько широких внутренних продольных трещин, постепенно суживающихся от центра к периферии. Различают простой метик, когда трещина проходит через диаметр, и лучистый, когда две или несколько трещин расположены по радиусам, под углом под углом друг к другу. Метик называют согласным, если трещина идет по стволу, оставаясь
в одной плоскости, и несогласным, если трещина идет витообразно.

Отлуп ─внутренняя трещина, идущая по годичному слою
и распространяющаяся на некоторую длину ствола. На торцах она имеет вид дугообразных трещин, не заполненных смолой. Различают отлуп частичный, когда трещина занимает часть годичного слоя, и кольцевой, если она распространяется по всему годичному слою..

Наружные трещины, появляющиеся при высыхании на бревнах и различных лесных материалах, называются трещинами усушки. Трещины усушки обычно имеют радиальное направление, поскольку древесина разрывается по сердцевинным лучам, так как связь между продольными волокнами и сердцевинными лучами наиболее слабая.

Сучки. Сучковатость является основным пороком лесных материалов. Сучки нарушают однородность строения древесины, затрудняют ее обработку и в большей или меньшей степени снижают прочность древесины.

По мере роста дерева нижние сучки отмирают и отпадают. Когда отмерший сучок, отпадая, обломился у самого ствола, место облома затягивается вновь нарастающими слоями древесины, и в стволе остается только след отпавшего сучка. Такой сучок называется заросшим.

Если отмерший сучок долго не отпадает или обломится неровно к поверхности ствола, то оставшаяся часть его обрастает новыми годичными слоями, которые, однако, не срастаются с отмершей древесиной сучка. В этом случае остается как бы вросший остаток мертвого сучка, не связанный с окружающей древесиной. Такой сучок в досках обычно выпадает; поэтому его называют мертвым или выпадающим.

В зависимости от положения в стволе дерева и плоскости разреза при распиловке сучки могут выходить на поверхность пиломатериала в виде круга, овала клина.

В пиленных лесоматериалах встречаются сшивные сучки, имеющие вид выклинивающихся к середине полос. Обычно торец такого сучка выходит на грань доски или бруса. В пиломатериалах лиственных и хвойных пород, особенно у сосны, встречаются лапчатые сучки, выходящие на поверхность доски в виде двух симметрично расположенных выклинивающихся по направлению к середине полос или сильно вытянутых овалов.

Сучок со здоровой древесиной, пропитанный смолистыми, окрашивающими или дубильными веществами и обладающий обычно повышенной твердостью, называется роговым.

Гнилые сучки: табачный сучок (бурого цвета) растирается при высыхании в порошок или распадается на отдельные волокна, а черный смолевой, сгнивший сучок пропитан тестообразной смолистой массой.

Рыхлым называется сучок, древесина которого полностью или частично утратила первоначальную структуру, она трухлява, имеет небольшие пустоты.

Так же различают сквозные и несквозные сучки.

Неправильности строения

К группе пороков, образовавшихся вследствие неправильности строения древесины, относятся:

Косослоем называется винтообразное направление волокон древесины от комля к вершине. Пороком считается такое отклонение, когда наклон волокон по отношению к ребру доски составляет более 5º.

Наклон годичных слоев получается в пиломатериалах
в тех случаях, когда распил бревна ведут под некоторым углом
к продольному направлению и чаще всего ─ при распиловке параллельно серцевине закомелистых, сбежистых и кривых бревен.

Свилеватость выражается в резко волнистом или путанном расположении древесных волокон. Свилеватость обычно наблюдается в нижнее (комлевой) части ствола.

Крень ─ утолщение поздней части годичных слоев с резко выраженной твердостью на одной стороне торца.

Прорость ─ омертвевшие части древесины или коры в результате наружных повреждений ствола. Прорость бывает открытой и закрытой.

Засмолок, встречающийся на древесине хвойных пород, характеризуется тем, что участок древесины, прилегающий к месту повреждения дерева, обильно пропитывается смолой.

Сбежистость ─ ненормальное уменьшение толщины круглого леса или ширины необрезной доски на всем протяжении от комля к вершине. Дерево считается сбежистым, если диаметр его изменяется более чем на 2 см на 1 м длины ствола.

Кривизна (искривление ствола) ─ служит одной из причин перерезания годичных слоев в пиломатериалах.

К другим порокам древесины также относятся: гнили (деструктивная, коррозийная), лесные грибы, складские грибы, домовые грибы (настоящий домовой гриб, белый домовой гриб, пленчатый домовой гриб и т.д.), плесень и т.д.

Виды лесных материалов

Круглый лес:

Бревна строительные и пиловочные, представляющие собой окороченные и очищенные от сучье вровень с поверхностью отрезки ствола диаметром в верхнем конце 140 мм и более. Длина бревен от 3 до 7,5 м с градацией в 0,25 м.

Кругляк тонкий ─ это очищенные от сучьев отрезки ствола древесных пород (толщина в верхнем отрубе от 30 до 110 мм включительно) длиной от 3 до 9 м, по толщине в верхнем отрубе подразделяют на подтоварник (70 ─ 110 мм) и жерди (30─70 мм).

Кряжи ─ короткие (1,3 ─ 2,6 м), но толстые (более 200 мм) отрезки ствола дерева.

Пиломатериалы:

Пластина ─ получают при продольной распиловке бревна на две симметричные части.

Четвертина ─ получается при продольной распиловке бревна по двум взаимно перпендикулярным диаметрам.

Горбыль ─ представляет собой срезанную наружную часть бревна, у которой, с одной стороны, во всю длину сделан пропил, а другая поверхность не обработана.

Доски и бруски в зависимости от толщины и соотношения между шириной и толщиной подразделяют:

доски толщиной до 100 мм при отношении ширины к длине более 2;

бруски толщиной 100 мм и менее при отношении ширины к толщине менее 2.

По чистоте опиловки кромок доски и бруски подразделяют на необрезные, имеющие неопиленные кромки, и обрезные,
у которых все стороны обработаны. В отдельных случаях допускается наличие непропилов (обзолов) в углах поперечного сечения. Различают доски с тупым и острым обзолом. Обзол называется тупым, если непропилы имеются лишь в углах поперечного сечения, сами же грани, образующие углы, пропилены по всей длине. Обзол называется острым на тех участках непропилов, где одна из кромок оказывается не задетой пропилом.

Брусья строительные хвойных пород ─ пиломатериал, толщина и ширина которого превышает 110 мм.

Шпалы изготавливаются из бревен хвойных пород толщиной 23 ─ 30 см, высотой ─ 13,5 ─17,5 см и длиной 2,5 ─ 2,7 м или кратной ей

Паркет обыкновенный ─ дощечки из древесины твердых пород различного размера и формы.

Паркет щитовой ─ представляет собой обвязку (фундамент) размером 150×150 см, изготовленную из досок или брусков толщиной 50 мм

Шашка деревянная представляет собой прямоугольную или шестигранную призму.

Клееная фанера представляет собой плоский лист, состоящий из трех или более склеенных между собой лущенных слоев (шпонов).

Фанера ножевая изготавливается из твердых и ценных пород: дуба, ясеня, клена, чинара, ореха и др.

Металлы, применяемые в строительстве

Отличительные особенности металлов: высокая прочисть, способность к значительным упругим и пластическим деформациям, возможность изготовления литых изделий, возможность обработки давлением (прокатка, ковка, штамповка, волочение), высокая электропроводность и теплопроводность.

Металлы подразделяют на две основные группы:

черные металлы ─ металлы и сплавы, в которых основным компонентом является железо.

цветные металлы ─ металлы и сплавы, в которых основным компонентом является не железо, а другой элемент, например: медь, алюминий, магний и др.

К группе черных металлов относятся стали и чугуны, представляющие собой сплавы железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором, серой и прочими элементами. Сплавы в которых углерод играет главную роль, называется железоуглеродистыми.

В зависимости от содержания углерода различают:

─ стали ─ сплавы, содержащие углерода до 1,7 %;

─ чугуны ─ сплавы, содержащие углерода более 1,7 %.

Если марганца в сталях ≤ 1 % и кремния ≤ 0,8 %, то стали называются углеродистыми, даже если содержание углерода в них < 0.8 %.

В углеродистых сталях допускается наличие других веществ (медь, никель, хром) в количестве ≤ 0,3 % (каждого элемента).

По содержанию углерода различают следующие виды стали:

- низкоуглеродистые стали при содержании углерода ≤ 0,25. Из них сооружают мосты, стропильные фермы, каркасы высотных зданий, гидротехнические резервуары, трубопроводы, изготавливают арматуру для железобетона и т.д.

- среднеуглеродистые стали при содержании углерода от 0,25 до 0,6 % сталь. Из среднеуглеродистых сталей изготавливают детали машин, передающие усилия или крутящие моменты, например: шатуны, оси, валы железнодорожные рельсы и т.д.

- высокоуглеродистые стали при содержании углерода от 0,6 до 1,7% сталь называется. Высокоуглеродистые стали применяют для изготовления инструментов, необходимых при обработке металла, дерева, камня, например: топоров, пил, молотков, зубил, резцов, напильников и пр.

Стали, в которые для повышения механических свойств, введены добавочные – легирующие компоненты, называются легированными сталями. Легирующими компонентами являются: никель, стронций, марганец (более 1%), кремний (более 0,8%), вольфрам, ванадий, молибден, медь, алюминий, бор, титан и др.

По содержанию легирующих компонентов различают:

- низколегированные стали – суммарное содержание легирующих компонентов не превышает 2,5% (хромо-медистые и хромоникельмедистые стали);

- среднелегированные стали – суммарное содержание легирующих компонентов 2,5 – 10% (применяются для изготовления деталей, работающих при высоких напряжениях);

- высоколегированные стали – суммарное содержании легирующих компонентов более 10% (в строительном деле нержавеющие стали применяются для архитектурно-художественных деталей и сооружений.)

Чугуны в отливках содержат углерода 2 — 4%, а также больше магния и кремния, чем углеродистые стали. Чугуны являются хорошим и дешевым материалом для машиностроения. В строительном деле чугуны применяются главным образом для сжатых элементов конструкций, например: опорные части ферм, тюбинги, элементы арок и сводов, канализационные трубы, для арматурно-художественные детали (ограды, ворота, решетки, стойки, профилированные колонны и т. п.).

При содержании магния > 2 %, кремния > 4 % и фосфора > 1,5 % или при наличии легирующих добавок чугуны называют легированными

Цветные металлы.

Легкие сплавы на основе алюминия и магния применяются в мостостроении, в строительстве (оконные переплеты высотных зданий) и ни транспорте.

Медь и ее сплавы. Чистая медь применяется в электротехнике, в машиностроении и для архитектурно-художественных деталей и скульптурных композиций.

Из медных сплавов наибольшее применение имеют: латуни—сплавы меди с цинком; бронзы (оловянистые) – сплавы меди с оловом.

Легкоплавкие металлы свинец, цинк, являются основой для изготовления подшипниковых (антифрикционных) сплавов, легкоплавких сплавов (с температурой плавления ниже +100°) и припоев для пайки.

Твердые сплавы, к которым относятся:

а) металлокерамические — получаемые на основе карбидов вольфрама и титана;

б) литые или наплавленные сплавы карбидов.

Твердые сплавы чаще всего применяют для изготовления, для покрытия поверхности металлических деталей, чтобы повысить их сопротивление.