Механические свойства древесины

Применение древесины в качестве конструкционного материала обусловлено способностью противостоять действию прилагаемых усилий, т.е. ее механическими свойствами. Различают следующие свойства древесины, проявляющиеся под воздействием механических нагрузок:

прочность - способность сопротивляться разрушению,

— деформативность — способность сопротивляться изменению размеров и формы;

— технологические и эксплуатационные свойства.

Показатели механических свойств древесины определяют обычно при таких видах испытаний, как растяжение, сжатие, изгиб и сдвиг. Поскольку древесина — анизотропный материал, т.е. материал с различными свойствами в разных направлениях, указывают направление действия нагрузок: вдоль или поперек волокон (в радиальном или тангенциальном направлении).

Из-за сопротивления древесины внешним нагрузкам в ней возникают внутренние силы. Эти силы, отнесен- ные к единице площади сечения {1 см'), называются напряжениями. Максимальное напряжение, предшеству. ющее разрушению тела, называют пределом прочности

Предел прочности определяют на малых, чистых и не имеющих пороков образцах в лабораториях на испытательных машинах. Эти образцы имеют базисное сечение с размерами 20х20 мм и должны включать не менее 4 — 5 годичных слоев. Некоторые виды испытаний производят на образцах, сечение которых отличается от указанного.

Прочность при сжатии определяется на образцах призматической формы. В среднем для всех отечественных пород при влажности древесины 12% предел прочности на сжатые:,вдоль волокон составляет около 50 МПа, при сжатии поперек волокон — 1/10 предела прочности при сжа-' тии вдоль волокон.

В среднем для всех пород предел прочности при растяжении вдоль волокон равен 130 МПа, а предел проч-~«ности при растяжении поперек волокон в 20 раз ниже. Поэтому при конструировании изделий из древесины —:-: избегают растягивающих нагрузок, направленных поперек волокон. В среднем, предел прочности при статическом изгибе составляет 100 МПа.

Деформативность. При кратковременных нагрузках в древесине возникают преимущественно упругие ': деформации, которые после нагрузки исчезают. До определенного предела зависимость между напряжениями и деформациями близка к линейной (закон Гука). Основным показателем деформативности служит коэффициент пропорциональности — модуль упругости.

Модуль упругости вдоль волокон (Е) равен 12-16 ГПа, что в 20 раз больше, чем поперек волокон. Чем

больше модуль упругости, тем более жесткая древесина.!

С увеличением содержания связанной воды и температуры древесины жесткость ее снижается. В нагру- ' женной древесине при высыхании или охлаждении часть упругих деформаций преобразуется в «замороженные» остаточные деформации. Они исчезают при нагревании или увлажнении.

Поскольку древесина состоит в основном из полимеров с длинными гибкими цепными молекулами, ее деформативность зависит от продолжительности воздействия нагрузок. Механические свойства древесины, как и других полимеров, изучаются на базе общей науки реологии. Эта наука рассматривает общее законы деформирования материалов под воздействием нагрузки с учетом фактора времени.

Эксплуатационные и технологические свойства. Прочность древесины при длительных постоянных нагрузках важно знать в связи с применением ее в строительных конструкциях. Показателем этого свойства является предел длительного сопротивления (б,), который для всех видов нагрузки в среднем составляет примерно 0,5-0,6 величины предела прочности при кратковременных статических испытаниях.

Показателем прочности при переменных нагрузках является предел выносливости, средняя величина которого составляет примерно 0,2 от статического предела прочности.

При проектировании деревянных конструкций в расчетах используют не пределы прочности малых образ

цов древесины, а в несколько раз меньшие показатели — расчетные сопротивления. Они учитывают большие - размеры элементов конструкций, наличие пороков древесины, длительность действия нагрузки, влажность, температуру и другие факторы.

Удельная вязкость характеризует способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения и определяется при испытаниях на изгиб. ударная вязкость у древесины лиственных пород в среднем в 2 раза больше чем у древесины хвойных пород.

Твердость характеризует способность древесины сопротивляться вдавливанию более твердого тела. Все отечественные породы по твердости торцевой поверхности при влажности 12% делят на 3 группы: мягкие (твердость до 40Н/мм2, твердые (41-80) и очень твердые (более 80 Н/мм2). Ударную твердость определяют, сбрасывая стальной шарик диаметром 25 мм с высоты 0,5 м на поверхность образца, величина отпечатка на котором тем больше, чем меньше твердость древесины. Износостойкость — способность древесины сопротивляться износу, т.е. постепенному разрушению ее поверхностных зон при трении. Испытания древесины на износостойкость показали, что износ с боковых поверхностей значительно больше, чем с поверхности торцевого разреза. С повышением плотности и твердости древесины износ уменьшился. У влажной древесины износ больше, чем у сухой.

Уникальным свойством древесины является способность удерживать крепления: гвозди, шурупы, скобы, костыли и др. При забивании гвоздя в древесину возникают упругие деформации, которые обеспечивают достаточную силу трения, препятствующую выдергиванию гвоздя. Усилие, необходимое для выдергивания гвоздя, забитого в торец образца, меньше усилия, прилагаемого к гвоздю, забитому поперек волокон. С повышением плотности сопротивление древесины выдергиванию гвоздя или шурупа увеличивается. Усилия, необходимые для выдергивания шурупов (при прочих равных условиях), больше, чем для выдергивания гвоздей, т.к. в этом случае к трению присоединяется сопротивление волокон перерезанию и разрыву.

Технологическая операция гнутья древесины основана на ее способности сравнительно легко деформироваться при действии избегающих усилий. Способность гнуться выше у кольцесосудистых пород — дуба, ясеня:и др., а из рассеяннососудистых — у бука; хвойные породы обладают меньшей способностью к загибу. Гнутью подвергают древесину, находящуюся в нагретом и влажном состоянии. Это увеличивает податливость древесины и позволяет вследствие образования замороженных деформаций при последующем охлаждении и сушке под нагрузкой зафиксировать новую форму детали.

Для сравнительной оценки качества древесины используют так называемые удельные характеристики механических свойств, т.е. показатели ее механических свойств, отнесенные к единице плотности.

Удельная прочность при сжатии и статическом изгибе у хвойных пород выше, чем у лиственных. Значительно выше у хвойных пород и удельная жесткость. По остальным свойствам удельные характеристики у древесины лиственных пород выше, чем у хвойных.

Удельные характеристики древесины имеют особое значение, когда от изделия или конструкции требуется высокая прочность при малом весе. Это важно для транспортного машиностроения, авиастроения, судостроения и в других случаях.