Частное предприятие Дорас - Комфорт и уют Вашего дома

Механические свойства древесины

      Свойства древесины оказывать сопротивление действующим на нее внешним механическим силам (нагрузкам) называются механическими. Механические внешние силы в зависимости от характера их действий и направления вызывают в древесине различные напряжения. В соответствии с действиями механических сил различают прочность древесины на растяжение, на сжатие, на изгиб (на излом), на скалывание, на срез, на кручение, на раскалывание, дифференцируются и другие свойства: упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, твердость, износостойкость и способность удерживать гвозди, нагели и шурупы.

       Древесина имеет неоднородное строение, поэтому механические свойства ее в разных направлениях не одинаковы. Принято определять сопротивление древесины силам, действующим вдоль волокон (в торец), а также поперек - в радиальном и в тангентальном направлениях.
      При действии на древесину внешней механической силы с постепенным ее нарастанием разрушение древесины наступает не сразу. Древесина в значительной мере противодействует разрушающему действию нагрузки, причем изменяет форму или размеры (изгибается, удлиняется, сжимается). Изменение формы или размеров древесины под действием внешних механических сил называется деформацией. Деформация, исчезающая с прекращением действия силы, называется упругой. Если с прекращением действия силы форма или размеры древесины не восстанавливаются, то деформация называется остаточной. При определенной величине нагрузки упругая деформация переходит в остаточную. Момент такого перехода называют пределом упругости.

Прочность древесины

      Величина силы, вызвавшая разрушение, называется разрушающей силой. Наибольшее сопротивление древесины, граничащее с моментом ее разрушения, называется пределом прочности древесины. Наиболее часто наблюдается работа древесины на сжатие. Сваи, колонны, всякого рода стойки и опоры, ножки в мебели работают на сжатие. Различают сжатие продольное и поперечное в радиальном и тангентальном направлениях.
    До разрушения образец древесины сжимается (уменьшается в размере) по линии действия нагрузки. Это называют усадкой или смятием древесины. Особенно сильно смятие наблюдается при сжатии поперек волокон.
     Предел прочности древесины при сжатии поперек волокон в 5-10 раз меньше предела прочности при сжатии вдоль них, а при растяжении поперек волокон предел прочности в 10-20 раз меньше, чем вдоль волокон.
     Работа древесины на изгиб наблюдается часто. Изгибающие нагрузки нередко несут балки и бруски, стропила, детали эстакад, мостов, мебели. В любом случае изгибаемая деталь одновременно испытывает растяжение и сжатие разных ее частей вдоль волокон (Рис. 1 ). В первом случае верхняя часть сжимается, нижняя растягивается; во втором, наоборот, верхняя растягивается, нижняя сжимается. В первом случае опасное сечение детали будет посередине длины ее, во втором - близ места прикрепления детали. Внутренний слой древесины детали на границе растяжения и сжатия не испытывает ни сжатия, ни растяжения. Этот слой называется нейтральным, и в нем наблюдается напряжение на скалывание.

Таблица 1. Предел прочности древесины

Рис. 1. Два типичных случая работы древесины на изгиб:
а - изгибаемая деталь обоими концами опирается на твердые опоры;
б - изгибаемая деталь закреплена только одним концом, а на второй действует нагрузка
прочности древесины при изгибе меньше ее предела прочности при растяжении и больше предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Предел прочности древесины при скалывании и перерезании

   Скалыванием называется сдвиг части древесины вдоль волокон, поперек волокон в радиальной или тангентальной плоскостях и поперек волокон перпендикулярно их направлению. Сдвиг поперек волокон перпендикулярно их направлению называется перерезанием, или срезом. Сопротивление древесины на срез больше сопротивления на скалывание вдоль и поперек волокон в несколько раз, так как при скалывании преодолевается только сцепление клеток, а разрушения их стенок не происходит.

      
Предел прочности древесины при кручении

    Сопротивление древесины кручению наблюдается при работе вращающихся валов, осей, винтов и в других случаях, когда внешняя механическая сила стремится спирально скручивать волокна древесины. При кручении древесина обладает сравнительно небольшим пределом прочности. Повышенная влажность древесины понижает предел ее сопротивления при кручении. Лучше всего при кручении работает береза.
         
        Основными факторами, влияющими на показатели предела прочности древесины, являются ее влажность, объемный вес и наличие пороков. Увеличение влажности, как правило, понижает предел прочности древесины.  Тяжелая древесина прочнее легкой (при всех других одинаковых условиях). Считается, что предел прочности древесины пропорционален ее объемному весу. Наибольшим пределом прочности обладает древесина комлевая, у нее и наибольший объемный вес. От комля к вершине предел прочности древесины снижается на продольное сжатие, например на 8 % через каждые 6 м длины ствола.
       Предел прочности ядровой и заболонной древесины хвойных пород отличается незначительно. Древесина заболони лиственных пород по прочности ниже ядровой. Пределы прочности древесины деревьев зрелого возраста и деревьев, выросших на благоприятной для них почве, выше.

Упругость и пластичность

       Упругостью называется способность материала восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия нагрузки.
   Древесина является довольно упругим материалом. Упругость имеет большое практическое значение. В тех случаях, когда требуется смягчить толчки, применяют древесину, которая вследствие своей упругости в значительной степени поглощает толчки и смягчает отдачу.
       Упругость зависит от влажности, объемного веса, прямослойности древесины, от количества и размеров сердцевинных лучей н пей, а также от возраста дерева. Повышение влажности снижает се упругость.
      Значительная упругость древесины хвойных пород при сравнительно небольшом ее объемном весе объясняется прямослойностью ее строения, так как очень мелкие, в большинстве своем однорядные сердцевинные лучи не вызывают значительного искривления волокон.
       Пластичность - свойство древесины, обратное упругости. Пластичностю называется свойство материала изменять форму под действием нагрузки без разрушения и сохраняться в измененном состоянии после прекращения действия сил. Особенно сильно повышают пластичность увлажнение и нагревание древесины паром (пропарка) или горячей водой (проварка).
      Высокой пластичностью отличаются бук, вяз, дуб, ясень. Пластичность древесины хвойных пород, отличающихся прямослойнойностью строения, незначительна.

  Хрупкость, вязкость и раскалываемость

     Хрупкость - свойство материала разрушаться под действием механических сил внезапно, без значительного изменения формы. Совершенно хрупкой древесины нет. Это объясняется волокнистым ее строением. Наиболее хрупкой является древесина ольхи.
     Вязкость - свойство, обратное хрупкости. Чем больше остаточные деформации древесины под действием механических сил, тем ин жость ее выше. Указателем вязкости и хрупкости древесины является ее сопротивление ударному изгибу. Древесина лиственных пород, как правило, оказывает сопротивление ударному изгибу в 1,5-3 раза больше, чем древесина хвойных пород.
     Раскалываемость - это способность древесины расщепляться вдоль волокон под действием клина. Упругость древесины улучшает ее раскалываемость, а вязкость снижает. На раскалываемость влияет и влажность. При повышенной влажности древесина раскалывается легче. Однако при очень высокой влажности древесина мягких пород в результате снижения ее упругости раскалывается плохо. Легко раскалывается мерзлая древесина. Упругая с мелкими сердцевинными лучами древесина хвойных пород легко раскалывается в радиальном и тангентальном направлениях, в особенности ель и пихта. Сильно развитые сердцевинные лучи облегчают радиальное раскалывание, но затрудняют тангентальное. Легко раскалываются все хвойные породы, а также бук, каштан, осина, липа, а в радиальном направлении - дуб. Этим свойством древесины широко пользуются при заготовке бондарной колотой клепки, кровельной щепы, штукатурной дранки.

Твердость и износостойкость

    Твердостью называется свойство материала оказывать сопротивление проникновению твердых тел. Чем выше объемный вес древесины, тем больше ее твердость. Кроме того, твердость торцевой поверхности ствола больше, чем твердость радиального и тангентального разрезов. Так, у лиственных пород эта разница в среднем составляет 30 %, а у хвойных - 40 %.  Твердость древесины значительно снижается при увлажнении. По степени твердости все породы на практике подразделяются на твердые и мягкие.
    К твердым относятся: дуб, граб, ясень, клен, каштан, ильм, вяз, орех, груша, береза, лиственница и др.; к мягким - сосна, ель, пихта, ольха, липа, тополь, ива и др. Иногда выделяют еще третью группу сверхтвердых пород: самшит, фисташка и др.
     Твердость древесины имеет большое производственное значение, так как режущие инструменты для обработки древесины приходится подбирать и затачивать с учетом ее твердости.
   Износостойкость - это способность материала противостоять и шосу. Износ древесины - это изменение ее поверхности в процессе эксплуатации от истирания, смятия, выкрашивания и т. п. Износостойкость древесины довольно высокая и находится в прямой зависимости от ее твердости и объемного веса.

Способность древесины удерживать металлические крепления

   Способность древесины удерживать в себе гвозди, нагели, шурупы идругие металлические крепления обусловливается ее упругостью. Вбиваемый в древесину гвоздь раздвигает волокна, которые вследствие своей упругости давят на поверхность гвоздя и тем самым оказывают сопротивление его выдергиванию. Сопротивление древесины вколачиванию и выдергиванию гвоздей зависит от ее объемного веса, влажности, особенностей строения и направления вбиваемого гвоздя по отношению к волокнам.
    Способность древесины удерживать гвозди и другие металлические крепления определяется силой в килограммах, необходимой для их извлечения. Сила удерживания металлических креплений в древесине зависит от площади соприкосновения древесины с их поверхностью. Гвозди с квадратным или многогранным поперечным сечением, имеющие большую поверхность, нежели гвозди круглого сечения, держатся в древесине прочнее.
     Гвозди любой формы можно вколачивать только в мягкую древесину. В твердой древесине для них предварительно высверливают нгёзда (диаметром 0,7-0,8 толщины гвоздя и глубиной не менее половины его длины). В противном случае материал может расколоться. Кроме того, гвоздь в твердую древесину часто не входит - гнется. Зато в твердой древесине гвоздь держится прочнее, чем в мягкой.
    Во влажную древесину вколотить гвоздь легче, чем в сухую, так как упругость влажной древесины понижена. Но изогнутость волокон после ее высыхания остается, поэтому давление на гвоздь становится незначительным и гвоздь держится слабо.
      В прямослойной древесине, более упругой, чем свилеватая, гвозди держатся прочнее, но прямослойная древесина легче раскалывается. Гвозди, вколоченные в торец древесины, держатся на 25-30 % надёжнее, чем вколоченные в боковую поверхность. Это объясняется тем, что в перерезанном конце волокна имеют пониженную упругость.

Влажность древесины

     Влажность древесины - суммарное количество находящейся в древесине влаги, а именно: связанной влаги, содержащейся в стенках древесных клеток, и свободной влаги, находящейся как внутри клеток, так и в межклеточном пространстве. От содержания в древесине того или иного количества влаги (главным образом связанной) во многом зависят механические и другие свойства древесины.
     Влажность древесины свежесрубленного дерева зависит от породы дерева и составляет от 50 до 100 % и более. Если древесину длительное время (до нескольких месяцев) хранить в отапливаемом помещении, влажность ее уменьшится до 8-12 %. Такая древесина называется комнатно-сухой. Оставленная на воздухе, но под навесом древесина высыхает до влажности 15-20 % (воздушно-сухая древесина). Влажность древесины, находящейся в воде, выше 100 % (мокрая древесина).
     При длительной выдержке древесины на воздухе влажность ее изменяется в зависимости от влажности и температуры окружающей среды (воздуха), в результате древесина приобретает так называемую равновесную влажность. При этом изменение влажности древесины ведет либо к ее усушке (при уменьшении влажности), либо к разбуханию (при увеличении влажности). Заметим также, что сушка сопровождается не только очевидным уменьшением объема древесины, но и ее короблением, а также появлением в древесине трещин. Дело в том, что физические свойства древесины анизотропны, т. е. зависят от направления, выбранного внутри изделия из древесины. Поэтому при сушке древесины ее усушка по разным направлениям идет неодинаково, что и вызывает коробление. То же происходит при разбухании древесины и при изменении внутренних напряжений в результате механической ее обработки.
       Поэтому древесину перед механической обработкой доводят до эксплуатационной влажности, т. е. до той равновесной влажности, которая будет соответствовать условиям окружающей среды в месте эксплуатации изделий из этой древесины. Так, эксплуатационная влажность древесины, предназначенной для изготовления мебели, составляет 7-10%. А вот заготовки для наружных оконных наличников достаточно просушить до влажности 15-20 %.