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.

Прочностьпри 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 вязкостьхарактеризует 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 гнутьсявыше 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.