Технологические свойства древесины

 

К технологическим свойствам древесины относятся: твердость, ударная вязкость, способность удерживать металлические крепления, способность гнуться, раскалываться а также сопротивляться износу (износостойкость древесины).

Твердость древесины. В зависимости от скорости нагружения древесины при испытаниях различают статическую и ударную твердость. Статическую твердость определяют с помощью стального пуансона с полусферическим концом (рис. 23). Диаметр полусферы выбран таким, чтобы площадь проекции отпечатка F равнялась 100 мм². Стержень (пуансон) вдавливают в древесину с равномерной скоростью в течение 1-2 мин на глубину радиуса и отсчитывают нагрузку Р (это практически не давление и не напряжение, измеряемые в паскалях, а некоторый условный показатель - величина усилия, приходящаяся на единицу площади проекции отпечатка).

 

 

Рис. 23. Схема испытания древесины на статическую твердость

 

Статическую твердость образца, Н/мм², определяют по формуле

 

H_W ^c = P / F.                                      (31)

Для испытания применяют образец сечением 50´50 мм, высотой

70-80 мм. Твердость торцовой поверхности выше боковой (тангенциальной и радиальной) на 30% у лиственных пород и на 40% - у хвойных. На величину твердости оказывает влияние влажность древесины: при ее изменении на 1% торцовая поверхность изменяется на 3%,а боковая на 2%. Средние показатели торцовой твердости для некоторых пород приведены в табл. 6.

По степени твердости все породы можно разделить на три группы: мягкие (твердость 40 Н/мм² и меньше), твердые (41-80 Н/мм²) и очень твердые (более 80 Н/мм²). К последней группе, кроме указанных в табл. 6 (дуб),относятся граб, белая акация, береза железная, кизил, самшит, железное дерево, тис, фисташка.

Ударную твердость определяют путем расчетов по данным, полученным при сбрасывании стального шарика диаметром 25 мм с высоты 0,5 м на радиальную поверхность испытываемого образца древесины. Площадь отпечатка от удара характеризует степень твердости древесины, т.е.

H^y _W = Q / (p r ²)                                   (32)

 

где H^y _W - ударная твердость, Дж/см²; Q - работа, затраченная на получение отпечатка (произведение массы шарика на высоту падения), Дж; p r ² - площадь проекции отпечатка, см².

Чем плотнее древесина, тем выше её ударная твердость (для сосны при нормализованной влажности этот показатель равен 0,72 Дж/ см², для твердолиственных пород - почти в два раза выше).

Ударная вязкость древесины при изгибе. Способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения характеризует ее вязкость. Чем больше требуется затратить работы на разрушение образца, тем выше вязкость древесины.

Испытания (рис. 24) проводят на образцах такой же формы, что и на статический изгиб. Для испытаний используют машину, которая называется маятниковый копер.

Рис. 24. Схема испытания древесины на ударную вязкость при изгибе

 

Образец разрушается качающимся маятником. Поднятый маятник обладает запасом потенциальной энергии. Если его отпустить и предоставить возможность беспрепятственного движения, то он при первом качании поднимется на высоту H ₁ с другой стороны копра, сохранив весь запас энергии. Если на пути маятника разместить образец, то какая-то часть энергии его будет израсходована на разрушение образца, и маятник уже поднимется на меньшую высоту Н ₂. По разности высот можно определить расход энергии, затраченной на разрушение. В приборе имеется шкала, по которой отсчитывают работу, затраченную на разрушение, и по формуле вычисляют ударную вязкость:

 

A_W = Q / (b h)                                      (33)

 

где A_W - ударная вязкость, Дж/м²; Q - работа, затраченная на разрушение, Дж; b и h - размеры поперечного сечения образца, см;

Полученные данные об ударной вязкости не применяют для расчетов деревянных конструкций, они служат лишь для сравнительной оценки качества древесины

По характеру излома можно судить о качестве древесины. Вязкая древесина дает защепистый излом, хрупкая древесина - гладкий (раковистый) излом. Древесина лиственных пород обладает большей вязкостью (примерно в 1,5-2 раза) по сравнению с древесиной хвойных пород.

Способность древесины удерживать металлические крепления. При вбивании гвоздя в древесину перпендикулярно волокнам они частично перерезаются, частично изгибаются, волокна древесины раздвигаются и оказывают на боковую поверхность гвоздя давление, которое вызывает трение, удерживающее гвоздь в древесине.

При испытании древесины определяют усилие в ньютонах или удельное усилие в МПа, необходимое для выдергивания гвоздя или шурупа данных размеров.

Величина сопротивления выдергиванию зависит от направления гвоздя или шурупа по отношению к волокнам, породы древесины и плотности. Для выдергивания гвоздя, вбитого в торец, требуется меньшее усилие (на 10-50%) по сравнению с усилием, необходимым для выдергивания такого же гвоздя, забитого поперек волокон. Чем больше плотность древесины, тем выше сопротивление выдергиванию гвоздя или шурупа. Например, для вдавливания и выдергивания гвоздей из древесины граба (базисная плотность 640 кг/м³) требуется усилие в четыре раза большее, чем для древесины сосны, плотность которой 415 кг/м³.

Повышение влажности древесины облегчает вбивание; гвоздей в нее. Однако при высыхании древесины способность удерживать гвоздь уменьшается (гвозди ржавеют, и сила, удерживающая гвоздь, ослабевает) сопротивление древесины выдергиванию шурупов при­мерно в два раза больше, чем для гвоздей.

Способность древесины к загибу имеет значение при оценке пригодности древесины для гнутья. Стандартного метода для определения способности к загибу нет. Испытания проводят следующим образом. Образцы древесины в форме бруска размерами 10´30´500мм последовательно изгибают на сменных шаблонах: сначала на шаблоне с радиусом выпуклой стороны 50 см планка изгибается до соприкосновения с выпуклой поверхностью шаблона. Затем изгиб проводится на шаблоне с радиусом выпуклой стороны 45 см. Величину радиуса шаблона уменьшают до тех пор, пока в образцах не появятся следы разрушения (излом, отщеп). Радиус шаблона, на котором произошло разрушение образца, характеризует способность древесины к загибу.

Наибольшей способностью к загибу обладают лиственные кольце -сосудистые породы (дуб, ясень и др.) и рассеянно-сосудистые (береза). У хвойных пород невысокая способность к загибу. У влажной древесины способность к загибу выше, чем у сухой.

Износостойкость древесины. Под действием механических усилий (главным образом трения) поверхность древесины изнашивается (в полах, лестницах, палубах, торцовых мостовых, вкладышах, осях и валах вращения).

Износостойкость древесины характеризует способность поверхностных слоев противостоять износу, т.е. разрушению в процессе трения. Имеется два способа испытаний на износостойкость. Стандартизированный метод испытания (ГОСТ 16483.39-81) создает условия, подобные реальным условиям истирания полов и настилов. Для этих испытаний используют, специальную машину, которая обеспечивает истирание древесины при возвратно-поступательном движении образца с одновременным его поворотом.

Перед испытанием измеряют высоту образца с погрешностью до 0,1мм и взвешивают с погрешностью до 0,01 г. Образец жестко закрепляют на диске машины, опускают груз, на поверхности которого укреплена электрокорундовая зернистая шкурка, и включают машину. При возвратно-поступательном движении подошва груза проскальзывает по плоскости образца. Через 10 мин машину останавливают, образец вновь измеряют и взвешивают и по формуле вычисляют показатель истирания с погрешностью до 0,01 мм, или 0,1%:

 

t = h (m ₁ – m ₂ ) / m ₁,                                 (34)

 

где h - высота образца, мм; m ₁ - масса образца до испытания, г; т ₂. - масса образца после испытания, г.

Износ древесины с боковой поверхности больше, чем с торцовой. Износ уменьшается с повышением твердости и плотности древесины. Влажность увеличивает износ древесины.

Для изучения истирания в трущихся частях используют другой метод испытаний. Образец закрепляют неподвижно и истирают вращающейся втулкой из инструментальной стали, прижимаемой к образцу с определенным усилием. Показателем износа служит объем лунки получающейся в образце после определенного числа оборотов истирающей втулки.

Сопротивление древесины раскалыванию. Раскалывание древесины по действию силы и характеру разрушения напоминает растяжение поперек волокон, которое в этом случае является внецентренным, т. е. результатом действия растяжения и изгиба. Это свойство древесины имеет практическое значение, так как целый ряд сортиментов древесины заготовляют путем раскалывания (клепка, обод, спицы, дрань и др.). Для испытания используют образец, напоминающий бельевую прищепку.

Раскалывание может проходить по радиальной и тангенциальной плоскостям. Сопротивление по радиальной плоскости у древесины лиственных пород меньше, чем на тангенциальной. Это объясняется влиянием сердцевинных лучей (дуб, бук, граб). У хвойных, наоборот, раскалывание по тангенциальной плоскости меньше, чем по радиальной. При тангенциальном раскалывании у хвойных пород разрушение происходит по ранней древесине, прочность которой значительно меньше прочности поздней древесины.