Изучение макроструктуры и основных свойств древесины

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить макроструктуру и особенности строения древесины, методы определения ее основных свойств.

 

ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ

Древесина является универсальным материалом по разнообразию применения в технике, промышленности и в быту.

В машиностроении древесные материалы используются для изготовления шестерен, подшипников, амортизаторов и т.д. Особенно ценны эти материалы как вспомогательные при изготовлении модельной оснастки для производства модельных отливок.

Древесина – природный материал растительного происхождения. Она состоит из 43-54% целлюлозы (С₆Н₁₀О₅), лигнина, остальное - низкомолекулярные углеводороды и другие компоненты.

Достоинствами древесины, как конструкционного материала являются: малый объемный вес; достаточно высокая удельная прочность; хорошая сопротивляемость ударным и вибрационным нагрузкам; малая теплопроводность; малый коэффициент температурного расширения (в 2-3 раза меньше, чем у стали); высокая стойкость к ряду кислот, солей, масел. Древесина обладает хорошими технологическими свойствами: легко обрабатывается, допускает возможность соединения деталей деревянных конструкций скле-иванием, гвоздями, шурупами.

Недостатками древесины являются: гигроскопичность, изменяющая размеры, форму и прочность деревянных деталей; склонность к загниванию; отсутствие огнестойкости.

Для защиты древесины от загнивания деревянные элементы конструкции изолируют от контакта с водой лакокрасочными, пластмассовыми покрытиями. Из химических способов защиты применяются антисептирование деревянных изделий путем пропитки растворами солей NaF, ZnCl₂, CuSO₄ и др.

Для снижения воспламеняемости производится пропитка древесины антипиренами, которыми являются алюминиевые соли, соли фосфорной или борной кислот. Применяются также огнезащитные краски и лаки.

Древесина обладает низким значением модуля упругости и анизотропией свойств из-за волокнистости строения.

Знание особенностей строения древесины позволяет существенно снизить природные недостатки ее, как конструкционного материала.

МАКРОСТРУКТУРА ДРЕВЕСИНЫ

Так как древесина является волокнистым материалом, то изучение ее строения и свойств проводят по трем разрезам: торцевому (поперечному), перпендикулярному к волокнам, радиальному, проходящем через ось ствола, тангенциальному, идущему вдоль ствола на некотором расстоянии от оси.

	Каждое дерево состоит из трех основных частей: корня, ствола и кроны. Наибольшее практическое значение для промышленности и строительства имеет ствол, дающий от 50 до 90% древесины от всего объема дерева.
Рисунок 1.-  Сечение ствола дерева

 

Макростроение древесины хорошо видно на поперечном разрезе ствола (рисунок 1). Кора состоит из наружного пробкового слоя и внутреннего лубового, содержащего мелкие каналы, по которым питательные вещества от кроны идут вниз. Камбий - нежный и сочный слой. Состоит он из живых клеток. В результате развития клеток камбия в древесине образуется годичный слой или кольцо. Годичное кольцо состоит из внутреннего слоя, которое образуется весной и называется ранней или весенней древесиной, и наружного слоя, который формируется к концу лета и называется поздней или летней древесиной. Заболонь - светлое кольцо, охватывающее внутреннюю часть ствола за камбием, представляет собой более молодую древесину, а ядро - более старую. Сердцевина в механическом отношении слабая ткань, помещается она в геометрическом центре поперечного сечения ствола. От нее по радиусам к коре идут сердцевинные лучи (волокна), служащие проводником древесных соков внутри ствола. Кроме поперечных волокон (сердцевинных лучей) имеются продольные волокна, составляющие основную массу древесины. Они состоят из тонкостенных механически слабых клеток, количество их составляет 4-30% объема ствола дерева. Хвойные породы древесины имеют также вертикальные и горизонтальные смоляные ходы.

У некоторых пород (дуб, ясень) имеются крупные сосуды, сосредоточенные в весенней зоне годичного кольца, и мелкие сосуды, расположенные в летней зоне кольца. Такие породы называются кольцесосудистыми. Характерные признаки их приведены в таблице 1. Те породы, в которых сосуды расположены равномерно по кольцу (береза, липа), называются рассеянно-сосудистыми. Характерные признаки хвойных пород приведены в таблице 2. Строение колец, содержание летней древесины в них обусловливают.механическую прочность как хвойных, так и лиственных пород.

ПОРОКИ ДРЕВЕСИНЫ

К важнейшим порокам древесины относятся (рисунок 2):

1. Сучки, которые вызывают резкое изменение направления волокон, благодаря чему прочность древесины при растяжении, изгибе резко падает. Сучки бывают следующих видов: сшивной твердый - годичные слои его составляют одно целое с окружающей древесиной; здоровый - без признаков гнили и изменения окраски; роговой - древесина сучка здоровая, но обильно пропитана смолой, по цвету темнее окружающей древесины; несросшиеся - образуют в древесине отверстие или гнилой участок; выпадающий - древесина сучка твердая, но с окружающей основой не связана; рыхлый.

2. Трещины, которые могут быть внутренние, радиальные –метки; кольцевые трещины по годичному слою - отлуп; наружные продольные трещины на стволе, возникающие при резком изменении температуры - морозобоины; в срубленной древесине трещины возникают от усушки и имеют вид наружных трещин различной длины.

 

Трещины мало влияют на прочность при растяжении вдоль волокон. Они снижают на 5-10% прочность на сжатие и особенно резко снижают прочность при скалывании вдоль волокон. 3. Косослой, который характеризуется спиральным расположением волокон в отношении оси ствола. Так как в пиломатериале косослой вызывает перерезывание волокон, то снижается прочность изделия. Свилеватость - волнообразное или переплетенное расположение волокон в древесине. 4. Крень - ненормальное утолщение летней древесины годичного слоя со значительным повышением ее твердости на более узкой стороне и смещением сердцевины.

Рисунок 2.- Искажения древесины и трещины, возникающие в результате неоднородного скручивания в разных направлениях во время обработки дерева: а. б, в - деформация в продольном сечении; г - коробление доски, вырезанной из ядра дерева; д - деформация дерева из заболонной части; е - образование трещин; 1 - «правая» сторона доски (от стороны сердцевины); 2 - «левая» сторона доски (от внешней стороны пня)

 

5.Паразитные пороки. К ним относятся грибные (микрологические). Под грибковым поражением древесина разрушается, превращаясь в труху. Возможны повреждения насекомыми (червоточина). Наличие этого порока понижает сортность древесины.

 

Таблица 1. Признаки лиственных кольце-сосудистых пород

Общий признак: расположение сосудов в ранней древесине годичного слоя в виде кольца

Цвет ядра	Вес, плотность	Характеристика заболони	Макроскопическое строение		Порода
			торцовый разрез	радиальный разрез
1	2	3	4	5	6
От светлого до темно-бурого	Тяжелая, твердая	Узкая, светло-бурого цвета, отличается от ядра	Годичные слои хорошо различаются. Поздняя древесина годичного слоя плотного строения. Сосуды идут радиальными рядами. Многочисленны сердцевинные лучи, хорошо различимые в виде темных, матовых или светлых полос.	Широкие сосуды видны в виде бороздок или каналов. Сердцевинные лучи имеют вид вертикальных полос. На границе годичных слоев сердцевинные лучи пересекаются темными линиями.	Дуб
Светло-бурый	Тяжелая, твердая	Широкая, светлая, не резко отличается от ядра	Кольца крупных сосудов хорошо видны, размер сосудов по направлению к поздней части сердцевины уменьшается. Поздняя часть по цвету темнее ранней. Сердцевинные лучи очень узкие, тонкие и едва заметные.	Границы годичных слоев хорошо заметны. Сердцевинные лучи не видны.	Ясень

 

Признаки лиственных рассеянно-сосудистых пород

Общий признак: сосуды крупные и мелкие, распределены по всему годовому слою равномерно

 

1	2	3	4	5	6
Белый, с розовым или красноватым оттенком	Твердая и довольно тяжелая	Годичные слои неотчетливы, но хорошо обнаруживаются, если смочить водой	Сердцевинные лучи невооруженным глазом не видны	Годичные слои различаются плохо. Сердцевинные лучи обнаруживаются в строго радиальном разрезе в виде темных пятен и реже в виде полос темно-бурого цвета	Береза
От светлого до светло-красного	Легкая и мягкая		Границы годичных слоев слабо извилисты. Сердцевинные лучи многочисленные и тонкие, различаются слабо. Имеются ложные широкие сердцевинные лучи в виде матовых толстых линий.	Границы годичных слоев заметны. Сердцевинные лучи имеют вид точек или линий бурого цвета.	Ольха

 

Таблица 2. Признаки хвойных пород дерева

Общий признак: сосудов нет, годичные слои ясно выражены

 

Цвет заболонной части древесины или цвет древесины	Макроскопическое строение		Порода
	Торцовый разрез	Радиальный разрез
1	2	3	4
Желтовато-белый	Годичные слои хорошо различаются. Ранняя древесина годичных слоев светлого оттенка. Сердцевинные лучи не заметны, смоляные ходы в поздней части древесины годичного слоя хорошо видны в виде светлых точек.	Годичные слои резко различаются друг от друга. Сердцевинные лучи не заметны. Смоляные ходы хорошо видны в поздней части древесины в виде беловато-матовых черточек.	Сосна
Светлый	Годичные слои резко выделяются. Ранняя древесина более светлого оттенка и резко переходит в более позднюю, которая имеет темную окраску. Смоляные ходы обнаруживаются с трудом. Сердцевинные лучи не видны.	Годичные слои резко выделены. Мелкие немногочисленные смоляные ходы хорошо видны.	Лиственница
		Продолжение таблицы 2
1	2	3	4
Белый, со слабым желтовато-бурым оттенком	Годичные слои хорошо различаются. Ранняя древесина развита и имеет рыхлое строение и более светлый оттенок. Поздняя имеет вид узкой полосы плотного строения. Смоляные ходы видны в виде мелких точек. Сердцевинные лучи не заметны.	Годичные слои выделяются не особенно резко. Смоляные ходы при отражении света заметны в виде коротких матово-белых черточек.	Ель
Белый, со слабым желтовато-бурым оттенком	Годичные слои выделяются слабо. Смоляных ходов нет.	Годичные слои хорошо заметны. Смоляных ходов нет.	Пихта
Желтовато-бурый, мало отличается от ядра	Годичные слои хорошо различаются. Сердцевинные лучи не видны. Смоляные ходы в летней части выделяются беловатыми точками.	Годичные слои резко выделены. Крупные смоляные ходы хорошо видны.	Кедр

 

ДРЕВЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Шпон - широкая, тонкая (0,55-1,5 мм) ровная стружка древесины, получаемая лущением или строганием. Шпон является полуфабрикатом для изготовления фанеры, древесных слоистых пластиков (ДСП). Шпон из кедра и ольхи используется для сепараторов свинцовых аккумуляторов.

Фанера - листовой материал, получаемый склейкой листов шпона. Листы шпона в смежных слоях имеют взаимно перпендикулярное направление волокон. Толщина фанеры 1-12 мм. Водостойкость фанеры зависит от применяемого для соединения шпона клея: фанера ФСФ на фенолформальдегидном клее обладает повышенной водостойкостью; фанера ФК на карбамидном и ФБА на албуминоказеиновом клеях обладают средней водостойкостью; фанера ФБ на белковых клеях - ограниченной водостойкостью. Прессованная древесина получается прессованием в нагретых пресс-формах деревянных заготовок. Прочность прессовок возрастает при растяжении до двух раз, при изгибе и сжатии до трех раз. Ударная вязкость 60-80 кгс/см/см².Такая древесина используется как заменитель металла, из нее изготавливаются сегменты зубчатых передач, подшипники, втулки, челноки и т.д.

Древесно-стружечные плиты изготавливают горячим прессованием стружек со связующими смолами (фенолформальдегидными и др.). Плиты бывают однослойные, трехслойные (в середине обычная стружка, на поверхности - специальная, тонкая), облицованные шпоном, фанерой, картоном, пластиком. Древесно-стружечные, а также опилочные плиты - пример рационального использования отходов древесины, что дает народному хозяйству большой экономический эффект. Такие плиты используются как тепло- и звукоизоляционные в строительных конструкциях, при производстве мебели и т.д.

СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

К физическим свойствам древесины относятся: цвет, текстура, влажность разбухания, линейная и объемная усушки, объемный вес, гигроскопичность, тепло-, звуко- и электропроводность.

Цвет древесины, определяемый дубильными веществами, смолами и продуктами их окисления, является важным свойством ее при определении древесных пород.

Текстура - это естественный рисунок, получаемый на продольном разрезе древесины вследствие перерезания ее волокон, годовых слоев и сердцевинных лучей. Это свойство используется при применении древесины в декоративных целях.

Влажность (W) древесины зависит от породы дерева и почвенно-климатических условий его произрастания. Определяется влажность по формуле:

W = ,

(1)

где G  - вес влажного образца, г; G₀ - вес образца в сухом состоянии (высушенного при 100°С).

Мокрая древесина, долго находящаяся в воде, имеет W около 100%, свежесрубленная 50-100%, воздушно-сухая 10-20г%, в комнатных условиях влажность древесины 7-10%. Для возможности сравнения все свойства древесины устанавливаются при стандартной влажности W=15%.

Определение влажности производится на образцах древесины, взвешенных до и после высушивания при температуре 100^оС в течение шести часов.

Линейная усушка (g) характеризует уменьшение размеров образца древесины вследствие удаления из нее влаги выражается в процентах по отношению к размеру образца после высушивания.

Линейная усушка определяется по формулам:

g т = ; g р = ,

(2)

где g _т и g _р –линейная усушка в тангенциальном и радиальном направлениях, %; a, b, a₁, b₁ – размеры образца по тангенциальному и радиальному направлениям до и после высушивания, мм.

 

    Коэффициент линейной усушки (К) представляет собой среднюю усушку при изменении влажности на 1% и определяется по формулам:

Кт = ; Кр = ,

(3)

где W – влажность образца, % (не более 30%).

    В силу анизотропности древесины усушка зависит от направления. Для различных пород дерева усушка в радиальном направлении К_р= 0,09-0,31%, усушка в тангенциальном направлении К_т=0,17-0,49%.

    Учет возможной усушки при хранении и эксплуатации древесины имеет важное значение, так как различная усушка в разных направлениях приводит к возникновению в древесине внутренних напряжений, следствием чего является коробление и растрескивание древесины.

    Для определения величины усушки образцы древесины измеряют по направлению линий, проведенных на торцевых поверхностях, с точностью до 0,01 мм. После высушивания образцов вновь проводят измерения их по тем же направлениям и в тех же местах, что и до высушивания.

Набухание древесины связано с водопоглощением. Иногда это явление положительно. Например, при эксплуатации в условиях повышенной влажности происходит уплотнение стыков и конструкция становится более плотной и прочной. Но часто это явление имеет отрицательные последствия. Например, набухание деревянных моделей ведет к искажению формы и изменению размеров отливок. Неравномерное набухание по сечению также может быть следствием коробления и растрескивания древесины.

Важной характеристикой древесины является объемный вес (g) - это вес единицы объема древесины в ее естественном виде. Он служит основным показателем качества и свойств древесины. Объемный вес образца при определенной влажности вычисляется по Формуле:

g = ,

(4)

где G – вес образца, г; V – объем образца, см³.

Для сравнения объемный вес древесины разной влажности приводят к стандартной (15%) влажности:

g15 = g [1+0,01 (1-k0) (15-W)],

(5)

где W - влажность образца; k₀ - коэффициент объемной усушки (%), определяемый по формуле:

k0 = ,

(6)

где V₁ и V₂ - объем образца до и после высушивания, см^3..

Средние значения показателей свойств древесины приведены в таблице 3.

Прочностью называется способность древесины сопротивляться действию внешних сил, стремящихся сжать, смять, растянуть, согнуть, сколоть или срезать ее. Прочность древесины зависит от времени нагружения: так s _изг может изменяться от 100 МПа при кратковременном нагружении до б0 МПа при нагружении в течение 60 суток.

Прочность древесины при сжатии по результатам нагружения образца со скоростью 400 кгс/мин на прессе при фактической ее влажности определяется по формуле:

DW = ,

(7)

где Р_max – разрушающая нагрузка, Н; a и b – размеры поперечного сечения образца, см.

Пересчет прочности древесины для стандартной ее влажности (15%) производят по формуле:

D15 = DW [1+ a (W-15)],

(8)

где W – влажность образца; a - поправочный коэффициент для сосны, бука, ясеня – 0,05; для ели, пихты, дуба – 0,04.

Твердость древесины определяет ее обрабатываемость и износостойкость. Торцовая твердость значительно выше радиальной. Для сравнения производят измерения твердости образцов древесины в радиальной и торцовой плоскостях.

 

Таблица 3. Основные свойства наиболее распространенных пород древесины при W'=15.

 

Порода дерева	Объем- ный вес, г/см^3	Коэффициент усушки,%			Предел прочности, МПа при			Твердость, МПа
		ради- аль- ный	тан- ген- ци- аль- ный	объ- ем- ный	сжа- тии вдоль воло- кна	рас- тя- же- нии вдоль во- лок- на	из- ги- бе	ра- ди- аль- ная	тан- ген- ци- аль- ная	тор- цо- вая
Хвойные породы
Лист- вен- ница	0,68	0,21	0,40	0,62	55	123	98	28	28	40
Сосна	0,51	0,18	0,31	0,51	41	100	75	21	22	26
Ель	0,46	0,18	0,32	0,52	39	106	71	17	16	24
Лиственные породы
Дуб	0,76	0,18	0,28	0,48	51	-	89	53	56	65
Береза	0,64	0,28	0,34	0,64	47	161	96	34	30	42
Липа	0,5	0,23	0,33	0,58	39	115	77	15	16	23

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Изучить макростроение образцов древесины.

2.3арисовать главный разрез ствола с указанием элементов строения.

З.Определить породу дерева по его макропризнакам, пользуясь таблицами 1-3.

4. Изучить наиболее распространенные пороки древесины.

5. Определить плотность, линейную и объемную усушку образцов древесины.

    Для этого необходимо с помощью штангенциркуля измерить линейные размеры образцов и взвесить их с точностью до 1 мг до и после высушивания. Образцы высушиваются в печи в течение 6 часов при 100^оС. По формулам определить численные значения нужных свойств древесины.

б. Вычислить объемный вес древесины.

7. Определить твердость образцов древесины разных пород в радиальной и торцовой плоскостях. Сравнить полученные результаты с табличными (см. таблицу 3).

 

ПОРЯДОК ОФОРМЛЕНИЯ ОТЧЕТА

1. Указать цель работы.

2. Зарисовать макроструктуры древесины с указанием элементов ее строения.

3. Записать результаты определения основных свойств древесины.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

I. Какие достоинства и недостатки имеет древесина как конструкционный материал?

2. Каково строение поперечного разреза ствола древесины? Чем оно отличается для лиственных и хвойных пород дерева?

3..Какие пороки имеет древесина?

4. Какие инструкционные материалы можно получить переработкой древесины?

5.Как определяются основные свойства древесины? От каких внутренних и внешних факторов они зависят?

 

Лабораторная работа №8