Свойства древесины

      Содержание

• Механические свойства
• Физические свойства
• Химические свойства

1. Физические: внешний вид (текстура, блеск, окраска), влажность (усушка, коробление, водопоглощение, гигроскопичность, плотность), тепловые (теплопроводность), звуковые (акустическое сопротивление, звукопроводность), электрические (диэлектрические свойства, электропроводность, электрическая прочность);
2. Химические свойства.

        Механические свойства

     Все механические свойства древесины как анизотропного волокнистого материала в большей степени зависит от того, под каким углом к волокнам направлена сила, наличие пороков, породы дерева, его плотности и влажности.  Для механических испытаний используют образцы без пороков с влажностью 12-15%. С увеличением влажности до предела гигроскопичности (около 30%) прочность снижается в 1,5-2 раза, при влажности больше предела гигроскопичности прочность практически не меняется. 

• прочность при сжатии 
• прочность при растяжении
• прочность при изгибе
• прочность при сдвиге
• прочность при кручении
• твёрдость
• допускаемые напряжения
• коэффициенты качества
• прочие механические свойства

пресс для испытаний на сжатие

Прочность при сжатии вдоль волокон

 является наиболее важной механической характеристикой древесины.  Для испытаний используют образцы без пороков с поперечным сечением 20х20 мм. Наибольшим предел прочности на сжатие вдоль волокон обладает лиственница (550 кг/см2), чуть меньшей  - граб, клён, дуб, ясень (500-530). Чуть меньшей прочностью обладают бук, берёза (470), сосна, ель (390-410). Меньшая прочность у ольхи,  осины, кедра , пихты (340-390).

Прочность при сжатии поперёк волокон

 Существует 3 способа испытаний, в зависимости от того, как приложена нагрузка к реальной детали - сжатие по всей поверхности, сжатие (смятие) на части длины и по всей ширине (шпалы), сжатие (смятие) на части длины и части ширины (моделирование смятия от металлического крепежа). Испытания проводятся на двух типах образцов, которые выпиливаются в радиальном и тангенциальном направлениях. Прочность в разных направлениях отличается. У хвойных пород прочность на смятие в 1,5 раза больше в тангенциальном направлении, у лиственных - в радиальном. Наибольшей прочностью на смятие обладает граб, ясень (90-110). Менее прочными являются клён (73), дуб, бук (55), лиственница, берёза (42), сосна, осина (30).

По сравнению с пределом прочности при сжатии вдоль волокон условный предел прочности при смятии поперек волокон составляет в среднем около 1/8 (от 1/6 для твердых лиственных пород до 1/10 для хвойных и мягких лиственных пород).

Прочность при растяжении вдоль волокон

 Испытание на растяжение проводят на специальных образцах с тонкой средней частью. Древесина обладает высокой прочностью при растяжении вдоль волокон; среднюю величину ее для древесины разных пород можно принять 1000-1200 кГ/см². Однако использовать это свойство на практике в полной мере трудно из-за сложности закрепления концов детали, где развиваются скалывающие напряжения и происходит смятие древесины. Так как древесина плохо сопротивляется этим видам сил, практически разрушение обычно происходит не в форме разрыва, а в местах закрепления детали — в виде скалывания или смятия. Вследствие этого древесина сравнительно редко применяется для работы на растяжение вдоль волокон. Прочность при растяжении вдоль волокон подвержена довольно сильным колебаниям даже для древесины одной и той же породы. Это объясняется тем, что на прочность при растяжении существенное влияние оказывают особенности строения древесины; малейшее отклонение от правильного расположения волокон влечет за собой заметное уменьшение прочности.

Прочность при растяжении поперёк волокон

производят на образцах, выпиленных в радиальном или тангенциальном направлениях. Прочность при растяжении поперек волокон в среднем для всех пород составляет примерно 1/20 прочности при растяжении вдоль волокон. Прочность на растяжение в тангенциальном направлении для большинства пород древесины в 1,5-2 раза меньше, чем в радиальном. Хвойные породы по сравнению с лиственными имеют вдвое меньшую прочность как при радиальном, так и при тангенциальном растяжении. 

Прочность при статическом изгибе

приспособление для испытаний на изгибную прочность

Для испытаний на изгиб используются образцы, вырезанные вдоль волокон. Так как прочность древесины при сжатии вдоль волокон значительно меньше, чем прочность при растяжении вдоль волокон, разрушение при изгибе начинается в зоне сжатия в виде складок, хотя на глаз оно редко заметно. Окончательное разрушение происходит в зоне растяжения. Прочность древесины при статическом изгибе по величине занимает промежуточное положение между прочностью при растяжении и сжатии вдоль волокон и может быть в среднем для разных пород принята равной около 900 кГ/см² , для сосны и ели - 700. Если прочность при сжатии вдоль волокон принять за единицу, прочность при статическом изгибе будет примерно в 2 раза, а прочность при растяжении вдоль волокон — в 2,7 раза выше. Высокая прочность и легкость приложения усилия обусловливают широкое применение древесины для деталей, работающих на изгиб: всевозможные балки, стропила, фермы, мосты и т. д.

Прочность при сдвиге (скалывании) вдоль волокон  

составляет для древесины хвойных пород 1/5 — 1/7, а для древесины лиственных пород 1/4 — 1/5 по сравнению с прочностью при сжатии вдоль волокон, в среднем для всех пород это отношение, можно принять равным около 1/5. Предел прочности при скалывании вдоль волокон лежит в пределах от 60 кгс/см2 (ель, сосна, кедр) до 120 (бук, клён, ясень). Несмотря на невысокую прочность, древесина довольно часто работает на скалывание, например при сопряжении стропильной ноги с затяжкой.

Прочность при скалывании поперёк волокон

приблизительно в 2 раза меньше прочности на скалывание вдоль волокон.

Прочность при кручении 

является достаточно редким испытанием. При этом ось кручения расположена вдоль волокон может быть характеризована величиной прочности при скалывании вдоль волокон. Ясень (200), бук (170), дуб (150), берёза, лиственница (130), сосна, ель (100). 

Твёрдость 

схема измерения твёрдости и универсальный твёрдомер

 Для древесины различают твердость торцовую и боковую ( радиальную и тангенциальную) в зависимости от поверхности, на которой она определяется. Испытания проводятся на образцах в виде куба со стороной 50 мм. Твердость определяется путем вдавливания в древесину стального пуансона с полусферическим концом, диаметр которого равен 11,28 мм. Пуансон вдавливается на глубину радиуса (5,64 мм) с равномерной скоростью в течение 2 мин (площадь проекции отпечатка 1 см²); по шкале машины отсчитывается с точностью до 5 кг нагрузка в конце погружения пуансона; эта нагрузка является характеристикой твердости. 

Торцовая твердость превышает боковую у хвойных пород в среднем на 40%, а у лиственных в среднем на 30%. У большинства пород оба вида боковой твердости практически надо считать одинаковым.

Породы по торцовой твердости древесины можно разделить на следующие три группы:

I — породы мягкие (твердость 350 кГ/см² и менее). К ним относятся: кедр (200), ель, липа, тополь, осина (240), сосна, пихта (260)

II — породы твердые (твердость от 351 до 750 кГ/см²). К ним относятся: ольха (360), лиственница (390), берёза (420), вяз, бук (530), дуб (610), клён (690),  груша, ясень (720)

 III— породы очень твердые (твердость более 750 кГ/см²). К ним относятся: граб (820), акация белая (880).

Торцовая твёрдость древесины хорошо коррелирует с прочностью на сжатие вдоль волокон и с прочностью при статическом изгибе.

Допускаемые напряжения

 Величины пределов прочности не могут быть непосредственно использованы для расчетов деревянных деталей, поскольку свойства сильно изменяются под влиянием пороков, а так же влажности древесины, которая изменяется и зависит от температуры и влажности воздуха. При расчетах применяются допускаемые напряжения. Отношение величины предела прочности к величине допускаемого напряжения называется коэффициентом запаса. Для древесины коэффициент запаса устанавливается более высоким, чем для других материалов (например, металла). В зависимости от характера действующего усилия коэффициенты запаса колеблются в довольно широких пределах: от 3—5 при сжатии и скалывании до 8— 10 при растяжении вдоль волокон. Например, для сосны и ели допускаемое напряжение при сжатии вдоль волокон или изгибе принимается равным 100 кг/см2. При этом прочность при сжатии вдоль волокон для этих пород равна 400 кг/см2.

Коэффициенты качества

Во многих случаях применения древесины важна не только её прочность, но и вес изделия. Деревянные изделия обладают достаточной прочностью, при этом являются достаточно лёгкими.

Коэффициентом качества (сжатия, растяжения, изгиба, твёрдости) называют отношение прочности, полученного при этом испытании (кг/см2) к плотности (г/см3). Коэффициенты качества называется так же удельными характеристиками.

Прочие механические свойства

• ударная вязкость определяется при испытаниях на ударный изгиб
• упругая деформируемость определяется путём нагружения образца и измерением величины его упругой (обратимой) деформации. Рассчитывают модули упругости древесины  и коэффициенты поперечной деформации (коэффициенты Пуассона) в разных направлениях.
• усталость характеризуют способность древесины сопротивляться вибрационным длительным нагрузкам длительное время без разрушения. Предел усталости определяют при испытаниях на усталостный изгиб. Образец закрепляется в патроне станка и вращается с большой скоростью. К другому концу прикладывается нагрузка.
• длительное сопротивление представляет собой напряжение е вызывющее разрушения при очень длительном времени приложения нагрузки. Получают путём экстраполяции данных нагружения образцов различными грузами и измерения времени до начала разрушения. Предел долговременного сопротивления при изгибе равен в среднем 0,7 величины предела прочности при статическом изгибе
• износостойкость древесины может быть определена с помощью пескоструйного аппарата или во вращающемся барабане, в который помещаются образцы вместе с речным песком. Износ с торцевой поверхности значительно меньше, чем с боков образца, с увеличением  плотности и твердости износостойкость увеличивается,с увеличением влажности износостойкость уменьшается.
• способность удерживать металлические крепления (гвозди, саморезы, скобы) является важной технологической характеристикой древесины. Существуют испытания, в которых измеряется усилие по вытаскиванию гвоздей и саморезов из образца вдоль и поперёк волокон. Усилие выдёргивания увеличивается с увеличением плотности и уменьшением влажности. Усилие выдёргивания самореза приблизительно в 2 раза больше чем для выдёргивания гвоздя такого же диаметра вдвое большей длины. 

        Физические свойства

     Все 

Физические: внешний вид (текстура, блеск, окраска), влажность (усушка, коробление, водопоглощение, гигроскопичность, плотность), тепловые (теплопроводность), звуковые (акустическое сопротивление, звукопроводность), электрические (диэлектрические свойства, электропроводность, электрическая прочность).

• плотность

влажность

Плотность древесины

Плотность при стандартной влажности. Плотность любого вещества равна массе, делённой на объём. Для измерения плотности древесины используются образцы по форме параллелепипеда с размерами 20х20х30 мм, изготовленные с достаточно высокой точностью. Для измерения массы используются весы с точностью до 0,001 г. Плотность древесины зависит от влажности. В справочниках приводится плотность при влажности 12-15%. Увеличение влажности приводит к объёмному разбуханию древесины и изменению массы.

Базисная плотность. Параметр плотности, не зависящий от влажности, называется базисной или условной плотностью. Её определяют следующим образом. Заготовки древесины несколько суток выдерживают в воде. При этом они разбухают. После этого из этой заготовки изготавливается образец с размерами 20х20х30 мм. Затем образцы сушат до абсолютно сухого состояния и взвешивают. Полученную массу делят на 12 см3. Базисную плотность можно определить и другим способом. Берут стандартный образец с размерами 20х20х30 мм, имеющий влажность 12%, затем его погружают на 3 дня в дистиллированную воду и после полного разбухания измеряют размеры и вычисляют получившийся объём. После этого образец полностью высушивают и измеряют массу. Полученную массу делят на объём разбухшего образца. Базисная плотность характеризует массу сухой древесины в единице объема свежесрубленной или максимально раз­бухшей от воды древесины. Этот параметр широко используется для расчетов процессов сушки, пропитки древесины.

Плотность абсолютно сухой древесины Если у высушенного образца измерить его объём в сухом состоянии, то получается плотность абсолютно сухой древесины. 

Зависимость плотности от разных факторов. Плотность и другие физико-механические свойства довольно заметно разнятся не только у различных пород, но и у деревьев одной и той же породы. Плотность древесины одной породы зависит от места произрастания деревьев (климатических и почвен­ных условий), от плотности насаждений и т. д. Агрохими­ческие мероприятия, ускоряющие рост дерева при искусственном воспроизведении, снижают плотность древеси­ны. Даже в пределах одного ствола плотность древесины разных его частей может различаться. Плотность убывает от комля к вершине, от коры к центру ствола. Поэтому данные, которые приводятся в различных источниках,  усредненные

Классификация пород по плотности. По плотности древесины при стан­дартной влажности породы принято делить на три группы:

породы с малой плотностью (до 540 кг/м³): пихта (380), кедр (440),  ель (450), то­поль (460), липа, осина  (500), сосна (510),  оль­ха (530).

породы средней плотности (540-740 кг/м³):  берёза (640), вяз (660), лиственница (670), бук (680), ясень (690), дуб, клён (700), груша (720).

породы высокой плотности (750 кг/м³ и выше): граб (810), акация белая (810).