Твердость, деформативность и ударная вязкость древесины

Твердость, деформативность и ударная вязкость древесины

Твердость

Твердостью называется спо­собность древесины сопротивляться внедре­нию в нее более твердых тел (ГОСТ 16483.17 — 81). Твердость торцовой поверх­ности выше тангенциальной и радиальной на 30% у лиственных пород и на 40% — у хвойных. На величину твердости оказы­вает влияние влажность древесины. При из­менении влажности древесины на 1% торцовая твердость изменяется на 3%, а танген­циальная и радиальная — на 2%.

По степени твердости все древесные по­роды при 12%-ной влажности можно разде­лить на три группы:

мягкие (торцовая твердость 38,5 МПа и менее) — сосна, ель, кедр, пихта, тополь, липа, осина, ольха;

твердые (торцовая твердость от 38,6 до 82,5 МПа) — лиственница сибирская, бере­за, бук, вяз, ильм, карагач, клен, яблоня, ясень;

очень твердые (торцовая твердость более 82,5 МПа) — акация белая, береза желез­ная, граб, кизил, самшит.

Ударный способ определения твердости заключается в том, что на древесину с высоты 0,5 м падает стальной шарик; ударяясь о поверхность древесины, он ос­тавляет отпечаток. Величину твердости получают путем деления работы (Дж), за­траченной на удар, на площадь отпечатка (м. кв.). Твердость древесины имеет существен­ное значение при обработке ее режущими инструментами: фрезеровании, пилении, лу­щении, а также в тех случаях, когда она подвергается истиранию при устройстве по­лов, лестниц, перил.

Деформативность

Деформативностъю называют способность древесины изменять свои размеры и форму при воздействии усилий. Деформации, исчезающие после прекращения действия силы, называются упругими, а сохраняющиеся после снятия нагрузки — остаточными. Показателями деформативности служат модули упругости, коэффициенты поперечной деформации, мо­дули сдвига древесины. В условиях непро­должительного воздействия нагрузок древе­сина ведет себя как упругое тело. Способ­ность древесины деформироваться характе­ризует ее жесткость. При определении модуля упругости необ­ходимо измерять напряжение и деформа­цию (удлинение и укорочение).

Величины модулей упругости при сжа­тии, растяжении вдоль волокон, а также при изгибе с нагружением в двух точках практически не различаются. Для древесины разных пород модуль упругости колеблется в пределах 12-15 ГПа. Модуль упругости при растяжении и сжатии поперек волокон значительно меньше модуля при сжатии и растяжении вдоль волокон: для лиственных пород в 20, а для хвойных — в 25 раз.

Ударная вязкость

Ударная вязкость, характеризующая способность древесины поглощать работу при ударе без разруше­ния, определяется при испытаниях на изгиб. Чем больше величина работы, потребной для излома образца древесины, тем выше его вязкость. Если древесина хрупкая, то для разрушения образца необходимо затра­тить меньшую величину работы. Древесина лиственных пород в среднем имеет ударную вязкость в 2 раза (мягкие в 1,5 раза, твердые в 2,5 раза) большую, чем у хвойных пород.

Модуль упругости дерева

При недлительных нагрузках до напряжений, которые соответствуют пределу пропорциональности (иными словами – до момента, когда процесс деформации окажется необратимым), деформация материала пропорциональна его напряжению, и после снятия нагрузки исчезает. Упругость древесины также именуют жесткостью древесины или деформативностью древесины.

Для определения упругости древесины используют понятия модуля упругости древесины, коэффициента деформации и модуля сдвига . При этом все показатели будут существенно отличаться в зависимости от того, в каком направлении приложена нагрузка – вдоль древесных волокон, тангенциально поперек древесных волокон, радиально поперек древесных волокон.

– Модуль упругости древесины Е – это соотношение между нормальными напряжениями и относительными деформациями. Различают следующие модули упругости: вдоль волокон Еа, поперек волокон тангенциальный Еt, поперек волокон радиальный Еr, модуль упругости при изгибе Еизг;

– Модуль сдвига древесины G – это соотношение между касательными напряжениями и относительным сдвигом

– Коэффициент поперечной деформации дерева µ – это соотношение поперечной деформации к продольной, которые возникают при нагрузке стержня.

Модуль упругости древесины основных пород

Порода древесины Модуль упругости древесины на растяжение , МПа Модуль упругости древесины на сжатие , МПа Модуль упругости древесины на изгиб (статический), МПа
Еа Еt Еr Еа Еt Еr
Береза 18 300 490 670 16 100 520 670 15 400
Ель 14 600 490 690 14 500 430 660 11 000
Сосна 12 100 500 580 12 100 570 690 12 600
Дуб 14 300 890 1 160 14 300 970 1 340 15 400

Модуль упругости дерева исчисляется в МПа, или в кГс/см 2 (1 МПа = 10,19716213 кГс/см 2 ))

Коэффициенты поперечной деформации основных пород дерева

Порода древесины µra µta µar µtr µat µrt
Береза 0,58 0,45 0,043 0,81 0,04 0,49
Ель 0,44 0,411 0,017 0,48 0,031 0,025
Сосна 0,49 0,41 0,03 0,79 0,037 0,038
Дуб 0,43 0,41 0,07 0,83 0,09 0,34

Модуль сдвига основных пород древесины

Порода Gra (МПа) Gta (МПа) Grt (Мпа)
Береза 1 510 870 230
Ель 50
Сосна 1 210 780
Дуб 1 380 980 460

Модуль упругости древесины обязательно учитывается при сооружении кровельных и стропильных систем, поскольку определение внутренних усилий древесины от воздействия нагрузок играет здесь очень важную роль. К тому же, упругость древесины имеет значение при изготовлении ружейных лож, ручек к ударным инструментам, молотам и прочим случаям, где необходимо смягчить толчки.

Пластичность древесины

Говоря об упругости древесины, невозможно не упомянуть о ее антиподе – пластичности. Пластичность древесины – это ее способность изменять форму при воздействии нагрузки и сохранять ее и после воздействия нагрузки. Данный показатель зависит от тех же факторов, что и упругость, однако их действие будет обратным (чем влажнее древесина – тем она пластичней, чем старше – тем менее пластична и т.д.).

Пластичность древесины можно повысить путем пропарки или проварки горячей водой. Такие методы используют при производстве гнутой мебели, полозьев для саней и прочих мест, где пластичность дерева играет ключевую роль. Среди популярных пород древесины наибольшей пластичностью обладают бук, вяз, ясень и дуб. В частности, у бука хорошая пластичность обусловлена множеством крупных сердцевинных лучей, которые изгибают древесные волокна. У вяза, ясеня и дуба при изгибании крупные сосуды, расположенные кольцевыми рядами в годовых слоях, значительно сдавливаются поздней, более плотной, древесиной, чем и объясняется их высокая пластичность.

Татьяна Кузьменко, член редколлегии Собкор интернет-издания “AtmWood. Дерево-промышленный вестник”

Насколько информация оказалась для Вас полезной?

Нормативная документация

Упругость строительных материалов, древесины в частности, в значительной мере влияет на уровень безопасности для людей зданий и сооружений, а так же сохранности материальных ценностей в них находящихся. Поэтому разрабатываются и утверждаются нормативные документы, определяющие методологию определения параметра упругости а так же расчетов и проектирования конструкций из клееной и цельной древесины.

СНиП II-25-80. Деревянные конструкции. Строительные нормы и правила

СНиП II-25-80. Свод правил. Деревянные конструкции. Этот документ определяет методологию расчета и проектирования зданий, сооружений и конструкций из древесины (цельной и клееной). В том числе в СНиП определенно что конструкции из древесины должны:

  1. соответствовать требованиям расчетов по деформациям и по несущей способности;
  2. проектироваться с учетом условий эксплуатации, монтажа, перевозки;
  3. быть долговечными, что обеспечивается конструктивными решениями, защитной обработкой.

ГОСТ 16483.9-73 Древесина. Методы определения модуля упругости при статическом изгибе

ГОСТ 16483.9-73. Межгосударственный стандарт. Древесина. Методы определения модуля упругости при статическом изгибе. В данном ГОСТе:

  • установлены методы определения модуля упругости при статическом изгибе;
  • описан процесс определения данного показателя при статическом изгибе кондиционированных и не кондиционированных образцов;
  • даны образцы протоколов определения модулей упругости.

При помощи контроллера системы управления виброиспытаними ZET 028 через вибростенд образец подвергался воздействию вибрации.

Сигналы с акселерометров обрабатывались в программе «Взаимный узкополосный спектр», которая позволяет проводить анализ частотных характеристик физических систем, на вход которых поступает некоторое возмущение.

Читайте также  Как сделать формы для гипса

Оценка характеристик приведена на графиках ниже:
1) На графике приведены амплитудная и фазовая характеристики объекта испытаний. Как видно, амплитудная характеристика обладает отчётливым пиком на частоте ∼ 4447,9 Гц, а фазовая характеристика резко меняется на той же частоте. Это свидетельствует о первой нормальной моде объекта, за которой и будет вестись наблюдение.

2) В таблице регистрируется резонансная частота и рассчитываются дополнительные параметры, соответствующие данной моде колебаний:


3) В течение испытаний самописец сигналов записывает все зарегистрированные значения резонансной частоты образца.
По графику видно, что резонансная частота на всем протяжении испытаний (в данном случае 10 минут) определяется с высокой точностью (погрешность не более 0,1 %).

Последующая обработка результатов ведется при помощи вычислений.
Модуль упругости рассчитывается по формуле:

где b, h, l – соответственно ширина, высота и длина образца, м
m – масса образца, кг
f – резонансная частота, Гц
β – поправка на массу прикрепленных датчиков и штифта, равная отношению массы образца с дополнительным весом к массе образца без него.

Эксперимент показал, что при помощи программного обеспечения и устройств ZETLAB можнос высокой точностью определять требуемые характеристики, а также автоматизировать процесс определения резонансной частоты древисины, а соответственно и модулей упругости.

  • Сортировать по Заказ по умолчанию
    • Заказ по умолчанию
    • Имя
    • Цена
    • Дата
    • Популярность
  • Сортировать товары по возрастанию
  • Показать 5 Продуктов на странице
    • 5 Продуктов на странице
    • 10 Продуктов на странице
    • 15 Продуктов на странице

Cистема управления виброиспытаниями ZET 028

система управления виброиспытаниями (СУВ) 8 измерительных канала

ZET 024

система управления виброиспытаниями (СУВ) 4 измерительных канала

Многоканальная система управления виброиспытаниями

весь спектр вибрационных испытаний на одном или нескольких электродинамических вибростендах

СУВ ZET 017-U4

система управления вибростендами (СУВ) 4 измерительных канала

СУВ ZET 017-U8

система управления вибростендами (СУВ) 8 измерительных канала

Модуль упругости

Модуль упругости характеризует свойство материала давать большую или меньшую деформацию под действием данной нагрузки. По величине модуля упругости можно сравнивать жесткость (устойчивость) материала в пределах упругости. ремонт мебели своими руками

Модуль упругости первого рода В при растяжении вдоль волокон колеблется в зависимости от породы древесины в пределах от 80 000 (для бука) до 129000 кг/см2 (для лиственницы).

С повышением влажности модуль упругости уменьшается.

Средний поправочный коэффициент на влажность — 2% величины модуля на 1% влажности древесины.

Модуль упругости при растяжении поперек волокон в радиальном ,направлении примерно в 10 раз ниже, чем при растяжении вдоль волокон. При этом модуль упругости при растяжении поперек волокон в радиальном направлении примерно в три раза выше, чем в тангентальном для хвойных пород и в два раза выше для лиственных пород.

Древесина хвойных пород при одном и том же объемном ,весе по упругости выше древесины лиственных пород.

Все ручки молотков во избежание отдачи должны делаться из упругой древесины.

Модуль упругости второго рода G (при кручении) у древесины значительно ниже, чем Е.

Влияние влажности на модуль упругости G незначительно и его можно не учитывать.

Релаксация, или упругое последействие

Древесина, как и многие другие материалы органического происхождения, обладает свойством изменять величину деформации при нагружении в зависимости от скорости нагружения. Кроме того, эта деформация увеличивается даже в том случае, когда нагрузка не возрастает. При разгрузке же и после полного прекращения действия сил материал приходит в окончательно установившуюся форму не сразу, а постепенно. Это свойство носит название релаксации, или упругого последействия.

При всех видах статических испытаний древесины релаксация может играть очень большую роль и ее необходимо учитывать. При динамических нагрузках влияние релаксации исключено.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ ИЗГИБЕ

ИПК ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ Москва

Методы определения модуля упругости при статическом изгибе

Wood. Methods for determination of modulus Взамен ГОСТ 16483.9—72

of elasticity in static bending

Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 23.10.73 № 2364 дата введения установлена

Ограничение срока действия снято по протоколу № 3—93 Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 5-6—93)

Настоящий стандарт распространяется на древесину и устанавливает методы определения модуля упругости при статическом изгибе.

Стандарт соответствует СТ СЭВ 1142—78 и ИСО 3349—75 в части определения модуля упругости при статическом изгибе кондиционированных образцов.

Методы не распространяются на авиационные пиломатериалы и заготовки.

(Измененная редакция, Изм. № 1).

1. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ ИЗГИБЕ

Метод предназначен для определения модуля упругости древесины при кондиционировании образцов по ГОСТ 16483.0—89.

1.1.1. Машина испытательная по ГОСТ 28840—90, обеспечивающая скорость нагружения образца или перемещение нагружающей головки, позволяющая измерять нагрузку с погрешностью не более 1 %.

1.1.2. Приспособление, схема которого изображена на черт. 1, или подобное ему, для создания симметричной относительно длины образца зоны чистого изгиба, состоящее из двух опор и расположенных между ними двух нагружающих ножей.

* Переиздание (сентябрь 1999 г.) с Изменениями № 1, 2, утвержденными в январе 1980 г., октябре 1988 г.

© ИПК Издательство стандартов, 1999

1 — индикатор; 2 — держатель; 3 — скоба-упор; 4 — винт; 5 — образец

Расстояние между центрами опор должно быть 240 мм, а между нагружающими ножами — 1/2 расстояния между центрами опор. Радиус закругления опор и ножей должен быть 30 мм.

1.1.3. Прибор для измерения прогиба образца в зоне чистого изгиба, состоящий из следующих узлов:

— измерительного устройства линейных перемещений с погрешностью измерения не более 0,001 мм;

— приспособления для крепления устройства по нейтральной оси образца симметрично относительно середины его длины с расстоянием между точками закрепления, равным расстоянию между нагружающими ножами;

— приспособления, закрепляемого по нейтральной оси образца в середине его длины и используемого в качестве начала отсчета прогиба образца.

1.1.4. Штангенциркуль по ГОСТ 166—89 с погрешностью измерения не более 0,1 мм.

1.1.5. Аппаратура для определения влажности древесины по ГОСТ 16483.7—71.

1.1.1—1.1.5. (Введены дополнительно, Изм. № 1).

1.2. Подготовка к испытанию

1.2.1. Образцы изготовляют в форме прямоугольного бруска сечением 20 х 20 мм и длиной вдоль волокон 300 мм.

1.2.2. Точность изготовления, влажность и количество образцов должны соответствовать требованиям ГОСТ 16483.0—89.

1.3. Проведение испытания

1.3.1. Испытание проводят при действии изгибающего усилия перпендикулярно радиальной поверхности образца, изгиб тангентальный. Допускается проводить испытания при радиальном изгибе.

1.3.2. На середине длины образца измеряют с погрешностью не более 0,1 мм ширину b в радиальном и высоту h в тангентальном направлениях при тангентальном изгибе. При радиальном

изгибе измеряют ширину b в тангентальном и высоту h в радиальном направлениях.

1.3.3. Образец с закрепленным на нем по нейтральной линии прибором для измерения прогиба в зоне чистого изгиба нагружают по схеме, изображенной на черт. 2.

Испытание образца выполняют с постоянной скоростью нагружения или постоянной скоростью перемещения нагружающей головки испытательной машины для обеспечения нагружения образца до 800 Н за 30 с. Когда нагрузка достигнет 800 Н, образец плавно разгружают до 200 Н, после чего вновь нагружают до 800 Н и разгружают до 200 Н. При последующих четырех нагружениях в момент достижения нагрузки 300 и 800 Н измеряют в течение не более 10 с прогиб с погрешностью не более 0,001 мм.

Если в диапазоне нагрузок от 300 до 800 Н деформация непропорциональна нагрузке, то верхний и нижний пределы нагружения изменяют так, чтобы получаемые величины прогиба были в пределах прямолинейного участка диаграммы «нагрузка-деформация», при этом верхний предел нагружения не должен превышать 50 % от разрушающей нагрузки.

Прямолинейный участок диаграммы определяют по результатам предварительных испытаний подобных образцов.

При использовании машины с электромеханическим приводом допускается проводить испытания с равномерной скоростью нагружения (1500±300) Н/мин при условии достижения нагрузки 800 Н за 30 с. При этом условии допускается проводить испытания при скорости перемещения нагружающей головки испытательной машины (15±5) мм/мин.

Читайте также  Лучший сварочный инвертор для дома

(Измененная редакция, Изм. № 1, 2).

1.3.4. После испытания определяют влажность образцов в соответствии с требованиями ГОСТ 16483.7-71.

Пробу для определения влажности вырезают длиной 30 мм из середины длины образца. Минимальное количество испытываемых на влажность образцов должно соответствовать ГОСТ 16483.0-89.

(Измененная редакция, Изм. № 1).

1.4. Обработка результатов

1.4.1. Модуль упругости древесины при кондиционировании образцов (Е^) в ГПа вычисляют по формуле

г — 3 РР tw 64btff ’

где р — нагрузка, равная разности между верхним и нижним пределами нагружения, Н;

I — расстояние между опорами;

Ъ — ширина образца, мм;

Л — высота образца, мм;

/ — прогиб образца в зоне чистого изгиба, равный разности между средними арифметическими результатами измерения прогиба при верхнем и нижнем пределах нагружения, мм. Вычисление производят с округлением до 0,1 ГПа.

1.4.2. Модуль упругости (Е^) в ГПа пересчитывают на влажность 12 % по формулам: для образцов с влажностью меньше предела гигроскопичности

где Ецг— модуль упругости образца с влажностью W в момент испытания, ГПа; а — поправочный коэффициент, равный 0,01 на 1 % влажности;

W— влажность образца в момент испытания, %;

для образцов с влажностью, равной или больше предела гигроскопичности

где Ew— модуль упругости образца с влажностью Wв момент испытания, ГПа;

— коэффициент пересчета при влажности 30 %, равный: 0,80 — для хвойных пород; 0,89 — для кольцесосудистых пород; 0,77 — для бука; 0,82 — для березы и других рассеяннососудистых пород.

Вычисление производят с округлением до 0,1 ГПа.

1.4.3. Статистическую обработку опытных данных выполняют по ГОСТ 16483.0—89.

1.4.4. Результаты испытаний и расчетов заносят в протокол испытаний, форма которого приведена в приложении 1.

2. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ ИЗГИБЕ НЕКОНДИЦИОНИРОВАННЫХ ОБРАЗЦОВ

2.1. Аппаратура поп. 1.1.

2.2. Подготовка к испытанию

2.2.1. Образцы изготовляют по п. 1.2.1.

2.2.2. Точность изготовления и количество образцов должны соответствовать требованиям ГОСТ 16483.0-89.

2.2.3. Образцы должны находиться до испытания в условиях, исключающих изменение их начальной влажности.

2.3. Проведение испытания по пп. 1.3.1—1.3.3. После испытания определяют влажность каждого образца с погрешностью не более 1 % по ГОСТ 16483.7—71. Пробу на влажность длиной 30 мм вырезают из середины длины образца. Влажность образцов из свежесрубленной древесины не определяют.

2.4. Обработка результатов

2.4.1. Модуль упругости образца с влажностью в момент испытания w) в ГПа вычисляют по формуле

где р — нагрузка, равная разности между верхним и нижним пределом нагружения, Н;

/ — расстояние между опорами; b — ширина образца, мм; h — высота образца, мм;

/— прогиб образца в зоне чистого изгиба, равный разности между средними арифметическими результатами измерения прогиба при верхнем и нижнем пределах нагружения, мм. Вычисление производят с округлением до 0,1 ГПа.

2.4.2. Модуль упругости пересчитывают на влажность 12 % (Еп) в ГПа по формуле

где К % — коэффициент пересчета, определяемый по таблице при известной плотности древесины.

Коэффициент пересчета К <£ при плотности р12, кг/м 3

Твердость, деформативность и ударная вязкость древесины

Твердость

Твердостью называется спо­собность древесины сопротивляться внедре­нию в нее более твердых тел (ГОСТ 16483.17 — 81). Твердость торцовой поверх­ности выше тангенциальной и радиальной на 30% у лиственных пород и на 40% — у хвойных. На величину твердости оказы­вает влияние влажность древесины. При из­менении влажности древесины на 1% торцовая твердость изменяется на 3%, а танген­циальная и радиальная — на 2%.

По степени твердости все древесные по­роды при 12%-ной влажности можно разде­лить на три группы:

мягкие (торцовая твердость 38,5 МПа и менее) — сосна, ель, кедр, пихта, тополь, липа, осина, ольха;

твердые (торцовая твердость от 38,6 до 82,5 МПа) — лиственница сибирская, бере­за, бук, вяз, ильм, карагач, клен, яблоня, ясень;

очень твердые (торцовая твердость более 82,5 МПа) — акация белая, береза желез­ная, граб, кизил, самшит.

Ударный способ определения твердости заключается в том, что на древесину с высоты 0,5 м падает стальной шарик; ударяясь о поверхность древесины, он ос­тавляет отпечаток. Величину твердости получают путем деления работы (Дж), за­траченной на удар, на площадь отпечатка (м. кв.). Твердость древесины имеет существен­ное значение при обработке ее режущими инструментами: фрезеровании, пилении, лу­щении, а также в тех случаях, когда она подвергается истиранию при устройстве по­лов, лестниц, перил.

Деформативность

Деформативностъю называют способность древесины изменять свои размеры и форму при воздействии усилий. Деформации, исчезающие после прекращения действия силы, называются упругими, а сохраняющиеся после снятия нагрузки — остаточными. Показателями деформативности служат модули упругости, коэффициенты поперечной деформации, мо­дули сдвига древесины. В условиях непро­должительного воздействия нагрузок древе­сина ведет себя как упругое тело. Способ­ность древесины деформироваться характе­ризует ее жесткость. При определении модуля упругости необ­ходимо измерять напряжение и деформа­цию (удлинение и укорочение).

Величины модулей упругости при сжа­тии, растяжении вдоль волокон, а также при изгибе с нагружением в двух точках практически не различаются. Для древесины разных пород модуль упругости колеблется в пределах 12-15 ГПа. Модуль упругости при растяжении и сжатии поперек волокон значительно меньше модуля при сжатии и растяжении вдоль волокон: для лиственных пород в 20, а для хвойных — в 25 раз.

Ударная вязкость

Ударная вязкость, характеризующая способность древесины поглощать работу при ударе без разруше­ния, определяется при испытаниях на изгиб. Чем больше величина работы, потребной для излома образца древесины, тем выше его вязкость. Если древесина хрупкая, то для разрушения образца необходимо затра­тить меньшую величину работы. Древесина лиственных пород в среднем имеет ударную вязкость в 2 раза (мягкие в 1,5 раза, твердые в 2,5 раза) большую, чем у хвойных пород.

Модуль упругости древесины

Применение древесины в качестве конструкционного материала обусловлено способностью сопротивляться действию усилий, т.е. 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 следующих видах испытаний: растяжении, сжатии, изгибе и сдвиге. 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, отнесённые к единице площади сечения (1 см2) называются напряжениями. Максимальное напряжение, предшествующее разрушению тела, называют пределом прочности.

Прочность древесины

Предел прочности определяют на малых, чистых и не имеющих пороках образцах в лабораториях на испытательных машинах. Эти образцы имеют базисное сечение с размерами20 * 20 мм и должны включать не менее 4-5 годичных слоёв. Некоторые виды испытаний производят на образцах, сечение которых отличается от указанного.

Прочность древесины при сжатии определяется на образцах призматической формы. Схема испытания на прочность при сжатии вдоль волокон и размер образца показаны на рисунке:

Образец постепенно нагружают до разрушения. Затем по силоизмерителю испытательной машины отсчитывают максимальную нагрузку Рмах, Н. Предел прочности б, МПа, вычисляют по формуле: бw = Pmax / (a * b), где (a * b) — площадь сечения образца, мм2.

В среднем для всех отечественных пород при влажности древесины 12% предел прочности древесины на сжатие вдоль волокон составляет около 50 МПа.

Прочность при сжатии поперёк волокон определяется по схеме на рисунке. Здесь указана равнодействующая сил, которые либо равномерно распределены по всей поверхности образца, либо по всей ширине, но на части длины его (местное сжатие). И в том, и в другом случаях определяют условный предел прочности. В качестве этого показателя используют предел пропорциональности, т.е. величину напряжений, до которых наблюдают линейную зависимость между напряжениями и деформациями. В среднем для всех пород деревьев он составляет 1/10 предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Читайте также  Лучший лазерный уровень 360 градусов

Испытания на прочность древесины при растяжении проводятся на образцах другого вида:

Такая форма образцов обусловлена стремлением обеспечить разрушение в тонкой рабочей части, а не в месте закрепления, под воздействием именно растягивающих напряжений.

В среднем для всех пород предел прочности при растяжении вдоль волокон равен 130 МПа, а предел прочности при растяжении поперёк волокон в 20 раз ниже. Поэтому при конструировании изделий из древесины избегают растягивающих нагрузок, направленных поперёк волокон.

Для испытания древесины на статический изгиб применяют образцы в форме бруска размерами 20 * 20 * 300 мм:

Предел прочности при статическом изгибе, МПа, вычисляют по формуле: бw = (3/2) * ((Pmax*l) / (b * h2)), где Pmax — максимальная нагрузка, Н; l — пролет, т.е. расстояние между центрами опор, равный 240 мм; b и h — ширина (в радиальном) и высота (в тангенциальном) направлениях, мм.

В среднем предел прочности при статическом изгибе составляет 100 МПа.

При испытаниях к образцу прикладывают две равные и противоположно направленные силы, вызывающие разрушение в параллельной им плоскости, происходит сдвиг. Различают три вида испытаний на сдвиг: скалывание вдоль волокон, скалывание поперёк волокон и перерезание древесины поперёк волокон. Схемы действия сил при этих испытаниях показаны на рисунке:

Для испытания на скалывание вдоль волокон применяют образец, форма и размеры которого показаны на рисунке:

Предел прочности при скалывании вдоль волокон определяют по формуле: Tw = Pmax / (b * l), где (b * l) — площадка скалывания, мм2.

Величина предела прочности — касательных максимальных напряжений при скалывании вдоль волокон в среднем для всех пород составляет примерно 1/5 от предела прочности при сжатии вдоль волокон. Предел прочности при скалывании поперёк волокон в 2 раза меньше, а предел прочности при перерезании поперёк волокон в 4 раза больше, чем предел прочности при скалывании вдоль волокон.

Деформативность древесины

При кратковременных нагрузках в древесине возникают преимущественно упругие деформации, которые после нагрузки исчезают. До определённого предела зависимость между напряжениями и деформациями близка к линейной (закон Гука). Основным показателем деформативности служит коэффициент пропорциональности — модуль упругости.

Модуль упругости вдоль волокон Е = 12-16 ГПа, что в 20 раз больше, чем поперёк волокон. Чем больше модуль упругости, тем более жесткая древесина.

С увеличением содержания связанной воды и температуры древесины, жесткость её снижается. В нагруженной 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, её деформативность зависит от продолжительности воздействия нагрузок. Механические свойства древесины, как и других полимеров, изучаются на базе общей науки реологии. Эта наука рассматривает общие законы деформирования материалов под воздействием нагрузки с учётом фактора времени.

Эксплуатационные и технологические свойства древесины

Прочность древесины при длительных постоянных нагрузках важно знать в связи с применением её в строительных конструкциях. Показателем этого свойства является предел длительного сопротивления бд.с., который в среднем для всех видов нагрузки составляет примерно 0,5 — 0,6 величины предела прочности при кратковременных статических испытаниях.

Показателем древесной прочности при переменных нагрузках является предел выносливости, средняя величина которого составляет примерно 0,2 от статического предела прочности.

При проектировании деревянных конструкций в расчётах используют не пределы прочности малых образцов древесины, а в несколько раз меньшие показатели — расчётные сопротивления. Они учитывают большие размеры элементов конструкций, наличие пороков древесины, длительность действия нагрузки, влажность, температуру и другие факторы.

Удельная вязкость характеризует 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.

Твёрдость характеризует способность древесины сопротивляться вдавливанию более твёрдого тела. Испытания на статическую твёрдость проводят по схеме, показанной на рисунке:

Для испытания на твёрдость используют приспособление, которое имеет пуансон с полусферическим наконечником. Его вдавливают на глубину радиуса. После испытания в древесине остаётся отпечаток, площадь проекции которого при указанном радиусе полусферы составляет 100 мм2. Показателем статической твёрдости образца, Н/мм2, является усилие, отнесенное к этой площади. Статическая твёрдость торцевой поверхности выше, чем боковых поверхностей.

Все отечественные породы деревьев и кустарников по твёрдости торцевой поверхности при влажности 12% делят на 3 группы: мягкие (твёрдость 40 Н/мм2 и менее), твёрдые (41-80) и очень твёрдые (более 80 Н/мм2).

Ударную твёрдость определяют, сбрасывая стальной шарик диаметром 25 мм с высоты 0,5 м на поверхность образца, величена которого тем больше, чем меньше твёрдость древесины.

Износостойкость — способность древесины сопротивляться износу, т.е. постепенному разрушению её поверхностных зон при трении. Испытания на износостойкость древесины показали, что износ с боковых поверхностей значительно больше, чем с поверхности торцевого разреза. С повышением плотности и твёрдости 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 выдёргиванию гвоздя. Усилие, необходимое для выдёргивания гвоздя, забитого в торец образца, меньше усилия, прилагаемого к гвоздю, забитому поперёк волокон. С повышением плотности сопротивление древесины выдергиванию гвоздя или шурупа увеличивается. Усилия, необходимые для выдёргивания шурупов (при прочих равных условиях), больше, чем для выдёргивания гвоздей, так как в этом случае к трению присоединяется сопротивление волокон перерезанию и разрыву.

Технологическая операция гнутья древесины основана на её способности сравнительно легко деформироваться при действии избегающих усилий. Способность гнуться выше у кольцесосудистых пород — дуба, ясеня и др., а из рассеянно-сосудистых — бука; хвойные породы деревьев 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.

Характеристики упругости металлов

Если сравнивать с модулем Юнга древесины, то средние значения этой величины для металлов и сплавов на порядок больше, что показано в следующей таблице.

Металл Модуль Юнга в ГПа
Бронза 120
Медь 110
Сталь 210
Титан 107
Никель 204

Упругие свойства металлов, которые имеют кубическую сингонию, описываются тремя упругими постоянными. К таким металлам относятся медь, никель, алюминий, железо. Если металл имеет гексагональную сингонию, тогда для описания его упругих характеристик уже необходимо шесть постоянных.

Для металлических систем модуль Юнга измеряют в пределах 0,2 % деформации, поскольку большие значения могут происходить уже в неупругой области.