Механические свойства древесины

Механические свойства характеризуют способность древесины сопротивляться действию усилий. К механическим свойствам древесины относятся прочность и деформативность, а также некоторые эксплуатационные и технологические свойства.

Прочность – способность древесины сопротивляться разрушения под действием механических усилий; характеристикой ее является предел прочности – максимальное напряжение, которое выдерживает древесина без разрушения. Показатели пределов прочности устанавливают при испытании древесины на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг и редко при кручении.

Деформативностью называется изменение формы и размеров древесины под действием внешних сил.

Прочность древесины при растяжении. Испытание на растяжение вдоль волокон проводят на образцах сложной формы (рисунок 2.3).

Испытание древесины на растяжение вдоль волокон

Рисунок 2.3 – Испытание древесины на растяжение вдоль волокон: а – образец; б – схема закрепления образца в захватах испытательной машины

Разрушение происходит в виде разрыва волокон. Характер разрыва волокон может быть длинноволокнистый или защепистый для древесины с высокой прочностью, и гладкий или раковистый для древесины с малой прочностью.

Средняя величина предела прочности при растяжении вдоль волокон для всех пород составляет 130 МПа. На прочность при растяжении вдоль волокон оказывает большое влияние строение древесины. Даже небольшое отклонение от правильного расположения волокон вызывает снижение прочности.

Прочность древесины при растяжении поперек волокон очень мала и в среднем составляет 1/20 часть предела прочности при растяжении вдоль волокон, т.е. 6,5 МПа. Поэтому древесина почти не применяется в деталях, работающих на растяжение поперек волокон. Прочность древесины поперек волокон имеет значение при разработке режимов резания и режимов сушки древесины. В таблице 2.8 приведена прочность древесины при растяжении вдоль волокон [5].

Таблица 2.8 – Прочность древесины при растяжении вдоль волокон

Порода Предел прочности, МПа, при влажности, %
12 30 и более
Лиственница 125 96
Сосна 103 79
Ель 103 79
Кедр 90 69
Пихта сибирская 67 51
Акация белая 176 109
Береза 168 126
Ясень 145 109
Граб 141 106
Осина 125 94
Бук 123 92
Липа 121 91
Ольха 101 76
Тополь 91 68

Из данных таблицы 2.8 видно, что при влажности 12 % наибольший предел прочности при растяжении имеет акация белая, а наименьшую – пихта сибирская. При влажности 30 % и более наибольшей прочность при растяжении обладает береза, а наименьшей – пихта сибирская.

Прочность древесины при сжатии. Испытание древесины на сжатие вдоль волокон является наиболее распространенным. Это объясняется простотой приложения нагрузки, а также и тем, что древесина оказывает большое сопротивление сжатию волокон.

Для испытания на сжатие используют образец в форме прямоугольной призмы с основанием 20×20 мм и высотой (вдоль волокон) 30 мм (рисунок 2.4).

Образец для испытания на сжатие вдоль волокон

Рисунок 2.4 – Образец для испытания на сжатие вдоль волокон

Средняя величина предела прочности для всех пород составляет 50 Мпа (при влажности 12 %). Прочность древесины при сжатии поперек волокон ниже, чем вдоль волокон примерно в 10 раз. В таблице 2.9 приведена прочность древесины при сжатии вдоль волокон [6].

Таблица 2.9– Прочность древесины при сжатии вдоль волокон

Порода Предел прочности при влажности, %
12 30 и более
Лиственница 64,5 25,5
Сосна 48,5 21,0
Пихта сибирская 39,0 17,5
Граб 60,0 26,5
Ясень 59,0 32,5
Бук 55,5 26,0
Липа 45,5 24,0
Ольха 44,0 23,5
Осина 42,5 19,0
Ель 44,5 19,5
Кедр 42,0 18,5
Акация белая 75,5 41,5
Клен 59,5 28,0
Дуб 57,5 31,0
Орех грецкий 55,0 24,0
Береза 55,0 22,5
Вяз 48,0 25,0
Тополь 39,0 18,0

Из данных таблицы 2.8 видно, что наибольший предел прочности при сжатии вдоль волокон при влажности 12 % имеет акация белая, а наименьший – тополь и пихта сибирская. При влажности 30 % и более наибольшей прочностью обладает акация белая, а наименьшей – пихта сибирская.

Прочность древесины при статическом изгибе. Испытания проводят на образцах прямоугольного сечения размером 20×20×300 мм. Образец располагают на опорах и нагружают двумя нажимными ножами (рисунок 2.5)

Излом может быть защепистым, что свидетельствует о высоком качестве древесины, и гладким с небольшими тупыми выступами у древесины низкого качества. В среднем для всех пород прочность при изгибе составляет 100 МПа, т.е. в 2 раза больше предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Кроме обычного поперечного изгиба, когда волокна древесины направлены вдоль оси бруска, встречаются случаи работы древесины на изгиб, когда волокна ее направлены поперек оси бруска.

 Схема испытания древесины на статический изгиб

Рисунок 2.5 – Схема испытания древесины на статический изгиб

Предел прочности на изгибе в последнем случае составляет 4-5 % от предела прочности при обычном изгибе. В таблице 2.10 представлены данные по прочности древесины при статическом изгибе [6].

Таблица 2.10 – Прочность древесины при статическом изгибе

Порода Предел прочности, МПа, при влажности, %
12 30 и более
Лиственница 111,5 61,5
Сосна 86,0 49,5
Ель 79,5 44,0
Кедр 73,5 42,5
Пихта сибирская 68,5 40,5
Акация белая 158,0 97,5
Граб 137,0 73,5
Ясень 123,0 74,5
Клен 120,0 77,5
Орех грецкий 110,0 60,5
Береза 109,5 59,5
Бук 108,5 64,5
Дуб 107,5 68,0
Вяз 95,5 59,0
Липа 88,0 54,0
Ольха 80,5 49,5
Осина 78,0 45,5
Тополь 69,0 40,5

Из данных таблицы 2.10 видно, что при влажности 12, 30 % и более наибольшей прочностью при статическом изгибе обладает акация белая, а наименьшей – пихта сибирская и тополь.

Прочность древесины при сдвиге. При испытаниях на сдвиг к образцу прикладываются две равные и противоположно направленные силы, вызывающие разрушение в параллельной им плоскости. Различают три случая сдвига (рисунок 2.6): скалывание вдоль и поперек волокон, и перерезание.


Случаи сдвига древесины

Рисунок 2.6 – Случаи сдвига древесины: а – скалывание вдоль волокон; б – скалывание поперек волокон; в – перерезание поперек волокон

Скалывание вдоль волокон – одно из важнейших механических свойств древесины. Для испытания на скалывание вдоль волокон используют образец, форма и размеры которого показаны на рисунке 2.7. В образце измеряют ширину b и длину l площади скалывания, после чего он устанавливается в специальном приспособлении и доводится до разрушения.

Прочность при скалывании вдоль волокон составляет 1/5 часть прочности при сжатии вдоль волокон. У лиственных пород, имеющих широкие сердцевинные лучи (бука, дуба, граба), скалывание по тангенциальной плоскости на 10-30 % выше, чем скалывание по радиальной плоскости.

Образец для испытания древесины на скалывание вдоль волокон

Рисунок 2.7 – Образец для испытания древесины на скалывание вдоль волокон

Предел прочности при скалывании поперек волокон примерно в 2 раза меньше предела прочности при скалывании вдоль волокон. Прочность древесины при перерезании поперек волокон в 4 раза выше прочности при скалывании вдоль волокон. В таблице 2.11 представлены данные по прочности древесины при скалывании вдоль волокон [7].

Таблица 2.11 – Прочность древесины при скалывании вдоль волокон

Порода Предел прочности, МПа, при скалывании в плоскости
радиальной при влажности, % тангенциальной при влажности, %
12 30 и более 12 30 и более
Лиственница 9,9 6,3 9,4 5,8
Сосна 7,5 4,3 7,3 4,5
Ель 6,9 4,1 6,8 4,4
Кедр 6,6 4,0 7,0 4,3
Пихта сибирская 6,4 4,5 6,5 4,2
Граб 15,6 8,8 19,4 10,6
Ясень 13,9 9,4 13,4 8,7
Клен 12,4 8,4 14,2 9,0
Бук 11,6 7,0 14,5 8,9
Орех грецкий 11,0 5,9 11,6 6,1
Дуб 10,2 7,2 12,2 9,0
Береза 9,3 5,0 11,2 5,9
Вяз 9,1 6,5 10,2 7,3
Груша 8,9 5,6 14,2 8,1
Липа 8,6 5,6 8,1 5,0
Ольха 8,1 5,2 10,0 6,3
Осина 6,3 3,6 8,6 5,0
Тополь 6,1 3,4 7,2 4,2

Из данных таблицы 2.11 видно, что наибольший предел прочности в радиальной плоскости при влажности 12 % имеет граб, при 30 %

Твердость. Твердость – это свойство древесины сопротивляться внедрению тела определенной формы. Твердость торцовой поверхности выше твердости боковой поверхности (тангенциальной и радиальной) на 30% у лиственных пород и на 40% у хвойных. По степени твердости все древесные породы можно разделить на три группы:

мягкие – торцовая твердость 40 МПа и менее (сосна, ель, кедр, пихта, можжевельник, тополь, липа, осина, ольха, каштан);

твердые – торцовая твердость 40,1 - 80 МПа (лиственница, сибирская береза, бук, дуб, вяз, ильм, карагач, платан, рябина, клен, лещина, орех грецкий, хурма, яблоня, ясень);

очень твердые – торцовая твердость более 80 МПа (акация белая, береза железная, граб, кизил, самшит, фисташки, тис).

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.

Ударная вязкость. Ударная вязкость характеризует способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения. Определяется при испытаниях на изгиб. Чем больше требуется затратить работы на разрушение образца, тем выше вязкость.

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

Износостойкость древесины – способность поверхностных слоев противостоять износу, т.е. разрушению в процессе трения.

Износостойкость зависит от плотности и твердости, направления по отношению к волокнам, а также от влажности. С увеличением плотности износ и твердости с поверхности древесины уменьшается. Влажность древесины облегчает ее износ. Износ древесины с боковой поверхности больше, чем с торцовой.

Способность древесины удерживать металлические крепления. При забивании гвоздя в древесину ее волокна частично перерезаются, изгибаются, разрушаются, возникают упругие деформации и на Бокову. Поверхность гвоздя эти деформации оказывают давление, которое вызывает трение, удерживающее гвоздь в древесине.

Величина сопротивления выдергиванию зависит от направления гвоздя или шурупа по отношению к волокнам, породы древесины и плотности. Для выдёргивания гвоздя, вбитого вдоль волокон, 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.

Повышение влажности древесины облегчает вбивание гвоздя в нее. При высыхании древесины способность ее удерживать гвозди уменьшается, так как происходит перерождение упругих деформаций в остаточные, и трение, удерживающее гвоздь, уменьшается.

Способность древесины гнуться. Способность древесины гнуться позволяет гнуть ее. Более высокой способностью гнуться отличается древесина кольцесосудистых пород - дуба, ясеня и др., а из рассеянно-сосудистых – бука. Хвойные породы обладают меньшей способностью к загибу. Гнутью подвергают древесину, находящуюся в нагретом и влажном состоянии. Это увеличивает податливость древесины и позволяет вследствие перерождения при последующем охлаждении и сушке под нагрузкой зафиксировать новую форму детали.

Способность древесины раскалываться. Это древесины имеет практическое значение, так как некоторые сортименты ее заготовляют раскалыванием (клепка, обод, спицы, дрань и др.).

Раскалывание может проходить по радиальной и тангенциальной плоскостям. Сопротивление раскалыванию по радиальной плоскости у древесины лиственных пород меньше, чем по тангенциальной. Это объясняется влиянием сердцевинных лучей (у дуба, бука, граба). У хвойных пород, 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.

Изменчивость свойств древесины. Древесина – материал живой природы и поэтому ее свойства меняются от различных факторов. Эти свойства неодинаковы для различных древесных пород, но и в пределах одной породы они различны. Свойства древесины изменяются от возраста, условий произрастания, времени, рубки и т.д. Условия произрастания включают качество и состояние почвы, климатические особенности, тип леса, высоту над уровнем моря.

Показатели физико-механических свойств древесины в той или иной степени связаны с ее плотностью. Так, по высоте ствола плотность древесины уменьшается в направлении от комля к вершине. По радиусу ствола свойства также меняются. На плотность древесины оказывает влияние форма ствола и характер развития кроны.