Свойства древесины оказывать сопротивление действующим на нее внешним механическим силам (нагрузкам) называют механическими. В зависимости от характера действий и направления нагрузки вызывают в древесине различные напряжения. В соответствии с этим различают прочность древесины на растяжение, сжатие, изгиб (излом), скалывание, срез, кручение, раскалывание. К механическим свойствам древесины также относятся упругость, пластичность, хрупкость, вязкость, твердость, износостойкость и способность удерживать крепеж — гвозди, нагели и шурупы.

Древесина имеет неоднородное строение, поэтому механические свойства ее в разных направлениях неодинаковы. Принято определять сопротивление древесины силам, действующим вдоль волокон (в торец), а также поперек — в радиальном и тангентальном направлениях.

При постепенном нарастании внешней механической силы разрушение древесины наступает не сразу. Материал в значительной мере противодействует разрушающему действию нагрузки, изменяя форму или размеры (изгибается, удлиняется, сжимается). Это изменение под действием нагрузок называется деформацией. Деформация, исчезающая с прекращением действия силы, называется упругой. Если с прекращением действия силы форма или размеры древесины не восстанавливаются, то деформация называется остаточной. При определенной величине нагрузки упругая деформация переходит в остаточную. Момент такого перехода называют пределом упругости.

Прочность

Сила, вызвавшая разрушение, называется разрушающей. Наибольшее сопротивление, граничащее с моментом разрушения материала, называют пределом его прочности и измеряют в килограммах на 1 см2 разрушаемого сечения.

Наиболее часто наблюдается работа древесины на сжатие. Сваи, колонны, всякого рода стойки и опоры, ножки мебели работают именно так. Различают сжатие продольное и поперечное в радиальном и тангентальном направлениях (рис. 4).

До разрушения образец сжимается (уменьшается в размере) по линии действия нагрузки. Этот процесс называют усадкой или смятием. Особенно сильно смятие наблюдается при сжатии поперек волокон.

Пределы прочности древесины различных пород указаны в табл. 1. Предел прочности древесины при сжатии поперек волокон в 5—10, а при растяжении — в 10—20 раз меньше, чем вдоль них.

На изгиб древесина работает в балках, стропилах, деталях эстакад, мостов, мебели. В практике наблюдаются два типичных случая работы древесины на изгиб (рис. 5):
а) изгибаемая деталь обоими концами опирается на твердые опоры;
б) изгибаемая деталь закреплена только одним концом, а на второй действует нагрузка.

В любом случае изгибаемая деталь одновременно испытывает растяжение и сжатие разных ее частей вдоль волокон. В первом случае верхняя часть сжимается, нижняя растягивается, во втором — наоборот. В первом случае опасное сечение детали будет посредине ее длины, во втором — у места крепления. Внутренний слой древесины на границе растяжения и сжатия не испытывает ни сжатия, ни растяжения. Этот слой называется нейтральным, и в нем наблюдается напряжение на скалывание.

Сопротивление древесины изгибу и сжатию складывается из сопротивления растяжению и сопротивления сжатию. Предел прочности древесины при изгибе меньше предела прочности при растяжении и больше предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Скалыванием называется сдвиг части древесины вдоль волокон, поперек волокон в радиальной или тангентальной плоскостях и поперек волокон перпендикулярно их направлению. Сдвиг поперек волокон перпендикулярно их направлению называется перерезанием или срезом. Сопротивление древесины на срез больше сопротивления на скалывание вдоль и поперек волокон в несколько раз, так как при скалывании преодолевается только сцепление клеток, а разрушения их стенок не происходит.

Сопротивление древесины кручению наблюдается при работе валов, осей и в других случаях, когда внешняя механическая сила стремится спирально скручивать волокна древесины. При кручении древесина обладает сравнительно небольшим пределом прочности. Лучше всего при кручении работает береза.

Основными факторами, влияющими на показатели предела прочности древесины, являются ее влажность, объемный вес и наличие пороков. Увеличение влажности, как правило, понижает предел прочности древесины. Тяжелая древесина прочнее легкой (при прочих равных условиях). Считается, что предел прочности древесины пропорционален ее объемному весу. Наибольшим пределом прочности обладает древесина комлевая, у нее и наибольший объемный вес. От комля к вершине предел прочности древесины снижается на продольное сжатие (примерно на 8 % через каждые 6 м длины ствола).

Древесина заболони лиственных пород по прочности ниже ядровой. У древесины хвойных пород такое различие несущественно. Кроме того, более прочной является древесина деревьев зрелого возраста и деревьев, выросших на благоприятных для них почвах.

Упругость и пластичность

Упругостью называется способность материала восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия нагрузки. Древесина является довольно упругим материалом. Поэтому подкладки под наковальни ручных и механических молотов, ручки к инструментам ударного действия, ружейные ложа делают из дерева.

Упругость зависит от влажности, объемного веса, прямослойности древесины, от количества и размеров сердцевинных лучей в ней, а также от возраста дерева. Повышение влажности упругость снижает. Большей упругостью обладает древесина тяжелая и плотная по сравнению с легкой; прямослойная — по сравнению со свилеватой; зрелая — с молодой; ядровая — с заболонной. Значительная упругость древесины хвойных пород при сравнительно небольшом ее объемном весе объясняется прямослойностью ее строения, так как очень мелкие, в большинстве своем однорядные сердцевинные лучи не вызывают значительного искривления волокон.

Пластичность — свойство материала изменять форму под действием нагрузки без разрушения и сохраняться в измененном состоянии после прекращения действия сил. Оно зависит от тех же условий, что и упругость, но действие их на пластичность обратное. Условия, понижающие упругость, увеличивают пластичность, и наоборот. Особенно сильно повышает пластичность увлажнение и нагревание древесины паром (пропарка) или горячей водой (проварка).

Высокой пластичностью отличаются бук, вяз, дуб, ясень. Пластичность древесины хвойных пород, отличающихся прямослойностью строения, незначительна.

Хрупкость, вязкость и раскалываемость

Хрупкость — свойство материала разрушаться под действием механических сил внезапно, без значительного изменения формы. Совершенно хрупкой древесины нет. Это объясняется ее волок¬нистым строением. Наиболее хрупкой является древесина ольхи.

Вязкость — свойство, обратное хрупкости. Чем больше остаточные деформации древесины под действием механических сил, тем вязкость ее выше.

Показателем вязкости и хрупкости древесины является сопротивление ее ударному изгибу. Древесина лиственных пород, как правило, оказывает сопротивление ударному изгибу в 1,5—3 раза больше, чем древесина хвойных пород.

Раскалываемость — это способность древесины расщепляться вдоль волокон под действием клина. Упругость древесины улучшает ее раскалываемость, а вязкость снижает.

При повышенной влажности древесина раскалывается легче. Однако при очень высокой влажности древесина мягких пород в результате снижения ее упругости раскалывается плохо. Легко раскалывается мерзлая древесина.

Упругая с мелкими сердцевинными лучами древесина хвойных пород (особенно ель и пихта) легко раскалывается в радиальном и тангентальном направлениях. Сильно развитые сердцевинные лучи облегчают радиальное раскалывание, но затрудняют тангентальное. Легко раскалываются также бук, каштан, осина, липа, а в радиальном направлении — дуб.

Твердость и износостойкость

Твердостью называется свойство материала оказывать сопротивление проникновению твердых тел. Твердость торцевой поверхности ствола больше, чем твердость радиального и тангентального разрезов. Так, у лиственных пород эта разница в среднем составляет 30 %, а у хвойных — 40 %. Твердость древесины прямо пропорциональна ее объемному весу, но значительно снижается при увлажнении.

На практике все породы подразделяются на твердые и мягкие. К твердым относятся дуб, граб, ясень, клен, каштан, ильм, вяз, орех, груша, береза, лиственница; к мягким — сосна, ель, пихта, ольха, липа, тополь, ива (табл. 2). Отдельно выделяют группу сверхтвердых пород: самшит, фисташка. Твердость торцевой поверхности твердых пород составляет 40 МПа и более.

Износостойкость — это способность материала противостоять износу, то есть изменению его поверхности в процессе эксплуатации от истирания, смятия, выкрашивания и т. п. Износостойкость древесины довольно высокая и находится в прямой зависимости от ее твердости и объемного веса.

Способность удерживать металлические крепления

Свойство древесины удерживать в себе гвозди, нагели, шурупы и другие металлические крепления объясняется ее упругостью. Вбиваемый в древесину гвоздь раздвигает волокна, которые вследствие своей упругости давят на поверхность гвоздя и тем самым оказывают сопротивление его выдергиванию. Это сопротивление зависит от объемного веса, влажности и строения древесины, а также от направления вбиваемого гвоздя по отношению к волокнам. Оно определяется силой в килограммах, необходимой для извлечения забитого гвоздя. Сила удерживания креплений зависит от площади соприкосновения древесины с их поверхностью. Гвозди с квадратным или многогранным поперечным сечением, имеющие большую поверхность, нежели гвозди круглого сечения, держатся в древесине прочнее.

Гвозди любой формы можно вколачивать только в мягкую древесину. В твердой древесине для них предварительно высверливают гнезда диаметром 0,7—0,8 толщины гвоздя и глубиной не менее половины его длины. В противном случае или материал расколется, или гвоздь согнется. Зато в твердой древесине гвоздь держится прочнее, чем в мягкой.

Во влажную древесину вбить гвоздь легче, чем в сухую, так как упругость влажной древесины понижена. Но изогнутость волокон после ее высыхания остается, поэтому давление на гвоздь становится крайне незначительным и гвоздь держится слабо.

В прямослойной древесине, более упругой, чем свилеватая, гвозди держатся прочнее, но прямослойная древесина легче раскалывается.

Гвозди, вколоченные в торец древесины, держатся на 25—30 % слабее, чем вколоченные в боковую поверхность. Это объясняется тем, что в перерезанном конце волокна имеют пониженную упругость. Гвозди, вбитые в боковую поверхность в радиальном и тангентальном направлениях, держатся в древесине почти одинаково.

Далее

Вернуться к оглавлению

czforma.ru