Характеристик которыми обладает дерево типы. Механические свойства древесины

• " onclick="window.open(this.href," win2 return false >Печать
• E-mail

Свойства, определяющие внешний вид древесины.

К ним относятся цвет, блеск, запах и текстура .

Цвет зависит от породы, возраста, района и условий произрастания и состояния (наличия пороков) древесины. Древесина может иметь различные оттенки. Например, дуб насчитывает до 20 цветовых оттенков, а орех - до 40. Цвет учитывается в производстве мебели и художественных работах.

Блеск зависит от плотности, количества и размеров сердцевинных лучей и плоскости разреза. Красивым блеском обладают дуб, бук, ильм, клен и другие древесные породы. К потере блеска приводит загнивание. Блеск древесины учитывается при изготовлении изделий без подкраски.

Запах зависит от содержания в древесине смолистого эфирового масла, дубильных и ароматических веществ. Наиболее cильным запахом обладают деревья хвойных пород (сосна, кедр), содержащие смолу, из лиственных - дуб. Поражение грибами, а также загнивание и длительное хранение вызывают выветривание ароматических веществ и потерю естественного запаха. Запах древесины учитывается при изготовлении тары под пищевые продукты. Для этой цели применяют в основном древесину липы и тополя, которая не имеет запаха.

Текстура - естественный рисунок, получаемый на поверхности древесины в результате перерезания ее волокон, годичных слоев и сердцевинных лучей. Характер рисунка зависит от направления разреза, расположения волокон, размера сердцевинных лучей, ширины годичных слоев и различий в окраске между ранней и поздней древесиной. Древесину с красивой текстурой имеют дуб, ясень, орех, красное дерево. Химические окраски и грибные поражения вызывают изменение этого свойства. Текстура древесины имеет существенное значение при изготовлении мебели и в художественных работах.

Влажность . Она характеризуется содержанием влаги в древесине. Наличие влаги связано с ростом дерева. Влажность древесины срубленного дерева и неверные условия хранения являются причинами ее гниения. В зависимости от степени влажности древесина делится на: мокрую - длительное время находившуюся в воде, ее влажность выше 100%; свежесрубленную - влажность 50-100%; воздушно-сухую - долгое время хранившуюся на воздухе, влажность 15-20%; комнатно-сухую - влажность 8-12%; абсолютно сухую - влажность 0%. Влажная древесина труднее поддается отделке, но лучше гнется.

Физические свойства древесины.

Плотность. Это физическая величина, определяемая отношением массы образца к его объему. Плотность древесины зависит от ее породы и влажности. С уменьшением влажности древесины снижается ее плотность, и она становится легче почти в 2 раза. Плотность поздней древесины годичного слоя в 2-3 раза больше, чем ранней.

Теплопроводность . Это способность древесины проводить тепло через свою толщу от одного слоя к другому. Она зависит от ряда факторов, основными из которых являются температура, влажность и плотность древесины, а также направление теплового потока относительно волокон. Вследствие пористого строения древесина плохо проводит тепло. Теплопроводность древесины вдоль волокон в 1,5-2,0 раза выше, чем поперек волокон.

Звукопроводность . Это свойство древесины проводить звук. Звукопроводность древесины несколько выше, чем у других материалов, что следует учитывать в жилищном строительстве, где необходима звукоизоляция перегородок, дверей и стен.

Электропроводность . Это способность древесины проводить ток. Электропроводность древесины в основном зависит от ее влажности, породы, направления волокон и температуры. Древесина в сухом состоянии не проводит электрический ток, т. е. является диэлектриком, что позволяет применять ее в качестве изоляционного материала.

Механические и технологические свойства древесины

Механические свойства древесины. К ним относятся прочность, твердость и ударная вязкость (см.табл.). Эти свойства характеризуют способность древесины сопротивляться воздействию внешних сил (растяжению, изгибу, сдвигу и кручению).

Показатели физико-механических свойств древесины.

Прочность - это способность древесины сопротивляться разрушению (разделению на части) под действием механических усилий. Прочность древесины зависит от направления и скорости действия нагрузки, породы древесины, ее плотности, влажности и наличия пороков: пороки, особенно сучки и трещины, сильно снижают прочность древесины; с увеличением плотности древесины увеличивается и ее прочность; влажность уменьшает прочность древесины. Прочность зависит от характера и направления действия нагрузок. Например, прочность древесины вдоль волокон под действием растягивающих нагрузок около 130 МПа, а под действием сжимающих нагрузок - около 50 МПа; прочность под действием изгибающих сил - около 100 МПа, прочность при скалывании - около 0,5 МПа.

Твердость характеризуется способностью древесины сопротивляться внедрению в нее более твердого тела. Твердость древесины в торцовом направлении выше твердости в тангенциальном и радиальном направлениях в среднем на 30-40%. Твердость древесины, высушенной до 12% влажности, в 1,5-2,0 раза больше твердости древесины 30%-ной влажности. Чем выше твердость древесины, тем труднее ее обрабатывать.

Ударная вязкость - это способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения. Вязкость древесины деревьев лиственных пород примерно в 1,5-2,0 раза выше вязкости древесины хвойных пород (см. табл.).

Технологические свойства древесины . При оценке свойств древесины, как конструкционного материала учитывают ее способность удерживать металлические крепления (гвозди, шурупы и т. п.), износостойкость, способность древесины к изгибу и сопротивление раскалыванию.

Рассмотрим способность древесины удерживать металлические крепления (гвозди, шурупы, скрепы и др.). Для выдергивания гвоздей, забитых поперек волокон, требуется усилие в 1,5 раза выше, чем гвоздей, забитых в торец. Для выдергивания шурупов требуется приложить значительно большее усилие, чем для выдергивания гвоздей, так как приходится преодолевать трение и разрушать волокна, между которыми находится резьба шурупа. Однако забитый шуруп удерживает соединение слабее гвоздя. Поэтому необходимо правильно выполнять соединение шурупами, т. е. шурупы следует завинчивать. Способность древесины удерживать металлические крепления возрастает с увеличением ее плотности.

Износостойкость характеризуется способностью древесины противостоять разрушению в процессе трения. Наибольшей износостойкостью обладают торцовые поверхности. Износ уменьшается с повышением твердости и плотности древесины (см. табл.), а также с уменьшением влажности.

Раскалываемость - способность древесины под действием клина разделяться на части вдоль волокон. Сопротивление древесины раскалыванию увеличивается с повышением ее вязкости. Наличие пороков, например сучков, ухудшает раскалываемость древесины.

Цвет древесины зависит от климатических условий произрастания дерева. В умеренном климате древесина почти всех пород окрашена бледно, а в тропическом имеет яркую окраску. Влияние климатического фактора сказывается и в пределах одного пояса, например породы, произрастающие в более теплых зонах – дуб, орех, тис и другие, имеют интенсивную окраску, а произрастающие севернее – ель, сосна, осина, береза и другие, окрашены бледно. Интенсивность окраски зависит также от возраста деревьев – с увеличением возраста интенсивность усиливается. Изменение цвета древесины происходит под влиянием воздуха и света, а также от воздействия грибных поражений; при выдержке древесины в воде или в специальных растворах; при пропаривании и высокотемпературной сушке.

Цвет древесины является важной характеристикой и учитывается при выборе пород для изготовления мебели, отделки интерьеров, при производстве художественных поделок, музыкальных инструментов и т. д.

Блеск – это способность древесины направленно отражать световой поток. Наибольший блеск имеют гладкие зеркальные поверхности, так как они дают направленное отражение. Как правило, блеск древесины оценивается по белизне: чем больше белизна древесины, тем выше показатель блеска. Блики и отсветы дают еще и сердцевинные лучи на радиальных разрезах.

Текстура – это естественный рисунок на тангенциальных и радиальных разрезах древесины, образованный годичными слоями и анатомическими элементами. Чем сложнее строение древесины, тем богаче ее текстура. У древесины хвойных пород строение простое и текстура однообразная, она определяется в основном шириной годичных колец и разницей

окраски ранней и поздней древесины. Древесина лиственных пород имеет сложное строение и более богатую текстуру. Характер текстуры во многом зависит от направления разреза. Многие породы, такие как орех, ясень, вяз, дуб и другие, имеют красивую и интересную текстуру на тангенциальном разрезе. Древесина на радиальном разрезе также имеет красивую, оригинальную текстуру.

Древесина капов, образующихся на стволах деревьев лиственных пород, имеет высокие декоративные свойства. Весьма оригинальна текстура древесины клена типа «птичий глаз», которую создают не развившиеся в побег «спящие» почки. Своеобразная и красивая текстура создается и искусственным путем при неравномерном прессовании древесины и последующем ее строгании, или при лущении волнистым ножом, или под углом к направлению волокон. При прозрачной отделке древесины ее текстура проявляется сильнее. Текстура является важнейшим показателем, который определяет декоративную ценность древесины.

Виды текстуры древесины:

1) без выраженного рисунка – липа, груша;

2) мелкокрапчатый рисунок – дуб, бук, чинара;

3) муаровый рисунок – серый клен, волнистая береза, красное дерево;

4) рисунок «птичий глаз» – ясень, клен, береза карельская, тополь украинский;

5) раковинный рисунок – орех кавказский, ясень, карагач – комлевая часть;

6) сучковатый рисунок – ель, сосна.

В свежесрубленной древесине, как правило, содержится большое количество воды и в дальнейшем в зависимости от условий хранения оно может увеличиваться или уменьшаться, или оставаться на прежнем уровне. Но в большинстве случаев необходимо принять меры по удалению воды, т. е. произвести сушку древесины. Показателем содержания воды в древесине является влажность, которая подразделяется на абсолютную и относительную. На практике пользуются в основном абсо

лютным значением влажности, которую определяют по формуле:

W абс. = [(m – m 0) / m 0 ] ? 100 %,

где m – масса образца влажной древесины, г;

m 0 – масса того же абсолютно сухого образца, г. Показатель относительной влажности применяется редко, в основном как показатель влажности дров. Ее определяют по формуле:

W отн. = (m – m 0 / m) ? 100 %.

Существуют два способа определения влажности – прямой и косвенный. Прямой метод основан на выделении воды из древесины. Для этого очищенный образец древесины подвергают сушке в сушильном шкафу при температуре 103 °C до полной отдачи влаги. В процессе сушки образец взвешивают – первый раз через 6-10 ч после начала сушки, а затем через каждые 2 ч. Сушку прекращают после того, как вес образца уже не уменьшается. Прямой метод позволяет с большой точностью определить влажность древесины.

Второй метод – косвенный, основанный на измерении электропроводности древесины с помощью электровлагомера. При таком измерении шкала прибора показывает величину влажности. Этот способ дает возможность быстро определить влажность. Но его недостаток заключается в погрешности измерения, которая составляет 2–3 %, а при влажности древесины более 30 % – еще выше.

Вода в древесине находится в связанном и свободном состоянии. Связанная вода находится в клеточных стенках и удерживается прочно. Удаление такой воды затруднено и оказывает существенное влияние на изменение большинства свойств древесины. Максимальное количество связанной воды соответствует пределу насыщения клеточных стенок, который в расчетах принимается: W п.н. = 30 %.

Свободная вода находится в полостях клеток и межклеточных пространствах, поэтому удаляется из древесины легче.

Свежесрубленная древесина имеет влажность в пределах 50-100 %, а при длительном нахождении в воде – более 100 %.

После сушки на открытом воздухе влажность снижается до 15–20 %. Влажность величиной 20–22 % называется транспортной, а влажность, которую древесина имеет в период эксплуатации, – эксплуатационной.

Сушка древесины бывает двух видов – атмосферной, при температуре окружающей среды, и искусственной, или камерной, когда температура может быть до 100 °C и выше. При камерной сушке происходит усушка древесины, т. е. уменьшение линейных размеров в радиальном направлении на 3–7 %, а в тангенциальном – на 8-10 %, вдоль волокон – 0,1–0,3 %. Полная объемная усушка составляет 11–17 %.

При сушке древесины с уменьшением влажности меняются ее механические свойства – уменьшается упругость, но увеличивается прочность при сжатии, а также уменьшается электропроводность.

Плотность древесины – это масса единицы объема материала, выражающаяся в г/см 3 или кг/м 3 . Существует несколько показателей плотности древесины, которые зависят от влажности. Плотность древесного вещества – это масса единицы объема материала, образующего клеточные стенки. Она для всех пород примерно одинакова и равна 1,53 г/см 3 , т. е. в 1,5 раза выше плотности воды.

Плотность абсолютно сухой древесины – это масса единицы объема древесины при отсутствии в ней воды. Она определяется по формуле:

0 = m 0 / V 0 ,

где р 0 – плотность абсолютно сухой древесины, г/см 3 или кг/м 3 ;

m 0 – масса образца древесины при влажности 0 %, г или кг; V 0 – объем образца древесины при влажности 0 %, см 3 или м 3 .

Плотность древесины меньше плотности древесного вещества, так как она имеет пустоты, заполненные воздухом, т. е. пористость, которая выражается в процентах и характеризует отношение пустот в абсолютно сухой древесине. Чем больше плотность древесины, тем меньше ее пористость.

Плотность древесины существенно зависит от влажности С увеличением влажности плотность древесины возрастает По плотности все породы делятся на три группы (при влажности древесины 12 %):

1) породы с малой плотностью – 540 кг/м 3 и менее – это ель, сосна, липа и др.;

2) породы средней плотности – от 550 до 740 кг/м 3 – это дуб, береза, вяз и др.;

3) породы высокой плотности – 750 кг/м 3 и более – это кизил, граб, фисташка и др.

Тепловые свойства древесины – это теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение. Теплоемкость – способность древесины аккумулировать тепло. За показатель теплоемкости принята удельная теплоемкость С – количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг массы древесины на 1 °C. Она измеряется в кДж/кг? t °С.

Сухая древесина представляет собой древесное вещество и воздух, причем массовая доля воздуха в ней незначительна Поэтому теплоемкость сухой древесины практически равна теплоемкости древесного вещества. Удельная теплоемкость древесины практически не зависит от породы и при температуре 0 °C для абсолютно сухой древесины равна 1,55 кДж. С повышением температуры удельная теплоемкость несколько возрастает и при температуре 100 °C увеличивается примерно на 25 %. При увлажнении древесины ее теплоемкость увеличивается.

Процесс переноса тепла в древесине характеризуется двумя показателями – коэффициентом теплопроводности и коэффициентом температуропроводности. Коэффициент теплопроводности? численно равен количеству теплоты, которое проходит в единицу времени через стенку из древесины площадью 1 м 2 и толщиной 1 м при разности температур на противоположных сторонах стенки в 1 °C. Он измеряется в Вт / (м? °С).

Коэффициент температуропроводности характеризует скорость изменения температуры древесины при ее нагревании или охлаждении. Он определяет тепловую инерционность древесины, т. е. ее способность выравнивать температуру. Коэффициент температуропроводности рассчитывают по формуле:

где? – плотность материала, кг/м3;

? – коэффициент теплопроводности, Вт / (м? °С);

с – удельная теплоемкость древесины, кДж / (кг? °С).

Как показали многочисленные исследования электрических свойств древесины, ее электропроводность, т. е. способность проводить электрический ток, находится в обратной зависимости от ее электрического сопротивления. Существуют поверхностное и объемное сопротивления, которые в сумме дают полное сопротивление образца древесины, размещенного между двумя электродами. Объемное сопротивление характеризует препятствие прохождению тока сквозь толщу образца, а поверхностное – по поверхности. Показателями электрического сопротивления служат удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления.

Исследования показали, что сухая древесина плохо проводит ток, но с повышением влажности ее сопротивление уменьшается. Это видно из данных, полученных при исследованиях (табл. 1).

Таблица 1

Снижение поверхностного сопротивления происходит при увеличении влажности. Например, при увеличении влажности бука от 4,5 до 17 % поверхностное электрическое сопротивление уменьшается с 1,2 ? 10 13 до 1 ? 10 7 Ом.

Кроме того, в результате исследований установлено, что снижение электрического сопротивления древесины происходит при ее нагревании, особенно при ее низкой влажности Так, увеличение температуры от 20 до 94 °C снижает сопротивление абсолютно сухой древесины в 10 6 раз.

Акустические свойства. При исследованиях акустических свойств древесины установлено, что скорость распространения звука в древесине тем больше, чем меньше ее плотность и выше модуль упругости. Средние значения скорости звука вдоль волокон для комнатно-сухой древесины равны: дуб – 4720 м/с, ясень – 4730 м/с, сосна – 5360 м/с, лиственница – 4930 м/с. Далее исследования показали, что скорость звука поперек волокон в 3–4 раза меньше, чем вдоль волокон. Скорость распространения звука зависит от свойств материалов и в первую очередь от плотности, например в стали звук распространяется со скоростью 5050 м/с, в воздухе – 330 м/с, а в каучуке – 30 м/с. На данных, полученных при исследованиях акустических свойств древесины, построен ультразвуковой метод определения ее прочности и внутренних скрытых дефектов По существующим строительным нормам звукоизоляция стен и перегородок должна быть не ниже 40, а междуэтажных – 48 дБ. Согласно данным исследований звукопоглощающая способность древесины низка, например звукоизоляция сосновой древесины при толщине 3 см составляет 12 дБ, а дубовой при толщине 4,5 см – 27 дБ. Как установлено исследованиями, наилучшие акустические свойства в части наибольшего излучения звука имеет древесина ели, пихты и кедра, которая используется для изготовления многих музыкальных инструментов: щипковых, смычковых, клавишных и др. Как показала практика, наилучшими акустическими свойствами обладает древесина длительной выдержки – в течение 50 лет и более.

К механическим свойствам относятся прочность и дефор-мативность древесины, а также некоторые технологические свойства. Прочность древесины – это способность ее сопротивляться разрушениям под воздействием внешних нагрузок. Предел прочности древесины определяется путем испытания образцов на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг.

При испытании древесины на сжатие нагрузку производят вдоль волокон, затем поперек и в одном месте. Предел прочности определяют в МПа по формуле:

б сж = Р max / a ? b,

где P max – максимальная разрушающая нагрузка, Н;

а и b – размеры образца древесины, мм.

По данным испытаний установлено, что при растяжении древесины поперек волокон прочность составляет примерно 1/20 прочности при растяжении вдоль волокон. Поэтому при конструировании изделий и устройстве различных строительных конструкций не допускают случаев, чтобы растягивающие нагрузки были направлены поперек волокон.

На практике в большинстве случаев изделия из древесины работают с нагрузками на изгиб. Поэтому образцы древесины обязательно испытывают на изгиб, при этом определяют предел прочности в МПа по формуле:

б из = 3Р max ? l/2 ? b ? h 2 ,

где l – расстояние между опорами, мм;

b – ширина образца в радиальном направлении, мм;

h – высота образца в тангенциальном направлении, мм.

При изгибании образца с выпуклой стороны возникают напряжения растяжения, а с вогнутой – сжатия. При нагрузках выше предельной величины разрушение древесины происходит в виде разрыва растянутых волокон на выпуклой стороне излома образца.

Большое значение имеет показатель прочности при сдвиге. Этот показатель определяют при испытаниях трех видов сдвига: на скалывание вдоль и поперек волокон; на перерезание древесины поперек волокон. При этом предел прочности древесины на скалывание – б ск, МПа определяют по формуле:

б ск = Р max / b ? l,

b, l – толщина и длина образца в плоскости скалывания, мм. Испытания на перерезание древесины поперек волокон проводят на образцах с применением подвижного ножа. При этом предел прочности в МПа определяют по формуле:

Р max / 2 ? a ? b,

а и b – размеры сечения образца, мм (поперечные). Как показывают результаты испытаний, прочность древесины при перерезании поперек волокон в 4 раза больше, чем при скалывании вдоль волокон.

Как показали испытания, модули упругости при сжатии и растяжении древесины примерно одинаковы и составляют для сосны – 12,3 ГПа, для дуба – 14,6 ГПа и для березы – 16,4 ГПа при влажности 12 %. Модуль упругости поперек волокон примерно в 20–25 раз меньше, чем вдоль, а в радиальном направлении выше, чем в тангенциальном, примерно на 20–50 %.

При испытаниях древесины также определяют модуль упругости:

Е = 3 ? Р? l / (64b ? h 3 ? f),

где Р – нагрузка, равная разности между верхними и нижними пределами измерения, Н;

l – расстояние между опорами (на которых располагается образец древесины), мм;

b и h – ширина и высота образца, мм;

f - прогиб, равный разности среднеарифметических значений прогиба при верхнем и нижнем пределах нагружения, мм.

Технологические свойства: ударная вязкость, твердость, износоустойчивость, способность удерживать шурупы, гвозди и другие крепления, а также обрабатываемость режущими инструментами.

Ударная вязкость древесины – это ее способность поглощать усилия (работу) при ударе без разрушения. Чем больше величина работы, необходимой для излома образца, тем выше его вязкость. Ударную вязкость определяют по формуле:

A = Q/b х h, Дж/см 2 ,

где Q – работа, затрачиваемая на излом образца, Дж;

b и h – ширина и высота образца.

Твердость древесины – это ее способность сопротивляться вдавливанию тела из более твердого материала – стального пуансона с полусферическим наконечником радиусом r = = 5,64 мм на глубину 5,64 мм. При этом в конце нагружения по шкале силоизмерителя машины отсчитывают нагрузку Р. После испытания в древесине остается отпечаток площадью 100 мм 2 . Статическую твердость образца определяют в Н/мм по формуле:

Н = Р / ? ? r 2 ,

где ? ? r 2 – площадь отпечатка в древесине при вдавливании в нее полусферы радиусом r, мм.

Если имеет место раскалывание образцов в процессе испытаний, то пуансон вдавливают на меньшую глубину – 2,82 мм, а твердость определяют по формуле:

Н = 4Р / (3? ? r 2).

Все породы по твердости торцовой поверхности делят на три группы: мягкие – твердостью 40 Н/мм 2 и меньше, твердые – 41–80 Н/мм 2 и очень твердые – более 80 Н/мм 2 .

Износостойкость древесины характеризует ее способность сопротивляться износу при трении о поверхность абразивных элементов или микронеровностей более твердого тела. При испытании на истирание создают условия, которые имитируют реальный процесс истирания древесины, используемой для полов, лестниц, настилов. Истирания производят на специальной машине. При этом показатель истирания t вычисляют в мм по формуле:

t = h ? (m 1 – m 2) / m 1 ,

где h – высота образца до истирания, мм;

m 1 и m 2 – масса образца соответственно до и после испытания, г.

Удельное сопротивление выдергиванию гвоздя или шурупа определяется по формуле:

Р уд. = Р max / l (Н/мм),

где P max – максимальная нагрузка при выдергивании гвоздей или шурупов;

l – длина забивки гвоздя или ввинчивания шурупа. Способность древесины удерживать крепежные элементы зависит от ее породы, плотности и влажности. Сопротивление выдергиванию гвоздей, забитых в радиальном и тангенциальном направлениях, примерно одинаковое, но оно выше, чем при забивании гвоздей в торец образца.

Способность древесины к гнутью – наилучшая у бука, дуба, ясеня, хуже – у хвойных пород. Для улучшения податливости древесины перед гнутьем ее пропаривают, затем после гнутья охлаждают и сушат в зафиксированном состоянии, в результате чего она приобретает стабильную изогнутую форму.

Способность древесины раскалываться – это процесс разделения ее вдоль волокон под действием нагрузки, передаваемой на клин. Это является отрицательным свойством древесины при забивании гвоздей близко от кромки, а также костылей, шурупов при ввинчивании, но положительным – при колке дров или заготовке колотых сортиментов.