Механические свойства древесины

Применение древесины в качестве конструкционного материала обусловлено способностью сопротивляться действию усилий, т.е. механическими свойствами.

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).

Предел прочности определяют при испытаниях на сжатие вдоль и поперек волокон, растяжение, статический изгиб, скалывание и перерезание.

В среднем для всех отечественных пород при влажности древесины 12% предел прочности при сжатии вдоль волокон составляет около 50 МПа (табл. 2.7).

По нашим данным для сосняков, произрастающих в районе Архангельской агломерации предельные значения сопротивления древесины сжатию вдоль волокон составляют 31,4±1,14, 32,8±1,22, 33,5±1,07 МПа соответственно для сосняков сфагновых, черничных влажных и черничных свежих.

Предел прочности при сжатии поперек волокон в среднем для всех пород составляет 1/10 предела прочности при сжатии вдоль волокон, предел прочности при статическом изгибе — около 100 МПа.

Величина предела прочности — максимальных касательных 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 поперек волокон в 2 раза меньше, а предел прочности при перерезании поперек волокон в 4 раза больше, чем предел прочности при скалывании вдоль волокон.

Деформативность. При кратковременных нагрузках в древесине возникают преимущественно упругие деформации, которые после разгрузки исчезают. До определенного предела зависимость между напряжениями и деформациями близка к линейной (закон Гука). Основным показателем деформативности служит коэффициент пропорциональности — модуль упругости. Модуль упругости вдоль волокон составляет 12–16 ГПа, что в 20 раз больше, чем поперек волокон. Чем больше модуль упругости, тем более жесткая древесина.

Кроме этого, показателями деформативности служат модуль сдвига и коэффициент поперечной деформации.

Поскольку древесина состоит в основном из полимеров с длинными гибкими цепными молекулами, ее 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 действием нагрузки с учетом фактора времени. С увеличением длительности действия нагрузки деформации возрастают. При этом значительная часть образующихся деформаций сохраняется после разгрузки (остаточные деформации).

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

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

Твердость характеризует способность древесины сопротивляться вдавливанию более твердого тела.

Износостойкость — способность древесины сопротивляться износу, т.е. постепенному разрушению ее поверхностных зон при трении. Испытания показали, что износ с боковых поверхностей значительно больше, чем с поверхности торцового разреза. С повышением плотности и твердости древесины износ уменьшается. У влажной древесины износ больше, чем у сухой.

Усилие, необходимое для выдергивания гвоздя, забитого в торец образца, меньше усилия, прилагаемого к гвоздю, забитому поперек волокон. С повышением плотности сопротивление древесины выдергиванию гвоздя или шурупа увеличивается. Усилия необходимые для выдергивания шурупов (при прочих равных условиях), больше, чем для выдергивания гвоздей, так как в этом случае к трению присоединяется сопротивление волокон перерезанию и разрыву.

Технологическая операция гнутья древесины основана на ее способности сравнительно легко деформироваться при действии изгибающих усилий. Способность гнуться выше у кольцесосудистых пород — дуба, ясеня и др., а из рассеяннососудистых — бука; хвойные породы 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.

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.