Физические свойства древесины

3.Тепловые свойства

К тепловым свойствам относятся  теплоёмкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение.

Теплоёмкость. Показателем способности древесины аккумулировать тепло является удельная теплоёмкость С, представляющая собой количество теплоты, необходимое для того чтобы нагреть 1 кг массы древесины на 1 (0) С. Удельная теплоёмкость для всех пород одинакова и для абсолютно сухой древесины составляет (ФОРМУЛА). С увеличением влажности теплоёмкость увеличивается.

Теплопроводность - свойство, характеризующее интенсивность переноса тепла в материале. Коэффициент теплопроводности ( ФОРМУЛА), с увеличением температуры, влажности и плотности увеличивается. Вдоль волокон (СИМВОЛ) в 2 раза больше, чем поперёк.

Температуропроводность характеризует способность древесины выравнивать температуру по объёму.

Тепловое расширение - способность  древесины увеличивать линейные размеры и объём при нагревании. Коэффициент теплового расширения древесины в 3-10 раз меньше, чем  у металла, бетона, стекла.

4.Электрические  свойства

Электропроводность - способность древесины проводить электрический ток, которая находится в обратной зависимости отэлектрического сопротивления.

Сухая древесина относится  к диэлектрикам. С повышением влажности  древесины сопротивление уменьшается. Особенно резкое снижение ( в десятки миллионов раз) сопротивления наблюдается при увеличении содержания связанной воды. Дальнейшее увеличение влажности вызывает падение сопротивления лишь в десятки или сотни раз. Этим объясняется снижение точности определения влажности электровлагомерами в области, выше W_пн.

Электрическая прочность - способность древесины противостоять пробою, т.е. снижению сопротивления при больших напряжениях.

Диэлектрические свойства характеризуют поведение древесины в переменном электрическом поле. Показатели: диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь.

Диэлектрическая проницаемость равна отношению ёмкости конденсатора с прокладкой из древесины к ёмкости конденсатора с воздушным зазором между электродами. Этот показатель для сухой древесины равен 2-3.

Тангенс угла диэлектрических  потерь характеризует долю подведённой мощности тока, которая поглощается древесиной и превращается в тепло.

Пьезоэлектрические  свойства проявляются в том, что под действием механических усилий на поверхности древесины возникают электрические заряды.

5. Звуковые свойства

Одно из этих свойств - звукопроводность, показателем которой являются скорость звука. Скорость звука С, м/с, в древесине можно определить по формуле: C = (E / p)^½, где Е - динамический модуль упругости, Н/м²; р - плотность древесины, кг/м³.

Другой важный показатель, характеризующий способность древесины  отражать и проводить звук, - акустическое сопротивление, Па*с/м:R = p * C.

6. Свойства древесины,  проявляющиеся под воздействием  электромагнитных излучений

Поверхностные зоны древесины  могут эффективно прогреваться с  помощью невидимых инфракрасных лучей. Значительно глубже - до 10-15 см - проникают в древесину лучи видимого света. По характеру отражения световых лучей можно оценивать наличие  видимых пороков древесины. Световое лазерное излучение прожигает древесину  и в последнее время успешно  используется для выжигания деталей  сложной конфигурации.

Ультрафиолетовые лучи проникают  гораздо хуже в древесину, но вызывают свечение - люминесценцию, которое может  быть использовано для определения  качества древесины.

Рентгеновские лучи используются для определения особенностей тонкого  строения древесины, выявления скрытых  пороков и в других случаях.

Из ядерных излучений  можно отметить бета-излучения, которые используются при денсиметрии растущего дерева. Гораздо шире могут применятся гамма-излучения, которые глубже проникают в древесину и используются при определении её плотности, обнаружении гнилей в рудничной стойке, конструкциях и т.д.

Механические  свойства 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 иэксплуатационные 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.

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

Прочность 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 Р_мах, Н. Предел прочности б, МПа, вычисляют по формуле: б_w = P_max / (a * b), где (a * b) - площадь сечения образца, мм².

В среднем для всех отечественных  пород при влажности древесины 12% предел прочности 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 он составляет 1/10 предела прочности  при сжатии вдоль волокон.

Испытания на прочность 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: б_w = (3/2) * ((P_max*l) / (b * h²)), где P_max - 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: T_w = P_max / (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. 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. Прочность древесины при длительных постоянных нагрузках важно знать в связи с применением её в строительных конструкциях. Показателем этого свойства является предел длительного сопротивления б_д.с., который в среднем для всех видов нагрузки составляет примерно 0,5 - 0,6 величины предела прочности при кратковременных статических испытаниях.

Показателем 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 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.