Физические свойства древесины механические свойства древесины

Физические свойства древесины

К физическим свойствам древесины относятся влажность, цвет, запах, плотность, текстура и др. Наиболее существенное значение для древесины имеет влажность.

Влажность

Влажностью древесины называется общее количество воды (сок-вода и минеральные вещества, поступающие в дерево из почвы), находящейся в древесине, выраженное в процентах к массе абсолютно сухой древесины, высушенной при температуре 105ᴼС.
Абсолютная влажность древесины определяется по формуле
(Р1 – Р2 / Р2)*100%
Где, Р1 – масса образца до начала высушивания, г; Р2 – масса образца, высушенного до абсолютно сухого состояния ,г; Р1 – Р2 – количество влаги, находящейся в древесине в момент определения влажности.
Следовательно, абсолютная влажность материала есть отношение массы образца с находящейся в нем влагой к массе этого материала в абсолютно сухом состоянии, выраженное в процентах.
Кроме весового способа определения влажности можно определить ее специальными приборами – электровлагомерами. Применяют электровлагомеры ЦНИИ модели 2 и ЦНИИ модели ЭВА – 2. Иглы датчика каждого из приборов заглубляются в пиломатериал, и по шкале соответственно установленному диапазону определяют влажность.
В древесине различают влагу свободную, заполняющую полости клеток и межклеточное пространство и гигроскопическую (связанную), находящуюся в оболочках, пропитывающую стенки клеток. В сырой древесине находятся оба вида влаги, а в сухой – только гироскопическая. При высушивании древесины сначала испаряется свободная влага через торцовые поверхности древесины, а затем после ее удаления — гигроскопическая. Древесина из которой удалена вся влага (свободная и связанная), называется абсолютно сухой.
Древесина обладает гигроскопичностью, т. е. свойством поглощать или отдавать влагу в зависимости от состояния окружающей газообразной среды (воздуха), в которой она находится. Следовательно, поглощение и испарение зависит от температуры и относительно влажности воздуха, в которой находится данная древесина. Эта зависимость между влажностью древесины и основными параметрами воздуха называется равновесной влажностью древесины (древесина не усыхает и не впитывает в себя влагу). Равновесную влажность древесины в зависимости от температуры и относительной влажности воздуха практически определяют по специальным диаграммам.
Древесину для моделей высушивают до такой влажности, которая отвечала бы условиям ее эксплуатации. Если применять, что в модельных и литейных цехах температура воздуха в среднем составляет 20-25ᴼС и относительная влажность 50-60%, равновесная влажность древесины будет примерно 10-11 %. В цехах южных районов, где температура воздуха доходит до 30ᴼС и выше, и относительная влажность воздуха ниже 50%, равновесная влажность будет составлять ниже 9%. Таким образом, пиломатериалы, используемые для изготовления модельных комплектов, после сушки, как показывает производственный опыт, должны иметь влагу 8-12 %.
Древесину пиломатериалов различают по степени влажности: с наличием влаги 8-12% считают комнатно-сухой; древесину с влажностью 12-18% — воздушно-сухой; с влажностью 18-23% — полусухой; с влажностью более 24 % — сырой. Влажность воздушной древесины около 15 % принято считать за условную стандартную влажность, поэтому различные испытания древесины выполняют при этой влажности.

Усушка древесины

Усушкой древесины называется ее способность уменьшать свой объем. Древесина разных пород и в различных направлениях усыхает неодинаково: вдоль волокон-около 0,1%, в радиальном направлении 3-8%, в тангенциальном 5-12%. Усушка по длине волокон при практических расчетах не принимается во внимание.

Средние значения физико-механических свойств некоторых лиственных и хвойных пород

Порода дерева Средняя плотность при 15% влажности, кг8м3 Коэффициент усушки, % Прочность при 15% влажности, МПа Твердость при 15% влажности МПа
В радиальной плоскости В тангенциальной плоскости При сжатии вдоль волокон При поперечном изгибе При растяжении вдоль волокон Торцовая поверхность Боковая поверхность
береза 640 0,20 0,31 44 98 132 38 30
бук 650 0,15 0,33 45 92 126 56 38
дуб 720 0,18 0,28 51 96 126 61 48
клен 710 0,21 0,34 53 107 — 54 40
липа 510 0,26 0,39 38 67 114 — —
ольха 520 — — 36 68 — 33 —
ясень 710 0,19 0,30 50 113 163 72 —
ель 460 0,14 0,24 38 72 105 22 17
лиственница 680 0,25 0,39 50 95 126 — —
сосна 530 0,18 0,33 43 78 113 20 24
Пихта кавказская 440 0,28 0,34 38 71 110 30 —

Примечание: изменение линейных размеров при высыхании определяется по формулам:
Ут =((а-а1)/а1)*100%;
Ур = ((b-b1)/b1)*100%
Где, Ут и Ур – линейная усушка соответственно в тангенциальном и радиальном направлениях,%; a и b – размеры образцов для высушивания; a1 и b1 – размеры образцов после высушивания.
Усушка древесины по направлению годичных слоев больше, чем по радиусу, это особенно отражается на досках, которые подвергаются короблению. Наружная пласть доски, как наиболее тангенциальная, усыхает больше внутренней (ввиду более влажных слоев древесины) и сжимаясь, тянет внутреннюю пласть как менее усыхающую, образуя на наружной пласти вогнутую вогнутую поверхность.

схема коробления доски при  усыхании

схема коробления доски при усыхании

Цвет

Цвет здоровой древесины зависит от наличия различных веществ – смол, жиров, масел, дубильных красящих и других составляющих. Цвет древесины – один из отличительных признаков породы дерева. Каждая порода имеет свой цвет. Например, сосна, лиственница, дуб отличаются ярко выраженной окраской ядровой части. С другой стороны древесина хвойных пород обладает в основном простой текстурой, а лиственных – более сложной. Текстура зависит не только от строения годичных слоев, направления волокон, но и от плоскости разреза (радиальная, тангенциальная, поперечная).
Блеск
Блеск – характеристика свойства поверхности тела, отражающего свет. Блеск древесины зависит от ее плотности и количества сердцевинных лучей. Чем плотней древесина, тем она обладает большим блеском.

Запах

Запах- это ощущение, возникающее при воздействии пахучих веществ на рецепторы (чувствительные нервы) слизистой оболочки носа. Запах древесины зависит от породы дерева. Древесина хвойных пород имеет смолистый запах; дубовая – кисловатый. Древесина пораженная гнилью, издает затхлый запах.
Звук
Звук – это распространяющиеся механические колебания, воспринимаемые ухом. Древесина является хорошим проводником звука, особенно в сухом состоянии. Иногда практически по звуку при ударе судят о качестве древесины. Читый, звонкий звук является признаком здоровой древесины, глухой – свидетельствует о загнивании древесины.

Механические свойства древесины

Механические свойства характеризуют отношение древесины к воздействию внешних сил, которые различаются по виду вызываемых ими деформаций: растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг, кручение и т.п. По характеру действия сил различают нагрузки статические и динамические.
Напряжение, при котором материал разрушается, называют пределом прочности. Предположим, что образец древесины с площадью сечения в 1 м2 сжимался и при силе 40 МН он разрушился. Эта нагрузка и будет пределом прочности древесины сжатию в Н/м2(Па). Материалу следует давать такие нагрузки, которые вызывают напряжение, составляющее только некоторую часть предела прочности, и, следовательно, не разрушают его. Такое напряжение называют допускаемым напряжением.

Растяжение

Древесина с прямыми волокнами и без сучков выдерживает растяжение лучше, чем другие механические воздействия. Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон в среднем для всех пород составляет около 120МПа , а поперек волокон в 20-30 раз меньше, чем вдоль волокон.

Сжатие

Древесина сжатию сопротивляется слабее, чем растяжению вдоль волокон. Сопротивление дерева сжатию вдоль волокон в 2-3 раза меньше, чем сопротивление растяжению в том же самом направлении. Сопротивление поперечному сжатию ( в радиальном и и тангенциальном направлениях) менее сопротивления продольному сжатию в 3-5 раз и более.

Изгиб

При изгибе, как известно, наблюдается комплекс напряжений – сжатие и растяжение. Величина предела прочности древесины при изгибе в среднем в 1,5 – 2 раза выше предела прочности при сжатии вдоль волокон. По поводу изгиба следует отметить, что если дерево гнется легко, его называют гибким, при этом отмечают упругость и вязкость. Упругостью называют способность древесины возвращаться после снятия в нагрузки к прежней форме.
Вязкостью называют способность древесины получать относительно большую остаточную деформацию при изгибе, не проявляя при этом признаков разрушения. С повышением влажности упругость уменьшается , а вязкость увеличивается.

Твердость

Под твердостью древесины понимается сопротивление материала проникновению в него другого тела. Твердость имеет большое практическое значение при обработке ее режущим инструментом, углы заострения которых затачивают с учетом твердости древесины.
Средняя плотность древесины представляет собой отношение массы к объему. В данном случае это масса 1 м3 древесины вместе с содержащейся в ней влагой.