Механічні й технологічні властивості деревини

До механічних властивостей належать: твердість, міцність, в’язкість.

Твердістю деревини називають здатність її чинити опір проникненню твердого тіла.

Твердість деревини має велике значення, оскільки різальні інструменти для обробки деревини добирають і заточують з її урахуванням. Чим вища твердість деревини, тим важче її обробляти. Майже в усіх породах деревини торцева твердість більша бокової (радіальної або тангентальної). Твердість деревини значною мірою залежить від вологості. Із збільшенням вологості її твердість зменшується.

Таблиця 4

Міцністю деревини називають здатність її чинити опір руйнуванню від механічних зусиль. Міцність деревини залежить від напряму і швидкості дії навантаження, породи дерева, густини, вологості та наявності дефектів.

Залежно від того, які деформації викликають діючі сили: розтяг, стиск або згин – і в якому напрямі, тобто вздовж чи упоперек волокон, деревина по-різному чинить їм опір. Наприклад, під час розтягу вздовж волокон деревина має міцність 117,6… 147,0 МПа/ м², а при стиску – майже в 3 рази меншу.

В’язкість – властивість деревини поглинати механічну енергію без руйнування при ударі. Чим більші залишкові деформації деревини під дією механічних сил, тим в’язкість її вища.

В’язкість деревини у листяних порід, як правило, чинить опір згину в 1,5–3 рази більший, ніж деревини хвойних порід.

Технологічні властивості деревини, як конструкційного матеріалу, характеризуються можливістю утримувати металеві кріп­лення, здатністю до згину, зносостійкості та опору розколюванню.

Рис. 3. Прилад для визначення ударної твердості: 1 – напрямна трубка з подовжнім прорізом; 2 – вантаж; 3 – гвинт; 4 – буйок;
5 – зразок деревини; 6 – штатив

Властивість деревини утримувати в собі металеві кріплення (цвяхи, нагелі, шурупи тощо) пояснюється її пружністю. Цвях, який забивають у деревину, розсовує волокна, які через свою пружність тиснуть на поверхню цвяха і тим самим чинять опір його витягуванню.

Здатність деревини утримувати цвяхи та інші металеві кріплення визначається силою, потрібною для їх витягування. Сила утримування цвяхів і шурупів у деревині залежить від площі доти­кання забитої частини цвяха до деревини й глибини загвинчування різьби шурупа в деревину.

Для витягування цвяха, забитого в торець, прикладають менше зусилля (на 10–15%) порівняно із зусиллям, яке необхідне для витягування такого ж цвяха, забитого в поперек волокон. Чим більша густина деревини, тим вищий опір витягуванню цвяха або шурупа.

Найбільшу здатність до згинання мають листяні кільцесудинні породи (дуб, ясен) і розсіяносудинні (береза). У хвойних порід невелика здатність до згинання. У вологої деревини (20–30%) здатність до згинання вища, ніж у сухої.

Стійкість до стираннядеревини характеризується здатністю її поверхневих шарів протистояти зношуванню (стиранню).

Деревина має досить високу зносостійкість, яка прямо залежить від її твердості та об’ємної маси.

Волога деревина більше схильна до стирання, ніж суха.

Розколюваність – це здатність деревини розщеплюватись уздовж волокон під дією клина. Легко розколюються усі хвойні породи, а також бук, осика, липа, а в радіальному напрямі – дуб. Цю властивість деревини широко використовують, заготовлюючи колоту клепку, штукатурні дранки, спиці.

Проробіть дослід на визначення ударної твердості зразків деревини, модрини і бука розміром 50х50х80 мм. Для цього: 1) помістіть один зразок деревини під буйок 4-го приладу для визна­чення ударної твердості деревини,( рис.3); 2) зафіксуйте буйок у верхній частині напрямної трубки 1; 3) відпустіть вантаж 2; 4) заміряйте діаметр лунки, яка утворюється на зразку від удару буйка; 5) операції повторюйте з наступним зразком; 6) порівняйте значення діаметрів лунок і зробіть висновок про відносну твердість модрини і бука.

Дефекти деревини

Відхилення від нормальної будови й пошкодження деревини, що погіршують її фізико-механічні властивості, прийнято називати дефектами. Одні з них руйнують деревину, інші лише змінюють колір, не змінюючи властивості.

Із великої кількості дефектів найрозповсюдженішими є: сучки, тріщини, дефекти будови деревини, пошкодження комахами, деформації, грибкові ураження.

Сучки – це основи гілок, що містяться в деревині стовбура. Деревина сучків темніша і має самостійну систему річних шарів (рис. 4 а), різновидність сучків дуже велика. Їх поділяють за формою розрізу, взаємним розташуванням і положенням у сортименті, за ступенем зростання з деревиною та станом деревини. Сучки пору­шують однорідність її будови, а іноді й цілісність, ускладнюють механічну обробку.

Тріщини – це розриви деревини уздовж волокон (рис. 4 б), тріщини усихання (рис.4, 4–1) – радіально направлені тріщини, які виникають у зрубаній деревині під дією внутрішніх напруг у процесі її висихання. Вони бувають торцевими і боковими. Відлупні тріщини (рис. 4, 4–2) – тріщини в ядрі, що проходять між річними шарами і значно витягнуті по довжині сортименту.

За глибиною розрізняють тріщини неглибокі (менше 1/10 товщини сортименту), глибокі (більше 1/10 товщини сортименту, але не виходять на іншу поверхню) і наскрізні (з виходом на дві бокові сторони або на два торці сортименту).

Тріщини порушують цілісність деревини, знижуючи показники її механічних властивостей. Під час опорядження деревини тріщини в більшості випадків шпаклюють.

Дефекти будови деревини (рис. 4 в) – нахил волокон, завилькуватість, смоляні кишеньки та ін.

Нахил волокон – непаралельність волокон деревини у поздов­жній осі сортименту (рис. 4 в, 1). Нахил волокон утворює механічну обробку деталей.

Завилькуватість – це звивисте або безладне розміщення волокон деревини (рис.4 в, 2). Завилькуватість створює красиву текстуру, але ускладнює стругання деревини.

Смоляна кишенька (рис. 4 в, 3) – це порожнина всередині шару, заповнена смолою. Її видно на тангентальних поверхнях у вигляді овальних плоских заглибин, на радіальних поверхнях – у вигляді вузьких поздовжніх щілин, на торцях – у вигляді коротких дугопо­дібних порожнин. Смоляна кишенька буває в деревині хвойних порід.

Рис. 4 . Дефекти деревини: а) – сучки; 1– круглий, 2 – розгалужений; б)– тріщини; 1 – усихання, 2 – відлуплювання; в) – дефекти будови деревини; 1 – нахил волокон, 2 – завилькуватість, 3 – смоляна кишенька; г) – червоточина.

Засмолена деревина погано обробляється і дуже погано склеюється.

Пошкодження комахами. Комахи пошкоджують переважно свіжозрубані лісоматеріали. А такі, як деревинники, деревогризи, заглиблюються в живу деревину. Сукупність ходів і отворів, зроб­лених у деревині комахами та їх личинками, називають червото­чиною. Червоточина спостерігається на поверхні лісоматеріалів у вигляді борозенок і канавок (рис. 4 г), вона знижує механічні властивості деревини.

Грибкові ураження. Деревина змінює свій колір і гине, коли в ній розвиваються гриби і бактерії. До основних грибкових уражень відносять: гнилість, пліснява, синява, почервоніння, побуріння тощо. Грибкові ураження змінюють колір і властивості деревини. Такі дефекти, як пліснява, не впливають на властивості деревини, але не допускаються для виготовлення тари.

Сушіння деревини

Щоб підвищити стійкість деревини проти загнивання, збільшити міцність, запобігти жолобленню й розтріскуванню у виробах, її висушують. Деревину висушують до експлуатаційної вологості: для меблів – до 8–10%, для зовнішніх дверей і вікон – до 15% і т. д.

Розрізняють природне і штучне сушіння деревини.

Природне сушіння здійснюють у штабелях і на відкритих складах або в сараях. Таке сушіння триває кілька місяців (іноді кілька років), і тому воно надзвичайно високоякісне.

Із штучних способів сушіння на деревообробних підприємствах широко використовують камерне сушіння. У сушильних камерах створюють необхідні умови для рівномірного і швидкого висихання деревини; регулюють температуру, вологість, напрям і швидкість руху повітря, ведуть спостереження.

Крім камерного сушіння деревини застосовують також інші види штучного сушіння, у тому числі сушіння в полі електричних струмів високої частоти та в петролатумі. Петролатум – це масля­ниста коричнева рідина, яку одержують як побічний продукт під час переробки нафти.

Під час сушіння деревини струмами високої частоті її поміщають між електродами з металевої сітки, які живляться струмами високої частоти. Електроди дуже швидко і рівномірно нагріваються, а їхня поверхня внаслідок випаровування вологи завжди має нищу температуру, ніж внутрішня зона. Тому волога, яка міститься в деревині, інтенсивно виходить на поверхню і осідає у вигляді крапель. Краплі легко випаровуються. Цей спосіб називається надшвидкісним. Так, березові дошки, що висихають у камерах за 15 діб, струмами високої частоти сушать за 15 хв.

Сушіння деревини в петролатумі – це також швидкісний високотемпературний спосіб сушіння.

Підготовлені для висушування лісоматеріали опускають у ванну з петролатумом, нагрітим до 130°С. Деревина, занурена в цю рідину, швидко прогрівається. Волога, що міститься в матеріалі, перетво­рюється в пару й виділяється в атмосферу.

У петролатумі деревина висушується набагато швидше, ніж у газових і парових камерах. Сушіння в петролатумі антисептує деревину і запобігає її набуханню. Висушену в петролатумі деревину використовують тільки в будівництві.

Щоб деревина не гнила її обробляють токсичними для грибків речовинами – антисептиками. Існує багато способів просочування ними деревини. Найпростіший спосіб антисептування – нанесення антисептика на поверхню пензлем, оприскувачем або короткочасним зануренням деревини у розчин.

Дифузійне просочування передбачає нанесення паст або водних розчинів антисептиків на поверхню сирої деревини з повним витри­муванням в умовах, які унеможливлюють висихання. Під час витримування відбувається дифузійне проникнення антисептика в деревину.

Просочена антисептиками деревина зберігається значно довше. Наприклад, не просочені опори ліній електропередач слугують у середньому 5–10 років, а після просочування – 10 – 40 років.

Завдання ІІ. Дослідити показники якості деревини

Задача 1. Дослідити межу міцності деревини під час стиску за відсотковим вмістом пізньої деревини й прикладеному навантаженні.

– Розглянути зразки твердих порід деревини (дуба, бука, ясена, граба, берези);

– По трьох зразках визначити кількість річних шарів на 1 см.

На торцевій поверхні зразка деревини перпендикулярно річним шарам, за допомогою масштабної лінійки вимірюють ділянку, дов­жиною 20 мм і межі річних шарів. Вимірювання здійснюють із точністю до 0,5 мм. Потім підраховують кількість річних шарів, що припадають на ділянку між крапками.

Кількість річних шарів, що припадають на 1см, визначають за формулою:

де n – кількість річних шарів на 1 см;

N – загальна кількість річних шарів на ділянці;

е – відстань між крапками.

Розрахунок зробити з точністю до половини шару.

Задача 2. Визначити відсотковий вміст пізньої деревини у річному шарі.

Визначення здійснюється на тих же зразках, що й під час визначення кількості річних шарів і за такою ж методикою. При цьому в кожному річному шарі (на відстані 20 мм) виміряйте ширину пізньої деревини більш темних кольорів, потім складете значення величин пізньої деревини у кожному річному шарі й визначте сумарну величину на визначеній ділянці за формулою:

де ∑а – сума значень ширини пізньої деревини;

е – відстань між крапками.

За результатами досліджень зробити висновок про механічні властивості зразків деревини.

Високими механічними властивостями характеризуються породи деревини за вмістом пізньої деревини понад 50%, середніми – від 25–50%, низькими до 25%.

Задача 3. Визначити межу, досліджуваних зразків деревини, під час стиску за відсотковим вмістом пізньої деревини.

За кількістю річних шарів на 1 см, отриману під час виконання завдання №1, визначте межу міцності при стисканні кільцесудинних порід уздовж волокон за таким рівнянням:

–

– уздовж волокон кг/см² при 15% вологості; n – кількість річних шарів на 1 см.

Задача 4.Визначити межу міцності двох порід деревини при стисканні, з навантаженням 70 кг. Результати роботи записати в таблицю.

Для визначення показників якості різних властивостей деревини зазвичай користуються такими формулами:

1. Межа міцності при стиску

деσ– межаміцності при стиску;

p – максимальне навантаження;

ab – поперечні розміри зразка.

2. Щільність і об’ємна маса

де Р – щільність і об’ємна маса;

m – маса зразка;

v – об’єм зразка.

3. Вологість

де m – маса деревини;

m_c – маса сухої деревини.

4. Водопоглинання

де d_c – об’ємна маса деревини;

1,54 – щільність деревини;

30 – вологість деревини при межі гігроскопічності;

W – максимальна вологість при витримуванні у воді 30 діб.

5. Повна усушка деревини

,

де а_мг – розмір зразка при межі гігроскопічності;

а_с – розмір зразка в абсолютно сухому стані.

6. Коефіцієнт усушки деревини

де У – показник повної усушки;

W – показник вологості.

7. Пористість

де p_o – об’ємна маса.

Щільність деревини дорівнює 1,54 г/см³

Об’ємна маса коливається в межах 0,1 до 1,42

Вологість буває від 0 до 200%

Пористість деревини становить: для деревини щільністю 0,45 і 0,65 г/см³ відповідно – 71 і 58%.

Задача 5. Визначити вологість зразка деревини, якщо відомо, що маса порожньої бюкси із кришкою – 27,843 г, маса бюкси зі зразком до висушування – 34,374 г, маса бюкси зі зразками після висушування – 32,998 г.

Розрахунок роблять за формулою:

де N – вологість зразка деревини;

m₁ –маса бюкси, г;

m₂ – маса бюкси зі зразком до висушування, г;

m₃ – маса бюкси після висушування.

Задача 6.Визначити об’ємну масу деревини.

Знаючи розміри зразка (ширина – 20,1 мм, товщина – 19,9 мм, висота – 30,2 мм) при даній вологості і масу, що дорівнює 6,155 г, визначити об’ємну масу деревини.

Підставивши зазначені дані у відому формулу визначення об’ємної маси деревини й привівши усі показники до відповідних величин виміру, тобто: у кг і м³, одержати величину об’ємної маси , яка коливається у межах 100–1342 кг /м³.

Задача 7. Визначити повне усихання деревини.

Знаючи розмір зразка в радіальному розрізі – 20,15 мм і в тангентальному 20,08 мм при межі гігроскопічності й відповідно 19,30 мм і 18,53 мм після висушування в абсолютно сухому стані, визначити повну усушку в радіальному й тангентальному напрямках (У_рад і У_танг).

Задача 8. Визначити коефіцієнт усушки деревини.

За результатами, отриманими у задачі 7, визначити значення коефіцієнтів усушки в радіальному і тангентальному розрізах (К_рад і К_танг).

При цьому вологість приймаємо за 30% (тобто при межі гігроскопічності). Коефіцієнт усушки в радіальному розрізі колива­ється в межі від 0,11 (ялиця сибірська) до 0,26 (береза), у тангентальному розрізі від 0,26 (кедр) до 0,35 (модрина).

Поиск по сайту: