Механические свойства древесины

К механическим свойствам древесины относятся: прочность, твёрдость, жёсткость, ударная вязкость и другие.

Прочность — способность древесины сопротивляться разрушению от механических усилий, характеризующихся пределом прочности. Прочность древесины зависит от направления действия нагрузки, породы дерева, плотности, влажности, наличия пороков.

Существенное влияние на прочность древесины оказывает только связанная влага, содержащаяся в клеточных оболочках. При увеличении количества связанной влаги прочность древесины уменьшается (особенно при влажности 20-25%). Дальнейшее повышение влажности за предел гигроскопичности (30%) не оказывает влияния на показатели прочности древесины. Показатели пределов прочности можно сравнивать только при одинаковой влажности древесины. Кроме влажности на показатели механических свойств древесины оказывает влияние и продолжительность действия нагрузок.

Вертикальные статические нагрузки — это постоянные или медленно возрастающие. Динамические нагрузки, наоборот, действуют кратковременно. Нагрузку, разрушающую структуру древесины, называют разрушительной. Прочность, граничащую с разрушением, называют пределом прочности древесины, её определяют и измеряют образцами древесины. Прочность древесины измеряют в Па/см2 (кгс на 1 см2) поперечного сечения образца в месте разрушения, (Па/см2 (кг с/см2).

Сопротивление древесины определяют как вдоль волокон, так и в радиальном и тангенциальном направлении. Различают основные виды действий сил: растяжение, сжатие, изгиб, скалывание. Прочность зависит от направления действия сил, породы дерева, плотности древесины, влажности и наличия пороков. Механические свойства древесины приведены в таблицах.

Чаще всего древесина работает на сжатие, например, стойки и опоры. Сжатие вдоль волокон действует в радиальном и тангенциальном направлении (рис. 1).

Предел прочности на растяжение. Средняя величина предела прочности при растяжении вдоль волокон для всех пород составляет 1300 кгс/см2. На прочность при растяжении вдоль волокон оказывает большое влияние строение древесины. Даже небольшое отклонение от правильного расположения волокон вызывает снижение прочности.

Прочность древесины при растяжении поперёк волокон очень мала и в среднем составляет 1/20 часть от предела прочности при растяжении вдоль волокон, то есть 65 кгс/см2. Поэтому древесина почти не применяется в деталях, работающих на растяжение поперёк волокон. Прочность древесины на растяжение поперёк волокон имеет значение при разработке режимов резания и режимов сушки древесины.

Испытание механических свойств древесины на сжатие
Рис. 1. Испытание механических свойств древесины на сжатие: а — вдоль волокон; б — поперек волокон — радиально; в — поперек волокон — тангенциально.

Предел прочности при сжатии. Различают сжатие вдоль и поперёк волокон. При сжатии вдоль волокон деформация выражается в небольшом укорочении образца. Разрушение при сжатии начинается с продольного изгиба отдельных волокон, которое во влажных образцах из мягких и вязких пород проявляется как смятие торцов и выпучивание боков, а в сухих образцах и в твёрдой древесине вызывает сдвиг одной части образца относительно другой.

Средняя величина предела прочности при сжатии вдоль волокон для всех пород составляет 500 кгс/см2.

Прочность древесины при сжатии поперёк волокон ниже, чем вдоль волокон примерно в 8 раз. При сжатии поперёк волокон не всегда можно точно установить момент разрушения древесины и определить величину разрушающего груза.

Древесину испытывают на сжатие поперёк волокон в радиальном и тангенциальном направлениях. У лиственных пород с широкими сердцевинными лучами (дуб, бук, граб) прочность при радиальном сжатии выше в полтора раза, чем при тангенциальном; у хвойных — наоборот, прочность выше при тангенциальном сжатии.

Испытание механических свойств древесины на изгиб
Рис. 2. Испытание механических свойств древесины на изгиб.

Предел прочности при статическом изгибе. При изгибе, особенно при сосредоточенных нагрузках, верхние слои древесины испытывают напряжение сжатия, а нижние — растяжения вдоль волокон. Примерно посередине высоты элемента проходит плоскость, в которой нет ни напряжения сжатия, ни напряжения растяжения. Эту плоскость называют нейтральной; в ней возникают максимальные касательные напряжения. Предел прочности при сжатии меньше, чем при растяжении, поэтому разрушение начинается в сжатой зоне. Видимое разрушение начинается в растянутой зоне и выражается в разрыве крайних волокон. Предел прочности древесины зависит от породы и влажности. В среднем для всех пород прочность при изгибе составляет 1000 кгс/см2, то есть в 2 раза больше предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Сдвиг древесины
Рис. 3. Сдвиг древесины: а — вдоль волокон; б — перпендикулярно волокнам.
Сдвиг деталей
Рис. 4. Сдвиг деталей: а — обыкновенный; б — двойной.

Прочность древесины при сдвиге. Внешние силы, вызывающие перемещение одной части детали по отношению к другой, называют сдвигом. Различают три случая сдвига: скалывание вдоль волокон, поперёк волокон и перерезание.

Прочность при скалывании вдоль волокон составляет 1/5 часть от прочности при сжатии вдоль волокон. У лиственных пород, имеющих широкие сердцевинные лучи (бук, дуб, граб), прочность на скалывание по тангенциальной плоскости на 10-30% выше, чем по радиальной.

Предел прочности при скалывании поперёк волокон примерно в два раза меньше предела прочности при скалывании вдоль волокон. Прочность древесины при перерезании поперёк волокон в четыре раза выше прочности при скалывании.

Направление сил в деревянной конструкции, находящейся под нагрузкой
Рис. 5. Направление сил в деревянной конструкции, находящейся под нагрузкой: 1 — сдвиг на скалывание; 2 — сжатие; 3 — растяжение; 4 — изгиб; 5 — сжатие.

Твёрдость - это свойство древесины сопротивляться внедрению тела определённой формы. Твёрдость торцовой поверхности выше твёрдости боковой поверхности (тангенциальной и радиальной) на 30% у лиственных пород и на 40% у хвойных. По степени твёрдости все древесные породы можно разделить на три группы: 1) мягкие — торцовая твёрдость 40 МПа и менее (сосна, ель, кедр, пихта, можжевельник, тополь, липа, осина, ольха, каштан); 2) твёрдые — торцовая твёрдость 40,1-80 МПа (лиственница, сибирская берёза, бук, дуб, вяз, ильм, карагач, платан, рябина, клён, лещина, орех грецкий, хурма, яблоня, ясень); 3) очень твёрдые — торцовая твёрдость более 80 МПа (акация белая, берёза железная, граб, кизил, самшит, фисташки, тис).

Твёрдость древесины имеет существенное значение при обработке её режущими инструментами: фрезеровании, пилении, лущении, а также в тех случаях, когда она подвергается истиранию при устройстве полов, лестниц перил.

Твёрдость древесины

Эбеновое дерево

Свыше 8,0

Бук

3,8

Акация белая

7,1

Дуб

3,8

Олива

6

Падук

3,8

Ярра

6

Афромозия

3,7

Кумару

5,9

Граб

3,7

Лапачо

5,7

Вяз гладкий

3,67

Амарант

5

Берёза

3,6

Орех грецкий

5

Тиковое дерево

3,5

Кемпас

4,9

Ирокко (камбала)

3,5

Бамбук

4,7

Вишня

3,2

Панга-панга

4,4

Ольха

2,7

Венге

4,2

Лиственница

2,6

Гуатамбу

4,2

Клён полевой

2,5

Клен остролистый

4,1

Сосна

2,49

Ясень

4,1

Сосна корейская

1,9

Мербау

4,1

Осина

1,86

Сукупира

4,1

Кумьер

твёрдая

Ятоба (мерил)

4,1

Груша

средняя

Свитения (махагони)

4

Сапелли

средняя

Дуссие

4

Липа

низкая

Мутения

4

Каштан

низкая

 

Порода дерева Твердость, МПа (кгс/см2)  
для поверхности поперечного разреза для поверхности радиального разреза для поверхности тангенциального разреза
Липа 19,0(190) 16,4(164) 16,4(164)
Ель 22,4(224) 18,2(182) 18,4(184)
Осина 24,7(247) 17,8(178) 18,4(184)
Сосна 27,0(270) 24,4(244) 26,2(262)
Лиственница 37,7(377) 28,0(280) 27,8(278)
Береза 39,2(392) 29,8(298) 29,8(298)
Бук 57,1 (571) 37,9(379) 40,2(402)
Дуб 62,2(622) 52,1(521) 46,3(463)
Граб 83,5(835) 61,5(615) 63,5(635)

Ударная 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. Ударную твёрдость определяют, сбрасывая стальной шарик диаметром 25 мм с высоты 0,5 м на поверхность образца, величина 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.

Способность древесины удерживать металлические крепления: гвозди, шурупы, скобы, костыли и др. — важное её свойство. 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.

Основные технические свойства различных древесных пород

Порода дерева Коэффициент усушки, % Механическая прочность для древесины с 15 %-ной влажностью, МПа (кгс/см2)
в радиальном направлении в тангенциальном направлении на сжатие вдоль волокон на изгиб скалывание
в радиальной плоскости в тангециальной плоскости
Хвойные древесные породы
Сосна 0,18 0,33 43,9 79,3 6,9(68) 7,3(73)
Ель 0,14 0,24 42,3 74,4 5,3(53) 5,2(52)
Лиственница 0,22 0,40 51,1 97,3 8,3(83) 7,2(72)
Пихта 0,9 0,33 33,7 51,9 4,7(47) 5,3(53)
Твердолиственные древесные породы
Дуб 0,18 0,28 52,0 93,5 8,5(85) 10,4(104)
Ясень 0,19 0,30 51,0 115 13,8(138) 13,3(133)
Береза 0,26 0,31 44,7 99,7 8,5(85) 11(110)
Клен 0,21 0,34 54,0 109,7 8,7(87) 12,4(124)
Ильм 0,22 0,44 48,6 105,7 13,8(138)
Вяз 0,15 0,32 38,9 85,2 7(70) 7,7(77)
Мягколиственные древесные породы
Осина 0,2 0,32 37,4 76,6 5,7(57) 7,7(77)
Липа 0,26 0,39 39 68 7,3(73) 8(80)
Черная ольха 0,16 0,23 36,8 69,2
Черная осина 0,16 0,31 35,1 60 5,8(58) 7,4(74)

Нормативная сопротивляемость чистой древесины сосны и ели

Вид сопротивления и характеристика элементов, находящихся под нагрузкой МПа (кгс/см2)
Сопротивление статическому изгибу Rt :  
  • для элементов, изготовленных из круглого леса с неослабленным поперечным сечением
16(160)
  • для элементов с прямоугольным сечением (ширина 14 см, высота — 50 см)
15(150)
  • для остальных элементов
13(130)
Сопротивляемость сжатию Rсж и поверхностному сжатию Rп.сж:  
  • Rп.сж вдоль волокон
13(130)
  • в плоскости, параллельной направлению волокон Rп.сж.пл
1,8(18)
Сопротивление сжатию местной поверхности Rп.сж:  
  • поперек волокон в опорных местах конструкции
2,4 (24)
  • в опорных зарубках
3(30)
  • под металлическими подкладками (если углы приложения силы 90…60°)
4(40)
Сопротивляемость растяжению вдоль волокон Rраст.в :  
  • для элементов с неослабленным поперечным сечением
10(100)
  • для элементов с ослабленным поперечным сечением
8(80)
Сопротивляемость раскалыванию вдоль волокон Rраск.в 2,4(24)
Сопротивляемость раскалыванию поперек Rраск.в волокон 1,2(12)

 Средние показатели сопротивления древесины выдергиванию гвоздей

Порода древесины

Плотность, кг/м3

 

Размеры гвоздей, мм

оцинкованных

не оцинкованных

1,2 х 25

1,6 х 25

2 х 4

Средние показатели сопротивления в направлениях

радиальном

тангенциальном

радиальном

тангенциальном

радиальном

тангенциальном

Сосна

500

38

27

19

23

35

29

Ель

445

33

28

23

18

37

-

Лиственница

660

48

39

27

25

39

34

Дуб

690

57

55

39

39

64

65

Бук

670

57

58

41

48

65

79

Усилие, необходимое для выдергивания гвоздя, забитого в торец, на 10-15% меньше усилия, прилагаемого к гвоздю, забитому поперёк волокон.

Способность древесины изгибаться позволяет гнуть её. Способность гнуться выше у кольцесосудистых пород — дуба, ясеня и др., а из рассеянно-сосудистых — 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.

Раскалывание древесины имеет практическое значение, так как некоторые сортименты её заготовляют раскалыванием (клёпка, обод, спицы, дрань). Сопротивление раскалыванию по радиальной плоскости у древесины лиственных пород меньше, чем по тангенциальной. Это объясняется влиянием сердцевинных лучей (у дуба, бука, граба). У хвойных, наоборот, раскалывание, по тангенциальной плоскости меньше, чем по радиальной.

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 жёсткая древесина.

С увеличением содержания связанной воды и температуры древесины, жёсткость 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.