Прочность при длительных постоянных нагрузках. Это свойство исследовалось в связи с применением древесины в строительных конструкциях.
Характер изменения прочности древесины в зависимости от времени действия нагрузки отражает логарифмическая кривая, асимптотически приближающаяся к прямой, которая соответствует напряжению, называемому пределом длительного сопротивления. В среднем для всех видов действия нагрузок составляет примерно 0,5-0,6 предела прочности при кратковременных статических испытаниях. В ГСССД-Р-237 —87 приведены значения коэффициента, на который умножают значение предела кратковременной прочности, чтобы получить предел прочности при заданной продолжительности действия нагрузки.
Прочность при переменных нагрузках. Некоторые деревянные конструкции во время эксплуатации подвергаются воздействию переменных по величине и направлению (вибрационных) нагрузок.
При низкочастотных механических воздействиях состояние древесины изменятся из-за повреждений на молекулярном уровне. В результате большого количества перемен (циклов) нагрузки эти повреждения постепенно накапливаются и приводят к разрушению древесины, даже если напряжения сравнительно невелики. Указанное явление называют усталостью древесины.
На специальных машинах, которые поддерживают заданный режим нагружения, испытывают несколько серий образцов при различных напряжениях цикла, определяют количество циклов до разрушения и строят кривую усталости, напоминающую кривую длительного сопротивления. Только в данном случае по оси абсцисс откладывают не время, а число циклов. Кривая асимптотически приближается к прямой, параллельной оси абсцисс. Эта прямая соответствует напряжению, которое называется пределом выносливости. Среднее значение предела выносливости для древесины составляет примерно 0,2 статического предела прочности.
Характеристика древесины как конструкционного материала. Рассмотренные выше показатели механических свойств относились к малым образцам чистой древесины. При проектировании деревянных конструкций согласно строительным нормам и правилам СНиП 11-25 — 80 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, изменчивость ее свойств, длительность действия нагрузки, влажность, температуру и другие факторы. Так, при сжатии вдоль волокон и статическом изгибе базисное расчетное сопротивление древесины сосны и ели составляет 8-16 МПа (в зависимости от сорта). Модули упругости вдоль и поперек волокон древесины всех пород принимаются равными соответственно 10 ГПа и 400 МПа.
Ударная вязкость. Способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения определяется при испытаниях на изгиб. Чем больше работа, потребная для излома образца древесины, тем выше его ударная вязкость. Если древесина хрупкая, то для разрушения образца необходимо выполнить меньшую работу.
Древесина лиственных пород в среднем имеет ударную вязксость в 2 раза (мягкие в 1,5 раза, твердые в 2,5 раза) больше, чем древесина хвойных пород. При радиальном изгибе древесина хвойных и кольцесосудистых лиственных пород имеет ударную вязкость на 20-50 % больше, чем при стандартизованном тангенциальном изгибе. Показатели ударной вязкости для расчетов конструкции не используются; они служат лишь для сравнительной оценки качества древесины.
Твердость. Это свойство древесины характеризует ее способность сопротивляться вдавливанию более твердого тела. Испытания на статическую твердость проводят на торцовой, радиальной и тангенциальной, поверхностях образца древесины путем вдавливания стального пуансона. Образцы изготовляют в форме приемы сечением 50 х 50 мм и длиной вдоль волокон не менее 50 мм.
Для испытаний на твердость используют такое же приспособление, как для сжатия поперек волокон, взяв пуансон с полусферическим наконечником радиусом 5,64 мм. Вдавливают пуансон на глубину 5,64 мм, что устанавливается по показаниям индикатора. В конце нагружения по шкале силоизмерителя машины отсчитывают нагрузку Р. После испытания в древесине остается отпечаток, площадь проекции которого при указанном радиусе полусферы составляет 100 мм2.
В обоих случаях определяют не давление и не напряжение, измеряемые в паскалях (Па), а некоторый условный показатель — величину усилий, приходящихся на единицу площади проекции отпечатка. Пересчетный коэффициент на влажность равен 0,03.
Статическая твердость торцовой поверхности выше, чем боковых поверхностей, у хвойных пород в среднем на 40 %, а у лиственных — на 30 %. У большинства пород различия между твердостью радиальной и тангенциальной поверхностей практически нет.
Все отечественные породы по твердости торцовой поверхности древесины при влажности 12 % можно разделить на три группы: мягкие (твердость 40 Н/мм2 и менее), твердые (41-80 Н/мм2) и очень твердые (более 80 Н/мм2). К последней группе, кроме акации и граба, относятся береза железная, глоговина, кизил, самшит, железное дерево, тис, хмелеграб, фисташка. По СТ СЭВ 1263 — 78 лиственные породы делятся на две группы: мягкие (твердость древесины до 49 Н/мм2) и твердые (твердость 50 Н/мм2 и более).
В. Г.Санаев (МЛТИ) определил твердость древесины на участках гораздо меньших, чем при стандартных испытаниях. Поздняя древесина, особенно у хвойных пород, имеет значительно большую (в 5-6 раз) твердость, чем ранняя древесина годичного слоя.
Для определения ударной твердости по предложенному А. X. Певцовым стандартизованному методу на радиальную поверхность образца древесины сбрасывается с высоты 0,5 м стальной шарик диаметром 25 мм. От удара шарика остается отпечаток на поверхности образца, величина которого тем больше, чем меньше твердость древесины. Разделив работу, затраченную на удар (произведение веса шарика на высоту его падения), Дж, на площадь отпечатка, см2, получают характеристику ударной твердости, Дж/см2. Чем плотнее древесина, тем выше ее ударная твердость. Так, например, для акации этот показатель при влажности 12% равен 1,21 Дж/см2, а для сосны — 0,72 Дж/см2.
Износостойкость. Так называется способность древесины сопротивляться износу, т. е. постепенному разрушению ее поверхностных зон при трении от воздействия абразивных элементов или микронеровностей более твердого тела. Первый вид износа наблюдается под воздействием песка и других абразивных частиц при истирании полов, палуб и т. д.; второй — в трущихся частях машин (вкладыши подшипников, оси и пр.).
Для первого случая износа в ЦНИИМОДе был разработан стандартный метод испытаний (ГОСТ 16483.39—81). Используется испытательная машина, которая обеспечивает истирание древесины прижимаемой к ней шлифовальной шкуркой при возвратно-поступательном движении образца с одновременным его поворотом. Образцы имеют форму призмы с основанием размером 50×50 мм и высотой 20 мм. На разных образцах испытывают износостойкость поверхностей поперечного, тангенциального и радиального разрезов древесины. Измеряют высоту и массу образца до испытаний, а также его массу после 400 возвратно-поступательных движений образца. Износ на боковых поверхностях значительно больше, чем на поверхности поперечного разреза. С повышением плотности и твердости древесины износ уменьшается. У влажной древесины износ больше, чем у сухой.
Аналогичным образом влияют указанные факторы и на износ древесины в трущихся частях машин. Для определения износостойкости древесины в этом случае можно использовать метод Н. Н.Суродейкина. Неподвижно закрепленный образец древесины подвергается истиранию вращающейся втулкой из закаленной инструментальной стали, прижимаемой к образцу с определенным усилием. Показателем износа служит объем получающейся в образце лунки после определенного числа оборотов истирающей втулки.
Способность удерживать крепления. Уникальное свойство древесины удерживать гвозди, шурупы, скобы, костыли и другие крепления имеет важное практическое значение. При забивании гвоздя в древесину происходит ее частичное разрушение и возникают упругие деформации примыкающих областей. На боковую поверхность гвоздя со стороны деформированной древесины оказывается давление, которое вызывает трение, удерживающее гвоздь.
Согласно разработанному ЦНИИМОДом стандартному методу (ГОСТ 16483.33—77) для определения сопротивления, которое оказывает древесина выдергиванию гвоздя или шурупа, используют образец, имеющий форму бруска сечением 50×50 мм и длиной 150 мм. Забивают гвозди или ввинчивают шурупы. Для испытаний применяют гвозди диаметром 2 мм или шурупы диаметром 4 мм длиной не менее 50 мм. Гвозди забивают на глубину 30 мм, шурупы ввинчивают на 20 мм.
Выдергивание гвоздей (шурупов) проводят при равномерной скорости захвата машины за 1-3 мин.
Для каждого образца удельным сопротивлением выдергиванию гвоздей (шурупов) считают среднее арифметическое результатов двух определений.
Сопротивление выдергиванию гвоздей прежде всего зависит от направления. По данным МЛТИ, усилие, необходимое для выдергивания гвоздя, забитого в торец образца из древесины дуба, сосны, осины, ольхи или ели, на 10-50 % меньше усилия, которое надо приложить для выдергивания гвоздя, забитого поперек волокон. Сопротивление выдергиванию гвоздей, забитых в радиальном и тангенциальном направлениях, практически одинаково.
С повышением плотности древесины сопротивление выдергиванию гвоздя или шурупа увеличивается; так, при древесине граба плотностью 730 кг/м3 вдавливание и выдергивание гвоздей требуют усилий примерно в 4 раза больше, чем при древесине сосны плотностью 440 кг/м3.
Чем выше влажность древесины, тем меньше усилие, необходимое для забивания гвоздя. Гвоздь, забитый в сырую древесину, после ее высыхания вытащить легче, чем гвоздь, забитый сразу в сухую древесину. Это объясняется тем, что в первом случае часть упругих деформаций переходит в «замороженные» и трение, удерживающее гвоздь в древесине, снижается.
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. Для шурупов одинакового с гвоздями диаметра, но вдвое меньшей длины это усилие оказалось в 2 раза больше.
Способность гнуться. Технологическая операция гнутья древесины основана на ее способности сравнительно легко деформироваться при действии изгибающих усилий. Предельная деформация, при которой разрушается древесина, у разных пород различная. Стандартного метода для оценки способности древесины принимать заданную форму при загибе пока нет. Однако известен следующий метод: образец в форме бруска размерами 10x30x500 мм последовательно загибают на сменных шаблонах уменьшающегося радиуса до появления в образце явных следов начала разрушения (отщеп, складка, излом). Радиус последнего шаблона (на котором произошло разрушение образца) характеризует способность древесины к загибу. Эта способность выше у древесины кольцесосудистых пород (дуб, ясень и др.), а из рассеянно-сосудистых пород она высока у 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.
Способность раскалываться. Раскалыванием древесины принято называть разделение ее вдоль волокон под действием нагрузки, переданной через клин.
Для испытаний древесины на раскалывание используют стандартизованную методику, применяя образец с заранее выпиленным клиновидным вырезом. Образец для раскалывания в тангенциальной плоскости. Такой же образец, но с годичными слоями, направленными на торце вдоль высоты, применяется для раскалывания в радиальной плоскости. До испытаний измеряют ширину образца на уровне линии раскалывания, затем в бороздки образца помещают подвижные захваты (стремена). Образец нагружают с постоянной скоростью, чтобы разрушение произошло через 1-2 мин.
Сопротивление раскалыванию у древесины лиственных пород, особенно с хорошо развитыми сердцевинными лучами (дуб, бук), в тангенциальном направлении больше, чем в радиальном. У хвойных пород эта разница меньше (или совсем отсутствует). В среднем сопротивление раскалыванию у древесины лиственных пород больше, чем у хвойных. Способность древесины раскалываться рассматривается как положительное свойство при заготовке колотых сортиментов (клепка, гонт, дранка и пр.) и как отрицательное при забивке гвоздей, костылей, скоб, ввинчивании шурупов.
Удельные характеристики механических свойств. Для сравнительной оценки качества древесины используют показатели ее механических свойств (пределы прочности, модуль упругости, ударную вязкость, твердость), отнесенные к единице плотности Удельная прочность при сжатии и статическом изгибе у хвойных пород оказывается выше, чем у лиственных.
Значительно выше у хвойных пород и удельная жесткость (особенно у древесины ели и пихты). По остальным свойствам удельные характеристики у древесины лиственных пород выше, чем у хвойных.
Удельные характеристики древесины имеют особое значение, когда от изделия или конструкции требуется высокая прочность и жесткость (зависит от модуля упругости) при малом весе. Это важно для транспортного машиностроения, авиастроения, судостроения, строительства и т. д., при отборе древесины для производства музыкальных инструментов и в других случаях.
По удельной прочности древесина вполне конкурентоспособна с другими современными материалами, а по удельной жесткости (вдоль волокон) во много раз превосходит полимеры. Так, например, удельная прочность при растяжении древесины сосны равна 206 кПа·м3/кг, дюралюминия 150-175 кПа·м3/кг, стеклопластика 263 кПа·м3/кг. Удельная жесткость древесины сосны (вдоль волокон) 24,6 МПа·м3/кг, полиакрилатов 3,3 МПа·м3/кг, капрона 1,3 МПа·м3/кг.