Механічні властивості деревини: ударна в'язкість, міцність і твердість. Застосування деревини

Протягом кількох тисячоліть людина використовує деревину для багатьох цілей. Вона виступає, передусім, паливом, а вже після будівельним матеріалом. З неї виготовляють різні інструменти, неповторні за красою предмети меблів і зброю. З-за сезонних коливань і в процесі росту стовбура утворюються річні кільця, які дозволяють точно визначити місце зростання деревини, а також рік вирубки.

Склад

При вивченні питання про деревині обов'язково необхідно ознайомитися з її складом. У ній містяться органічні речовини, в які входять: · азот; · водень; · вуглець; · кисень. Елементарний хімічний склад у різних порід залишається майже однаковим. Абсолютно сухий матеріал буде містити вуглець в обсязі 495 %, 63 % водню і 442 % кисню з азотом. Останній міститься в матеріалі в обсязі 012 %. Елементарний хімічний склад деревини в області гілок і стовбура майже не відрізняється. Умови зростання теж ніяк не впливають на вміст основних елементів.


Крім органічних речовин, в деревині є мінеральні сполуки, які дають при згоранні золу. Кількість згаданого елемента досягає 17 %. В окремих порід обсяг золи може бути вище і становить 35 %. У однієї і тієї ж породи кількість золи буде залежати від частини дерева, умов зростання і віку, а також положення в стовбурі. Більше золи виходить при спалюванні листя і кори, а стовбурова деревина дуба дає приблизно 035 %. Деревина гілок містить більше попелу, ніж деревина стовбура. У складі золи солі лужноземельних металів. Якщо мова йде про деревині сосни, то у золі, а також в золі берези та ялини містяться солі кальцію в обсязі 40 %.


За хімічним складом рання і пізня деревини майже однакові, це відноситься до змісту геміцелюлози, лігніну і целюлози. Рання деревина містить більше речовин, які розчиняються в ефірі і воді. Це особливо властиво модрині. По висоті стовбура хімічний склад змінюється мало. У складі дуба не виявлено майже відчутних відмінностей по висоті. У осики, ялини і сосни у віці стиглості виявлено незначне збільшення вмісту целюлози.

Механічні властивості

Розглядаючи механічні властивості деревини, виділіть ви не тільки твердість, міцність і ударну в'язкість, але і вологість. Остання може бути відносною або абсолютною. Для практичних цілей особливу важливість має відносна вологість. Вона показує ступінь придатності матеріалу до технологічної операції. Для склеювання краще використовувати матеріал з вологістю до 6 %. Механічні властивості деревини вказують на те, що її можна класифікувати по відносної вологості на категорії. Матеріал буває: · сирим; · повітряно-сухим; · напівсухим; · сухим. Мокра деревина, абсолютна вологість якого перевищує 100 %, утворюється при довготривалому перебуванні у воді. Повітряно-суха з абсолютною вологістю в межах від 15 до 20 % утворюється при довготривалому зберіганні на повітрі. Зі збільшенням вологості матеріал стає складно використовувати в виробництві. Сирі заготовки гірше склеюються, а по мірі висихання виробах можуть з'явитися щілини і тріщини. Для запобігання таких проблем деревина попередньо сушиться.
Серед механічних властивостей деревини слід виділити гігроскопічність. Вона являє собою здатність поглинати вологу із зовнішнього середовища. Для зниження швидкості поглинання вологи поверхня покривається лаками, емалями і олійними фарбами. Максимальна вологість, яку можна досягти при поглинанні вологи становить 30 % при 20 °C. Це значення не залежить від породи. Не можна не згадати ще й про пористості. Для різних видів цей параметр буде володіти своїм значенням, але середній розбіг становить 34-80 %. Якщо розглядати щільність, то можна виділити щільність деревини та деревної речовини. В останньому випадку середнє значення дорівнює 154 г/см3.

Додатково про механічні властивості: ударна в'язкість

Ударна в'язкість деревини – це здатність матеріалу до поглинання енергії при навантаженні. Властивість забезпечується пластичністю і в'язкістю. Коли випробування проводяться по даній стандартизованою методикою, що використовується маятниковий копер. Він забезпечує рух бойка, швидкість якого складає 6 м на секунду. Це дозволяє визначте відношення роботи на злам зразка до площі поперечного перерізу. Якщо проводити порівняння м'яких листяних порід з хвойними, у перших ударна в'язкість більше в 15 рази, тоді як у твердолистяних – в 25 рази. Так, для сосни описуваний параметр складає 41 для граба – 99 для липи – 58 кДж/м2. Якщо збільшувати швидкість навантаження, то опір вигину буде зростати. Іноді описуване властивість визначається із збільшенням висоти падіння молота. Якщо піддавати ударному вигину модифіковану деревину, то вона буде мати знижений опір.

Міцність

Міцність деревини – це здатність матеріалу чинити опір руйнуванню під впливом навантажень. Ця властивість є одним з основних серед механічних. Воно залежить від фізичного стану і будови матеріалу. При проведенні випробувань міцність деревини визначається максимальним напруженням, яке матеріал витримує без руйнування.
У різних порід ця характеристика відрізняється. Наприклад, у модрини при стисненні вздовж волокон межа міцності становить 645 МПа. У сосни і ялини – 485 МПа і 445 МПа відповідно. Якщо відбувається сколювання вздовж волокон, то межа міцності у модрини буде дорівнює 99 у сосни – 75 у ялини – 69 МПа.

Стиснення деревини

Стиснення деревини може бути направлене вздовж або поперек волокон. У першому випадку деформація виражена в вкороченні зразка. Руйнування починається з поздовжнього вигину волокон, яке у вологих зразках з в'язких і м'яких порід проявляється як випучіваніе боків і зминання торців. Середній межа міцності при стисканні вздовж волокон деревини становить 500 кг/см2. Якщо ж стиснення відбувається поперек волокон, то міцність виявляється нижче у 8 разів. У цьому випадку не завжди є можливість встановити момент руйнування матеріалу і визначити величину руйнуючого вантажу.

Твердість

Така характеристика, як твердість буде залежати від породи. Деревина по цьому параметру класифікується на окремі групи, серед них: · матеріали середньої твердості; · м'яка деревина; · дуже м'яка; · дуже тверда; · тверда; · тверда як кістка. Твердість деревини визначається в Америці і Європі за різними шкалами. У Росії використовується шкала Брінелля. У осики описуваний параметр становить 41 клена польового – 42. Найвища твердість властива падуку, в даному випадку вона становить 8. Суть методу визначення твердості полягає в вдавлюванні кульки в поверхню з силою 100 кг. По діаметру лунки і характером пошкодження визначається твердість. Якщо деревина має більш високий коефіцієнт твердості, то вона виявиться міцніше і надійніше порід з меншим показником. Знайомлячись з механічними властивостями деревини, ви зможете зрозуміти, що зміни в твердості будуть відбуватись у час роботи з заготовками. Наприклад, твердість буде змінюватися в залежності від розпилу. Використовуючи радіальний розпил, ви відчуєте вищу твердість, ніж при тангенціальної обробці матеріалу.

Додатково про твердості

Це властивість говорить про здатність матеріалу чинити опір впровадженню тіла певної форми. У торцевій частині твердість вищі порівняно з бічними поверхнями у листяних порід на 30 %, а у хвойних – на 40 %. Всі деревні породи за ступенем твердості поділяються на м'які, тверді і дуже тверді. У останніх торцева твердість перевищує 80 МПа. До таким можна віднести: · залізну березу; · білу акацію; · кизил; · фісташки; · самшит. Твердість володіє істотним значенням при обробці ріжучими інструментами. Це стосується і тих випадків, коли матеріал піддається стиранню при влаштуванні сходів та підлоги. Деревина володіє ще і певним рівнем зносостійкості. Це вказує на здатність чинити опір зносу і поступового руйнування поверхневих зон. Це може відбутися при терті. Випробування показали, що знос з бічних поверхонь більше, ніж у підстави торцевого розрізу. Із збільшенням твердості і щільності знос зменшується. У вологої деревини він більше, ніж у сухої.

Здатність до утримання металевого кріплення

Досить важливою властивістю є здатність матеріалу утримувати кріплення за типом скоб, шурупів і цвяхів. При забиванні цвяха виникають пружні деформації, що забезпечують силу тертя, що перешкоджає висмикування. Зусилля при цьому відносно цвяха у торці менше того, що додається до цвяха, забитого поперек волокон.

Область використання

Розглядаючи області застосування деревини, ви виберіть те, що описуваний матеріал був першим видом палива, який відкрили найдавніші люди. Сьогодні описуване сировина використовується для отримання: · деревного вугілля; · тріски; · дров; · деревних гранул; · деревної пилу; · брикетів. Спресований і подрібнений матеріал володіє більш високою щільністю, що підвищує коефіцієнт його корисної дії. Таке біопаливо вигідно відрізняється від дров адже перевозити його раціонально, але не завжди зручно і може бути небезпечно, так як вона запалюється і кришиться. Цінна деревина використовується в будівництві, меблевому виробництві, в авіа - і суднобудуванні, а також при виробництві паперу. Цей матеріал лягає в основу: · будівельних лісів; · перекриттів; · стель; · зрубів; · опалубки; · ферм; · стін; · дверей; · вікон. Застосовується деревиною ще і в якості оздоблювального матеріалу. Вона поставляється на ринок у вигляді: · вагонки; · плінтусів; · паркету; · фанери; · куточків; · галтелей; · паркетних щитів.

Переробка

Переробка деревини може здійснюватися одним з декількох способів, серед них: · хіміко-механічний; · механічний; · хімічний. Механічна технологія переробки передбачає зміну форми струганням, пилянням, лущенням, фрезеруванням, точінням, свердлінням, розколюванням, різьбленням і подрібненням. При механічній обробці є можливість отримати товари народного споживання і промислового призначення. Деревина може бути піддана механічного стирання, що дозволяє отримати волокнисті напівфабрикати. Переробка деревини може вестися за хіміко-механічної технології. Це дозволяє отримати проміжний продукт з матеріалу, однорідного за розмірами і складом. Поверхня покривається сполучною речовиною. Під впливом тиску і температури відбувається реакція полімеризації сполучного, в результаті цього проміжний деревне продукт склеюється. При такій переробці виходять: · цементно-стружкові плити; · деревостружкові матеріали; · столярні вироби; · фіброліт; · арболіт. Хімічна переробка здійснюється методом термічного розкладання і впливу: розчинників, кислот, лугів, кислих солей, сірчистої кислоти. Ця технологія називається піролізом або термічним розкладанням. Сировина нагрівається при високій температурі без доступу кисню. Це дозволяє отримати продукти в різних станах, серед них: · газоподібні; · рідкі; · тверді. Найбільше практичне значення з них має деревне вугілля.

Використання в целюлозно-паперовому виробництві

Якщо вас цікавить питання про те, що роблять з деревини, то ви можете ближче ознайомитися целюлозно-паперовим виробництвом. Воно передбачає отримання картону і паперу, де використовуються волокнисті напівфабрикати. Вони представлені целюлозою і деревної масою. Для потреб такого виробництва використовується приблизно 93 % целюлози. Інша частина виступає сировиною для хімічної переробки на ацетатное або штучне віскозне волокно, бездимний порох, пластмаси, кіноплівку, целофан та інші продукти.

Переробка для отримання деревоволокнистих плит

Якщо ви все ще цікавитеся питанням про те, що роблять з деревини, то повинні знати, що в процесі переробки виходять плити, які знайшли своє застосування в малоповерховому стандартному житловому будівництві, судно - та автомобілебудуванні, при виробництві контейнерів, меблів і ящиків. Деревне сировину попередньо подрібнюється в дрібну щепу, що дозволяє отримати деревноволокнисті плити.

Опис основних сортів хвойних порід та їх застосування

Хвойна деревина включає кедр, який є высокодекоративной культурою. Він застосовується в ландшафтному дизайні, а характеристики цих пиломатеріалів роблять дерево самим затребуваним в будівництві. Кедр є природним антисептиком, тому в будинку, збудованому з цієї сировини, будуть відсутні бактерії. Модрина є листопадним хвойним деревом, найбільш міцним з поширених хвойних лісоматеріалів. Межа міцності становить 105 Н/мм2. Завдяки цьому сировину популярно при виробництві дощок для підлоги, вагонки та терасної дошки. Здавна з модрини будували кораблі. У ній високий вміст смол, вона володіє значною міцністю, тому зберігає початкові характеристики під впливом вологості. Сосна поступається модрині по міцності – 100 Н/мм 2 . Але іноді це стає перевагою, адже обробці матеріал подається легше. Сосна – це універсальне сировина, з якої виготовляють статеву дошку, імітацію бруса та євровагонку. Міцність їли нижче і становить 80 Н/мм 2 . Але вона відрізняється високою пластичністю, тому поширена при виробництві профільованих лісоматеріалів. Сосна і ялина мають підвищену смолистість, яка грає захисну роль. Деревина не піддається впливу вологи, жучків і грибків. Це сировина володіє високою податливості і легко обробляється. Соснові і ялинові пиломатеріали вибираються для виготовлення складних і невеликих конструкцій за типом балконів і поручнів. Незначна щільність дозволяє просочити брус і дошки складом для збільшення міцності і довговічності. Якщо побудувати з ялини або сосни заміський будинок, то він буде готовий простояти до 50 років. Тоді як якщо використовувати кедр, то термін служби будівлі збільшиться в два рази.

Область використання легкого дерева

Найлегшою деревиною є бальза. Вона відноситься до сімейства мальвових і виростає в Південній Америці. З цієї сировини був побудований пліт норвезького мандрівника, на якому він здійснив шлях через тихий океан. Надлегка деревина використовується в авіаційній промисловості в якості матеріалу для звуко - і теплоізоляції. Застосовується бальза в суднобудуванні і судомоделировании. Сировина лягає в основу дощок для серфінгу. Використовується для виготовлення: · макетів; · декорацій; · обладнання для порятунку на водах; · поплавців. Легкість обумовлена швидкістю росту. До п'яти років дерево стає дорослим. Великі рослини володіють міцною і легкою деревиною, яка вважається найлегшою у висушеному стані. У свіжозрубаному вигляді деревина важка, так як містить до 95 % води. Матеріал швидко висихає і стає щільним, досить міцним і легким. При порівнянні з популярною сосною конструкції з бальзы виходять більш міцними, жорсткими і легкими. Бальза легко піддається обробці, але потребує для цього спеціального інструмента з малим кутом загострення і тонким лезом. Фарбування деталі з деревини подаються погано, що особливо стосується фарб і лаків. Можливе використання суміші і на водній основі або складів у вигляді спиртових протрав.

На закінчення

У повсякденному житті деревина – це внутрішня частина дерева під корою. Для деревини найбільш важливими і основними є властивості типу механічних, фізичних і хімічних. Серед фізичних слід виділити вологість і зовнішній вигляд, а також теплові і звукові властивості. Деревина – це матеріал з анізотропними властивостями, які не є однаковими за напрямом щодо волокон. Так, усушка вздовж волокон менше, ніж поперек.