Текст книги "Материаловедение: конспект лекций"

5. Экзотические породы

Древесные породы, произрастающие в странах тропического или субтропического климата, относятся к экзотическим породам ограниченного применения. Еще в XVIII в. начали завозить в Россию, в Петербург заготовки этих пород для изготовления мебели, предназначенной для оборудования царских дворцов, а затем и домов придворной знати. Наиболее широко для этих целей применялась древесина красного дерева. Постепенно во многих больших городах России богатые люди часто заказывали для своих домов мебель из красного дерева, которую делали первоклассные мастера—краснодеревщики.

Из указанной древесины наиболее известна порода такого красного дерева, как махагони, произрастающего в Африке. Австралии, а также в Центральной и Южной Америке. Древесина этой породы красного дерева имеет очень красивое сочетание цветов – от белого (узкой заболони) до красно—коричневого или буровато—красного (ядра).

В небольших количествах в России использовалась древесина черного дерева. Под этим названием завозились из—за границы заготовки из разных пород, имевших древесину черного цвета. Чаще всего завозилась древесина эбенового дерева (черного), которая является ядровой, имеет узкую белую заболонь и ядро глянцево—черного цвета, причем во всех видах разрезов годичные слои и сердцевинные лучи незаметны Древесина черного дерева используется для изготовления художественно—декоративных изделий, клавишей пианино, для инкрустации при отделке интерьеров, а также из нее делают деревянные духовые инструменты. Эбеновое дерево (черное) произрастает в Индии, Африке и на Цейлоне (в Шри—Ланке). Плотность древесины эбенового дерева в сухом виде составляет 1000 кг/м ³, т. е. больше плотности воды.

Палисандр. В международной торговле это название объединяет разные породы деревьев со сходной по цвету и строению древесиной, произрастающих в тропиках. Древесина таких деревьев – ядровая рассеяно—сосудистая, ее заболонь узкая, светло—желтая, с сероватым оттенком, само ядро имеет пурпурно—коричневый или шоколадный цвет с фиолетовым оттенком; она очень тяжелая, мало усыхает, трудно раскалывается, но хорошо шлифуется. Древесина палисандра применяется для изготовления музыкальных инструментов, резных, токарных и других изделий.

Секвойя – самое крупное на земном шаре дерево, отличается большой долговечностью; произрастает в тропиках, относится к хвойной породе; по физико—механическим свойствам близка к древесине ели, хорошо обрабатывается; применяется в строительстве, а также для изготовления мебели, карандашей.

Эвкалипт. В природе насчитывается более 500 видов, в основном произрастает в Австралии и Океании. В России эвкалипт растет на Черноморском побережье Кавказа в небольших количествах. Эвкалипт – быстрорастущее дерево, достигает очень больших размеров – более 100 м в высоту. Ядровая рассеяно—сосудистая лиственная порода, ядро бурого цвета с различными оттенками, а заболонь светлая. Древесина этого дерева плотная, обладает высокой прочностью и биостойкостью, применяется в строительстве, вагоностроении и др.

ЛЕКЦИЯ № 4. Свойства древесины

1. Цвет, блеск и текстура древесины

Цвет древесины зависит от климатических условий произрастания дерева. В умеренном климате древесина почти всех пород окрашена бледно, а в тропическом имеет яркую окраску. Влияние климатического фактора сказывается и в пределах одного пояса, например породы, произрастающие в более теплых зонах – дуб, орех, тис и другие, имеют интенсивную окраску, а произрастающие севернее – ель, сосна, осина, береза и другие, окрашены бледно. Интенсивность окраски зависит также от возраста деревьев – с увеличением возраста интенсивность усиливается. Изменение цвета древесины происходит под влиянием воздуха и света, а также от воздействия грибных поражений; при выдержке древесины в воде или в специальных растворах; при пропаривании и высокотемпературной сушке.

Цвет древесины является важной характеристикой и учитывается при выборе пород для изготовления мебели, отделки интерьеров, при производстве художественных поделок, музыкальных инструментов и т. д.

Блеск – это способность древесины направленно отражать световой поток. Наибольший блеск имеют гладкие зеркальные поверхности, так как они дают направленное отражение. Как правило, блеск древесины оценивается по белизне: чем больше белизна древесины, тем выше показатель блеска. Блики и отсветы дают еще и сердцевинные лучи на радиальных разрезах.

Текстура – это естественный рисунок на тангенциальных и радиальных разрезах древесины, образованный годичными слоями и анатомическими элементами. Чем сложнее строение древесины, тем богаче ее текстура. У древесины хвойных пород строение простое и текстура однообразная, она определяется в основном шириной годичных колец и разницей

окраски ранней и поздней древесины. Древесина лиственных пород имеет сложное строение и более богатую текстуру. Характер текстуры во многом зависит от направления разреза. Многие породы, такие как орех, ясень, вяз, дуб и другие, имеют красивую и интересную текстуру на тангенциальном разрезе. Древесина на радиальном разрезе также имеет красивую, оригинальную текстуру.

Древесина капов, образующихся на стволах деревьев лиственных пород, имеет высокие декоративные свойства. Весьма оригинальна текстура древесины клена типа «птичий глаз», которую создают не развившиеся в побег «спящие» почки. Своеобразная и красивая текстура создается и искусственным путем при неравномерном прессовании древесины и последующем ее строгании, или при лущении волнистым ножом, или под углом к направлению волокон. При прозрачной отделке древесины ее текстура проявляется сильнее. Текстура является важнейшим показателем, который определяет декоративную ценность древесины.

Виды текстуры древесины:

1) без выраженного рисунка – липа, груша;

2) мелкокрапчатый рисунок – дуб, бук, чинара;

3) муаровый рисунок – серый клен, волнистая береза, красное дерево;

4) рисунок «птичий глаз» – ясень, клен, береза карельская, тополь украинский;

5) раковинный рисунок – орех кавказский, ясень, карагач – комлевая часть;

6) сучковатый рисунок – ель, сосна.

2. Влажность древесины и свойства, связанные с ее изменением

В свежесрубленной древесине, как правило, содержится большое количество воды и в дальнейшем в зависимости от условий хранения оно может увеличиваться или уменьшаться, или оставаться на прежнем уровне. Но в большинстве случаев необходимо принять меры по удалению воды, т. е. произвести сушку древесины. Показателем содержания воды в древесине является влажность, которая подразделяется на абсолютную и относительную. На практике пользуются в основном абсо

лютным значением влажности, которую определяют по формуле:

W_абс. = [(m – m₀) / m₀] × 100 %,

где m– масса образца влажной древесины, г;

m₀ – масса того же абсолютно сухого образца, г. Показатель относительной влажности применяется редко, в основном как показатель влажности дров. Ее определяют по формуле:

W_отн. = (m – m₀ / m) × 100 %.

Существуют два способа определения влажности – прямой и косвенный. Прямой метод основан на выделении воды из древесины. Для этого очищенный образец древесины подвергают сушке в сушильном шкафу при температуре 103 °C до полной отдачи влаги. В процессе сушки образец взвешивают – первый раз через 6—10 ч после начала сушки, а затем через каждые 2 ч. Сушку прекращают после того, как вес образца уже не уменьшается. Прямой метод позволяет с большой точностью определить влажность древесины.

Второй метод – косвенный, основанный на измерении электропроводности древесины с помощью электровлагомера. При таком измерении шкала прибора показывает величину влажности. Этот способ дает возможность быстро определить влажность. Но его недостаток заключается в погрешности измерения, которая составляет 2–3 %, а при влажности древесины более 30 % – еще выше.

Вода в древесине находится в связанном и свободном состоянии. Связанная вода находится в клеточных стенках и удерживается прочно. Удаление такой воды затруднено и оказывает существенное влияние на изменение большинства свойств древесины. Максимальное количество связанной воды соответствует пределу насыщения клеточных стенок, который в расчетах принимается: W_п.н. = 30 %.

Свободная вода находится в полостях клеток и межклеточных пространствах, поэтому удаляется из древесины легче.

Свежесрубленная древесина имеет влажность в пределах 50—100 %, а при длительном нахождении в воде – более 100 %.

После сушки на открытом воздухе влажность снижается до 15–20 %. Влажность величиной 20–22 % называется транспортной, а влажность, которую древесина имеет в период эксплуатации, – эксплуатационной.

Сушка древесины бывает двух видов – атмосферной, при температуре окружающей среды, и искусственной, или камерной, когда температура может быть до 100 °C и выше. При камерной сушке происходит усушка древесины, т. е. уменьшение линейных размеров в радиальном направлении на 3–7 %, а в тангенциальном – на 8—10 %, вдоль волокон – 0,1–0,3 %. Полная объемная усушка составляет 11–17 %.

При сушке древесины с уменьшением влажности меняются ее механические свойства – уменьшается упругость, но увеличивается прочность при сжатии, а также уменьшается электропроводность.

3. Плотность древесины. Тепловые свойства древесины

Плотность древесины – это масса единицы объема материала, выражающаяся в г/см ³ или кг/м ³. Существует несколько показателей плотности древесины, которые зависят от влажности. Плотность древесного вещества – это масса единицы объема материала, образующего клеточные стенки. Она для всех пород примерно одинакова и равна 1,53 г/см ³, т. е. в 1,5 раза выше плотности воды.

Плотность абсолютно сухой древесины – это масса единицы объема древесины при отсутствии в ней воды. Она определяется по формуле:

ρ₀ = m₀ / V₀,

где р₀ – плотность абсолютно сухой древесины, г/см ³ или кг/м ³;

m₀ – масса образца древесины при влажности 0 %, г или кг; V₀ – объем образца древесины при влажности 0 %, см ³ или м ³.

Плотность древесины меньше плотности древесного вещества, так как она имеет пустоты, заполненные воздухом, т. е. пористость, которая выражается в процентах и характеризует отношение пустот в абсолютно сухой древесине. Чем больше плотность древесины, тем меньше ее пористость.

Плотность древесины существенно зависит от влажности С увеличением влажности плотность древесины возрастает По плотности все породы делятся на три группы (при влажности древесины 12 %):

1) породы с малой плотностью – 540 кг/м ³ и менее – это ель, сосна, липа и др.;

2) породы средней плотности – от 550 до 740 кг/м ³– это дуб, береза, вяз и др.;

3) породы высокой плотности – 750 кг/м ³ и более – это кизил, граб, фисташка и др.

Тепловые свойства древесины – это теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение. Теплоемкость – способность древесины аккумулировать тепло. За показатель теплоемкости принята удельная теплоемкость С – количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг массы древесины на 1 °C. Она измеряется в кДж/кг × t °С.

Сухая древесина представляет собой древесное вещество и воздух, причем массовая доля воздуха в ней незначительна Поэтому теплоемкость сухой древесины практически равна теплоемкости древесного вещества. Удельная теплоемкость древесины практически не зависит от породы и при температуре 0 °C для абсолютно сухой древесины равна 1,55 кДж. С повышением температуры удельная теплоемкость несколько возрастает и при температуре 100 °C увеличивается примерно на 25 %. При увлажнении древесины ее теплоемкость увеличивается.

Процесс переноса тепла в древесине характеризуется двумя показателями – коэффициентом теплопроводности и коэффициентом температуропроводности. Коэффициент теплопроводности? численно равен количеству теплоты, которое проходит в единицу времени через стенку из древесины площадью 1 м ² и толщиной 1 м при разности температур на противоположных сторонах стенки в 1 °C. Он измеряется в Вт / (м × °С).

Коэффициент температуропроводности характеризует скорость изменения температуры древесины при ее нагревании или охлаждении. Он определяет тепловую инерционность древесины, т. е. ее способность выравнивать температуру. Коэффициент температуропроводности рассчитывают по формуле:

α = λ/с × ρ,

где ρ – плотность материала, кг/м3;

λ – коэффициент теплопроводности, Вт / (м × °С);

с – удельная теплоемкость древесины, кДж / (кг × °С).

4. Электрические и акустические свойства древесины

Как показали многочисленные исследования электрических свойств древесины, ее электропроводность, т. е. способность проводить электрический ток, находится в обратной зависимости от ее электрического сопротивления. Существуют поверхностное и объемное сопротивления, которые в сумме дают полное сопротивление образца древесины, размещенного между двумя электродами. Объемное сопротивление характеризует препятствие прохождению тока сквозь толщу образца, а поверхностное – по поверхности. Показателями электрического сопротивления служат удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления.

Исследования показали, что сухая древесина плохо проводит ток, но с повышением влажности ее сопротивление уменьшается. Это видно из данных, полученных при исследованиях (табл. 1).

Таблица 1

Снижение поверхностного сопротивления происходит при увеличении влажности. Например, при увеличении влажности бука от 4,5 до 17 % поверхностное электрическое сопротивление уменьшается с 1,2 × 10¹³ до 1 × 10⁷ Ом.

Кроме того, в результате исследований установлено, что снижение электрического сопротивления древесины происходит при ее нагревании, особенно при ее низкой влажности Так, увеличение температуры от 20 до 94 °C снижает сопротивление абсолютно сухой древесины в 10 ⁶ раз.

Акустические свойства. При исследованиях акустических свойств древесины установлено, что скорость распространения звука в древесине тем больше, чем меньше ее плотность и выше модуль упругости. Средние значения скорости звука вдоль волокон для комнатно—сухой древесины равны: дуб – 4720 м/с, ясень – 4730 м/с, сосна – 5360 м/с, лиственница – 4930 м/с. Далее исследования показали, что скорость звука поперек волокон в 3–4 раза меньше, чем вдоль волокон. Скорость распространения звука зависит от свойств материалов и в первую очередь от плотности, например в стали звук распространяется со скоростью 5050 м/с, в воздухе – 330 м/с, а в каучуке – 30 м/с. На данных, полученных при исследованиях акустических свойств древесины, построен ультразвуковой метод определения ее прочности и внутренних скрытых дефектов По существующим строительным нормам звукоизоляция стен и перегородок должна быть не ниже 40, а междуэтажных – 48 дБ. Согласно данным исследований звукопоглощающая способность древесины низка, например звукоизоляция сосновой древесины при толщине 3 см составляет 12 дБ, а дубовой при толщине 4,5 см – 27 дБ. Как установлено исследованиями, наилучшие акустические свойства в части наибольшего излучения звука имеет древесина ели, пихты и кедра, которая используется для изготовления многих музыкальных инструментов: щипковых, смычковых, клавишных и др. Как показала практика, наилучшими акустическими свойствами обладает древесина длительной выдержки – в течение 50 лет и более.

5. Прочность древесины

К механическим свойствам относятся прочность и дефор—мативность древесины, а также некоторые технологические свойства. Прочность древесины – это способность ее сопротивляться разрушениям под воздействием внешних нагрузок. Предел прочности древесины определяется путем испытания образцов на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг.

При испытании древесины на сжатие нагрузку производят вдоль волокон, затем поперек и в одном месте. Предел прочности определяют в МПа по формуле:

б_сж = Р_max / a × b,

где P_max – максимальная разрушающая нагрузка, Н;

а и b – размеры образца древесины, мм.

По данным испытаний установлено, что при растяжении древесины поперек волокон прочность составляет примерно 1/20 прочности при растяжении вдоль волокон. Поэтому при конструировании изделий и устройстве различных строительных конструкций не допускают случаев, чтобы растягивающие нагрузки были направлены поперек волокон.

На практике в большинстве случаев изделия из древесины работают с нагрузками на изгиб. Поэтому образцы древесины обязательно испытывают на изгиб, при этом определяют предел прочности в МПа по формуле:

б_из = 3Р_max × l/2 × b × h²,

где l – расстояние между опорами, мм;

b – ширина образца в радиальном направлении, мм;

h – высота образца в тангенциальном направлении, мм.

При изгибании образца с выпуклой стороны возникают напряжения растяжения, а с вогнутой – сжатия. При нагрузках выше предельной величины разрушение древесины происходит в виде разрыва растянутых волокон на выпуклой стороне излома образца.

Большое значение имеет показатель прочности при сдвиге. Этот показатель определяют при испытаниях трех видов сдвига: на скалывание вдоль и поперек волокон; на перерезание древесины поперек волокон. При этом предел прочности древесины на скалывание – б_ск, МПа определяют по формуле:

б_ск = Р_max / b × l,

где P _max – максимальная нагрузка, Н;

b, l – толщина и длина образца в плоскости скалывания, мм. Испытания на перерезание древесины поперек волокон проводят на образцах с применением подвижного ножа. При этом предел прочности в МПа определяют по формуле:

τ = Р_max / 2 × a × b,

где P_max – максимальная нагрузка, Н;

а и b – размеры сечения образца, мм (поперечные). Как показывают результаты испытаний, прочность древесины при перерезании поперек волокон в 4 раза больше, чем при скалывании вдоль волокон.

Как показали испытания, модули упругости при сжатии и растяжении древесины примерно одинаковы и составляют для сосны – 12,3 ГПа, для дуба – 14,6 ГПа и для березы – 16,4 ГПа при влажности 12 %. Модуль упругости поперек волокон примерно в 20–25 раз меньше, чем вдоль, а в радиальном направлении выше, чем в тангенциальном, примерно на 20–50 %.

При испытаниях древесины также определяют модуль упругости:

Е = 3 × Р × l / (64b × h³ × f),

где Р – нагрузка, равная разности между верхними и нижними пределами измерения, Н;

l – расстояние между опорами (на которых располагается образец древесины), мм;

b и h – ширина и высота образца, мм;

f — прогиб, равный разности среднеарифметических значений прогиба при верхнем и нижнем пределах нагружения, мм.

6. Технологические свойства древесины

Технологические свойства: ударная вязкость, твердость, износоустойчивость, способность удерживать шурупы, гвозди и другие крепления, а также обрабатываемость режущими инструментами.

Ударная вязкость древесины – это ее способность поглощать усилия (работу) при ударе без разрушения. Чем больше величина работы, необходимой для излома образца, тем выше его вязкость. Ударную вязкость определяют по формуле:

A = Q/b х h, Дж/см ²,

где Q – работа, затрачиваемая на излом образца, Дж;

b и h – ширина и высота образца.

Твердость древесины – это ее способность сопротивляться вдавливанию тела из более твердого материала – стального пуансона с полусферическим наконечником радиусом r = = 5,64 мм на глубину 5,64 мм. При этом в конце нагружения по шкале силоизмерителя машины отсчитывают нагрузку Р. После испытания в древесине остается отпечаток площадью 100 мм ². Статическую твердость образца определяют в Н/мм по формуле:

Н = Р / π × r²,

где π × r² – площадь отпечатка в древесине при вдавливании в нее полусферы радиусом r, мм.

Если имеет место раскалывание образцов в процессе испытаний, то пуансон вдавливают на меньшую глубину – 2,82 мм, а твердость определяют по формуле:

Н = 4Р / (3π × r²).

Все породы по твердости торцовой поверхности делят на три группы: мягкие – твердостью 40 Н/мм ² и меньше, твердые – 41–80 Н/мм ² и очень твердые – более 80 Н/мм ².

Износостойкость древесины характеризует ее способность сопротивляться износу при трении о поверхность абразивных элементов или микронеровностей более твердого тела. При испытании на истирание создают условия, которые имитируют реальный процесс истирания древесины, используемой для полов, лестниц, настилов. Истирания производят на специальной машине. При этом показатель истирания t вычисляют в мм по формуле:

t = h × (m₁ – m₂) / m₁,

где h – высота образца до истирания, мм;

m ₁ и m ₂ – масса образца соответственно до и после испытания, г.

Удельное сопротивление выдергиванию гвоздя или шурупа определяется по формуле:

Р_уд. = Р_max / l (Н/мм),

где P_max – максимальная нагрузка при выдергивании гвоздей или шурупов;

l – длина забивки гвоздя или ввинчивания шурупа. Способность древесины удерживать крепежные элементы зависит от ее породы, плотности и влажности. Сопротивление выдергиванию гвоздей, забитых в радиальном и тангенциальном направлениях, примерно одинаковое, но оно выше, чем при забивании гвоздей в торец образца.

Способность древесины к гнутью – наилучшая у бука, дуба, ясеня, хуже – у хвойных пород. Для улучшения податливости древесины перед гнутьем ее пропаривают, затем после гнутья охлаждают и сушат в зафиксированном состоянии, в результате чего она приобретает стабильную изогнутую форму.

Способность древесины раскалываться – это процесс разделения ее вдоль волокон под действием нагрузки, передаваемой на клин. Это является отрицательным свойством древесины при забивании гвоздей близко от кромки, а также костылей, шурупов при ввинчивании, но положительным – при колке дров или заготовке колотых сортиментов.