Прочность при растяжении вдоль волокон

Определить прочность образца из древесины сосны при сжатии вдоль волокон и привести её к нормализованной влажности W= 12%, если размеры образца стандартные, максимальная нагрузка 7800 Н, а влажность в момент испытания 32%. Поправочный коэффициент К=2,25.

Для определения прочности при растяжении древесины вдоль волокон применяют образцы довольно сложной формы с массивными головками, которые зажимают в клиновидных захватах машины, и тонкой рабочей частью. Форма, размеры образца и схема его крепления см. на рисунке:

При такой форме образца предупреждается возможность его разрушения в местах крепления от сжатия поперек волокон и скалывании вдоль волокон. Переход от головок к рабочей части образца делают плавным во избежание концентрации напряжений. Заготовки для образцов получают путем выкалывания (а не выпиливания), чтобы не допустить перерезания волокон. Рабочая часть образца должна захватывать как можно больше годичных слоев, поэтому её широкая грань совпадает с радиальным направлением. Допускается изготовлять образцы с наклеенными головками.

Перед испытанием измеряют толщину а и ширину b рабочей части образцов с погрешностью до 0,1 мм и в отверстия головок вставляют стальные пробки диаметром 9,9мм. Длина пробок на 3 или 2 мм (соответственно для древесины мягких и твердых пород) меньше толщины головки. Пробки предотвращают чрезмерное смятие головок во время испытаний.

Предел прочности древесины на растяжение вдоль волокон сравнительно слабо зависит от влажности древесины, но резко падает при малейшем отклонении волокон от направления продольной оси образца. В среднем для всех пород предел прочности на растяжение вдоль волокон 130 МПа. Несмотря на столь высокую прочность, древесина в конструкциях и изделиях довольно редко работает на растяжение вдоль волокон из-за трудности предотвращения разрушения деталей в местах закрепления (под действием сжимающих и скалывающих нагрузок).

Поныне действующему стандарту для испытаний древесины на растяжение поперек волокон рекомендуется образец, форма и размеры которого показаны на рисунке ниже. Этот образец по форме напоминает образец для испытаний на растяжение вдоль волокон. Однако в данном случае образцы крепятся в винтовых захватах с плоской стороны, чтобы сжимающие усилия были направлены вдоль волокон.

Затруднения, возникающие при изготовлении образца сравнительно большой (для плоскости поперек волокон) длины, могут быть уменьшены путем использования клееных образцов. В клееных образцах центральный участок из исследуемой древесины должен иметь длину не менее 90 мм и включать в себя плоскую рабочую зону, криволинейные переходы и небольшую часть длины головок.

Для определения предела прочности при растяжении поперек волокон в радиальном и тангенциальном направлениях образец изготовляют таким образом, чтобы годичные слои на плоской его стороне были направлены соответственно поперек (как показано на рисунке) или вдоль длины его рабочей части.

Исчерпывающих данных о сравнительной прочности древесины на растяжение поперек волокон для разных пород, установленных при использовании стандартной формы образца, еще нет, однако опыты, проведенные ранее с образцами, форма которых соответствовала ранее действовавшему стандарту, показывают, что прочность древесины в радиальном направлении больше, чем в тангенциальном, у хвойных на 10-50%, у лиственных на 20-70%. В среднем прочность при растяжении поперек волокон для всех изученных пород составляет примерно 1/20 прочности при растяжении вдоль волокон.

При конструировании изделий из древесины стараются не допускать действия растягивающих нагрузок, направленных поперек волокон. Показатели прочности древесины при данном виде усилий необходимы для разработки режимов резания и сушки древесины. Именно эти величины характеризуют предельную величину сушильных напряжений, достижение которых вызывает растрескивание материала. При расчетах безопасных режимов сушки древесины учитывают зависимость пределов прочности от влажности и температуры, а также длительности приложения нагрузки (скорости нагружения).

Условный предел прочности при сжатии поперек волокон для всех пород в среднем примерно в 10 раз меньше предела прочности при сжатии вдоль волокон. Эта разница объясняется тем, что при сжатии поперек волокон возникает дополнительное сопротивление волокон древесины, тогда как при продольном сжатии сопротивление ограничивается силами упругости годичных слоев древесины. Иными словами, деформативность древесины при сжатии поперек волокон выше, чем при сжатии вдоль волокон.

Определить прочность образца из древесины сосны при сжатии вдоль волокон и привести её к нормализованной влажности W= 12%, если размеры образца стандартные, максимальная нагрузка 7800 Н, а влажность в момент испытания 32%. Поправочный коэффициент К=2,25.

Прочность образца из древесины сосны определяем по формулам:

w = Рmax/а*b = 7800/20*20 = 19,5 МПа

В12 = В30 * К = 19,5 * 2,25 = 39 МПа

Вопрос № 38. Изменение свойств древесины под воздействием физических и химических факторов: сушки; положительной и отрицательной температуры; влажности; ионизирующих излучений; кислот, щелочей и газов; морской и речной воды.

Построить график влияния влажности на прочность древесины бука при сжатии вдоль волокон, если у0% = 63,0 МПа; у12% = 55,5 МПа; у18% = 44,8 МПа; у70% = 26,0 МПа.

В процессе сушки происходит воздействие на сырую древесину пара, нагретого сухого или влажного воздуха, токов высокой частоты и других факторов, приводящих в конечном результате к снижению содержания свободной и связанной воды. Правильно, при соответствующих режимах, проведенная камерная сушка древесины дает материал, вполне равноценный получаемому в результате атмосферной сушки. Но если высушивать древесину в камерах слишком быстро и при высокой температуре, то это не только может привести к растрескиванию и значительным остаточным напряжениям, но и оказать влияние на механические свойства древесины.

Согласно данным ЦНИИМОДа, высокотемпературная сушка приводит к снижению механических свойств древесины. В меньшей степени снижается прочность при сжатии вдоль волокон и статическом изгибе, в большей мере — при тангенциальном скалывании и весьма существенно уменьшается ударная вязкость древесины.

Резко сокращается продолжительность сушки при использовании электромагнитных колебаний СВЧ. Однако степень специфического влияния этого фактора на свойства древесины пока еще не установлена.

Повышение температуры вызывает снижение показателей прочности и других физико-механических свойств древесины. При сравнительно непродолжительных воздействиях температуры до 100 оС эти изменения, в основном, обратимы, т.е. они исчезают при возвращении к начальной температуре древесины.

Данные, полученные ЦНИИМОД, показывают, что прочность при сжатии вдоль и поперек волокон понижается как с повышением температуры, так и повышением влажности древесины. Одновременное воздействие обоих факторов вызывает большее снижение прочности по сравнению с суммарным эффектом от их изолированного воздействия. Влияние влажности наблюдается до предела насыщения клеточных стенок, дальнейшее увеличение влажности практически не отражается на прочности, хотя ряд исследователей отмечали её снижение (на 10-15 %) и в этом диапазоне изменения влажности.

При достаточно длительном воздействии повышенной температуры (более 50оС) в древесине происходят необратимые остаточные изменения, которые зависят не только от уровня температуры, но и от влажности.

Ударная вязкость древесины с низкой влажностью уменьшается с повышением температуры, а при высокой влажности, наоборот, увеличивается (испытывалась древесина в нагретом состоянии).

Воздействие высоких температур приводит к тому, что древесина становится хрупкой.

Характер влияния положительных температур одинаков для абсолютно сухой и мокрой древесины. В то же время при отрицательных температурах прочность абсолютно сухой древесины плавно увеличивается, а мокрой древесины резко возрастает с понижением температуры до — 25оС … — 30оС, после чего повышение прочности замедляется. При указанных температурах образуется столько ледяных включений, что они обеспечивают достаточную устойчивость стенок клетки. Модули упругости древесины при её замораживании возрастают.

Гамма-облучение, по данным А.С. Фрейдина, оказывает наименьшее влияние на сопротивление древесины сжатию. Значительно больше снижается прочность на скалывание и еще сильнее падает сопротивление статическому изгибу. Для двух последних видов испытаний древесины сосны резкое снижение прочности (на 20-24%) наблюдается уже при дозе 50 Мрад. При дозе облучения в 100 Мрад прочность снижается вдвое. Прочность после дозы облучения в 500 Мрад при статическом изгибе составляет немногим более 10%, на сжатие вдоль волокон снижается на 30%. Наиболее сильно облучение влияет на ударную вязкость древесины. У древесины сосны после облучения дозой в 50 Мрад ударная вязкость снизилась более, чем в два раза. Лучевая стерилизация древесины (около 1 Мрад) практически не снижает её механические свойства.

Воздействие на комнатно-сухую древесину в малых образцах серной, соляной и азотной кислоты концентрацией 10% при температуре 15-20оС приводит к снижению срочности при сжатии вдоль волокон и статическом изгибе, ударной вязкости и твердости в среднем на 48% для ядра лиственницы и сосны и на 53-54% для ели (спелая древесина),бука и березы.

При воздействии на древесину в течение четырех недель щелочей были получены следующие данные: 2%-ный раствор аммиака почти не оказал влияния на прочность при статическом изгибе лиственницы, сосны, ели, но прочность дуба и бука снизилась на 34 %, а липы почти в двое;10%-ный раствор аммиака снизил прочность лиственницы на 8%, сосны и ели на 23 %, а лиственных пород — почти втрое. Едкий натр оказывает более сильное влияние.

Таким образом, прочность древесины лиственных пород снижается под влиянием кислот и щелочей в значительно большей степени, чем хвойных.

Газы SO2, SO3, NO, NO2 при длительном воздействии на древесину изменяют цвет и постепенно разрушают её. При увлажнении древесины разрушение происходит интенсивнее. Смолистость уменьшает вредное влияние газов, а синева способствует поражению.

Испытания топляковой древесины из бревен сосны, ели, березы и осины показали, что после пребывания в речной воде 10-30 лет прочность древесины практически не изменилась. Однако, более длительное пребывание в воде вызывает снижение прочности наружных слоев древесины (толщиной 10-15 мм). В то же время в более глубоких слоях прочность древесины оказалась не ниже норм, допускаемых для здоровой древесины. Пребывание в воде на протяжении нескольких сотен лет в сильной мере изменяет древесину. В зависимости от времени нахождения под водой цвет древесины дуба меняется от светло-коричневого до угольно-черного вследствие соединения дубильных веществ с солями железа. Древесина, образующегося таким образом «мореного» дуба, пластичная в насыщенном водой состоянии, становится хрупкой после высушивания, усушка её в 1,5 раза больше, чем обычной древесины; при сушке склонна к растрескиванию; прочность при сжатии, статическом изгибе и твердость снижаются примерно в 1,5 раза, а ударная вязкость в 2-2,5 раза. Точно определить как изменяются показатели свойств древесины из-за пребывания в воде нельзя, т.к. неизвестны свойства древесины до затопления.

Морская вода через сравнительно короткое время оказывает заметное влияние на прочность и ударную вязкость древесины.

Для установления возможности использования топляковой древесины проводят её испытания и определяют степень отклонения полученных данных от справочных.

Построить график влияния влажности на прочность древесины бука при сжатии вдоль волокон, если у0% = 63,0 МПа; у12% = 55,5 МПа; у18% = 44,8 МПа; у70% = 26,0 МПа.