Древесина вяза как материал для столярно-мебельного производства

В среднем для  всех пород предел прочности при  растяжении вдоль волокон равен 130 МПа, а предел прочности при  растяжении поперёк волокон в 20 раз  ниже. Поэтому при конструировании  изделий из древесины избегают растягивающих  нагрузок, направленных поперёк волокон.

Предел прочности  при статическом изгибе, МПа, вычисляют  по формуле: бw = (3/2) * ((Pmax*l) / (b * h2)), где Pmax - максимальная нагрузка, Н; l - пролет, т.е. расстояние между центрами опор, равный 240 мм; b и h - ширина (в радиальном) и  высота (в тангенциальном) направлениях, мм.

В среднем предел прочности при статическом изгибе составляет 100 МПа.

При испытаниях к образцу прикладывают две равные и противоположно направленные силы, вызывающие разрушение в параллельной им плоскости, происходит сдвиг. Различают три вида испытаний на сдвиг: скалывание вдоль волокон, скалывание поперёк волокон и перерезание древесины поперёк волокон. Схемы действия сил при этих испытаниях показаны на рисунке:  

Предел прочности  при скалывании вдоль волокон  определяют по формуле: Tw = Pmax / (b * l), где (b * l) - площадка скалывания, мм2.

Величина предела  прочности - касательных максимальных напряжений при скалывании вдоль  волокон в среднем для всех пород составляет примерно 1/5 от предела  прочности при сжатии вдоль волокон. Предел прочности при скалывании поперёк волокон в 2 раза меньше, а предел прочности при перерезании  поперёк волокон в 4 раза больше, чем предел прочности при скалывании вдоль волокон.

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 жесткая древесина.

С увеличением содержания связанной воды и температуры  древесины, жесткость 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.

2.1  Эксплуатационные и технологические свойства. Прочность древесины при длительных постоянных нагрузках важно знать в связи с применением её в строительных конструкциях. Показателем этого свойства является предел длительного сопротивления” бд.с.”, который в среднем для всех видов нагрузки составляет примерно 0,5 - 0,6 величины предела прочности при кратковременных статических испытаниях.

Показателем прочности  при переменных нагрузках является предел выносливости, средняя величина которого составляет примерно 0,2 от статического предела прочности.

При проектировании деревянных конструкций в расчётах используют не пределы прочности  малых образцов древесины, а в  несколько раз меньшие показатели - расчётные сопротивления. Они учитывают  большие размеры элементов конструкций, наличие пороков древесины, длительность действия нагрузки, влажность, температуру  и другие факторы.

Удельная  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.

Для испытания на твёрдость используют приспособление, которое имеет пуансон с полусферическим наконечником. Его вдавливают на глубину радиуса. После испытания в древесине остаётся отпечаток, площадь проекции которого при указанном радиусе полусферы составляет 100 мм2. Показателем статической твёрдости образца, Н/мм2, является усилие, отнесенное к этой площади. Статическая твёрдость торцевой поверхности выше, чем боковых поверхностей.

Все отечественные  породы по твёрдости торцевой поверхности  при влажности 12% делят на 3 группы: мягкие (твёрдость 40 Н/мм2 и менее), твёрдые (41-80) и очень твёрдые (более 80 Н/мм2).  

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.  

Уникальным свойством  древесины является способность  удерживать крепления: гвозди, шурупы, скобы, костыли и др. 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.  

Технологическая операция гнутья древесины основана на её способности  сравнительно легко деформироваться  при действии усилий. 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.

Для сравнительной  оценки качества древесины используют так называемые удельные характеристики механических свойств, т.е. показатели ее механических свойств, отнесенные к  единице плотности.

Удельная прочность  при сжатии и статическом изгибе у хвойных пород выше, чем у  лиственных. Значительно выше у хвойных  пород и удельная жесткость. 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  при малом весе. Это важно для  транспортного машиностроения, авиастроения, судостроения и в других случаях.

3. Макроскопическое строение древесины

Заболонь  и ядро. Изучая макроскопическое строение древесины, можно обнаружить, что у одних пород древесина окрашена равномерно, а у других центральная часть темнее наружной. Темноокрашенная часть называется ядром, а наружная светлая зона - заболонью. У некоторых пород центральная часть, не отличаясь по цвету от наружной, содержит (в растущем дереве) значительно меньше воды и называется спелой древесиной. Породы, имеющие ядро, называются ядровыми, а породы со спелой древесиной - спелодревесными. Если же между центральной и периферической частями древесины нет разницы ни в цвете, ни в содержании воды, то породы называются забеленными.

Полагают, что ядро образуется у всех пород, только у  одних темная окраска его возникает  всегда или при определенных условиях, а у остальных оно остается светлым. Следовательно, спелая древесина - это неокрашенное ядро. 

К заболонным породам  относятся многие лиственные - береза, ольха, липа, граб, клен, самшит, груша, орешник и др. В раннем возрасте древесина всех пород состоит  только из заболони, и лишь с течением времени у некоторых пород  образуется ядро. У одних пород  образование ядра начинается рано (у  дуба, например, на 8... 12-й год) и заболонь бывает узкой. У других пород ядро образуется значительно позднее (у  сосны в возрасте 30... 35 лет), что  обусловливает наличие широкой  заболони. Переход от заболони к  ядру может быть резким (тис) или  постепенным (грецкий орех). С возрастом  диаметр ствола увеличивается и  доля ядра возрастает за счет перехода части заболонной древесины в  ядровую. Так, у дуба объем ядра при  диаметре ствола 15 см составляет примерно 50 % объема заболони; при диаметре 30 см ядро в 3...5 раз больше заболони по объему, а при диаметре 60 см на заболонь приходится всего 10 % объема ядра.

Размеры заболони зависят  от условий произрастания. Так, у  дуба наиболее широкая заболонь наблюдается  в стволах деревьев, произрастающих на солонцовых почвах, а наименьшая - в пойменных дубравах. В стволах  сосны из Республики Коми относительное  содержание заболони возрастает с ухудшением условий произрастания. Ширина заболони по высоте ствола у хвойных пород (сосна, ель) постепенно уменьшается, а  у дуба остается почти без изменения; в то же время доля площади поперечного  сечения ствола, приходящегося на заболонь, увеличивается вверх по стволу. Для сосны из Республики Коми и Красноярского края ширина заболони с возрастом увеличивается, а после 100... 120 лет начинает уменьшаться  главным образом за счет уменьшения ширины годичного прироста древесины.

В растущем дереве заболонь служит для проведения воды вверх  по стволу (из корней в крону) и для  отложения запасных питательных  веществ.

Образование ядра зависит  от породы, возраста, условий произрастания  и других факторов; в известной  мере оно связано с жизнедеятельностью кроны. Процесс ядрообразования  заключается в отмирании живых  элементов древесины, закупорке  водопроводящих путей, отложении смолы  и углекислого кальция. Древесина  в этой зоне пропитывается дубильными и красящими веществами, в результате чего темнеет, ее плотность несколько  увеличивается, возрастает стойкость  к гниению.

Вследствие закупорки  водопроводящих путей древесина  ядра мало проницаема для воды и  воздуха, что имеет положительное  значение при изготовлении из древесины  тары под жидкие товары и отрицательное - при пропитке древесины антисептиками (ядро обычно не пропитывается). В растущем дереве ядро придает стволу устойчивость; вместе с тем ядро может служить  хранилищем для воды (дуб, вяз).

Годичные  слои. Каждый год на стволе откладывается слой древесины. Схематически ствол можно представить в виде системы насаженных один на другой конусов. Если на нижнем поперечном срезе показаны десять концентрических полуокружностей, а на верхнем пять. Следовательно, потребовалось соответственно 3 года и 8 лет для того, чтобы дерево достигло той высоты, на которой сделаны поперечные срезы. На поперечном срезе годичные слои имеют вид концентрических кольцевых полос разной ширины.

Годичные слои заметны  у многих пород, но особенно хорошо у хвойных. На радиальном разрезе  годичные слои имеют вид продольных параллельных полос, а на тангенциальном - извилистых порабола-образных полос.

Ширина годичных слоев сильно колеблется в зависимости  от многих факторов: породы, возраста, условий произрастания, положения  в стволе. Наиболее узкие годичные слои (до 1 мм) образуются у медленно растущих пород (самшита), а наиболее широкие (1 см и больше) характерны для  быстро растущих пород (тополя, ивы). В  стволе дерева годичные слои шире, чем  в ветвях. В молодом возрасте и  при благоприятных условиях роста  образуются более широкие годичные слои.

По радиусу ствола ширина годичных слоев не остается постоянной и изменяется так: у сердцевины располагается ряд сравнительно узких годичных слоев, затем следует  зона более широких слоев, а дальше по направлению к коре ширина слоев  постепенно уменьшается. Площадь годичного  слоя сначала довольно быстро увеличивается  в направлении от сердцевины к  коре, достигает максимума, после  чего постепенно уменьшается.

На интенсивность  годичного прироста влияют особенности  метеорологических условий того или иного года, и по ширине годичных слоев можно проследить многолетние  изменения климата. Эти вопросы  рассматривает научная дисциплина дендроклиматология. Исследуя ширину годичных слоев и используя дендрохронологические  шкалы, составленные для разных районов  страны, можно определить время изготовления деревянных изделий и сооружений. Дендро-хронологический метод (В. Е. Вихров, Б.А. Колчин) нашел широкое  применение для датировки археологических  находок из древесины.

По высоте ствола ширина годичных слоев нормально  возрастает от комля к вершине, что  делает ствол полнодревесным, т.е. приближающимся по форме к цилиндру. Однако у  деревьев, выросших на свободе, самые  широкие годичные слои находятся  в нижней части ствола, что придает  стволу конусообразную форму (сбежистый  ствол). 

У некоторых пород  на поперечном разрезе наблюдается  волнистость годичных слоев, например у граба, тиса, можжевельника; у бука и ольхи граница между годичными  слоями в местах пересечения ее широкими сердцевинными лучами загибается внутрь (к сердцевине), что также придает слоям волнистый вид. 

Годичные слои на противоположных сторонах ствола иногда имеют неодинаковую ширину; если такая  неравномерность распространяется на большое число соседних годичных слоев, то ствол приобретает эксцентричное  строение, причиной которого часто  является неравномерное развитие кроны  и корневой системы (деревья опушек) или действие ветра, вызывающее изгиб  ствола. Особенно хорошо заметно эксцентричное  строение в боковых ветвях; у лиственных пород сердцевина ветви бывает смещена  ближе к нижней стороне, а у  хвойных - к верхней.

У многих пород четко  видно, что годичный слой состоит  из двух частей: внутренней, обращенной к сердцевине более светлоокрашенной и мягкой части, - ранней древесины (она  образуется в первой половине вегетационного периода), и наружной, обращенной к  коре более темной и твердой части, - поздней древесины. Различие между  ранней и поздней древесиной сильнее  выражено в хвойных породах (особенно в лиственнице) и в меньшей  мере - во многих лиственных породах, поэтому  годичные слои хорошо видны в хвойных  породах и часто слабо заметны  в лиственных.