Неметаллические материалы

m — mo

W= ———— · 100%,

m0

где m — масса влажного образца при данной влажности в г; m0 — масса образца в абсолютно сухом состоянии в г (за m0 принимается масса образца, высушенного при 100 + 5°С).

Вода, содержащаяся в древесине, бывает двух видов: свободная (капиллярная) вода, заполняющая внутренние пустоты, и связанная (гигроскопическая), находящаяся в клеточных оболочках. Таким образом, влажность древесины складывается из влаги связанной и свободной. При высыхании дерево теряет сначала свободную воду, а затем начинает терять связанную воду.

Состояние древесины, при котором в ней имеется  только связанная влага, называется точкой насыщения волокон. Для различных  древесных пород максимальное количество связанной влаги колеблется от 23 до 30%. Свежесрубленной древесине  соответствует влажность 50 — 100%; в  древесине, пролежавшей долгое время  на воздухе (воздушно-сухой), устанавливается  влажность 10 — 20%, в комнатных условиях (комнатно-сухая древесина) — влажность 7 —10%, а для абсолютно сухой древесины влажность нулевая. Влажность, отвечающая условиям производственного помещения, носит название производственной влажности. За стандартную влажность древесины принята влажность 15%, которая представляет собой среднюю влажность воздушно-сухой древесины. Все свойства древесины для возможности сравнения устанавливаются при стандартной влажности 15%.' Производственная, влажность должна быть равна эксплуатационной или на 2% ниже (иначе древесина будет усыхать).

Изменение размеров и формы древесины связано  с изменением ее влажности. Эти изменения  выражаются в усушке, разбухании и  короблении. При высыхании древесины  из нее вначале удаляется свободная  влага, при этом размеры клеток не изменяются (уменьшается только масса); с момента точки насыщения волокна стенки волокон древесины теряют связанную влагу и сокращаются в размерах.

Усушкой древесины  называется уменьшение линейных размеров и объема древесины при высыхании (выражается в процентах). Усушка зависит  от направления: так, наибольшая усушка происходит в тангентальном направлении, наименьшая — вдоль волокон.

Для определения  усушки практически пользуются коэффициентом  усушки К, который представляет собой среднюю усушку при изменении влажности на 1%, и определяется по формуле

Y

K= —— 

W

Для различных  пород полная усушка в радиальном направлении Ур = = 3-5%, в тангентальном Уг = 6 - 10%. Коэффициенты усушки в радиальном направлении Kр = 0,09 ~0,31%, в тангентальном Кт = 0,17 — 0,43%; коэффициент объемной усушки Ко = 0,32 - 0,7%. Усушка вдоль волокон составляет 0,1—0,35% и практически не учитывается.

Усушка представляет собой отрицательное явление, во-первых, потому, что ее необходимо учитывать  при изготовлении деталей, и, во-вторых, она служит причиной появления в  древесине внутренних напряжений, вызывающих трещины и коробления (рис.7).

Древесина разных пород имеет одинаковый химический состав, поэтому плотность вещества, образующего стенки клеток, принимается  равной 1,54 г/см3. Для практических целей  важно знать объемную массу у, которая зависит от влажности  материала и коэффициента объемной усушки. Значение у15 древесины составляет 0,34-0,98 г/см3. Более легкими породами являются сосна, ель, пихта, липа, осина, ольха; очень тяжелыми -граб, груша, самшит. Чем больше объемная масса, тем плотнее древесина и тем лучше она сопротивляется нагрузкам.

Рис. 7. Виды коробления пиломатериалов:

1 — изменение  формы поперечного сечения брусков; 2 — поперечное коробление досок; 3 —

продольное коробление доски; 4 - коробление косослойной доски

Механические свойства древесины. Древесина анизотропна, и ее свойства зависят от влажности и других факторов. В связи с этим показатели механических свойств для возможности их сравнения и применения в расчете деревянных деталей на прочность относят к древесине, не имеющей пороков и при одинаковой влажности 15%.

Механические свойства наиболее распространенных пород древесины  при W= 15% приведены в табл. 5.

Средние значения пределов прочности древесины вдоль  волокон находятся в пределах: Ơс от 3,42 до 5,49 кгс/мм2; Ơв от 7,61 до 16,1 кгс/мм2 (в отдельных случаях до 27 кгс/мм2); Ơв — поперек волокон ниже в 6 — 30 раз, чем вдоль. Сопротивление сдвигу в плоскости волокон, (скалывание) невелико и составляет 1/6-1/8 Ơс (продольное направление), Ơизг в 1,5-2 раза

Таблица 5

Основные физико-механические свойства наиболее распространенных пород  древесины(при -влажности 15%)

больше, чем ас. Модули упругости при растяжении и сжатии примерно равны, в продольном направлении их значение в 10 — 30 раз больше, чем в поперечном. Вдоль волокон £ = = (1,17 ~ 1,58) 103 кгс/мм2.

При ударных нагрузках  сопротивление ударному изгибу вязких пород (ясеня, дуба) в 1,5 — 3 раза выше, чем  хрупких хвойных пород (сосны, ели,

пихты). Прочность  древесины зависит от скорости нагружения: чем медленнее прикладывается нагрузка, тем меньше величина предела прочности. Со временем сопротивление древесины постепенно уменьшается и достигает некоторого предела долговременного сопротивления, при котором деревянная деталь может работать неопределенно долгое время (рис. 234). Для всех видов напряженного состояния древесины величина длительного сопротивления принимается равной 2/3 предела прочности.

При вибрационных нагрузках необходимо учитывать  усталость (или выносливость) древесины. Предел выносливости сте всегда меньше статического предела прочности аст. Отношение ств/стСт при изгибе составляет для разных пород 0,24 — 0,38:

Защита древесины  от увлажнения, загнивания и воспламенения. В условиях эксплуатации или хранения древесины на открытом воздухе ее влажность может значительно  увеличиваться и вызывать загнивание деревянных элементов. Для борьбы с  этим недостатком применяют гидроизоляционные  прокладки, лакокрасочные покрытия и антисептирование.

Антисептики представляют собой водные растворы минеральных  солей (фтористого натрия, хлористого цинка, медного купороса и др.) и  спиртовые растворы оксидифенила и ртутноорганических соединений. Антисептирование производят путем промазки, опрыскивания, пропитки под давлением.

Древесина; легко  воспламеняется от огня (точка воспламенения 330-470°С). Для повышения ее огнестойкости (хотя сделать древесину совсем несгораемой нельзя) применяют ряд способов. Первый и наиболее эффективный способ защиты — пропитка химическими веществами — антипиренами, второй - окраска огнезащитными красками. В качестве антипиренов используют аммониевые соли и соли фосфорной кислоты или борной кислоты. Огнезащитные краски должны быть негорючими и нетеплопроводными. К ним относятся силикатные краски на основе жидкого стекла и перхлорвиниловые лакокрасочные покрытия.

3. Разновидности древесных  материалов

Материалы из натуральной  древесины применяют в виде пиломатериалов и заготовок. В зависимости от размеров поперечного сечения различают  брусья, ширина и толщина которых  свыше 100 мм; бруски шириной не более  двойной толщины; доски при ширине более двойной толщины (тонкие узкие  доски называются планками).

Пиломатериалы хвойных  пород применяют более широко, поскольку они обладают высокой  прочностью, меньше подвержены загниванию, особенно сосна; из лиственных пород  дуб и ясень хорошо поддаются  гнутью; бук и береза служат их заменителями. Хвойные и твердые лиственные породы применяют для силовых  нагруженных деталей. Мягкие породы (липа) являются несиловыми материалами. Хвойные пиломатериалы используют в судостроении, в автотранспорте (детали грузовых автомобилей), в конструкциях грузовых железнодорожных вагонов, сельскохозяйственных машин и т. д. Заготовки из древесины используются для тех же целей и моделей.

Шпон — широкая  ровная стружка древесины, получаемая путем лущения или строгания. Толщина листов шпона от 0,55 до 1,5 мм. Шпон является полуфабрикатом для  изготовления фанеры, древесных слоистых пластиков и выклейки гнутых деталей. Шпон с красивой текстурой (дуб, бук и др.) используется в качестве облицовочного материала для изделий из древесины.

Фанера — листовой материал, получаемый путем склейки  слоев шпона. Толщина фанеры от 1 до 12 мм, более толстые материалы  называют плитами. В зависимости от склеивающего шпон клея и степени водостойкости фанера выпускается следующих марок: ФСФ на фенолоформальдегидном клее с повышенной водостойкостью, ФК — на карбамидном и ФБА на альбуминоказеиновом клеях со средней водостойкостью и ФБ на белковых клеях ограниченной водостойкости. Березовая фанера имеет вдоль волокон рубашек Ơв = 6,5 -г 8 кгс/мм2.

Прессованная древесина  получается при горячем прессовании  брусков, досок, заготовок, при этом она подвергается специальной термообработке в уплотненном состоянии.

Прессованная древесина  имеет следующие свойства: объемную массу 1,1-1,42 г/см3, предел прочности вдоль  волокон при растяжении 14-23 кгс/мм2, при сжатии 9-13 кгс/мм2, при изгибе 15-20 кгс/мм2, ударную вязкость 60-80 кгс-см/см2.

Прессованная древесина  является заменителем черных и цветных  металлов и пластмасс. Она широко применяется для изготовления деталей  машин, работающих при ударных нагрузках (кулачки, сегменты зубчатых передач, подшипники, втулки и т. д.). Вкладыши из древесины  по сравнению с бронзовыми имеют вдвое меньший износ, снижается расход смазочного масла.

Древесностружечные  плиты изготовляют горячим прессованием древесной стружки со связующим. Плиты выпускают однослойными (ПС-1, ПТ-1), трехслойными (ПС-3, ПТ-3) и облицованными шпоном, фанерой, бумагой (ЭС, ЭМ).

. Древесностружечные  плиты легкие, имеют объемную  массу 0,35-0,45 г/см3, Ơи = 0,5 кгс/мм2, обладают теплоизоляционными свойствами [λ = = 0,045 ккал/(м · ч°С)]. Для тяжелых и сверхтяжелых плит объемная масса достигает 0,75—1,1 г/см3 и Ơ„ = 2,1 - 5,3 кгс/мм2. Древесностружечные плиты применяют для пола и бортов грузовых машин и прицепов, в вагоностроении, в строительстве, для производства мебели и т. д.

Древесноволокнистые плиты изготовляют из древесных  волокон (размельченной древесины), иногда с добавками связующих  составов. Под действием высокой  температуры и большого давления древесные волокна спрессовываются  в равнопрочный материал. Плиты подразделяют на мягкие пористые (М-4, М-12, М-20), полутвердые (ПТ-100), твердые (Т-350 Т-400) и сверхтвердые (СТ-500). В обозначении марки плит цифры означают Ơ„ в кгс/см2. В промышленности выпускают также акустические плиты, имеющие коэффициент звукопоглощения 0,2-0,3 при частоте колебаний 300 Гц и 0,4-0,5 при 1000 Гц. Древесноволокнистые плиты применяют для облицовки пассажирских вагонов, внутренней отделки автобусов в радиотехнической промышленности, в строительстве и т.д.

Неорганические  материалы

Неорганическим  материалам присущи негорючесть, высокая стойкость к нагреву, химическая стойкость, неподверженность старению, большая твердость, хорошая сопротивляемость сжимающим нагрузкам. Однако они обладают повышенной хрупкостью, плохо переносят резкую смену температур, слабо сопротивляются растягивающим и изгибающим усилиям и имеют большую плотность По сравнению с органическими полимерными материалами.

Основой неорганических материалов являются главным образом  окислы и бескислородные соединения металлов. Поскольку большинство неорганических материалов -содержит различные соединения кремния с другими элементами, эти материалы объединяют общим названием силикатные. В настоящее время применяют не только соединения кремния, но и чистые окислы алюминия, магния, циркония и др., обладающие более ценными техническими свойствами, чем обычные силикатные материалы.

Неорганические  материалы подразделяют на неорганическое стекло, стеклокристаллические материалы  — ситаллы и керамику.

1. Неорганическое стекло

Неорганическое  стекло следует рассматривать как  особого вида затвердевший раствор  — сложный расплав высокой  вязкости кислотных и основных окислов.

Стеклообразное  состояние является разновидностью аморфного состояния вещества. При переходе стекла из расплавленного жидкого состояния в твердое аморфное в процессе быстрого охлаждения и нарастания вязкости беспорядочная структура, свойственная жидкому состоянию, как бы «замораживается;). В связи с этим неорганические стекла характеризуются неупорядоченностью и неоднородностью внутреннего строения.

Стеклообразующий  каркас стекла представляет собой неправильную пространственную сетку, образованную кремнекислородными тетраэдрами [SiO4]4-. На рис. 8 (а) показана такая сетка  кварцевого стекла. При частичном  изоморфном замещении кремния в  тетраэдрах, например, на алюминий или  бор, образуется структурная сетка  алюмосиликатного [SixAlO4]z- ~ или боросиликатного [SixBO4]z- стекол. Ионы щелочных (Na, К) и щелочноземельных (Са, Mg, Ва) металлов называются модификаторами; в структурной сетке стекла они располагаются в промежутках тетраэдрических группировок (рис. 8(б)). Введение Na2O или других модификаторов разрывает прочные связи Si — О — Si и снижает прочность, термо- и химическую стойкость стекла, одновременно облегчая технологию его производства. Большинство стекол имеет рыхлую структуру с внутренней неоднородностью и поверхностными дефектами.