Ударная вязкость, твердость и износостойкость древесины

Показатели указанных технологических и эксплуатационных свойств определяют при механических испытаниях многих материалов. Для древе­сины методы этих испытаний стандартизованы.

Ударная вязкость древесины. Способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения определяется при испытаниях на изгиб.

Чем больше величина работы, потребной для излома образца древесины, тем выше его вязкость Если древесина хрупкая, для разрушения образца необходимо затратить меньшую величину работы

Испытания проводят, используя такие же образцы, как и на статиче­ский изгиб. Однако в этом случае применяют специальную испытательную машину — маятниковый копер с запасом энергии 100 Дж Схема испытаний показана на рис. 70 Образец располагают так, чтобы он был прижат ради­альной поверхностью к горизонтальных опорам и удар маятника пришелся бы на середину длины образца Опоры и боек маятника имеют закругления радиусом 15 мм.

В исходном положении маят­ник обладает запасом энергии, оп­ределяемым высотой его подъема Н₁. При падении маятник одним ударом разрушает образец и под­нимается на меньшую высоту Н₂. При этом расходуется часть энергии, которую можно определить по раз­нице высот Н₁ и Н₂. По шкале коп­ра отсчитывают работу Q, затраченную на разрушение образца при изломе.

Ударную вязкость, Дж/см², вычисляют по формуле

, (112)

где Q - работа, затраченная на излом образца при данной влажности, Дж; b - ширина образца, см; h - высота образца, см.

Поправочный коэффициент на влажность для всех пород равен α=0,02.

Показатели ударной вязкости для расчетов конструкций не используются, они служат лишь для сравнительной оценки качества древесины. Вязкая древесина с высоким сопротивлением ударному изгибу имеет защепистый излом, в то время как хрупкая древесина - раковистый.

Значения показателей ударной вязкости основных пород даны в табл. 40. Древесина лиственных пород имеет ударную вязкость в среднем в 2 раза (мягкие в 1,5, твердые в 2,5 раза) большую, чем древесина хвойных пород.

При радиальном изгибе древесина хвойных и кольцесосудистых по­род имеет показатели на 20-50 % больше, чем при стандартизованном тан­генциальном изгибе

40. Ударная вязкость древесины

Порода	Ударная вязкость, Дж/см^2, при влажности, %	Порода	Ударная вязкость, Дж/см^2, при влажности, %
	30 и более		30 и более
Лиственница Сосна Ель Кедр Пихта сибирская Акация белая Груша Граб Береза Вяз	5,3 4,1 3,9 3,1 3,2 19,0 11,6 9,9 9,3 9,3	4,9 3,5 3,3 2,6 2,7 16,1 9,8 8,4 7,8 7,8	Ясень Осина Бук Дуб Клен Орех грецкий Липа Ольха Тополь	8,9 8,5 7,6 7,6 7,6 7,4 5,8 5,2 3,9	7,4 7,2 6,5 6,5 6,5 6,3 4,9 4,3 3,3

При испытаниях по описанной стандартной методике скорость при­ложения нагрузки 5-6 м/с. Сопротивление ударному изгибу таких же об­разцов древесины при значительно более высоких скоростях (до 200 м/с), по данным В.В. Памфилова (БТИ), резко возрастает.

Твердость древесины. Это свойство древесины характеризует ее способность сопротивляться вдавливанию тела из более твердого материа­ла. Испытания на статическую твердость проводят на торцовой, радиальной и тангенциальной поверхностях образца древесины путем вдавливания стального индентора (пуансона). Образцы изготовляют в форме прямоугольной призмы сечением 50х50 мм и длиной вдоль волокон не менее 50 мм.

Для испытаний на твердость используют такое же приспособление, как для сжатия поперек волокон, но с пуансоном, полусферический нако­нечник которого имеет радиус г = 5,64 мм (рис. 71). Вдавливание пуансона проводят за 1-2 мин на глубину 5,64 мм, что устанавливается по показани­ям индикатора. В конце нагружения по шкале силоизмерителя машины от­считывают нагрузку Р. После испытания в древеси­не остается отпечаток, площадь проекции которого при указанном радиусе полусферы составляет 100 мм².

Рис. 71. Схема испытаний древесины на статическую твер­дость:

1 - образец; 2 - пуансон с полусферическим наконечником, 3 -индикатор часового типа

Статическую твердость образца, Н/мм, опре­деляют по формуле

, (113)

Если наблюдается раскалывание образцов, то пуансон вдавливают на глубину 2,82 мм, и тогда твердость определяют по формуле

. (114)

В обоих случаях определяют не давление и не напряжение, измеряемое в Па, а некоторый условный показатель - величину усилий, приходящихся на единицу площади проекции отпечатка. Пересчетный коэффициент на влажность равен 0,03.

Статическая твердость торцовой поверхности выше, чем боковых поверхностей у хвойных пород в среднем на 40 %, а у лиственных - на 30 %. У большинства пород различия между твердостью радиальной и тангенциальной поверхности практически нет. Однако у пород с хорошо развитыми сердцевинными лучами (дуб, бук, ильм) твердость радиальной поверхности на 5-10 % выше твердости тангенциальной поверхности. Средние показатели для основных пород приведены в табл. 41.

Все отечественные породы по твердости торцовой поверхности дре­весины при влажности 12 % можно разделить на следующие три группы: мягкие (твердость 40 Н/мм² и менее), твердые (41-80 Н/мм²) и очень твер­дые (более 80 Н/мм²). К последней группе, кроме указанных в табл. 41 акации и граба, относятся береза железная, глоговина, кизил, самшит, железное дерево, тис, хмелеграб, фисташка.

По СТ СЭВ 1263-78 лиственные породы делятся на мягкие (твер­дость древесины 49 Н/мм² и менее) и твердые (твердость 50 Н/мм² и более).

В МЛТИ (В.Г. Санаев) была определена твердость древесины на участках гораздо меньших, чем при стандартных испытаниях. Измерялось давление на древесину при вдавливании индентора радиусом 60 мкм под нагрузкой 0,3 Н в течение 1,5 мин (глубина вдавливания была разная). Не­которые результаты этих исследований приведены в табл. 42. Как и следо­вало ожидать, поздняя древесина, особенно у хвойных пород, имеет значи­тельно большую твердость, чем ранняя древесина.

41. Статическая твердость древесины

Порода	Твердость, Н/мм^2, древесины на поверхности
торцовой	радиальной	тангенциальной
Влажность, %
	30 и более		30 и более		30 и более
Лиственница Сосна Пихта сибирская Ель Кедр Акация белая Граб Ясень Груша Клен Дуб Бук Вяз Береза Ольха Осина Тополь Липа	42,0 28,4 27,4 25,3 21,6 94,2 88,4 78,3 77,0 73,8 66,5 65,1 54,7 46,3 39,2 25,8 26,7 25,0	20,1 13,2 12,9 12,0 10,3 56,2 52,5 46,8 46,1 44,1 39,2 38,7 32,7 27,5 23,5 15,4 15,9 15,0	31,5 22,5 15,1 17,5 14,8 58,9 75,9 57,1 57,7 54,1 54,5 53,2 41,2 35,9 26,5 18,7 18,5 16,7	14,8 10,6 7,1 8,2 7,0 39,6 45,2 34.1 34,5 32,3 32,6 31,7 24,6 21,5 15,9 11,2 11,0 10,0	33,4 23,2 14,2 17,8 15,4 75,9 78,1 65,1 58,9 57,4 47,5 49,5 41,1 32,1 28,2 19,6 - 17,4	15,7 10,9 6,7 8.5 7,2 45,4 46,4 38,9 35,2 34,3 28,4 22,5 24,6 19,2 16,8 11,7 - 10,4

42. Микротвердость древесины на радиальной поверхности

Порода, участок измерения	Микротвердость, МПа	Порода, участок измерения	Микротвердость, МПа
Лиственница: ранняя зона поздняя зона Сосна: ранняя зона поздняя зона Ель: ранняя зона поздняя зона	20,1 134,2   20,6 105,4   18,0 111,0	Дуб: ранняя зона поздняя зона сердцевинные лучи Бук. ранняя зона сердцевинные лучи Орех грецкий: ранняя зона поздняя зона	52,4 92,7 75,0   57,0 84,2   57,0 84,1

Для определения ударной твердости применяется стандар­тизованный метод А.Х. Певцова. Мерой твердости служит величина отпе­чатка, остающегося на исследуемой поверхности древесины после сбрасы­вания на нее стального шарика. Образцы изготовляют в виде прямоуголь­ного бруска размером 20х20мм и длиной 150мм. Используя установку, описание которой дано в пособии [63], сбрасывают шарик диаметром 25 мм с высоты 500 мм на радиальную поверхность образца в трех точках. Расстояние между центрами отпечатков должно быть примерно 40 мм. От­печатки имеют овальную форму, больший диаметр d₁ направлен поперек волокон, меньший d₂ - вдоль волокон.

Ударную твердость образца, Дж/см², вычисляют по формуле

, (115)

где G - вес шарика, Н; h - высота падения, м; d₁ и d₂ - диаметры отпечатка, см.

Ударная твердость радиальной поверхности древесины некоторых пород приведена в табл. 43.

43. Ударная твердость древесины

Порода	Ударная твердость, Дж/см, при влажности, %	Порода	Ударная твердость, Дж/см, при влажности, %
	30 и более		30 и более
Лиственница Ель Сосна Пихта кавказская Кедр	0,90 0,73 0,72 0,65 0,62	0,68 0,56 0,55 0,50 0,47	Акация белая Бук Береза Осина Тополь	1,21 0,96 0,80 0,73 0,68	0,96 0,79 0,67 0,62 0,57

Износостойкость древесины. Так называется способность древеси­ны сопротивляться износу, т. е. постепенному разрушению ее поверхност­ных зон при трении от воздействия абразивных элементов или микронеров­ностей более твердого тела. Первый вид износа наблюдается под воздейст­вием песка и других абразивных частиц при истирании полов, палуб и т. д.; второй - в трущихся частях машин (вкладыши подшипников, оси и пр.).

Для первого случая износа в ЦНИИМОДе разработан стандартный метод (ГОСТ 16483.39-81) испытаний. Используется испытательная ма­шина (рис. 72), обеспечивающая истирание древесины прижимаемой к ней шлифовальной шкуркой при возвратно-поступательном движении образца с одновременным его поворотом Образцы имеют форму призмы размера­ми 50x50x20 мм (последний размер по высоте образца). На отдельных об­разцах испытывают износостойкость поверхностей поперечного, танген­циального и радиального разрезов.

Рис. 72. Схема машины для испытания древесины на истирание: 1 - стол, 2 - диск, 3 - груз, 4 - абразивная шкурка, 5 - стойка, 6 - ось, 7 - образец, 8 -шпилька, 9 - стойка, 10- храповой механизм; 11 - приспособление для крепления образца

Измеряют высоту и массу после 400 возвратно-поступательных движе­ний образца. Показатель истирания t, мм, вычисляют по формуле

, (116)

где h - высота образца до испытания, мм; т ₁, т ₂ - масса образца соответ­ственно до и после испытания, г.

В табл. 44 приведены данные ЦНИИМОДа об износостойкости дре­весины некоторых пород.

44. Износостойкость древесины некоторых пород

Порода	Район произрастания	Показатель истирания, мм, поверхности разрезов
поперечного	радиального	тангенциального
Лиственница Сосна Ель Пихта Ясень Береза	Иркутская обл. Иркутская обл. Иркутская обл. Иркутская обл. Татарстан Архангельская обл.	0,07 0,12 0,18 0,18 0,09 0,13	0,17 0,31 0,24 0,26 0,17 0,26	0,14 0,28 0,24 0,30 0,14 0,29

Из табл. 44 следует, что износ с боковых поверхностей значительно больше, чем с поверхности поперечного разреза. С повышением плотности и твердости древесины износ уменьшается. У влажной древесины износ больше, чем у сухой

Аналогичным образом влияют указанные факторы и на износ древе­сины в трущихся частях машин. Для определения износостойкости древе­сины в этом случае можно использовать метод Н.Н. Суродейкина. Непод­вижно закрепленный образец древесины подвергается истиранию вра­щающейся втулкой из закаленной инструментальной стали, прижимаемой к образцу с определенным усилием. Показателем износа служит объем, получающейся в образце лунки после определенного числа оборотов исти­рающей втулки.

Дата добавления: 2015-04-30