Механическая прочность древесины, страница 10

Форма образца применяетсятакая же, как при испытании металлических образцов — цилиндрическийобразец с плоскими головками и шейкой.Если у металлического образца головки изготавливаются плоскими,то для древесины целесообразнее использование призматических головок.Плоские головки при зажиме их в испытательной машине сильносминаются, что обычно ведет к снижению пределовпрочности.Призматическая часть головки может быть клееной.Для испытания древесины на разрыв поперек волокон применяютобразец, предложенный Белянкиным Ф.П. (рис. 3.26).На результаты испытаний существенное влияние могут оказыватьспособы закрепления образца, так как в большинстве случаев явлениескалывания может иметь место раньше, нежели разрушение прирастяжении. Поэтому поперечное сечение головок должно быть минимумбольше 3,5 раза размера шейки.В целях предохранения от смятия в отверстия головок вставляютсястальные цилиндрические пробки.Безусловно, подобные образцы не лишены недостатков.

В первуюочередьотметим ограниченное количествоструктурныхэлементовдревесины в тонкой рабочей части, а также высокую вероятностьповреждения древесной структуры при изготовлении. Но, проблема в том,что принятые образцы — практически единственно возможный вариантизучения растяжения, так как при увеличении толщины шейки и,соответственно,увеличенииразрушающейнагрузки,возрастаетнеобходимость в усилении закрепления головок образца в испытательном71оборудовании. Древесина же имеет низкую прочность на сжатие поперекволокон и смятие, в результате чего происходит растрескивание ипоявление трещин в головках, прежде чем образец разрушится отрастягивающего усилия.Автор сам столкнулся с указанной проблемой, когда пыталсяэкспериментально определить влияние масштабного фактора на прочностьпри растяжении, о чем подробнее будет сказано ниже.В отсутствии возможных вариантов использования испытательногооборудования и методов проведения эксперимента по растяжению неудалось обнаружить каких-либо серьезных расхождений у различныхспециалистов по древесине, и следует отметить, что вопросы прочностипри данном виде нагружения изучены всесторонне и полно4.При растяжении вдоль волокон основную «ответственность» запрочностные качества принимают на себя макромолекулы целлюлозы.

Порезультатам обширных исследований структуры древесного волокнаразделяют молекулы с высокой степенью полимеризации (более 1200),средней (200 - 800) и низкой (менее 200). Причем чем вьппе содержаниенизкомолекулярных фракций, тем ниже прочность и наоборот.Макромолекулы целлюлозы, прочно соединяясь вдоль оси оболочкиклетки,образуютпростейшиеволоконца— фибриллы.Ониивоспринимают основную нагрузку при растяжении вдоль волокон и вненагруженной древесине располагаются в произвольном скрученномсостоянии. При приложении нагрузки они вытягиваются, образовываяупорядоченнуюструктуру. При достижениинагрузкойнекоторогокритического значения, учитывая разность длин цепей макромолекул,начинается их лавинообразное разрывание, продолжающееся вплоть доразрушения образца.Только на малых образцах с диаметром «шейки» не более 3 мм.72При растяжении поперек волокон основная нагрузка передается намежволоконное вещество, состоящее в большинстве своем из лигнина.Разрушение при таком виде напряженного состояния носит еще болеехрупкий характер, чем при растяжении вдоль волокон.

При разрывепоперек волокон предел прочности в 12 - 17 раз меньше, чем прирастяжении вдоль волокон.Также проводились исследования поведения деревянных стержней снаправлением поперек волокон под углом к линии действия силы.Основная закономерность показана на графике, построенном по опытамЧернецова М.М. [120] (рис.3.3). При этом угол изменялся не отпоперечного направления к продольному,а только в поперечномнаправлении.Современный расчет на прочность при растяжениипроводят поформуле:Р<*=р£ВсЩ>гдекоэффициентто=0.8учитываетконцентрацию(3.4)напряжений,возникающую в местах ослаблений поперечного сечения, аRe - так называемое расчетное сопротивление материала, полученноеопытным путем при стандартных экспериментах.В нормативных изданиях расчетное сопротивление принимается длясосны, ели, европейской и японской лиственниц. Для других породсуществует таблица переходных коэффициентов.Если проанализировать диаграмму «cr-с» при растяжении (рис.3.4 а),то можно сделать вывод о хрупком поведении древесины.

При растяжениивдоль или поперек волокон максимальная деформация не превосходит 1 —3%. По данным Иванова Ю.М. [34] предел пластического течения1020304050607080Угол наклона волокон, град.Рис. 3.3 Испытание древесины на растяжение поперек волокон (поЧернецову)' Ia)6)напряжение aнапряжение aРис. 3.4 Условные диафаммы «напряжение - деформация» при а- растяжении, б - сжатии древесины О - поперек 2 - вдоль^75составляет 0,95 для сухой чистой древесины от предела прочности. При5увеличении влажности увеличивается пластичность . Так при влажности в15% предел пластического течения составляет от 0,62 до 0,8 пределапрочности. Кроме влажности на предел прочности при растяженииоказывают влияние объемный вес и длина отдельных волокон.По данным Свеницкого Г.В.

[90] предел пластического течениядревесины влажностью 12% составляет0,9 от предела прочности, асоответствующая ему относительная деформация - 0,88 от полной.Для наглядности приведем основные значения предела прочностиразличных пород древесины при растяжении (таблица 3.2)(здесь и далее —[21])Таблица 3.2.Прочность древесины при растяжении.Порода Объемныйвес в г/см3ПределОтношениеПредел прочности припрочностипределарастяжении, кгс/см2припрочностиВВрастяженииприрадиальномтангентальномвдольрастяжении направленииволокон,к пределукгс/см2прочностинаправлениипри сжатииСосна0,5210852,62719Ясень0,6918053,54742Береза0,6513902,9-48Осина0,5013103,53126Дуб0,7111002,2--Примечание: Отношение предела прочности при растяжении к пределу прочности присжатииприводитсяпридействиинагрузкивдольволокон.Вообще для древесины больше подходит термин «необратимые деформации», так как в прямом смыслепластического течения у нее не наблюдается.

Но в литературе по древесиноведению повсеместноприменяется понятие «пластичность».76Следует отметить, что сопоставление отношения предела прочностипри растяжении к пределу прочности при сжатии не учитывается влияниемасштабного фактора. Рабочая зона растягиваемого образца составляет 3мм в диаметре, тогда как образец при сжатии имеет призматическуюформу сечением 20x20 мм .3.3.Прочность древесины при сжатии.Сжатие - наиболее изученный вид напряженного состояния, один изсамых простых по реализации эксперимента и по практической важностивидиспытаний.Испытания на сжатие освобождены от различныхгипотез, не стеснены возможностями оборудования и формой образцов,могут проводиться на образцах различной формы, и оттого очень удобны впрактическом применении.Прочность древесины при сжатииволокон, впоследнемопределяется вдоль и поперекслучае - в радиальномитангентальномнаправлениях.Каждое из направлений при сжатии имеет свои особешюсти, которыенельзя обходить стороной.

Так, например, при сжатии поперек волоконнеобходимо учитывать площадь образца, на которую действует нагрузка.Возможны два случая: нагрузка приложена на всю поверхность образца, ина часть поверхности. Во втором случае в образце высокие деформациимогут быть вызваны смятием.Деформацию древесины всех пород при сжатии поперек волокон врадиальном, а рассеяннопоровых лиственных пород и в тангентальномХухрянский П.Н.

[123] описывает в три стадии:- В первой фазе деформация протекает до предела пластическоготечения ранней древесины. По терминологии Иванова Ю.М. [40]первая фаза соответствует "области неполной упругости" ранней77древесины.Перваяфазадлядревесиныразнойвлажностизаканчивается при относительной деформации в 3-6%. Кривыеупругойи пластическойдеформацииимеютвидпараболы,обращенной выпуклостью вверх.- Во второй фазе все кривые имеют горизонтальный или со слабымподъемом участок.

Величина пологой части как для упругой, так идля пластической деформации в сильной степени зависит отвлажности древесины в момент сжатия.- В третьей фазе кривые вновь направлены вверх, с увеличениемнагрузки растут деформации, в большей степени, необратимые.Деформация в первой фазе протекает за счет сжатия раннейдревесины годовых слоев. Фаза продолжается до предела пластическоготечения оболочек клеток ранней древесины.Вторая фаза начинается с пластического течения ранней древесины, спотерей устойчивости клеток. Деформация происходит в основном из-засмятия клеток ранней древесины. По мере вовлечения в деформациюклеток поздней древесины годовых слоев вторая фаза деформации плавнопереходит в третью.Величина полной деформации во второй фазе может быть определенапо процентному содержанию ранней древесины, понимая при этомотношение ширины ранней части годовых слоев к их общей ширине.Третья фаза протекает, главным образом, за счет сжатия клетокпоздней древесины.