Инородные включения, механические повреждения и пороки механической обработки

В ряде случаев в процессе обработки древесины обнаруживаются инородные включения в виде постороннего тела недревесного происхождения – гвоздь, проволока, металлический осколок или камень. Внешним признаком такого порока могут быть местное вздутие и складки коры в древесине, вмятина, отверстие. Такие включения затрудняют механическую обработку древесины и нередко бывают причиной повреждения режущих инструментов – фрез, дисковых пил резцов и т.д.

Механические повреждения и пороки механической обработки могут иметь различный характер и различное происхождение.

Иногда попадается обугленная древесина. Обугленность древесины является результатом повреждения ее огнем, при этом изменяется ее форма, что затрудняет использование и вызывает потерю древесины.

Карра– это повреждение ствола при подсочке, которое вызывает засмоление древесины.

Обзолпредставляет собой часть боковой поверхности бревна, которая сохранилась на обрезной доске или детали, что приводит к уменьшению фактической ширины доски и затрудняет ее использование.

При обработке древесины режущим инструментом образуются рискина ее поверхности, волнистость– неплоский пропил или неровности в виде дугообразных возвышений и впадин в результате цилиндрического фрезерования древесины.

Некачественная обработка древесины приводит к появлению ворсистости поверхности в виде наличия не полностью отделенных волокон и мшистости – наличия пучков не полностью отделенных волокон и мелких частиц древесины. Заруб– местное повреждение поверхности древесины топором. Запил– местное повреждение поверхности древесины режущим инструментом (пилой). При заготовке и обработке лесоматериалов возникают отщепы– отходящие от торца круглого лесоматериала боковые трещины. При аналогичных работах нередко получаются вырывы– углубления с неровными поверхностями в результате местного удаления древесины при воздействии инструментов или механизмов. При обработке древесины режущим инструментом против волокон часто наблюдаются различные механические захваты, которые оставляют вмятины– углубления на поверхности, образованные в результате местного смятия древесины, а также царапины – повреждения поверхности в виде узкого длинного углубления.

В результате выщербины режущей кромки инструмента образуются гребешки – участки необработанной поверхности в виде узкой полосы, выступающей над обработанной поверхностью.

При шлифовании поверхности древесины иногда получается такой дефект, как прошлифовка– удаление части древесины ниже уровня обрабатываемой поверхности.

При повышенном трении режущих инструментов в процессе обработки древесины нередко случается такой дефект, как ожогдревесины в виде потемневшего участка обрабатываемой поверхности.

Вышеперечисленные дефекты древесины снижают качество обработки, влияют на склеивание, отделку и облицовывание материала или целого изделия, в ряде случаев ухудшают внешний вид и нарушают целостность древесины, ухудшают механическую прочность и затрудняют использование.

Лекции № 6, 7. Свойства древесины

ЭСТЕТИЧЕСКИЕ свойства

· Цвет

Виды текстуры древесины:

1) без выраженного рисунка – липа, груша

	груша	липа

Груша

Цвет очень нежный, пастельно-бежевый. Текстура слабо выражена, имеет вид размытости. В основном применяется в рисунках паркета, придавая им воздушность. Почему-то описание не совпадает с самим рисунком

2) мелкокрапчатый рисунок – дуб, бук, чинара

Мелкокрапчатый рисунок

дуб	бук

Дуб

Широко применяется для настилки, изготовления мебели, элементов интерьера. Цвет древесины варьируется от светло-коричневого до темного с оттенками желтоватого и зеленоватого. При тангенциальном распиле имеет красивую, ярко выраженную текстуру. Идеально сочетается с большинством род дерева как по цвету, так и по свойствам.

Бук

Естественный цвет бука – бежевый с легким розоватым оттенком, розовый пастельный цвет бук приобретает после пропарки. Однородность структуры и спокойный ровный цвет древесины одинаково хорошо смотрятся и самостоятельно, и в сочетании с другими породами дерева.

3) муаровый рисунок – серый клен, волнистая береза, красное дерево

Клён

Древесина имеет сахарно-белый яркий цвет. Текстура или слабо выраженная, или совсем однородная. Клен великолепно сочетается с другими породами дерева, подчеркивая их контрастность.

Береза

Структура древесины очень равномерная, цвет светлый, ближе к белому, иногда с желтоватым оттенком, на свету играет перламутром. Береза хорошо контрастирует почти со всеми породами дерева, придавая рисунку яркость и блеск.

4) рисунок «птичий глаз» – ясень, клен, береза карельская, тополь украинский

5) раковинный рисунок – орех кавказский, ясень, карагач – комлевая часть

6) сучковатый рисунок – ель, сосна

Текстура разных пород имеет различный рисунок

Акация

Древесина с ярко выраженной декоративной текстурой содержит все оттенки коричневого с желтовато-золотистыми широкими прожилками. Хорошо смотрится в виде напольной доски.

Вишня

Древесина имеет розовато-коричневый теплый цвет, текстура достаточно выражена. Красиво смотрится как в сочетании со светлыми породами дерева, так и с темными.

Лиственница

Дерево желтоватого цвета, ровные или слегка волнистые коричневые волокна смотрятся ярко и красиво. Лиственница в основном не сочетается с другими породами дерева и используется в деревянной архитектуре. Древесина маслянистая, устойчивая к гниению.

Орех

Древесина серо-коричневая, местами серая, с серовато-белыми и темно-коричневыми полосами. Рисунок дерева всегда яркий, контрастный, С чередованием светлого и темного. Волокна как ровные, так и волнообразные. Орех очень хорош в скульптурных изделиях, мебели, паркете.

ФИЗИЧЕСКИЕ свойства

· Влажность древесины

Влажность – одна из основных характеристик древесины, так как дерево восприимчиво к колебаниям температуры и влажности.

При избыточной или недостаточной влажности древесина обычно впитывает или отдает влагу, соответственно увеличиваясь или уменьшаясь в объеме. При резком изменении температурно-влажностного режима в помещении в древесине возникают внутренние напряжения, которые приводят к трещинам и деформациям.

Вода в древесине может находиться в трех состояниях.

1. Физически связанное. Связанная, или гигроскопическая, вода находится в стенках клеток и сосудов древесины в виде тончайших гидратных (водных) оболочек на поверхности мельчайших элементов, слагающих стенки клеток.

2. Свободное состояние. Свободная, или капиллярная, вода заполняет полости клеток и сосудов и межклеточные пространства. Свободная вода находится в полостях клеток и межклеточных пространствах, поэтому удаляется из древесины легче.

3. Химически связанное. Химически связанная влага входит в химический состав древесины. Ее количество невелико и составляет 2—3%. Химически связанная влага может быть удалена из древесины только при ее глубокой (химической) переработке.

Удаление связанной воды затруднено и оказывает существенное влияние на изменение большинства свойств древесины. Максимальное количество связанной воды соответствует пределу насыщения клеточных стенок, который в расчетах принимается: W_п.н. = 30 %.

Для количественной характеристики содержания воды в древесине используют показатель влажности. Под влажностью древесины понимают выраженное в процентах отношение массы воды, находящейся в данном объеме древесины, к массе абсолютно сухой древесины: W_абс = 100 % (m – m₀) / m₀, где m – начальная масса образца древесины в граммах, а m₀ – масса образца абсолютно сухой древесины в граммах.

Реже используют показатель относительной влажности, в основном как показатель влажности дров: W_отн.=(m – m₀ / m) × 100 %.

Различают следующие ступени влажности древесины:

ü мокрая, W > 100 %, длительное время находилась в воде;

ü свежесрубленная, W= 50–100 %, сохранила влажность растущего дерева;

ü воздушно-сухая, W= 15–20 %, выдержанная на открытом воздухе;

ü комнатно-сухая, W = 8–12 %, долгое время находилась в отапливаемом помещении;

ü абсолютно-сухая, W = 0, высушенная при температуре 103 °С.

Содержание влаги в стволе растущего дерева изменяется по высоте и радиусу ствола, а также в зависимости от времени года. Влажность поверхностных слоев сосны в три раза выше влажности ядра. У лиственных пород изменение влажности по диаметру более равномерное. Влажность поверхности у хвойных пород увеличивается вверх по стволу, а влажность ядра не изменяется. У лиственных пород влажность поверхности не изменяется, а влажность ядра вверх по стволу снижается.

У молодых деревьев влажность выше и ее колебания в течение года больше, чем у старых деревьев. Наибольшее количество влаги содержится в зимний период (ноябрь – февраль), минимальное – в летние месяцы (июль – август). Содержание влаги в стволах изменяется в течение суток: утром и вечером влажность деревьев выше, чем днем. Влажность деталей бытовой мебели из древесины и древесных материалов должна быть 8 (±2) %, влажность вставных шипов из древесины твердых лиственных пород, березы или фанеры не должна быть более 6 %.

Свежесрубленная древесина имеет влажность в пределах 50–100 %, а при длительном нахождении в воде – более 100 %.

Древесина, находящаяся в эксплуатации, обычно подвергается воздействию как долгосрочных (сезонных), так и краткосрочных (суточных) изменений относительной влажности и температуры окружающего воздуха.

Изменения влажности древесины можно уменьшить:

1. нанесением защитных покрытий – олифы, лаков или краски.

2. сушка – это сведение до минимума изменений влажности древесины.

Сушка древесины бывает двух видов – атмосферной,при температуре окружающей среды, и искусственной,или камерной, когда температура может быть до 100 °C и выше.

После сушки на открытом воздухе влажность снижается до 15–20 %.

При камерной сушке происходит усушка древесины, т.е. уменьшение линейных размеров в радиальном направлении на 3–7 %, а в тангенциальном – на 8–10 %, вдоль волокон – 0,1–0,3 %.

Полная объемная усушка составляет 11–17 %.

Усушка – это уменьшение линейных размеров и объема древесины при удалении из нее связанной воды (высыхание). Удаление свободной воды не вызывает усушки. Однако усушка начинается лишь после полного удаления свободной влаги.

Полная усушка древесины наиболее распространенных отечественных пород в тангенциальном направлении составляет 8–10 %, в радиальном 3–7 %, а вдоль волокон 0,1–0,3 %.

По величине коэффициента объемной усушки древесные породы, которые растут в России, делятся на три группы:

– малоусыхающие (коэффициент объемной усушки не более 0,4%): ель сибирская и обыкновенная, кедры сибирский и корейский, пихта сибирская, тополь белый;

– среднеусыхающие (коэффициент объемной усушки от 0,4 до 0,47%): вяз, дуб, бук восточный, липа мелколистная, осина, ольха черная, пихта белокорая, кавказская и маньчжурская, ясень, тополь черный;

– сильноусыхающие (коэффициент объемной усушки 0,47% и более): бук восточный, березы плакучая и белая, граб, лиственницы сибирская и даурская, клен остролистный.

При сушке древесины с уменьшением влажности меняются ее механические свойства – уменьшается упругость, но увеличивается прочность при сжатии, а также уменьшается электропроводность.

Во время сушки в дереве возникают внутренние напряжения. Если напряжения достигнут предела прочности древесины на растяжение поперек волокон, то могут возникнуть трещины: в начале процесса сушки на поверхности, а в конце – внутри полуфабриката. Внутренние напряжения могут сохраняться и в высушенном материале и служить причиной изменения размеров и формы деталей, вызывать их коробление. Для уменьшения напряжения следует применять дополнительную обработку (механическую или увлажнение паром).

· Плотность древесины– это масса единицы объема материала, выражающаяся в г/см³ или кг/м³. Плотность древесного вещества – это масса единицы объема материала, образующего клеточные стенки. Она для всех пород примерно одинакова и равна 1,53 г/см³, т.е. в 1,5 раза выше плотности воды.

Плотность древесины зависит от влажности, и для сравнения значений плотности образцы всегда приводят к единой степени влажности (12 %).

По плотности при влажности 12 % древесину можно разделить на три группы:

ü породы с малой плотностью (510 кг/м³ и менее): сосна, ель, пихта, кедр, тополь, липа, ива, ольха, каштан, орех;

ü со средней (510–740 кг/м³): лиственница, тис, береза, бук, вяз, груша, дуб, ильм, карагач, клен, платан, рябина, яблоня, ясень;

ü с высокой плотностью (740 кг/м³ выше): акация белая, береза железная, граб, самшит, саксаул, фисташка, кизил.

Величина плотности колеблется в очень широких пределах. Плотность некоторых пород древесины приведена в таблице 1.

Таблица 1

Сравнение плотности некоторых пород древесины

Плотность абсолютно сухой древесины – это масса единицы объема древесины при отсутствии в ней воды. Она определяется по формуле:

ρ₀= m₀/ V₀,

где р₀ – плотность абсолютно сухой древесины, г/см³ или кг/м³; m₀ – масса образца древесины при влажности 0 %, г или кг; V₀ – объем образца древесины при влажности
0 %, см³ или м³.

Плотность древесины меньше плотности древесного вещества, так как она имеет пустоты, заполненные воздухом, т.е. пористость, которая выражается в процентах и характеризует отношение пустот в абсолютно сухой древесине. Чем больше плотность древесины, тем меньше ее пористость.

Плотность древесины имеет большое практическое значение. Между плотностью и прочностью древесины существует тесная связь. Более тяжелая древесина, как правило, является более прочной. Древесину с высокой плотностью особенно ценят на производстве за ее прочность и хорошую обрабатываемость.

Тепловые свойства древесины– это теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение.

Теплоемкость – способность древесины аккумулировать тепло. За показатель теплоемкости принята удельная теплоемкость С – количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг массы древесины на 1 °C. Она измеряется в кДж/кг × t °С.

· Удельная теплоемкость древесины зависит от ее температуры и влажности, но практически не зависит от плотности или породы – для всех пород одинакова и при температуре 0 °C для абсолютно сухой древесины равна 1,55 кДж.

Сухая древесина представляет собой древесное вещество и воздух, причем массовая доля воздуха в ней незначительна. Поэтому теплоемкость сухой древесины практически равна теплоемкости древесного вещества.

Если древесина содержит влагу, удельная теплоемкость увеличивается, так как удельная теплоемкость воды больше, чем теплоемкость сухой древесины. Однако фактическая удельная теплоемкость влажной древесины больше, чем можно было бы ожидать от простого суммирования влияния древесины и воды. Удельная теплоемкость повышается благодаря тепловой энергии, выделяющейся при взаимодействии древесины и влаги.

С повышением температуры удельная теплоемкость несколько возрастает и при температуре 100 °C увеличивается примерно на 25 %.

· Коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, которое проходит в единицу времени через стенку из древесины площадью 1 м² и толщиной 1 м при разности температур на противоположных сторонах стенки в 1 °C. Он измеряется в Вт / (м×°С). Для древесины равен 0,1–0,35 ккал м^-1 градчас^-1. Плотная древесина проводит тепло несколько лучше рыхлой.

Влажность древесины повышает ее теплопроводность, которая вдоль волокон примерно вдвое больше, чем поперек. Теплопроводность сухой древесины незначительна, что объясняется пористостью ее строения.

· Температуропроводность характеризует способность древесины выравнивать температуру по объему (нестационарный перенос теплоты в древесине). Эта характеристика весьма важна для строительной древесины, так как определяет теплоту внутри постройки.

Значение температуропроводности древесины поперек волокон, например сосны с условной плотностью 400 кг/м³ при температуре 20 °С составляет (1,8–1,9)×10^-7 и (1,5–1,8)×10^-7 м²/с соответственно для сухой и свежесрубленной древесины.

Коэффициент температуропроводности характеризует скорость изменения температуры древесины при ее нагревании или охлаждении, рассчитывают по формуле:

α = λ/с × ρ,

где ρ – плотность материала, кг/м³; λ – коэффициент теплопроводности, Вт / (м×°С); с – удельная теплоемкость древесины, кДж / (кг×°С).

· Тепловое расширение – способность древесины увеличивать линейные и объемные размеры при нагревании. Температурный коэффициент линейного расширения вдоль волокон равен (2,5– 5,4)×10^–6 °С, а поперек волокон – на порядок выше, причем в тангенциальном направлении в 1,5–1,8 раза больше, чем в радиальном.

Коэффициент теплового расширения древесины в 3–10 раз меньше, чем у металла, бетона, стекла. С увеличением температуры, влажности и плотности он растет.

· Электрические свойства древесины имеют значение для использования ее в качестве диэлектрика при создании художественных и технических объектов (электропроводность, диэлектрическая проницаемость).

Электропроводность древесины, т.е. способность проводить электрический ток, находится в обратной зависимости от ее электрического сопротивления.

Электросопротивление древесины вдоль волокон в несколько раз меньше, чем поперек волокон.

Существуют поверхностное и объемное сопротивления, которые в сумме дают полное сопротивление образца древесины, размещенного между двумя электродами. Объемное сопротивление характеризует препятствие прохождению тока сквозь толщу образца, а поверхностное – по поверхности. Показателями электрического сопротивления служат удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления.

Снижение поверхностного сопротивления происходит при увеличении влажности. Например, при увеличении влажности бука от 4,5 до 17 % поверхностное электрическое сопротивление уменьшается с 1,2×10¹³ до 1×10⁷ Ом.

Кроме того, в результате исследований установлено, что снижение электрического сопротивления древесины происходит при ее нагревании, особенно при ее низкой влажности. Так, увеличение температуры от 20 до 94 °C снижает сопротивление абсолютно сухой древесины в 10⁶ раз.

Сухая древесина относится к диэлектрикам. Коэффициент диэлектрической проницаемости сухой древесины равен 2–3. С повышением влажности древесины сопротивление уменьшается. Особенно резкое снижение сопротивления наблюдается при увеличении содержания связанной воды (от 0 до 30 %).

· Акустические свойства.При исследованиях акустических свойств древесины установлено, что скорость распространения звука в древесине тем больше, чем меньше ее плотность и выше модуль упругости. Средние значения скорости звука вдоль волокон для комнатно-сухой древесины равны: дуб – 4720 м/с, ясень – 4730 м/с, сосна – 5360 м/с, лиственница – 4930 м/с.

Далее исследования показали, что скорость звука поперек волокон в 3–4 раза меньше, чем вдоль волокон. Скорость распространения звука зависит от свойств материалов и в первую очередь от плотности, например в стали звук распространяется со скоростью 5050 м/с, в воздухе – 330 м/с, а в каучуке – 30 м/с.

На данных, полученных при исследованиях акустических свойств древесины, построен ультразвуковой метод определения ее прочности и внутренних скрытых дефектов. Согласно данным исследований звукопоглощающая способность древесины низка, например звукоизоляция сосновой древесины при толщине 3 см составляет 12 дБ, а дубовой при толщине 4,5 см – 27 дБ.

Наилучшие акустические свойства в части наибольшего излучения звука имеет древесина ели, пихты и кедра, которая используется для изготовления многих музыкальных инструментов: щипковых, смычковых, клавишных и др. Как показала практика, наилучшими акустическими свойствами обладает древесина длительной выдержки – в течение 50 лет и более.

Механические свойства

К механическим свойствам относятся прочность и деформативность древесины, а также некоторые технологические свойства.

С повышением температуры показатели механических свойств древесины уменьшаются, а со снижением ее увеличиваются. Изменение температуры отражается на свойствах древесины, а продолжительное воздействие высоких температур, кроме того, необратимо снижает механические характеристики.

· Прочность

Прочность древесины – это способность ее сопротивляться разрушениям под воздействием внешних нагрузок. Предел прочности древесины определяется путем испытания образцов на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг.

При испытании древесины на сжатие нагрузку производят вдоль волокон, затем поперек и в одном месте.

Предел прочности определяют в МПа по формуле:

s_сж = Р_max / (a×b),

где P_max – максимальная разрушающая нагрузка, Н;

а и b – размеры образца древесины, мм.

Предел прочности при растяжении.

Средняя величина предела прочности при растяжении вдоль волокон близка для всех пород древесины и составляет 120–150 МПа. На прочность при растяжении вдоль волокон оказывает большое влияние строение древесины. Даже небольшое отклонение от правильного расположения волокон вызывает снижение прочности.

Прочность древесины при растяжении поперек волокон очень мала и в среднем составляет 1/20 от предела прочности при растяжении вдоль волокон, т.е. 6–8 МПа. Поэтому древесина почти не применяется в деталях, работающих на растяжение поперек волокон. Прочность древесины на растяжение поперек волокон имеет значение при разработке режимов резания и сушки древесины.

На практике в большинстве случаев изделия из древесины работают с нагрузками на изгиб. Поэтому образцы древесины обязательно испытывают на изгиб, при этом определяют предел прочности в МПа по формуле:

s_из = 3Р_max× l/2 × b × h²,

где l – расстояние между опорами, мм; b – ширина образца в радиальном направлении, мм; h – высота образца в тангенциальном направлении, мм.

При изгибании образца с выпуклой стороны возникают напряжения растяжения, а с вогнутой – сжатия. При нагрузках выше предельной величины разрушение древесины происходит в виде разрыва растянутых волокон на выпуклой стороне излома образца.

Большое значение имеет показатель прочности при сдвиге. Этот показатель определяют при испытаниях трех видов сдвига: на скалывание вдоль и поперек волокон; на перерезание древесины поперек волокон. При этом предел прочности древесины на скалывание – s_ск, МПа определяют по формуле:

s_ск = Р_max / (b×l),

где P_max – максимальная нагрузка, Н; b, l – толщина и длина образца в плоскости скалывания, мм.

Испытания на перерезание древесины поперек волокон проводят на образцах с применением подвижного ножа.

При этом предел прочности в МПа определяют по формуле:

τ = Р_max / (2×a×b),

где P_max – максимальная нагрузка, Н; а и b – размеры сечения образца, мм (поперечные).

Как показывают результаты испытаний, прочность древесины при перерезании поперек волокон в 4 раза больше, чем при скалывании вдоль волокон.

Как показали испытания, модули упругости при сжатии и растяжении древесины примерно одинаковы и составляют для сосны – 12,3 ГПа, для дуба – 14,6 ГПа и для березы – 16,4 ГПа при влажности 12 %. Модуль упругости поперек волокон примерно в 20–25 раз меньше, чем вдоль, а в радиальном направлении выше, чем в тангенциальном, примерно на 20–50 %.

При испытаниях древесины также определяют модуль упругости:

Е = 3×Р×l / (64b×h³×f),

где Р – нагрузка, равная разности между верхними и нижними пределами измерения, Н;

l – расстояние между опорами (на которых располагается образец древесины), мм;

b и h – ширина и высота образца, мм;

f – прогиб, равный разности среднеарифметических значений прогиба при верхнем и нижнем пределах нагружения, мм.

· Твердость –это ее способность сопротивляться вдавливанию тела из более твердого материала – стального пуансона с полусферическим наконечником радиусом
r = 5,64 мм на глубину 5,64 мм. При этом в конце нагружения по шкале силоизмерителя машины отсчитывают нагрузку Р. После испытания в древесине остается отпечаток площадью 100 мм². Статическую твердость образца определяют в Н/мм по формуле:

Н = Р / π×r²,

где π×r² – площадь отпечатка в древесине при вдавливании в нее полусферы радиусом r, мм.

Если имеет место раскалывание образцов в процессе испытаний, то пуансон вдавливают на меньшую глубину – 2,82 мм, а твердость определяют по формуле:

Н = 4Р / (3π×r²).

Испытания на твердость проводят в статических (когда в древесину вдавливают, например, стальной шарик) или в динамических (когда на древесину падает металлический шарик) условиях. В первом и во втором случаях на поверхности древесины остаются отпечатки-вмятины, глубина и площадь которых характеризуют твердость древесины. Важно отметить, что чем твёрже дерево, тем выше этот показатель.

Твердость древесины имеет существенное значение при обработке ее режущими инструментами: фрезеровании, пилении, лущении, а также в тех случаях, когда она подвергается истиранию.

Твердость зависит от породы дерева, плотности древесины, влажности и наличия пороков.

По степени твердости все древесные породы и влажности 12 % можно разделить на три группы:

ü мягкие (торцевая твердость 38,6 МПа и менее) – сосна, ель, кедр, пихта, тополь, липа, осина, ольха;

ü твердые (торцевая твердость от 38,6 до 82,5 МПа) – лиственница сибирская, береза, бук, вяз, ильм, карагач, клен, яблоня, ясень;

ü очень твердые (торцевая твердость более 82,5 МПа) – акация белая, береза железная, граб, кизил, самшит.

Таблица 2

Твердость некоторых пород древесины

 

123

---

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:

©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.