Зависимость механических свойств древесины от ее плотности

20
ЛЕСНОЕ
10/2011
И ОХОТНИЧЬЕ
Научные публикации
ХОЗЯЙСТВО
УДК 630*812.7:582
Пауль Э.Э., кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, БГТУ;
Кухта В.Н. , ассистент, БГТУ
Зависимость механических
свойств древесины
от ее плотности
Резюме
В статье приводятся обобщенные данные о влиянии
плотности древесины на ее основные механические свойства на основе анализа 18 древесных пород. Показано, что
между плотностью древесины и ее механическими свойствами существует линейная зависимость с высокой степенью корреляции. Получены математические выражения этой зависимости, а также рассмотрена интенсивность
роста показателей механических свойств древесины в связи с увеличением плотности. Полученные зависимости позволяют прогнозировать показатели механических свойств
древесины по значению ее плотности.
Введение
Рациональное использование
древесины предполагает ее применение с учетом особенностей
ее технических свойств, и для выполнения этого условия необходимы подробные данные о свойствах древесины. Однако показатели свойств древесины в связи с
ее растительным происхождением характеризуются значительной
изменчивостью даже в пределах
породы. Процедура определения
этих показателей по действующим
стандартным методикам является
довольно непростой, так как требуется изготовление в большом количестве опытных образцов определенной формы (для некоторых
показателей довольно сложной) и
соответствующих размеров, а также специального оборудования и
приспособлений.
В древесиноведении плотность древесины традиционно
рассматривается как универсальный показатель качества древесины, поскольку между плотностью древесины и показателями
ее свойств существует довольно
тесная связь. Хотя в этом направ-
Summary
The article gives generalized facts of the
influence of timber density on its mechanical
properties on the basic of 18 timber species. It is
stated that there is linear dependence with high
degree of correlation between timber density
and its mechanical properties. Mathematical
formula of this dependence and growth
intensity of mechanical properties with density
growth are considered here. The obtained
dependences allow to predict the strength of
timber depending on its density.
лении и проводились исследования по отдельным древесным
породам и разным показателям
свойств, полученные данные не
систематизированы и не обобщены, несмотря на то, что имеют
важное практическое значение.
Для определения плотности
древесины существует целый
ряд методов, которые по своему
исполнению являются довольно
простыми по сравнению с методами непосредственного определения механических свойств древесины. В результате установления корреляционной связи между
плотностью и этими свойствами
возникает возможность использовать плотность для прогнозирования показателей физико-механических свойств древесины.
Основная часть
Цель работы – установить
обобщенную зависимость между
плотностью древесины и показателями механических свойств древесины разных пород, различающихся по своей плотности в диапазоне от 346 кг/м3 (пихта) до 804 кг/м3
(граб). В качестве показателей ме-
ханических свойств были рассмотрены такие характеристики, как
прочность при сжатии, статическом изгибе, растяжении, скалывании, твердость, ударная вязкость и
модуль упругости при изгибе.
Для решения поставленной задачи были использованы данные
о физико-механических свойствах древесины, представленные
в справочной литературе [1] и Руководящих технических материалах по древесине [2]. Для каждой
древесной породы были выбраны
парные значения «плотность древесины – показатель свойства».
Значения плотности и показатели механических свойств соответствуют влажности древесины,
равной 12%. В перечень рассматриваемых пород были включены
прежде всего породы, произрастающие в Республике Беларусь,
а в случае отсутствия данных о
физико-механических свойствах
некоторых из них использовались
данные, установленные в ближайшем зарубежье (Литве, Латвии,
Украине и европейской части России). Перечень рассматриваемых
пород включал: акацию белую,
ЛЕСНОЕ
10/2011
И ОХОТНИЧЬЕ
ХОЗЯЙСТВО
Научные публикации
Рис. 1. Влияние плотности древесины на ее предел
прочности при сжатии вдоль волокон
Рис. 2. Влияние плотности древесины на ее предел
прочности при статическом поперечном изгибе
Рис. 3. Зависимость ударной вязкости древесины
от ее плотности
Рис. 4. Влияние плотности древесины на ее предел
прочности при растяжении вдоль волокон
Рис. 5. Зависимость торцовой твердости древесины от ее
плотности
Рис. 6. Влияние плотности древесины на ее предел
прочности при скалывании вдоль волокон
21
22
ЛЕСНОЕ
10/2011
И ОХОТНИЧЬЕ
ХОЗЯЙСТВО
Научные публикации
Рис. 7. Зависимость модуля упругости древесины при
изгибе от ее плотности
березу, бук, вяз, граб, дуб, ель, ильм, клен, лиственницу, липу, ольху, орех грецкий, пихту, рябину, сосну,
тополь, ясень. На основании парных значений плотности и показателя свойства были построены обобщенные графики зависимости механических свойств
древесины от ее плотности, а также получены математические выражения этих зависимостей (указаны в
Таблице и на графиках). На рис. 1-7 представлены зависимости показателей механических свойств древесины от ее плотности в абсолютных значениях.
Как видим, приведенные графические зависимости рассматриваемых механических свойств
древесины от ее плотности показывают, что с
увеличением плотности показатели этих свойств
также возрастают по линейной закономерности,
а характер размещения точек на графике и данные таблицы свидетельствуют о достаточно вы-
Рис. 8. Возрастание механических свойств древесины
с увеличением ее плотности: 1 – твердость торцовая;
2 – скалывание вдоль волокон; 3 – ударный изгиб;
4 – статический изгиб; 5 – растяжение вдоль волокон;
6 – сжатие вдоль волокон; 7 – модуль упругости при изгибе.
сокой степени корреляции рассматриваемой зависимости.
Из приведенных данных таблицы следует, что наиболее тесная связь существует между плотностью древесины и статическим изгибом (r = 0,97 ± 0,05), торцовой твердостью (r = 0,94±0,08), сжатием вдоль волокон (r = 0,91±0,09) и скалыванием вдоль волокон
Зависимость механических свойств древесины от ее плотности
Вид механического свойства
Уравнение связи
между свойством
и плотностью (x)
Таблица
Показатель свойства
Коэффициент
(расчетный) при плотности, кг/м3 Возрастание
корреляции
свойства, %
(r±sr)
400
800
Сжатие вдоль волокон, МПа
у = 0,069х + 10,06
0,91±0,09
38
65
71,0
Статический изгиб, МПа
у = 0,196х – 17,58
0,97±0,05
61
139
127,9
Ударный изгиб, Дж/см2
у = 0,016х – 2,19
0,87±0,13
4,2
10,6
152,3
Растяжение вдоль, МПа
у = 0,154х + 20,98
0,85±0,11
83
144
74,5
Твердость торцовая, Н/мм2
у = 0,158х – 42,69
0,94±0,08
21
84
300,0
Модуль упругости, ГПа
у = 0,013х + 3,59
0,78±0,14
8,8
14,0
59,1
Скалывание вдоль волокон, МПа
у = 0,024х – 4,29
0,91±0,09
5,3
14,9
180,6
ЛЕСНОЕ
10/2011
И ОХОТНИЧЬЕ
ХОЗЯЙСТВО
Научные публикации
(r = 0,91±0,09). Несколько меньшей, но также достаточно высокой является корреляционная
связь между плотностью и растяжением вдоль волокон и модулем упругости при изгибе (коэффициенты корреляции соответственно составляют 0,85±0,11 и
0,78±0,14).
Представляет интерес не
только тесная связь между плотностью древесины и тем или
иным ее свойством, но и интенсивность возрастания показателя свойства с увеличением плотности. Особенности роста основных механических показателей
древесины в зависимости от возрастания ее плотности приведены на обобщенном графике
(рис. 8) в относительных единицах (в процентах).
На Рис. 8 показано, что в
наибольшей степени с увеличением плотности увеличивается торцовая твердость древесины и, в частности, как
показано в таблице, при увеличении плотности древесины от
400 кг/м3 до 800 кг/м3, т. е. в два
раза, твердость увеличивается
в 4 раза (на 300%). Такое резкое возрастание твердости древесины с увеличением ее плотности объясняется тем, что при
определении твердости древесина в процессе вдавливания в
нее стального пуансона сильно
уплотняется под ним и в спрессованном виде оказывает значительное сопротивление внедрению пуансона на требуемую
глубину. С увеличением плотности это локальное уплотнение
древесины становится столь
значительным, что приводит к
резкому повышению показателя
твердости.
При сжатии и растяжении
вдоль волокон с возрастанием плотности в два раза прочность при указанных видах нагрузки увеличивается примерно
в 1,7 раза, что приближается к
пропорциональному соотношению между плотностью и прочностью.
Сопротивление
древесины
статическому и ударному изги-
бу при увеличении ее плотности
в два раза несколько опережает рост плотности и увеличивается в 2,3-2,4 раза, однако при таком незначительном опережении
можно считать, что сопротивление указанным видам нагрузки
также практически увеличивается пропорционально увеличению
плотности.
Прочность древесины при
скалывании вдоль волокон с
увеличением плотности возрастает со значительным опережением плотности. Так, например,
при увеличении плотности от
400 кг/м3 до 800 кг/м3 (в 2 раза)
предел прочности при скалывании увеличивается от 5,3 МПа до
14,9 МПа, т. е. в 2,8 раза. Такое
интенсивное возрастание прочности древесины при скалывании вдоль волокон при увеличении плотности можно объяснить
следующим. Простой расчет показывает, что при возрастании
плотности древесины в два раза
толщина стенок клеток механической ткани у хвойных пород
увеличивается в 2,2-2,3 раза, а
у лиственных – в 2,5-2,6 раза.
Пропорционально увеличению
толщины стенок клеток будет,
несомненно, возрастать и сопротивление скалыванию, поскольку при данном виде нагрузки сопротивление древесины зависит
именно от толщины клеточной
стенки.
Меньше всего возрастание
плотности сказывается на увеличении модуля упругости древесины при изгибе. Увеличение
плотности древесины в два раза
повышает ее модуль упругости
только в 1,6 раза. Эту особенность древесины можно объяснить следующим обстоятельством. Особенности микроскопического строения древесины, и в
23
частности форма и размеры клеток, их взаимосвязь, строение и
состав клеточной оболочки, делают древесину материалом,
обладающим довольно высокой
жесткостью. Поэтому при определении модуля упругости при
статическом изгибе по стандартной методике, когда испытуемый
образец подвергается весьма
небольшой нагрузке в 500 Н, деформация образца от этого усилия также незначительна и не
может сильно возрастать из-за
жесткости древесины при увеличении ее плотности.
Заключение
На основании сопоставления
значений плотности древесины и показателей механических
свойств 18 наиболее распространенных древесных пород
выявлено, что плотность древесины является одним из основных факторов, определяющих
механические свойства древесины. Причем эта зависимость
имеет явно выраженный линейный характер с высокой степенью корреляции. Установлено
также, что возрастание механических свойств древесины с увеличением ее плотности у разных
свойств происходит не в одинаковой мере. В наибольшей степени повышение плотности отражается на увеличении твердости и прочности древесины
при скалывании, в меньшей –
при сжатии и растяжении, а также на модуле упругости при изгибе. Полученные уравнения
связи между плотностью и механическими свойствами древесины могут быть использованы
для определения показателей
этих свойств по предварительно
установленному значению плотности древесины.
Литература
1. Боровиков, А. М. Справочник по древесине / А. М. Боровиков,
Б. Н. Уголев – М.: Лесная промышленность, 1989. – 246 с.
2. Древесина. Показатели физико-механических свойств: РТМ /
Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров Союза ССР – М., 1962. – 48 с.