Информация

В древесиноведении существует осо­бый (по сравнению с металловеде­нием) подход к определению и изме­рению такого свойства материалов, как твердость. Этим особенностям, а также специфической характерис­тике древесины — способности удерживать крепления, и посвящена очередная публикация рубрики.

 

К технологическим параметрам твердость отно­сят потому, что это свойство особенно важно учи­тывать в процессе обработки древесины резанием. От твердости заготовки зависит период стойкости режущего инструмента. Кроме того, твердость ока­зывает существенное влияние на эксплуатацион­ные и потребительские свойства изделий, напри­мер, на износостойкость напольных покрытий, ступеней лестниц и т. д.

Твердость определяется как свойство материала оказывать сопротивление пластическим деформа­циям поверхности тела при взаимодействии его с другим телом. На практике твердость измеряют непрерывно вдавливая в поверхность образца ма­териала специальный пуансон — индентор. Для металлов это либо стальной шарик, либо алмаз­ный конус или пирамидка. Здесь усилие вдавлива­ния остается постоянным, а твердость определяет­ся по размерам отпечатка. Для проведения этих операций приборы оснащаются специальными из­мерительными микроскопами. В зависимости от материала и формы индентора существуют раз­личные методы (Бринелля, Роквелла, Виккерса и т. д.). Для каждого из этих методов разработана своя шкала значений твердости в условных едини­цах. Поэтому, указывая твердость в этих единицах, их всегда принято сопровождать условным обоз­начением того метода, который использовался для ее определения, например: НВ — шкала Бринелля; HRC — шкала Роквелла и т.д.

Для древесины принцип остается тем же, но ме­тод измерения несколько проще. Отличаются и единицы, в которых выражается твердость древе­сины. В качестве индентора используют стальную полусферу радиусом 5,64 мм. Вдавливание произ­водят в течение 1-2 минут на глубину 5,64 мм и измеряют усилие, которое требуется для этого. Глубину погружения контролируют с помощью индикатора часового типа. Радиус индентора выб­ран не случайно. Площадь горизонтальной проек­ции отпечатка при указанном радиусе полусферы составляет 100 мм², Полученное значение усилия относят к площади отпечатка и выражают твердость в Н/мм². Твердость, определенную таким способом, обычно именуют ста­тической. Статическая твердость торцовой по­верхности образцов древесины выше, чем боковых: примерно на 40%— для хвойных пород и на 30% — для листвен­ных. Различий между твердостью ради­альной и тангенциальной поверхнос­тей для большинства пород почти нет, и только у пород с развитыми сердце­винными лучами (дуб, бук, ильм) твер­дость радиальная на 5-10% выше, чем тангенциальная. Твердость древесины при стандартной влажности (12%) при­мерно вдвое выше, чем при влажности, превышающей предел насыщения кле­точных стенок (30%).

 

Все отечественные породы по твер­дости торцовой поверхности при влаж­ности 12% делят на три группы:

•   мягкие (твердость ниже 40 Н/мм²) — кедр, липа, осина, ель, тополь, пихта, сосна, ольха;

•   твердые (41-80 Н/мм²) — лиственни­ца сибирская, береза, бук, дуб, вяз, ильм, клен, яблоня, груша, ясень;

•   очень твердые (более 80 Н/мм²) — граб, акация белая, береза железная, кизил, самшит, железное дерево, тис, хмелеграб, фисташка.

 

Различные анатомические элементы древесины имеют разную твердость. Она определяется на участках значи­тельно меньших, чем при стандартных испытаниях. Так, установлено, что твер­дость ранней зоны годичных слоев су­щественно ниже, чем поздней (особен­но у хвойных пород). Например, для лиственницы древесина поздней зоны годичного слоя тверже древесины ран­ней зоны более чем в шесть раз.

Для некоторых пород характерен рост твердости с увеличением возраста изделий (лиственница, дуб). То же явле­ние наблюдается и при длительном воздействии речной воды на такие по­роды, как лиственница, мореный дуб.

В некоторых случаях важно знать и ударную твердость. Ее определяют, сбрасывая на образец стальной шарик диаметром 25 мм с высоты 500 мм. За­тем относят энергию шарика, с кото­рой он падает на поверхность образца, к площади отпечатка и выражают удар­ную твердость в Дж/см².

 

Нет такого человека, который не знал бы об уникальной способности древеси­ны удерживать крепления — гвозди, шу­рупы, скобы, костыли и т.д. Эта способ­ность объясняется теми процессами, ко­торые происходят в древесине при заби­вании гвоздя или ввинчивании шурупа. Древесина в зоне крепления претерпева­ет упругие и пластические деформации вплоть до местного разрушения. Упругие деформации и создают давление на по­верхность гвоздя (шурупа), которое вызывает силу трения, удерживающую крепление в детали. Методика определе­ния сопротивления выдергиванию креп­лений разработана ЦНИИМОДом. И по этой методике исследованы основные коммерческие породы. Это делается сле­дующим образом.

 

 

Порода	Ударная твердость,  Дж/см2, при влажности 12%
Лиственница	0.90
Ель	0,73
Сосна	0,72
Пихта кавказская	0,65
Кедр	0,62
Акация белая	1.21
Бук	0.96
Береза	0,80
Осина	0,73
Тополь	0.68

 

В качестве образца используется бру­сок сечением 50x50 мм и длиной 150 мм. Для испытаний применяются гвозди диаметром 2 мм и шурупы диаметром 4 мм, длина их должна быть не менее 50 мм. Гвозди забивают (вдавливают) на глубину 30 мм ±1. Шурупы ввинчивают в предва­рительно высверленное отверстие глуби­ной 16 мм на глубину 20 мм ±1. Выдерги­вание гвоздей или шурупов проводят с помощью специального устройства. Ско­рость выдергивания стараются держать постоянной, так чтобы гвоздь был извле­чен е течение 3 минут. При этом фикси­руется максимальное усилие, которое от­носят к глубине забивания и определяют удельное сопротивление выдергиванию креплений. Естественно, что для выдер­гивания шурупов требуются большие усилия, чем для гвоздей, т. к. здесь к силе трения присоединяется сила, которую надо приложить, чтобы преодолеть со­противление волокон древесины перере­занию и разрыву. Для выдергивания шу­рупов одинакового с гвоздями диаметра, но вдвое меньшей длины, понадобится вдвое большее усилие.

Сопротивление выдергиванию гвоз­дей в первую очередь зависит от на­правления. Если забивать гвоздь в то­рец образца (вдоль волокон), то усилие для его выдергивания будет на 10-50% меньше, чем для случая, когда гвоздь за­бивают поперек волокон. Разница меж­ду радиальной и тангенциальной по­верхностями практически незаметна.

Естественно, что на этот показатель оказывает влияние влажность древесины. Во влажную древесину и забивать, и вы­дергивать гвоздь легче, чем в сухую. Заби­тый в сухую древесину гвоздь будет дер­жать надежнее, чем тот, который забит в сырую. Это объясняется тем, что упругие деформации при высыхании древесины частично переходят в замороженные, и остаточные напряжения и силы трения, удерживающие гвоздь, уменьшаются.

Чем выше плотность древесины, тем большие усилия требуются для забива­ния и выдергивания креплений. Так,
чтобы вытащить гвоздь, забитый в обра­зец граба (плотность 730кг/м⁵), пона­добится усилие примерно в 4 раза боль­ше, чем для гвоздя, забитого в сосновый образец (плотность 440 кг/м').