Древесина и древесные материалы.
Главным показателем механических свойств древесины является ее прочность, способность противостоять расщеплению при воздействии внешних сил.
Для определения технологичности очень важным показателем будет твердость, т.е. сопротивляемость обработке различным инструментом. Пластичность является также важным показателем технологичности, т.к. это свойство древесины изменять свою форму без признаков разрушения в процессе гнутья. Пластичность предполагает сохранение древесиной приданной гнутьем формы после снятия нагрузки. Упругость же, наоборот, предполагает восстановление первоначальной формы после снятия внешней нагрузки.
Большое значение имеют плотность древесины, влажность, показатели усушки, разбухания, теплопроводности.
Физико-механические свойства древесины.
К физическим свойствам древесины относятся свойства, определяющие внешний вид древесины, - текстура, цвет, блеск; влажность древесины и свойства, связанные с ее изменением, - усушка и разбухание; плотность древесины.
Текстура древесины - это рисунок, образующийся на ее поверхности вследствие перерезания анатомических элементов строения. Чем сложнее строение древесины и разнообразнее сочетания элементов, тем богаче текстура. На характер текстуры влияют: направление разреза (радиальное, тангенциальное, тангенциально-торцовое) ; какая часть дерева попала в разрез (стволовая, комлевая, у развилин крупных ветвей, наплыв или кап). Древесина хвойных пород имеет чаще всего однообразную, хотя и четко выраженную текстуру в виде параллельных (на радиальном разрезе), образующих конус (на тангенциальном разрезе) чередующихся светлых и темных полос. У лиственных пород, имеющих более сложное строение, текстура весьма разнообразна и во многих случаях очень красива.
Богатой текстурой (2) обладает древесина грецкого ореха, платана, клена «птичий глаз», карельской березы и многих иноземных пород (красного, фиалкового, розового, сатинового дерева, палисандра и др.). Выразительную текстуру имеет древесина дуба, ясеня, карагача и др. Слабовыраженная текстура у древесины березы, ольхи, груши. К бестекстурным породам относят липу, граб, осину.
Цвет - важная характеристика породы древесины и ее качества. Ту или иную окраску и степень ее интенсивности определяют содержащиеся в древесине красящие и дубильные вещества, смолы и продукты их окисления.
Для большинства пород характерны желтовато-бурые и красновато-коричневые тона с различными оттенками. Но встречаются породы с почти белым (береза, осина, граб, пихта) и черным (эбеновое дерево) цветом. Некоторые породы, например грецкий орех, отличаются широким диапазоном цветовых оттенков. Каждой породе присущ свой, неповторимый колорит, однако он не всегда постоянен. С возрастом дерева интенсивность окраски усиливается. Изменяется она и под действием внешних факторов - света, воды, воздуха.
От прямых солнечных лучей цвет древесины утрачивает яркость, темнеет и сереет. Изменяется он и при поражении древесины плесенью и грибами, становится необычным, не свойственным данной породе. Для сохранения естественного цвета поверхность древесины покрывают прозрачными отделочными материалами.
Блеск древесины проявляется главным образом на радиальном разрезе, когда свет отражается от гладких и блестящих внутренних стенок сосудов и сердцевинных лучей. Характер блеска у разных пород различен: полуматовым (сатиновым) блеском обладает древесина граба, тополя, груши; шелковистым - платана, кедра, клена, сосны; муаровым - березы, серого клена, лавровишни и т. д.
Блеск и цвет древесины зависят не только от природных свойств, но и от условий освещения поверхности, что называют светоотра-жением древесины. Оно проявляется в том, что при поворачивании поверхности древесины по отношению к источнику света, при котором меняется угол падения светового луча по отношению к направлению волокон, наблюдаются своеобразные светопереливы: матовые места становятся блестящими, темные - светлыми, и наоборот, а цвет древесины меняет оттенок, приобретая то золотистый, то серебристый отлив. Это ценное декоративное качество древесины используют в мозаичных работах и художественном паркете.
Влажность оказывает большое влияние на свойства древесины как поделочного материала. Изделие, изготовленное из сырого материала, легко поражается плесенью и загнивает, при сушке изменяет размеры и форму, коробится и растрескивается.
Древесина как растительный материал всегда содержит определенное количество влаги, которое соответствует влажности окружающей среды, поэтому говорят, что древесина обладает равновесной влажностью. Попадая в условия повышенной влажности, например в воду, древесина впитывает в себя влагу, а попадая в сухое помещение - отдает влагу до тех пор, пока между внутренним и внешним значениями влажности не установится равновесие.
Для количественной оценки влажности древесины введено понятие «абсолютная влажность древесины».
Для практического определения значения влажности испытуемый образец древесины взвешивают на рычажных весах с погрешностью до 0,001 г, затем образец высушивают в сушильном шкафу до постоянной массы (т. е. до полного испарения воды), проверяя ее путем повторных взвешиваний. Результат определяют по формуле.
Этот метод дает достаточно точные результаты, но требует длительного времени - 8-10 ч. В производственных условиях при массовом определении влажности пользуются более быстрым электрическим методом, основанном на измерении электропроводности древесины, которая, в свою очередь, зависит от содержания в древесине воды. Для этой цели применяют специальные приборы - электровлагомеры.
По степени влажности различают следующие состояния древесины:
мокрая, долгое время находившаяся в воде (W > 100%);
свежесрубленная (50-100%);
воздушно-сухая, долгое время пролежавшая на воздухе (15-20%), в зависимости от климатических условий и времени года;
комнатно-сухая (6-10%) и
абсолютно сухая (около 0%).
При изготовлении изделий для внутреннего убранства помещений влажность древесины должна быть (8 ± 2) %, для экстерьера - 15-20%.
Установить точное значение влажности весовым или электрическим методом не всегда представляется возможным (только на предприятии, где есть лаборатория). Однако опытные мастера по обработке дерева достаточно точно определяют степень влажности древесины по стружке. Если скомкать в руке стружку средней толщины, снятую с прямослойного участка, и она при этом раскрошится, значит, древесина пересушена; если стружка остается цельной, но легко ломается - древесина достаточно сухая; если же стружка не ломается, а мнется, как мочало, - древесина сырая.
С изменением влажности древесины связаны такие ее свойства, как усушка и разбухание. Усушкой называют уменьшение линейных размеров и объема древесины при сушке. Общее количество влаги в сырой древесине складывается из свободной влаги, находящейся- в полостях сосудов и клеток, и связанной влаги, находящейся в толще клеточных оболочек. Для всех пород количество связанной влаги одинаково и составляет примерно 30%. Состояние древесины, при котором в клеточных оболочках содержится максимальное количество связанной влаги, а свободной влаги нет, называют пределом гигроскопичности.
В процессе сушки испарение свободной влаги, т. е. снижение влажности от свежесрубленного или мокрого состояния до предела гигроскопичности, происходит сравнительно быстро и легко и не вызывает усушки. Удаление связанной влаги требует значительных затрат энергии и времени, приводит к уменьшению размеров клеток, а следовательно, и общих размеров древесины, т.е. к усушке.
Уменьшение размеров древесины при высыхании не одинаково по различным направлениям, что приводит к деформации поперечного сечения сортиментов, выпиленных из сырого бревна (3). Максимальная усушка - поперек волокон в тангенциальном направлении (по окружности годичных колец) - 6-10% (6-10 см на 1м); в два раза меньше - поперек волокон в радиальном направлении - 3-5%; практически незаметна - вдоль волокон - 0,1% (1 мм на 1 м). Объемная усушка в среднем составляет 12-15%.
Величина усушки зависит также от породы дерева и места его произрастания. К малоусыхающим относятся ели, пихта, кедр, можжевельник, тис, ива, хурма кавказская, черешня лесная; к средне-усыхающим - сосна, дуб, ясень, вяз, груша, орех грецкий, липа, рябина, ольха черная, осина, тополь; к сильноусыхающим - лиственница, бук, граб, клен, береза, белая акация.
Усушку поперек волокон необходимо учитывать при распиловке бревен на доски; бревна распиливают обычно вр влажном состоянии и если не дать припуска на усушку, полученные пиломатериалы после высыхания не будут иметь требуемых размеров поперечного сечения.
Разбухание - явление, обратное усушке, и подчиняется тем же закономерностям: наибольшее разбухание наблюдается в тангенциальном направлении поперек волокон, а наименьшее - вдоль волокон. Разбухание - отрицательное свойство древесины, но в некоторых случаях оно приносит пользу, обеспечивая плотность соединений (в бочарной таре под жидкие товары, в деревянных трубах, судах и т. д.). Для предотвращения разбухания древесины ее покрывают лаками и красками, но это не всегда эффективно. Лучшие результаты дает пропитка синтетическими смолами.
Плотность древесины характеризуется отношением массы образца к его объему при влажности древесины 12% Для определения плотности используют образцы в виде прямоугольной призмы. Массу образца устанавливают взвешиванием на рычажных весах, а объем - по трем линейным измерениям (длина, ширина толщина).
Величина плотности древесины различных пород изменяется в очень широких пределах. Наши породы можно разделить на три группы:
породы малой плотности (540 кг/м и менее): хвойные - сосна, ель, пихта, кедр, можжевельник; лиственные - тополь, липа, ива, осина, ольха, каштан, бархат амурский;
породы средней плотности (550-740 кг/м ): хвойные - лиственница, тис; лиственные - береза, бук, вяз, груша, дуб, ильм, карагач, клен, лещина, орех грецкий, платан, рябина, хурма, яблоня, ясень;
породы высокой плотности (выше 750 кг/м ): белая акация, граб, кизил, саксаул, самшит, фисташка, хмелеграб.
Механические свойства характеризуют способность древесины сопротивляться воздействию внешних механических усилий. Применительно к художественным изделиям наиболее важными механическими свойствами являются прочность и твердость древесины.
Прочность - способность сопротивляться разрушению от механических усилий. Внешние механические силы могут действовать на тело по-разному. Основными видами действия сил являются: растяжение, сжатие, сдвиг, поперечный и продольный изгиб, кручение. В применении к древесине почти каждый из этих видов подразделяется на несколько разновидностей в зависимости от направления силы по отношению к направлению волокон древесины и годичных слоев. Так, растяжение и сжатие могут быть вдоль и поперек волокон, в последнем случае - в радиальном и тангенциальном направлениях; поперечный изгиб может быть радиальным (действующая сила направлена по сердцевинным лучам) и тангенциальным (сила направлена по касательной к годичным слоям) и т. д.
Прочность характеризуется пределом прочности, представляющим собой то предельное напряжение, которое испытывает материал перед разрушением под действием внешней нагрузки.
Прочность древесины имеет большое значение для конструкций, испытывающих внешние нагрузки, например мебели. Мебельные детали чаще всего испытывают сжимающие (опоры), изгибающие (полки) и скалывающие (шиповые соединения) нагрузки. При этом учитывают, что древесина хорошо сопротивляется действию сил, растягивающих деталь вдоль волокон, и изгибающих сил, направленных поперек волокон; значительно ниже сопротивление древесины сжатию поперек и скалыванию вдоль и поперек волокон.
Проявляется прочность и при обработке древесины. Так, способность древесины расщепляться даже при небольших нагрузках необходимо учитывать на всех этапах обработки, начиная с заготовки, которую надо хорошо проверить на отсутствие трещин, и кончая сборкой, когда одна деталь может расколоться при чрезмерно плотном ее соединении с другой.
Плотная, тяжелая древесина обычно обладает большей прочностью. Прочность резко уменьшается с увеличением влажности древесины; значительно снижается прочность при наличии в древесине пороков (особенно сучков).
Твердость древесины имеет большое значение при обработке ее режущим инструментом (пилении, строгании, резьбе), а также в тех случаях, когда она подвергается истиранию (полы).
Твердость определяют путем вдавливания в поверхность древесины стального шарика и получения отпечатка, площадь которого равна 1 см . Нагрузка, которая необходима для получения отпечатка, выраженная в килограммах, и характеризует твердость.
В зависимости от поверхности, на которой определяют твердость древесины, различают твердость торцовую, радиальную и тангенциальную. Торцовая твердость значительно превышает боковую у всех пород. Радиальная и тангенциальная твердость у большинства пород примерно одинаковы. В зависимости от твердости породы древесины принято делить на три группы:
I - мягкие: сосна, ель, кедр, пихта, можжевельник, тополь,липа, ива, осина, ольха, каштан;
II - твердые: лиственница, береза, бук, вяз, ильм, карагач, груша, дуб, клен, лещина, орех грецкий, платан, рябина, яблоня, ясень;
III - очень твердые: тис, акация белая, граб, железное дерево, кизил, самшит, фисташка, хмелеграб.
Твердость древесины в разных частях дерева неодинакова. Выше она в прикомлевой части ствола, в сучках и наростах. Ранняя и поздняя древесина годичных слоев некоторых пород (например, лиственницы) резко различаются по твердости. Это вызывает затруднения при обработке ручным инструментом, например резьбе.
Жесткость - способность сопротивляться изменению размеров и формы проявляется при гнутье древесины. Менее жесткая древесина легче поддается гнутью (изгибу), особенно с повышением влажности (до предела гигроскопичности) и температуры. Такими породами являются бук, дуб, береза, сосна, ель.
Практическим ценным свойством древесины при изготовлении столярных изделий является ее способность удерживать металлические крепления (гвозди, шурупы, скобы и др.). Сопротивление выдергиванию шурупов и гвоздей зависит от их длины и диаметра, породы древесины, ее влажности и разреза (радиальный, тангенциальный, торцовый). Выше оно у сухой плотной и твердой древесины (ясень, дуб, бук) и при выдергивании шурупов и гвоздей, завинченных или забитых в тангенциальном направлении.
Древесина и древесные материалы.
§ 1. СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ
§ 2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ
§ 3. ПОРОКИ ДРЕВЕСИНЫ
§ 4. СУШКА И ЗАЩИТНАЯ ОБРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ
§ 5. ХАРАКТЕРИСТИКА ДРЕВЕСНЫХ ПОРОД
§ 6. ПИЛОМАТЕРИАЛЫ И ЗАГОТОВКИ
§ 7. ШПОН И ФАНЕРА
§ 8. ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫЕ, ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫЕ И СТОЛЯРНЫЕ ПЛИТЫ
§ 9. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ