Прочность древесины при сжатии поперек волокон.

В местах врубок или соединений деревянных деталей с металлическими (под башмаками, болтами и др.) существенное практическое значение имеет прочность древесины при сжатии поперек волокон. Классическим примером работы древесины на сжатие поперек волокон служат также железнодорожные шпалы (места под рельсами). Различают три случая сжатия древесины поперек волокон: 1. Нагрузка распределена по всей поверхности сжимаемой детали.2. Нагрузка приложена на части длины, но по всей ширине детали. 3. Нагрузка приложена на части длины и ширины детали (рис. 54). Все эти случаи встречаются в практике: первый случай — при прессовании древесины, второй — при использовании шпал под рельсами, третий — при употреблении древесины под головки металлических креплений. При сжатии поперек волокон древесины разных пород наблюдаются два типа деформирования: однофазное, как и при сжатии вдоль волокон, и трехфазное, характеризуемое более сложной диаграммой (см. рис. 54).

Таблица 35. Прочность древесины при сжатии вдоль волокон.

Рис. 54. Случаи сжатия поперек волокон (внизу) и диаграммы сжатия древесины поперек волокон (наверху): а — при трехфазном; б — при однофазном деформировании; 1 — сжатие по всей поверхности; 2 — сжатие на части длины; 3 —сжатие на части длины и ширины.

При однофазном деформировании на диаграмме хорошо выражен приблизительно прямолинейный участок, продолжающийся почти до достижения максимальной нагрузки, при которой образец древесины разрушается. При трехфазном деформировании процесс деформирования древесины при сжатии поперек волокон проходит три фазы: первая фаза характеризуется на диаграмме начальным, примерно прямолинейным участком, показывающим, что в этой стадии деформирования древесина условно подчиняется закону Гука, как и при однофазном деформировании; в конце этой фазы достигается условный предел пропорциональности; вторая фаза характеризуется на диаграмме почти горизонтальным или слабонаклонным криволинейным участком; переход из первой фазы во вторую более или менее резкий; третья фаза характеризуется на диаграмме прямолинейным участком с крутым подъемом; переход из второй фазы в третью в большинстве случаев постепенный.

По характеру деформирования при радиальном и тангенциальном сжатии породы можно подразделить на две группы: к первой группе относятся хвойные и кольцесосудистые лиственные породы (за исключением дуба), а ко второй — рассеяннососудистые лиственные породы. Древесина хвойных пород (сосна, ель) и колъцесосудистых лиственных пород (ясень, ильм) при радиальном сжатии дает диаграмму, характерную для трехфазного деформирования, а при тангенциальном сжатии — диаграмму однофазного деформирования.

Отмеченный характер деформирования древесины названных пород может быть объяснен следующим. При радиальном сжатии деформация первой фазы протекает в основном из-за сжатия ранней зоны годичных слоев, слабой в механическом отношении; первая фаза продолжается до тех пор, пока стенки элементов ранней зоны не потеряют устойчивости и не начнут сминаться. С потерей устойчивости этих элементов начинается вторая фаза, когда деформация протекает в основном в результате смятия элементов ранней зоны; это происходит при почти неизменной или мало возрастающей нагрузке. По мере вовлечения в деформацию элементов поздней зоны годичных слоев вторая фаза плавно переходит в третью. Третья фаза протекает главным образом за счет сжатия элементов поздней зоны, состоящей преимущественно из механических волокон, которые могут сминаться только при больших нагрузках.

При тангенциальном сжатии деформирование происходит с самого начала за счет элементов обеих зон годичного слоя, причем характер деформирования, естественно, определяется элементами поздней зоны. В конце деформирования наступает разрушение образца, яснее выраженное у древесины хвойных пород: образцы обычно выпучиваются в сторону выпуклости годичных слоев, которые при тангенциальном изгибе ведут себя, как кривые брусья при продольном изгибе.

Среди кольцесосудистых лиственных пород отмеченным закономерностям не подчиняется дуб, древесина которого при радиальном сжатии деформируется по однофазному типу, а при тангенциальном обнаруживает тенденцию к переходу на трехфазное деформирование. Это объясняется тем, что при радиальном сжатии сильное влияние на характер деформирования оказывают широкие сердцевинные лучи. При тангенциальном сжатии тенденция к переходу на трехфазное деформирование объясняется радиальной группировкой мелких сосудов в поздней зоне.

Древесина рассеяннососудистых лиственных пород (березы, осины, бука) обнаружила трехфазное деформирование как при радиальном, так и при тангенциальном сжатии, что, по-видимому, надо объяснить отсутствием заметной разницы между ранней и поздней зонами годичных слоев. У древесины граба наблюдается переходная форма деформирования (от трехфазного к однофазному); очевидно, в этом случае сказывается влияние ложношироких сердцевинных лучей.

Начало разрушения древесины можно наблюдать лишь при однофазном деформировании; при трехфазном деформировании древесина может уплотниться до четверти начальной высоты без видимых следов разрушения. По этой причине при испытаниях на сжатие поперек волокон ограничиваются определением напряжения при пределе пропорциональности по диаграмме сжатия, не доводя образец до разрушения.

Древесину испытывают двумя методами: при сжатии по всей поверхности образца и при сжатии на части длины, но по всей ширине (смятие). Для испытаний на сжатие поперек волокон изготовляют образец такой же формы и размеров, как и при сжатии вдоль волокон; годичные слои на торцах в этом образце должны быть параллельны одной паре противоположных граней и перпендикулярны другой паре. Образец располагают на опорной части машины боковой поверхностью и подвергают ступенчатой нагрузке по всей верхней поверхности со средней скоростью 100 ±20 кГ/мин. Деформацию древесины мягких пород измеряют индикатором с точностью 0,005 мм через каждые 20 кГ нагрузки и твердых пород — через 40 кГ; испытание продолжается до явного перехода предела пропорциональности. На основании парных отсчетов (нагрузка-деформация) вычерчивают диаграмму сжатия, на которой определяют с точностью до 5 кГ нагрузку при пределе пропорциональности как ординату точки перехода прямолинейного участка диаграммы в явно криволинейный. Условный предел прочности при сжатии поперек волокон подсчитывают путем деления найденной указанным способом нагрузки при пределе пропорциональности на площадь сжатия (произведение ширины образца на его длину).

Для испытаний на смятие применяют образец в форме брусочка квадратного сечения 20X20 мм, длиной 60 мм. Нагрузка на такой образец передается по всей ширине через стальную призму шириной 2 см, помещаемую посредине образца перпендикулярно длине; прилегающие к образцу ребра призмы имеют закругления радиусом 2 мм. В остальном порядок и условия испытания те же, что и по первому способу, но условный предел прочности подсчитывается путем деления нагрузки при пределе пропорциональности на площадь сжатия, равную 1,8 а, где а — ширина образца, 1,8 — средняя ширина нажимной поверхности призмы в сантиметрах.

Условный предел прочности при смятии поперек волокон получается на 20—25% выше, чем при сжатии; это объясняется дополнительным сопротивлением от изгиба волокон у ребер призмы. При третьем случае сжатия поперек волокон (см. рис. 54) показатели условного предела прочности немного превышают показатели, полученные во втором случае в результате дополнительного сопротивления скалыванию поперек волокон у ребер штампа, идущих параллельно волокнам древесины.

Таблица 36. Условный предел прочности при смятии поперек волокон.

Древесина пород с широкими или очень многочисленными лучами (дуб, бук, клен, отчасти береза) характеризуется более высоким условным пределом прочности при радиальном смятии (примерно в 1,5 раза); для прочих лиственных пород (с узкими лучами) показатели условного предела прочности при смятии в обоих направлениях практически одинаковы или мало различаются.

Для древесины хвойных пород, наоборот, условный предел прочности при тангенциальном смятии в 1,5 раза выше, чем при радиальном вследствие резкой неоднородности в строении годичных слоев; при радиальном смятии деформируется главным образом более слабая, ранняя, древесина, а при тангенциальном сжатии нагрузка с самого начала воспринимается и поздней древесиной. По сравнению с пределом прочности при сжатии вдоль волокон условный предел прочности при смятии поперек волокон составляет в среднем около 1/8 (от 1/6 для твердых лиственных пород до 1/10 для хвойных и мягких лиственных пород).

Наиболее характерным из механических свойств древесины и важным в практическом отношении является прочность при сжатии вдоль волокон. Для испытаний применяют образец в форме прямоугольной призмы с основанием 20X20 мм и высотой (по направлению волокон) 30 мм. После измерения на половине высоты, ширины а и толщины b образец располагают между опорными поверхностями машины и нагружают вдоль волокон равномерно со средней скоростью 4000±1000 кГ/мин на весь образец.

Испытание доводят до явного разрушения образца и по шкале машины отсчитывают максимальную нагрузку Рmах с точностью 5 кГ. Предел прочности вычисляют с точностью 5 кГ/см² по формуле. Величина предела прочности при сжатии вдоль волокон существенно снижается при увеличении влажности до предела гигроскопичности. Деформация при сжатии вдоль волокон выражается в некотором укорочении образца. Разрушение обычно начинается с продольного изгиба отдельных волокон; во влажной древесине или в образцах из мягких или вязких пород наблюдается смятие у торцов и выпучивание боков, а в сухой древесине или в образцах из твердых пород — сдвиг одной части образца относительно другой по линии, проходящей на тангенциальной поверхности под углом около 60° к оси образца (рис. 52).

Рис. 52. Характер разрушения при сжатии вдоль волокон: слева — сдвиг; справа — смятение торцов.

Разрушения древесины при сжатии вдоль волокон в самом начале этого явления, еще совершенно незаметного для невооруженного глаза, в толстых стенках поздних трахеид хвойных пород появляются поперечные штрихи, так называемые линии скольжения, составляющие с осью трахеид угол около 70°. В дальнейшем линии скольжения соединяются в линии разрушения, направленные обычно под углом к волокнам; в этой стадии разрушения искривления волокон еще не наблюдается. После появления этих линий начинается разрушение, видимое невооруженным глазом. Это разрушение выражается в искривлении клеточных стенок, а вместе с ними и волокон (рис. 53).

Характер разрушения может быть двух типов — сдвиг и смятие. В первом случае волокна искривляются, сдвигаясь в сторону и относительно друг друга, а во втором — одна часть волокна сминается и частично проникает в полость другой части. Древесина оказывает довольно большое сопротивление сжатию вдоль волокон, что обусловливает частое ее применение в этих условиях работы (сваи, стойки, ноги стропильных ферм и др.). Рассматриваемое свойство древесины хорошо изучено. Пределы прочности древесины основных пород при сжатии вдоль волокон приведены в табл. 35.

Рис. 53. Разрушение древесины сосны при сжатии вдоль волокон; ясно видно искривление волокон.

В среднем для всех пород предел прочности при сжатии вдоль волокон составляет (с округлением) 450 кГ/см², т. е. он примерно в 2,7 раза ниже предела прочности при растяжении вдоль волокон. Предел пропорциональности при сжатии вдоль волокон для некоторых наших пород (лиственницы, сосны, пихты, ясеня) составляет в среднем 0,7 предела прочности.