Меню сайта

Заявка на звонок

выделены поля обязательные для заполнения

Вязкость древесины

Вязкость - очень важная конструкционная характеристика материалов. В древесиноведении принято относить ее к технологическим параметрам потому, что это свойство проявляется чаще в процессе изготовления изделий из древесины, нежели в процессе их использования по назначению. Ниже мы постараемся выяснить, по каким причинам.

Вязкость или работа разрушения материала

Почему же конструкторы считают, что для прочностных расчетов конструкций, особенно крупногабаритных, вязкость материала является не менее важной характеристикой, чем, скажем, предел прочности или модуль упругости? Начнем с того, что важнейшим свойством любой конструкции является ее способность противостоять разного рода нагрузкам и при этом не разрушаться. Разрушение любого материала - процесс сложный, но принцип его достаточно прост. Чтобы материал детали разрушился, в нем должна возникнуть трещина. Однако для того чтобы такая трещина росла, необходимо затратить энергию, которую надо где-то взять.
Согласно современной точке зрения, в том случае, когда материал подвергается растягивающей нагрузке, мы не должны рассматривать его разрушение как результат непосредственного растяжения химических связей между атомами. Иначе говоря, это отнюдь не простое следствие, вызванное действием растягивающего напряжения, как можно подумать, начитавшись классических учебников. Прямым результатом увеличения нагрузки, действующей на конструкцию, будет лишь увеличение запаса упругой энергии в материале. Ответ на вопрос, поломается ли на самом деле конструкция, зависит от того, может ли упругая энергия перейти в энергию разрушения так, чтобы образовать трещину, и так, чтобы эта трещина смогла развиваться до полного разрушения детали.
Так вот, количество энергии, требуемое для разрушения образца материала, в соотношении с поперечным сечением определяет вязкость этого материала, или «трещиностойкость», которую в настоящее время чаще называют энергией или работой разрушения. Упомянутое свойство совершенно отличается и не зависит от прочности материала на разрыв, которая определяется как напряжение (а не как энергия), требуемое для разрушения твердого тела. От вязкости, или работы разрушения материала, в значительной мере зависит реальная прочность конструкции, особенно если она велика по размерам. Современную механику разрушения занимает прежде всего не вопрос о нагрузках и напряжениях, а вопрос о том, как, почему, где и когда упругая энергия может перейти в энергию разрушения. Оказывается, что независимо от того, подвергается ли конструкция удару или действию статической нагрузки, разрушение путем разрыва зависит главным образом от следующего:

от цены в единицах энергии, которую нужно заплатить, чтобы создать и «толкать» трещину;
от количества упругой энергии, которым располагает конструкция, готовая заплатить указанную цену;
от размеров и формы наиболее опасных отверстий, трещин или дефектов конструкции.

Тот факт, что величины энергии, необходимые для того, чтобы разрушить материал в любом данном поперечном сечении, для различных твердых тел весьма различны, легко подтвердить, ударив молотком сначала по стеклянной, а потом по консервной банке.

Вязкие и хрупкие

Итак, когда твердое тело разрушается при растяжении, должна возникнуть хотя бы одна трещина, распространение которой разделяет кусок материала на части. Это означает, что должны образоваться по крайней мере две новые поверхности, не существовавшие ранее, до разрушения тела. Чтобы таким путем произвести в материале разрыв и образовать эти новые поверхности, необходимо разорвать все химические связи, до того сцеплявшие между собой поверхности.
Количество энергии, требуемое для разрыва почти всех типов химических связей, хорошо известно (по крайней мере химикам), и оказывается, что для большинства твердых тел, с которыми мы имеем дело в технике, общие количества энергии, требуемые для разрыва всех связей по любой единичной плоскости в любом поперечном сечении, весьма близки между собой и не сильно отличаются от значения в 1 Дж/кв. м.
Если мы имеем дело с материалами, которые носят название хрупких (камень, кирпич, стекло или фаянс), - упомянутое количество энергии и есть почти вся та энергия, которую мы должны сообщить телу, чтобы произвести разрушения. В действительности 1 Дж/кв. м - это совсем малое количество энергии. Так, согласно самой простой оценке, упругая энергия, которую можно запасти в 1 кг сухожилий, достаточна для того, чтобы «заплатить» за 2500 кв. м поверхности битого стекла. (Такое действие эквивалентно визиту слона в посудную лавку). Вот почему каменщик раскалывает кирпич точно пополам всего лишь легким ударом мастерка, а чтобы разбить тарелку или бокал, достаточно малейшей неловкости. Хрупкие материалы по возможности не используются там, где они могут подвергнуться действию растяжений. Эти материалы являются хрупкими не потому, что имеют низкую прочность на растяжение, - это означало бы, что для их разрушения требуется небольшая сила, - а потому, что для их разрушения требуется небольшая энергия.
Технические и биологические материалы, которые относятся к вязким и используются в условиях растяжения, для образования новой поверхности при разрушении требуют значительно большей энергии. Другими словами, работа разрушения для них значительно (несравненно!) больше, чем в случае хрупких твердых тел. Для вязкого трещиностойкого материала величина работы разрушения обычно лежит в пределах 103-106 Дж/кв. м. Поэтому энергия, требуемая для разрушения, например, древесины или мягкой стали, может быть в десятки тысяч и даже в миллион раз больше энергии, требуемой для разрушения в таком же поперечном сечении стекла или керамики, хотя величины статической прочности на растяжение этих материалов не сильно различаются. Поэтому таблица значений пределов прочности на растяжение, если ее используют для выбора какого-то конкретного материала, может дезинформировать конструктора. По этой же причине классическая теория упругости, основанная главным образом на силах и напряжениях, которая старательно разрабатывалась в течение столетий - и еще более старательно преподавалась студентам, - сама по себе не может правильно предсказывать разрушение реальных материалов и конструкций.
Хотя в деталях механизм поглощения столь огромных количеств энергии в виде работы разрушения в вязких трещиностойких материалах часто является тонким и сложным, общий принцип его действия весьма прост. В хрупком твердом теле работа, производимая в процессе разрушения, на самом деле сводится к работе, которая необходима, чтобы разорвать химические связи на возникающей в процессе разрушения новой поверхности или в ее непосредственной близости. Как мы уже упоминали, соответствующая энергия мала и составляет около 1 Дж/кв. м. В вязком же материале, несмотря на то, что прочность и энергия каждой индивидуальной связи остаются теми же, изменения структуры материала в процессе разрушения распространяются на гораздо большую глубину. Практически, эти изменения вполне могут распространяться на глубину свыше сантиметра, то есть на глубину, измеряемую 50 млн атомов, под видимой поверхностью разрушения. Поэтому, если в процессе нагрузки разорвется только одна межатомная связь, то энергия, требуемая для образования новой поверхности, увеличится в миллионы раз, что, как мы видели, и имеет место в действительности. Молекулы, находящиеся вдали от поверхности разрушения, способны, таким образом, поглощать энергию и вносить свой вклад в сопротивление разрушению.
Механизм поглощения упругой энергии при разрушении у искусственно созданных пластиков и волокнистых композитов совершенно отличен от механизма поглощения у металлов, но достаточно эффективен. У биологических материалов также, по-видимому, имеются весьма совершенные механизмы получения больших величин энергии разрушения, которые работают весьма изощренным образом. Способ, реализующийся, например, в древесине, исключительно эффективен, и работа разрушения дерева, взятая на единицу веса, больше, чем для большинства марок стали.

Вязкость древесины

Уже упоминалось, что от характера приложения нагрузки (статическое растяжение или ударный изгиб) энергия разрушения не зависит. На практике, для того чтобы опытным путем определить вязкость материала, издавна пользовались маятниковым копром. С его помощью определяли ударную вязкость - способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударных нагрузок. Методика испытаний достаточно известна, чтобы излагать ее здесь. При всей значимости этой характеристики в прочностных расчетах деревянных конструкций ударная вязкость применяется редко. Когда речь идет о мебели, перекрытиях, лестницах и других столярно-строительных изделиях и даже о зданиях в целом, сделанных из древесины, оказывается, что для этих конструкций важнее жесткость, чем прочность. Если сильно уменьшить толщину материала, из которого они сделаны, то прогибы, перемещения и общая хлипкость сделают эти предметы неприемлемыми в эксплуатации. Чтобы быть достаточно жесткими, различные части конструкции должны иметь настолько большую толщину, чтобы возникающие в них напряжения были очень малы, с инженерной точки зрения. Таким образом, для конструкций, о которых идет речь, даже содержание в материале мелких дефектов и концентраторов напряжений обычно не имеет большого значения. А именно благодаря им вязкость материала приобретает для конструкций иного назначения и из иного материала чрезвычайную важность.
Ударная вязкость древесины, как и подавляющее большинство других ее характеристик, зависит не только от породы, но и от влажности образца. При увеличении влажности древесина становится более хрупкой. Лиственные породы (особенно твердые) проявляют существенно большую вязкость по сравнению с хвойными.
Вполне естественно, что направление ударного изгиба относительно расположения годичных слоев тоже заметно влияет на ударную вязкость образцов. Для хвойных и кольцесосудистых лиственных пород ее значения на 20-50% выше при радиальном направлении удара, чем при стандартизованном тангенциальном.
Более вязкая древесина дает при таких испытаниях защепистый излом, а более хрупкая - раковистый.
В заключение следует отметить, что сухая древесина в диапазоне природных низких температур не проявляет значительного снижения вязкости.