Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра технологии деревообработки и сопротивления материалов

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по механике древесины и композиции материалов

Вариант 7

Выполнил:

студент гр. ТД з- 07

Антонова Е.Н.

Проверил:

Герасимов В.М.

Чита 2011

1. Прочностные показатели древесины при изгибе

Физические и механические свойства древесины.

Особенности древесины применительно к конструированию мебели определяются, главным образом, ее физическими и механическими свойствами.

Физические свойства древесины характеризуются её внешним видом (цвет, блеск, текстура), плотностью, влажностью, гигроскопичностью, теплоёмкостью и др. Древесину как материал используют в натуральном виде (лесоматериалы, пиломатериалы), а также после специальной физико-химической обработки. 

Важное декоративное свойство и диагностический признак - цвет древесины., характеристики которого изменяются в широких пределах (цветовой тон 578-585 нм, чистота цвета 30-60%, светлота 20-70%). Блеск наблюдается у древесины некоторых лиственных пород, особенно на радиальном разрезе. Текстура - рисунок древесины, образующийся при перерезании анатомических элементов ее структуры, - особенно эффектна у лиственных пород. 

Механические свойства древесины характеризуют ее способность сопротивляться воздействию внешних сил (нагрузок). К ним относятся прочность, твердость, деформативность, ударная вязкость.

Прочность. Прочностью называется способность древесины сопротивляться разрушению под действием механических нагрузок. Она зависит от направления действующей нагрузки, породы дерева, плотности, влажности, наличия пороков и характеризуется пределом прочности - напряжением, при котором разрушается образец.
Различают основные виды действия сил: растяжение, сжатие, изгиб, скалывание.

Твердость. Твердостью называется способность древесины сопротивляться внедрению в нее более твердых тел. 

Основные прочностные показатели древесины сравнительно по породам ( при влажности 12 процентов) , приведены в следующей таблице 

Сокращения : рад. - радиальный, танг. - тангенциальный, торц. - торцовый

По твердости торцевой поверхности древесина разделяется на три группы - мягкие - 40 Н/кв. мм, твердые 41- 80, и очень твердые - более 80 Н/кв. мм.

Как видно из таблицы, прочностные свойства древесины зависят от ее плотности.

На величину прочности и твердости оказывает большое влияние и влажность древесины. При увеличении влажности, прочность и твердость материала существенно снижаются. Например, у большинства пород при увеличении влажности с 12 до 30 процентов, предел прочности на изгиб уменьшается в 1,6 - 1,7 раза, а торцевая твердость - в 1,5 - 2 раза и более. Прочностные показатели древесины, вследствие ее выраженной анизотропии, существенно зависят от направления приложения нагрузки. Например, твердость торцовой поверхность выше тангенциальной и радиальной на 30 - 40 %.

По удельной прочности при растяжении вдоль волокон , т.е. прочности приведенной к единице массы , древесина не уступает конструкционной стали и дюралюминию, см. таблицу

Для испытания на статический изгиб применяются образцы в форме бруска размерами 20X20X300 мм. Неподвижные опоры и ножи должны иметь закругление радиусом 15 мм; расстояние между центрами опор l = 24 см. После измерения посредине длины сечения (ширины b и высоты h) образец располагают на опорах и нагружают в двух точках на расстоянии 8 см от каждой опоры (рис. 55), равномерно со скоростью 700 ±150 кГ/мин на весь образец, который доводится до полного излома. По шкале машины отсчитывают максимальную Нагрузку Рmах с точностью 1 кГ. Предел прочности вычисляют по формуле:

Предел прочности при статическом изгибе существенно зависит от влажности. При изгибе в древесине возникают нормальные напряжения (на растяжение и сжатие вдоль волокон) и касательные напряжения (на скалывание вдоль волокон). Первые достигают максимума в крайних волокнах, наиболее удаленных от нейтральной плоскости, а вторые -- в нейтральной зоне, которая теоретически должна проходить посредине высоты бруска.

Рис. 55. Схема испытаний на статический изгиб (вверху); эпюры напряжений при статическом изгибе в целых телеграфных столбах (внизу): а -- образец; б-- опоры; в -- ножи.

В древесине из-за различий прочности при растяжении и сжатии вдоль волокон нейтральная плоскость смещается в сторону растянутой зоны (рис. 55), что обусловливает неравенство нормальных напряжений (на растяжение и сжатие вдоль волокон). Деформация при изгибе внешне выражается прогибом образца и измеряется стрелой прогиба. Так как прочность древесины при сжатии вдоль волокон значительно меньше, чем прочность при растяжении, разрушение при изгибе начинается в зоне сжатия в виде складок, хотя на глаз оно редко заметно. Окончательное разрушение происходит в зоне растяжения и заключается в разрыве или отщепе крайних волокон и полном изломе образца. Излом древесины высокого качества волокнистый или защепистый, при низком качестве -- раковистый, почти гладкий (рис. 56).

Защепистость излома более резко выражена в растянутой зоне образца; пучки волокон там крупнее и длиннее; в сжатой зоне, наоборот, эти пучки мелкие и короткие. В табл. 37 приведены показатели предела прочности при статическом изгибе для древесины основных наших лесных пород.

Рис. 56. Характер разрушения при изгибе: а -- раковистый; б -- защепистый.

Прочность древесины при статическом изгибе по величине занимает промежуточное положение между прочностью при растяжении и сжатии вдоль волокон и может быть в среднем для разных пород принята равной около 900 кГ/см². Если прочность при сжатии вдоль волокон принять за единицу, прочность при статическом изгибе будет примерно в 2 раза, а прочность при растяжении вдоль волокон -- в 2,7 раза выше. Предел пропорциональности при статическом изгибе составляет в среднем 0,7 от предела прочности. Заштрихованная на диаграмме (рис. 57) фигура, ограниченная кривой изгиба и перпендикуляром, опущенным из точки максимального ее подъема на ось абсцисс, характеризует работу, затраченную на излом образца. Величина площади этой фигуры зависит не только от максимальной нагрузки Рmах и стрелы прогиба в момент разрушения fmax, но и от формы кривой и ее наклона по отношению к оси абсцисс; следовательно, площадь этой фигуры, пли работу А, затраченную на излом образца, можно выразить формулой:

где з -- коэффициент полноты диаграммы, показывающий, какую часть площади прямоугольника со сторонами Р_mах и f_max составляет площадь заштрихованной фигуры. Для древесины дуба коэффициент полноты в среднем равен 0,62. Разделив общую работу на объем образца получим удельную работу, которая может служить характеристикой вязкости древесины.

Таблица 37. Прочность древесины при статическом изгибе.

Рис. 57. Диаграмма статического изгиба.

Рис. 58. Различные случаи изгиба древесины: а -- волокна направлены вдоль оси образца; б и в -- волокна направлены поперек оси образца.

Высокая прочность и легкость приложения усилия обусловливают широкое применение древесины для деталей, работающих на изгиб: всевозможные балки, стропила, фермы, мосты, ригели шахтных креплений, подмости, обрешетка и т. д. Различие между прочностью при радиальном и тангенциальном изгибе обнаруживается только у хвойных пород: предел прочности при тангенциальном изгибе может быть на 10--12% выше, чем при радиальном; у лиственных пород прочность при изгибе в обоих направлениях практически можно считать одинаковой (разница 2--4%). Кроме обычного поперечного изгиба, когда волокна древесины направлены вдоль оси: бруска (рис. 58, а), могут быть случаи, когда волокна направлены поперек оси бруска (рис. 58,б, в). В двух последних случаях предел прочности древесины ели и сосны составляет 1--5%, а бука -- около 20% предела прочности при обычном изгибе.

2. Влияние изменения температуры на механические показатели древесины

Влияние низких (отрицательных) температур на физико-механические свойства древесины.

Для абсолютно сухой древесины было найдено, что прочность при сжатии вдоль волокон с повышением температуры снижается. Высокая влажность древесины вносит резкие изменения во влияние низких температур на прочность древесины вследствие образования при низкой температуре ледяной решетки, заполняющей пустоты в древесине. Количество воды, замерзающей в древесине при температуре ниже нуля, зависит от диаметра капилляров и количества веществ, растворенных к воде; чем меньше диаметр капилляров и чем больше концентрация раствора, тем при более низкой температуре замерзает вода. На рис. 70 графически показано влияние влажности на прочность древесины бука при комнатной температуре +20° (нижняя кривая) и при температуре --42° (верхняя кривая).

Рис. 70. Влияние влажности на прочность древесины при сжатии вдоль волокон при разной температуре. Вверху -- кривые для бука; внизу -- для сосны: 1 -- при температуре 20°; 2 -- при температуре ниже 0°.

Диаграммы показывают, что прочность древесины при низкой температуре и любой влажности выше прочности при комнатной температуре; до предела гигроскопичности влажность в равной мере снижает прочность при обеих температурах (начальные участки кривых до влажности 30% прямолинейны и параллельны). Дальнейшее увеличение влажности за предел гигроскопичности не оказывает влияния на прочность древесины при комнатной температуре (на нижней кривой правый участок представлен прямой линией, параллельной горизонтальной оси). В то же время прочность древесины влажностью выше предела гигроскопичности при низкой температуре увеличивается, достигает максимума при влажности 85%, после чего вновь снижается. Такое изменение прочности можно объяснить влиянием льда: по мере повышения влажности все больше и больше сосудов в древесине бука заполняется льдом, вследствие чего общая прочность возрастает. Это увеличение прочности продолжается до тех пор, пока колонки льда не образуют решетку (при влажности примерно 85%) такого протяжения, что нагрузку в основном начинает воспринимать лед, так как ледяная решетка менее пластична, чем древесина. При дальнейшем повышении давления лед начинает таять вследствие тепла, развивающегося при сжатии (во время испытания наблюдалось появление воды). Это ведет к снижению общей прочности, которая постепенно падает до величины, примерно соответствующей прочности при пределе гигроскопичности.

Влияние температуры в пределах изменения от +100 до --80° С на прочность при сжатии вдоль волокон древесины сосны в абсолютно сухом и насыщенном водой состоянии показано на рис. 71, где участки кривых, характеризующих влияние повышенной температуры.

Как видно, влияние положительных температур одинаково для абсолютно сухой и насыщенной водой древесины (правые участки кривых параллельны); в то же время при отрицательных температурах прочность абсолютно сухой древесины увеличивается плавно, а прочность мокрой древесины резко возрастает с понижением температуры до -25 ч -30°, после чего увеличение прочности замедляется, что объясняется образованием ледяной решетки.

Диаграммы на рис. 71 (внизу) иллюстрируют влияние низких температур на механические свойства сырой древесины сосны (влажность 70%).

Рис. 74. Влияние температуры на прочность при сжатии вдоль волокон древесины сосны при разной ее влажности (вверху); влияние низких температур на механические свойства древесины сосны (внизу). 1-в абсолютно сухом состоянии; 2-в насыщенном водой состоянии 3 - прочность при статическом изгибе; 4 - удельная pабота при ударном изгибе 5 -прочность при сжатии поперек волокон; 6- то же при скалывании.

Влияние повышенных температур на физико-механические свойства древесины.

Эти диаграммы показывают, что влияние повышенной температуры менее всего сказывается на прочности при растяжении вдоль волокон: при повышении температуры с 10 до 100° С прочность при растяжении снижается примерно на 16%, а при сжатии вдоль волокон -- более чем вдвое. Прочность при статическом изгибе также сильно снижается при высокой температуре.

Рис. 69. Влияние повышенной температуры на прочность древесины сосны при влажности 12%: 1прочность при растяжении вдоль волокон, 2 -- то же при статическом изгибе, 3 -- то же при сжатии вдоль волокон.

Механические свойства снижаются с увеличением температуры, продолжительности воздействия и влажности древесины. Удельная работа при ударном изгибе для древесины с низкой влажностью уменьшается с повышением температуры, а при высокой влажности, наоборот, увеличивается (испытывалась древесина в нагретом состоянии). При помощи нагревания древесины можно достичь снижения разбухания и усушки. Однако такая обработка неизбежно связана со снижением прочности, в особенности удельной работы при ударном изгибе. Повышение стабильности и снижение прочности тем больше, чем выше температура и продолжительность нагрева. По имеющимся данным, нагревом древесины в расплавленном металле (сплав из 50% олова, 30% свинца и 20% кадмия, плавящийся при температуре около 150°) можно вдвое повысить стабильность, но удельная работа при ударном изгибе при этом снизится на 50%. Нагрев в металле вызывает меньшее снижение механических свойств, чем нагрев на воздухе. Таким образом, действие на древесину высоких температур в первую очередь и в большей мере отражается на удельной работе при ударном изгибе: древесина становится хрупкой. Степень влияния зависит от величины температуры и продолжительности ее воздействия.

Отмеченное выше более сильное снижение ударной вязкости при нагреве древесины лиственных пород объясняется изменением химического состава древесины, происходящим в результате распада пентозанов и уменьшения их количества. Так как пентозаны в составе клеточной оболочки играют механическую роль, а лиственные породы содержат их в 2--3 раза больше, чем хвойные, снижение удельной работы при ударном изгибе для древесины лиственных пород выражено в большей мере. При нагревании древесины происходит в первую очередь гидролиз гемицеллюлоз: содержание пентозанов в древесине бука уменьшается с 23,8% при нагревании в течение 3 ч при температуре 150, 200 и 250° соответственно до 23,5, 11,6 и 0,9%, а в древесине ели -- с 12,3 до 11,3%; с 7,1 до 0,9%.

Таблица 56. Пределы прочности древесины дуба при сжатии вдоль волокон.

Данные табл. 56 и 57 показывают, что прочность при сжатии вдоль и поперек волокон понижается как с повышением температуры, так и с повышением влажности древесины, при этом одновременное действие обоих факторов вызывает большое снижение прочности по сравнению с действием одного из них. Влияние влажности наблюдается до предела гигроскопичности; дальнейшее увеличение влажности практически не отражается на прочности. Влияние же температуры непрерывно на диапазоне ее изменения. Совместное влияние температуры и влажности существенно отражается на реологических показателях, исследованных при растяжении и сжатии в тангенциальном направлении поперек волокон древесины основных пород.

Таблица 57. Влияние температуры на прочность при сжатии древесины вдоль и поперек волокон.

Примечание: В числителе приведены данные при радиальном сжатии, в знаменателе -- при тангенциальном.

Таблица 58. Влияние повышенной температуры при разной влажности на прочность древесины при растяжении поперек волокон.

древесина прочность стружечный плита

Так, для березы при увеличении влажности от 10% до W_u._r. мгновенный модуль упругости снижается в 4 раза, а при температуре 95° -- в 8 раз; длительный модуль упругости снижается соответственно в 5 и 7 раз, время релаксации -- в 4 раза. С увеличением числа циклов механические свойства древесины понижаются при всех вариантах изменений температуры и при всех градациях влажности. Особенно заметно снижается прочность после первых 40 циклов, затем снижение прочности замедляется. Если при механических испытаниях древесины не проводится кондиционирование состояния среды, то полученные показатели приводятся к стандартной температуре 20° по формуле:

где в -- поправочное число на температуру, кг/см²; t -- температура древесины в момент испытаний. Значения поправочных чисел в даны в соответствующих ГОСТ.

3. Характеристики прочности цементно- стружечных плит

Материал широко используется в строительстве, ремонте и отделочных работах. Выпускается он в форме плит, длина которых колеблется от 2,5 до 3,6 метров, ширина - от 1,2 до 1,3 метров. Толщина плиты составляет от 8 до 40 мм. Нестандартная ЦСП плита может выпускаться шириной от 0,25 до 0,45 метров.

Характеристики и сравнение видов.

Фактура, плотность материала, форма выпуска регулируются ГОСТом 26816-86. Согласно этому документу, цементно-стружечная плита может быть видов ЦСП-1 и ЦСП-2, которые отличаются по плотности (первый вид относится к более плотным и, соответственно обладает большей механической прочностью) и внешнему виду. ГОСТ регулирует количество дефектов, допустимое на квадратном метре плиты: ЦСП-1 не должны иметь цветовых дефектов и каверн, в ЦСП-2 допускается одно пятно и одна каверна, в среднем, на квадратный метр поверхности.

Согласно ГОСТУ боковые поверхности и углы плиты должны быть ровными, без дефектов и механических повреждений. Отсутствие дефектов после длительного хранения обусловливается соблюдением некоторых правил:

· * храниться плиты должны в сухом помещении, с низкой амплитудой колебаний температуры и влажности;

· * высота штабеля уложенных друг на друга плит не должна превышать 0,6 метра (в противном случае возможно появление деформаций).

Однородность структуры и плотность материала определяют его эксплуатационные свойства.

Эксплуатационные свойства цементно-стружечной плиты.

Прочностные характеристики плит зависят от плотности: у менее плотных ЦСП-2 прочность на изгиб (при разных значениях толщины) колеблется в пределах 9-7 МПа, у ЦСП-1, при одинаковых с ЦСП-2 значениях толщины - 12-9 МПа.

Плотность плиты определяет высокий показатель прочности на сжатие, достигающий 15 МПа и модуля упругости, среднее значение которого - 300 МПа. Прочность на растяжение не так велика (0,4 МПа), но подобные деформации на практике редки, поэтому цементно-стружечная плита надёжна и как конструкционный материал, и как отделочный.

Плотная структура ЦСП определяет тепло- и звукоизоляционные свойства материала: низкую теплопроводность и высокий уровень звукоизоляции. Через плиту не проходит воздух, а звуковые колебания гасятся за счёт многослойности внутренней структуры. Если при обустройстве внутренних перегородок комбинировать ЦСП с минераловатным утеплителем, звуко- и термоизолирующие свойства перегородки резко возрастают.

Независимо от цены на ЦСП (то есть от вида) материал относится к трудновоспламеняемым, нетоксичным, не поддерживающим горение. Эта характерная особенность делает плиту пригодной к использованию в строительстве, ремонте и отделке объектов с повышенной пожароопасностью.

Низкий уровень естественной влажности и коэффициенты водопоглощения и разбухания делают плиту пригодной для использования во внешней отделке, при обустройстве кровли и фасада. Стабильный уровень влажности влияет на устойчивость плит к действию микроорганизмов: и развитие возможно только в среде с достаточным уровнем влажности, который, даже после длительной эксплуатации на открытом воздухе или в слабо защищённом помещении, остаётся постоянным.

Механическая прочность, особенно в отношении длительного воздействия деформирующих факторов сжатия и изгиба нисколько не сказываются на лёгкости обработки плиты. В большинстве случаев распиловка её возможна непосредственно на строительном объекте, ручным инструментом.

Внутренняя структура

ЦСП состоит из трёх слоёв плотной цементно-стружечной массы: для внутреннего слоя используется крупная стружка, для внешних - мелкая. Структура, во многом, определяет механические свойства плиты.

Размещено на Allbest.ru