ФИЗИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

Одним из важнейших свойств древесины является ее усадка. Линейные размеры древесины уменьшаются в процессе сушки, а противоположный процесс - так называемое растрескивание -идет при поглощении влаги из воздуха. Эти явления происходят при изменении содержания связанной воды (насыщающей), а со­держание свободной (капиллярной) воды не влияет на изменение объема древесины. Величина объемной усадки приблизительно равна объему связанной (насыщающей) воды, отданной древеси­ной при сушке. Линейная усадка различных пород древесины приведена в табл. 34.1.

Неодинакова величина усадки при сушке в направлениях оси, лучей и по окружности. Эти величины наименьшие в направле­нии оси древесины (0,12-0,36 %), выше в направлении лучей (3-8 %) и самые высокие по окружности (6-13 %). Разная линейная усадка в направлении лучей и по окружности вызывает коробле­ние досок и изменение формы поперечного сечения. Более бы­страя и большая усадка по окружности, чем вдоль лучей, при сушке является главной причиной растрескивания древесины.

Растрескивание легче происходит в более толстых сечениях. На рис. 34.2. показано разное деформирование, возникающее в ре­зультате неодинаковой усадки по сечению ствола дерева.

Плотность древесины (собственная масса) зависит от степени ее влажности и пористости. В связи с этим различают плотность свежесрубленной, воздушно-сухой и полностью сухой древесины. В зависимости от плотности древесины в воздушно-сухом состоянии различают

Породы

Граб, тис, гваяк, эбен, эвкалипт Белая акация (акация), бук, дуб, ясень, орех, груша, слива Береза, клен, явор (белый клен), лиственница, вяз Каштан, красное дерево Сосна обыкновенная, ель, пихта, липа, ольха, осина, кедр, тик Тополь, белая сосна

Механические свойства древесины зависят от направления дей­ствия силы по отношению к волокнам. Различают прочность древе­сины вдоль и поперек волокон. Наиболее существенными являются прочность при сжатии, изгибе и растяжении. Разница в прочности отдельных пород древесины является следствием их различной плотности. Несмотря на то, что прочность при растяжении древе­сины значительна, близка к прочности некоторых цветных метал­лов, например некоторых бронз и латуней, в практике избегают применять деревянные элементы, работающие на растяжение, учи­тывая малую прочность древесины, вызванную напряжениями сре­за и сжатия в месте закрепления. Прочность древесины при сжатии вдоль волокон в 3 раза меньше, чем при растяжении.

Одной из важных характеристик, определяющих пригодность древесины для использования в промышленности, является ее твердость. Твердость древесины растет по мере роста ее плотности. На основе определения твердости по методу Бринелля древесина разделена на пять классов твердости (табл. 34.2).

ИЗДЕЛИЯ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ

Торговая древесина делится на:

• круглую древесину (окоренную) необработанную, например кругляки лесопилки, строительные, шахтные столбы, ба­лансовая древесина;

• круглую обработанную древесину, например пиломатериалы (доски, бревна, брусы), паркет и клепки, шпалы и др.;

• дровяную древесину.

Из древесины производят следующие группы материалов.

• Фанеры — тонкие древесные плиты (толщиной 0,4—3,0 мм), полученные при внецентренном или окружном срезании различных пород круглой древесины, благодаря чему обыч­но получаются материалы с эффектными послойными узо­рами, цветом и блеском.

• Клееные фанеры - плиты, склеенные из нечетного количест­ва фанерных листов, причем волокна в прилегающих слоях находятся под прямым углом. Физические и механические свойства клееной фанеры зависят от породы древесины, ка­чества фанерных слоев, толщины и состава фанеры, вида клея и способа склеивания. По стандарту различают сухо-стойкие, полуводостойкие и водостойкие. Толщина краевой клееной фанеры составляет 4, 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18 и 20 мм, длина 1120-2440 мм, а ширина 650-2440 мм.

• Древесноволокнистые плиты - плиты, изготовленные из дре­весных волокон с добавлением или без добавления химиче­ских веществ. Они делятся на мягкие (пористые) плотностью менее 400 кг/м³, полутвердые плотностью 400-800 кг/м³, твер­дые плотностью более 800 кг/м³ и очень твердые плотностью более 900 кг/м³. Мягкие плиты имеют толщину 9,5-25 мм, остальные - толщину 2,4-6,4 мм. По применению древесно­волокнистые плиты делятся на плиты общего назначения и специального назначения (водостойкие, грибостойкие, насе-комостойкие и негорючие). Применяются также как декора­тивные или звукозащитные материалы.

• Костровые плиты — стружечно-коегровые, полученные при скле­ивании синтетическим клеем под давлением льняных и ко­нопляных костров, а также древесной стружки или опилок. Толщина плит составляет 8-50 мм, а плотность 300-740 кг/м³. В зависимости от способа изготовления и окончательной об­работки различаются прессованные, штампованные, одно-, двух- и пятислойные, полные и пустотелые, с натуральной, облагороженной и фанерной поверхностью.

• Плиты стружечно-цементные - это строительные плиты, по­лучаемые из непромокаемой пропитанной (например, хло­ридом кальция) древесной стружки и цемента, размерами 2000 х 500 мм и различной толщины.

• Древесностружечные плиты — плиты из мелкой древесной стружки толщиной 0,05-0,6 мм, шириной 1-6 мм и длиной 200-500 мм, полученной из округлой древесины или ело-

вых, пихтовых, сосновых, тополиных, осиновых и липовых щепок. Древесностружечные плиты характеризуются легко­стью, мягкостью, эластичностью, воздухопроницаемостью, имеют также хорошие теплоизоляционные свойства. В зави­симости от назначения плиты делятся на упаковочные и строительные. Применяются также в качестве обоев. > Другие материалы, например лигнофол (слоистый материал в виде плит, изготовленный из водостойкой фанеры, склеен­ной синтетическим клеем под давлением), лигностон (древе­сина, упрочненная прессованием под давлением до 40 МПа при температуре 70-160 °С), щепки (размельченная древеси­на или отходы лесопильного производства) и мягкая древе­сина, применяемые в производстве пластмасс и взрывчатых материалов.

Строение дерева

Растущее дерево состоит из кроны, ствола и корней. При жизни дерева каждое из этих частей выполняет свои определенные функции и имеет различное допромышленное применение.

Крона состоит из ветвей и листьев (или хвой).

Ствол - это часть дерева от корней до вершины, несущая на себе ветви. Ствол растущего дерева проводит воду с растворенными минеральными веществами вверх (восходящий ток), а с органическими веществами - вниз по лубу к корням (нисходящий ток); хранит запасные питательные вещества; служит для размещения и поддержания кроны. Он дает основную массу древесины и имеет промышленное значение. Верхняя тонкая часть ствола называется вершиной, нижняя толстая часть - комелем.

Корни проводят воду с растворенными в ней минеральными веществами вверх по стволу; хранят запасы питательных веществ и удерживают дерево в вертикальном положении.

Поперечный разрез ствола:

1. серцевина

2. серцевинные лучи

3. ядро

4. пробковый слой

5. лубяной слой

6. заболонь

7. камбий

8. годичные слои

Заболонь, ядро:

Древесина лесных пород окрашена обычно в светлый цвет. При этом у одних пород вся масса древесины окрашена в один цвет (ольха, береза, граб), а других центральная часть имеет более темную окраску (дуб, лиственница, сосна). Темная часть ствола называется ядром, а светлая периферическая - заболонью. У некоторых безъядровых пород наблюдается потемнение центральной части ствола. В этом случае темная центральная зона называется ложным ядром.

Металлические мат-лы

1) Общая хар-ка, св-ва и стр-ра:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Металлы и их сплавы повсеместно используются для конст­рукций машин, оборудования, инструмента и т. д. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов, керамики, клеев, металлы служат основным конструкционным материалом и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать.

В природе металлы встречаются как в чистом виде, так и в ру­дах, оксидах и солях. В чистом виде встречаются химически ус­тойчивые элементы (Pt, Au, Ag, Hg, Си). Масса наибольшего са­мородка меди составляет 420 т, серебра - 13,5 т, золота - 112 кг.

Из 109 открытых элементов, представленных в периодиче­ской системе элементов Д. И. Менделеева (см. форзац), 22 явля­ются неметаллами. Все элементы, расположенные левее жирной ступенчатой линии, проведенной от бора до астата (от № 5 до № 85).относятся к металлам, а правее - к неметаллам. Эта гра­ница не является абсолютно строгой, среди элементов, распо­ложенных вблизи гранцы, находятся и элементы, промежуточ-

ные между металлами и неметаллами, иногда называемые по­луметаллами .

Металлические материалы обычно делятся на две большие группы: железо и сплавы железа (сталь и чугун) называют чер­ными металлами, а остальные металлы и их сплавы — цветными. Кроме того, все цветные металлы, применяемые в технике, в свою очередь, делятся на следующие группы:

• легкие металлы Mg, Be, Al, Ti с плотностью до 5 г/см³;

• тяжелые металлы Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os с плотно­стью, превышающей 10 г/см³;

• легкоплавкие металлы Sn, Pb, Zn с температурой плавления соответственно 232, 327, 410 °С;

• тугоплавкие металлы W, Мо, Та, Nb с температурой плавле­ния существенно выше, чем у железа (> 1536 °С);

• благородные металлы Au, Ag, Pt с высокой устойчивостью против коррозии;

• урановые металлы, или актиноиды (актиниды), используе­мые в атомной технике;

• редкоземельные металлы (РЗМ) - лантаноиды, применяе­мые для модифицирования стали;

• щелочные и щелочноземельные металлы Na, К, Li, Ca в сво­бодном состоянии применяются в качестве жидкометалличе-ских теплоносителей в атомных реакторах; натрий также используется в качестве катализатора в производстве искус­ственного каучука, а литий - для легирования легких и прочных алюминиевых сплавов, применяемых в самолето­строении.

Свойства металлов разнообразны. Ртуть замерзает при темпе­ратуре -38,8 "С, вольфрам выдерживает рабочую температуру до 2000 °С (!Г_ПЛ = 3410 °С), литий, натрий, калий легче воды, а иридий и осмий в 42 раза тяжелее лития. Электропроводность серебра в 130 раз выше, чем у марганца. Вместе с тем металлы имеют ха­рактерные общие свойства. К ним относятся:

• высокая пластичность;

• высокие тепло- и электропроводность;

• положительный температурный коэффициент электрическо­го сопротивления, означающий рост сопротивления с повы­шением температуры, и сверхпроводимость многих металлов (около 30) при температурах, близких к абсолютному нулю;

• хорошая отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлический блеск);

• термоэлектронная эмиссия, т. е. способность к испусканию электронов при нагреве;

• кристаллическое строение в твердом состоянии.

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Общее свойство металлов и сплавов - их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным рас­положением атомов в пространстве. Для описания атомно-крис-таллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.

Атомно-кристаллическая структура может быть представлена изображением не рядом периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Так называется ячейка, повторяю­щаяся во всех трех измерениях. Трансляцией этого наименьше­го объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла (рис. 1.1).

В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изобра­жение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий рас­полагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния а, Ь и с между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки. Ве­личина их в металлах порядка 0,1-0,7 нм, размеры элементарных ячеек 0,2-0,3 нм.

Для однозначного описания элементарной ячейки кристалли­ческой решетки необходимо знание величин параметров а, Ь, с и углов между ними.

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Различают физические, химические, технологические и механи­ческие свойства. Физические свойства определяют поведение материалов в тепловых, гравитационных, электромагнитных и ра­диационных полях. К физическим свойствам относятся плотность, теплоемкость, температура плавления, термическое расширение, магнитные характеристики, теплопроводность, электропроводность.

Под химическими свойствами понимают способность мате­риалов вступать в химическое взаимодействие с другими вещест­вами, сопротивляемость окислению, проникновению газов и хи­мически активных веществ. Характерным примером химического взаимодействия среды и металла является коррозия.

Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность подвергаться горячей и холодной обработке, в том числе при выплавке, горячем и холодном деформировании, обра­ботке резанием, термической обработке и особенно сварке. При рассмотрении свойств отдельных видов материалов их техноло­гичности будет уделено соответствующее внимание.

Целесообразность применения тех или иных материалов оп­ределяется не только их свойствами, но и их стоимостью.

При конструировании изделий в первую очередь руководству­ются механическими свойствами материалов. Механические свой­ства материалов характеризуют их способность сопротивляться деформированию и разрушению под воздействием различного ро­да нагрузок. Механические нагрузки могут быть статическими, динамическими и циклическими. Кроме того, материалы могут подвергаться деформации и разрушению как при разных темпе­ратурах, так и в различных, в том числе агрессивных, средах.

2) Стали применяемые в стр-ве, арматурные стали:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Конструкционные стали должны обладать вы­сокой конструктивной прочностью, обеспечивать длит и надежную работу кон-ции в усл-ях экспл-ции. Поэтому особенность требований, предъявляемых к конструкци­онным материалам, состоит в необходимости обеспечения ком­плекса высоких механич св-в, а не одной какой-либо ха­р-ки.

Материалы, идущие на изготовление конструктивных эл-­тов, деталей машин и механизмов, должны наряду с высокой прочностью и пластичностью хорошо сопротивляться ударным нагрузкам, обладая запасом вязкости. При знакопеременных на­грузках конструкционные мат-лы должны обладать высоким сопротивлением усталости, а при трении — сопротивлением изно­су. Во многих случаях необходимо сопротивление коррозии. Учи­тывая, что в деталях всегда имеются дефекты, являющиеся кон­центраторами напряжений, конструкционные материалы должны обладать высоким сопротивлением хрупкому разрушению и рас­пространению трещин.

Помимо высокой надежности и конструктивной прочности конструкционные мат-лы должны иметь высокие технологи­ческие св-ва - хорошие литейные свойства, обрабатываемость давлением, резанием, хорошую свариваемость. Конструкционные материалы должны быть дешевы и не должны содержать дефи­цитных легирующих элементов.

Из всех мат-лов, применяемых в настоящее время и про­гнозируемых в будущем, только сталь позволяет получать сочета­ние высоких значений различных механических характеристик и хорошую технологичность при сравнительно невысокой ст-ти. Поэтому сталь является осн и наиболее распростр-ым конструкционным мат-лом. Легирование позволяет по­высить уровень механических свойств.

Осн преимуществами легированных конструкционных сталей перед углеродистыми явл более высокая прочность за счет упрочнения феррита и большей прокаливаемости, мень­ший рост аустенитного зерна при нагреве и повышенная ударная вязкость, более высокая прокаливаемость и возможность приме­нения более мягких охладителей после закалки, устойчивость про­тив отпуска за счет торможения диффузионных процессов. Отпуск при более высокой температуре дополнительно снижает закалочные напряжения. Легированные стали обладают более высоким уровнем механических свойств после термической обработки. По­этому детали из легированных сталей, как правило, должны под­вергаться термической обработке.

Различают следующие виды конструкционных сталей: 1) уг­леродистые, в том числе автоматные стали; 2) строительные; 3) цементируемые; 4) улучшаемые; 5) высокопрочные; 6) рессорно-пружинные; 7) подшипниковые; 8) износостойкие.

Арматура в ж/б конструкциях воспринимает растягивающие напряжения, основной характеристикой арматурной стали явл. диаграмма растяжения Арматурные стали применяемые в строительстве подразделяются

- углеродистые

- легированная (для высокий прочной арматуры)

Передел упругости напряжения при котором сохраняется линейный закон Гука, предел текучести напряжения которому соответствует площадка предела текучести, временное сопротивление напряжению представленное разрушению

(Схема)

Классификация арматуры

1. по способу изготовления

- горячекатаная стержневая арматура

- холодно тянутая проволочная

- термически упрочненная горячее катанная

- термомеханически упрочненная

- арматура упрочненная вытяжкой

2. по назначению

- рабочая – устанавливается по расчету

- монтажная – без расчета для равномерного распределения нагрузки

3. по виду поверхности

- гладкая

- периодического профиля

4. по виду работы в ж/б конструкциях

- обычная

- предварительно напряженная

Полимеры и пластмассы