Механическая прочность древесины Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Механическая прочность древесины

С.В. Тутурин

Московский государственный университет, Москва, 119899, Россия

При испытании образцов из древесины (дуб, сосна, ель) на сжатие впервые удалось наблюдать возникновение и развитие линий скольжения. Эти исследования проводились в лаборатории Института горного дела СО РАН в 2002-2003 гг. Особенностью проводимых испытаний стало применение «жесткого» режима нагружения, т.е. с приращением перемещений захватов пресса. В качестве испытательной машины применялся пресс модели 1ш1гоп.

Mechanical strength of wood

S.V Tuturin

Moscow State University, Moscow, 119899, Russia

At compression testing of wood specimens (oak, pine and spruce) it has been possible to observe the formation and propagation of slip bands. The investigations were carried out in the Institute of Mining SB RAS in 2002-2003. A peculiarity of the performed testing was the application of a “hard” loading regime, i.e. with an increment of displacements of the testing mashine grips. An Instron press was used as a testing machine.

1. История вопроса

В целом разрушение деревянных образцов из-за появления «складок», как это явление часто называется в технической литературе, наблюдалось еще профессором Ивановым Ю.М. в середине 20-го века с помощью микроскопа при увеличении в 100-200 раз. Сложность наблюдения заключалась не только в выборе освещения, введения в древесное вещество различных окрашивающих растворов, но и мгновенном разрушении образца при образовании «складки». Именно мгновенное разрушение заставляло «внимательно следить за деформированием образца... При ускорении деформаций нужно было быть наготове. В следующий момент, когда стрелка индикатора начинала быстро двигаться, необходимо было сразу разгружать образец. Таким путем удавалось сохранять от полного разрушения образцы с образовавшимися на них складками. Складка, раз образовавшаяся в своей самой зачаточной стадии, настолько быстро развивается, что достаточно промедлить с разгрузкой лишь доли секунды, чтобы образец полностью разрушился. При анализе обстоятельств, непосредственно предшествующих разрушению, невольно возникает вопрос: чем иным, как не достижением предельной деформации,

можно объяснить разрушение образца не в момент приложения нагрузки, а по прошествии некоторого времени, в течение которого деформация непрерывно растет при той же неизменной величине напряжения?»1 [1].

При проведении опытов мы действительно наблюдали лавинообразное разрушение образцов при схеме нагружения по приращению усилия. Причем, зная заранее приблизительную величину максимальной нагрузки, мы сознательно, в несколько раз, замедляли процесс нагружения перед критическим участком, как только на мониторе компьютера угол наклона кривой «нагрузка - перемещение» с осью х приближался к нулю. Однако удлинения во времени процесса разрушения достигнуть так и не удалось. Образец разлетался на мелкие осколки, причем верхняя его часть как бы вдавливалась в нижнюю, разрывая последнюю на части.

Если же анализировать значение критической деформации для образцов различного сечения, то эта величина оказывается менее устойчивой, нежели максимальное напряжение, а высказывание по поводу дости-

1 От себя добавим, что не только при неизменной величине напряжения, но и при его уменьшении (см. графики).

© Тутурин C.B., 2004

жения предельной деформации и, как следствие, разрушения образца, опровергается ходом испытания. При сбросе усилия при нагружении по перемещениям деформации могут расти достаточно долго, о чем наглядно свидетельствует нисходящая ветвь на диаграмме.

Согласно [1] разрушение древесины есть чисто местное явление, при котором зона разрушения ограничивается объемом самой складки. На всех образцах соседние со складкой участки остаются неповрежденными, с первоначальной формой и структурой анатомических элементов. Непосредственные микроскопические исследования показали, что до момента образования складки никаких микроскопических упругих или неупругих искажений первоначальной формы клеточных стенок нет. Разрушение происходит мгновенно, но подготавливается постепенно накапливающимися субмик-роскопическими изменениями в стенках клеток.

С этим утверждением трудно не согласиться, так как наблюдаемые нами образцы имели следы разрушения только в зоне действия линии скольжения и ее самых ближайших окрестностей.

Необходимо отметить, что во всех без исключения образцах линии скольжения располагались на тангенциальных гранях наклонно (угол варьировался от 35 до 45 градусов, чаще 35°), а на радиальных — перпендикулярно к волокнам (85° ± 10°).

Перемещение пресса, мм

20 30 40 50 60 70

0 1—■—■—■—■—■—■—■—■-------------

-4000

I—

I -8000

>ч

О-

1_

СО

1 -12000

-16000

Рис. 1. Типичная диаграмма «нагрузка - перемещение захватов пресса» при сжатии деревянного образца (жесткий режим нагружения)

Перемещение пресса, мм 60 62 64 66 68 70

0

*2 -4000 я

| -8000

о.

1_

I -12000 -16000

Предположение о подобном расположении линий скольжения впервые было высказано Москалевой В.Е. [2], которая сделала заключение, что высокое сопротивление сердцевидных лучей способствует именно такому направлению развития линий. Однако позднее Иванов Ю.М. подверг критике подобные предположения и провел ряд экспериментов, которые опровергли влияние сердцевидных лучей на вид деформирования. Он предположил, что объяснение такому явлению следует искать в особенностях напряженного состояния образца, а разрывы сердцевидных лучей при сдвиге следует считать вторичным явлением.

По наблюдениям Иванова Ю.М. складка при приложении усилия начинается на ребре, где сдвигу не препятствуют соседние целые волокна, как если бы это происходило внутри образца. Но мы не разделяем такой точки зрения. Если исходить из полученных результатов, складка является проявлением внутренних изменений в структуре образца и проявляется одновременно на всех четырех гранях призмы, как только на пресс задается следующий шаг приращения деформаций после достижения максимального усилия.

Таким образом, объяснение возникновения линий скольжения однозначно связано с внутренними структурными изменениями в материале, и внешние факторы, такие как форма образца, не могут оказывать существенного влияния на наличие, расположение и развитие линий скольжения.

Поскольку раньше исследователи не могли наблюдать за развитием линий скольжения, а ограничивались лишь наблюдением начальной стадии их образования, наши эксперименты претендуют на новизну и имеют практическую ценность, в первую очередь, с точки зрения изучения нисходящей ветви1.

2. Полная диаграмма деформирования одноосного образца

Благодаря жесткой форме нагружения удалось наблюдать и запечатлеть на видеокамеру полную картину работы древесины при сжатии. Полная диаграмма представлена на рис. 1. Участок достижения максимальной нагрузки в увеличенном виде представлен на рисунке 2.

На диаграмме видны три различных участка. К первому относится местное смятие под захватами пресса, когда рост деформаций существенно опережает рост прикладываемого усилия. Приблизительно у отметки 800 кг начинается упрочнение материала, завершение процесса местного смятия и выравнивание зависимости «нагрузка - перемещение» до прямой линии.

Большую часть опыта материал подчиняется закону Гука и ведет себя упруго. При нагрузке около 60 % от

Рис. 2. Участок достижения максимальной нагрузки

1 И, как следствие, остаточной прочности древесины.

Рис. 3. Участок максимальной нагрузки

начала нагружения кривая постепенно отклоняется от линейной зависимости между усилием и деформациями. Это хорошо соотносится с общепринятыми представлениями о начале необратимых деформаций в зоне 0.6Ртах (второй участок на диаграмме)

Далее угол наклона кривой с осью ОХ постепенно увеличивается, доходя в вершине графика до 90°, что хорошо видно на рис. 3, который является увеличенной копией участка с максимальной нагрузкой.

Сразу за максимумом напряжения возникают линии скольжения в виде тонких, едва заметных полос на гранях образца. По мере дальнейшего перемещения пресса линии становятся все заметнее глазу наблюдателя благодаря начавшемуся движению образца вниз по этим линиям. Одна часть образца «скользит» по другой. На графике с этого момента начинается участок нисходящей ветви. Нагрузка уменьшается, и можно заметить, что это падение происходит более плавно, если сравнивать с изгибом. Дело в том, что при изгибе происходит резкое возникновение поперечной трещины в образце, здесь же структура остается плотной, изменения касаются лишь зоны, непосредственно примыкающей к линиям скольжения (рис. 4, 5).

Нисходящая ветвь диаграммы (рис. 6) состоит также из нескольких участков, каждому из которых соответствуют свои процессы, происходящие в образце.

На первом этапе происходит развитие линий скольжения. Никаких иных изменений в структуре не наблюдается, кроме разделения образца на два блока.

Второй участок характеризуется временным упрочнением: по-прежнему отсутствуют какие-либо видимые дефекты структуры, однако «скольжение» начинает встречать внутреннее сопротивление. Волокна загибаются достаточно сильно, и, по-видимому, начинают работать силы сцепления волокон между собой вдоль образца, что приводит к временному росту напряжения.

Сброс нагрузки развивается на третьем участке и начинается с появления первых вертикальных трещин. Происходит вертикальное расслаивание волокон, напоминающее расщепление на части. При этом два сформировавшихся блока продолжают «скользить» один по другому.

Рис. 4. Развитие линий скольжения

Рис. 5. Заключительная фаза испытаний

Третий участок обычно имеет самую большую протяженность, нагрузка уменьшается по мере возникновения новых продольных трещин, верхний блок медленно движется по нижнему и часто достигает основания пресса (хотя в некоторых опытах из-за продольного расщепления образец теряет устойчивость).

-20

Перемещение пресса, мм 0 20 40 60

80

-4000

I—

я

-8000

я

X .

-12000

V

IV4

и

-16000

Рис. 6. Типичные участки работы деревянного образца при сжатии

Последний участок упрочнения обозначен цифрой IV. С физической точки зрения это означает достижение верхней частью образца нижней платформы пресса. Происходит следующее: пресс начинает деформировать как бы удвоенное, продольно ослабленное сечение. При этом, что примечательно, в местах развития линий скольжения часть волокон разрывается, другая же часть продолжает загибаться вниз, сопротивляясь разрушению.

Если предположить, что верхняя часть образца была бы способна преодолеть нижний захват пресса и опуститься ниже, нет сомнений, что и до тех пор образец продолжал бы сопротивляться разрушению.

Пятый этап является последним в нисходящей ветви. Здесь образец окончательно теряет устойчивость и распадается на блоки различных размеров, связанные между собой неразорвавшимися волокнами. Нагрузка стремительно падает.

3. Результаты исследований

Наблюдая за экспериментом, не возникает сомнений, что разрушение происходит не столько по линиям скольжения из-за разрыва крайних волокон, сколько из-за появления продольных трещин и отщепления волокон друг от друга. Этот процесс выглядит вполне логично, если вспомнить о межструктурных связях внутри древесины. Так, взаимодействие макромолекул целлюлозы между собой как главного составляющего вещества волокон значительно сильнее, нежели силы сцепления волокон между собой. Возникают поперечные напряжения, перпендикулярные линии действия нагрузки, разделяющие внутреннюю структуру образца на мелкие блоки.

Следует заметить, что получение полной картины разрушения связано с некоторыми трудностями. Во-

первых, играет существенную роль скорость изменения перемещений пресса. При высоких скоростях графическое изображение «теряет» некоторые участки, спрямляя нисходящую ветвь на диаграмме. Во-вторых, и это самое важное, только образцы с идеальной структурой позволяют фиксировать полную картину разрушения. Волокна должны быть строго параллельны, с одинаковыми расстояниями между слоями поздней древесины. Если угол наклона волокон хотя бы на несколько градусов отличается от угла действия силы, то при появлении линий скольжения начинается потеря устойчивости всего образца и он «заваливается» на бок, не позволяя блокам «скользить» один по другому. Само же появление линий скольжения не зависит от структуры образца и является общей характеристикой для всего процесса разрушения при сжатии.

Если рассматривать вопрос об остаточной прочности, на котором, безусловно, следует останавливаться подробно и проводить специальные исследования, то потенциальные запасы механической прочности в древесине достаточно велики. После возникновения линий скольжения процесс упрочнения структуры начинается при нагрузках, составляющих более 0.5 от максимальной. При этом, если не задавать дополнительных перемещений, образец продолжает сопротивляться действующей силе, хотя структура в зоне линий скольжения претерпела существенные изменения.

Литература

1. Иванов Ю.М. Деформации древесины под действием повторной

статической нагрузки при сжатии вдоль волокон // Вопросы прочности и изготовления деревянных конструкций. - М., 1952. - С. 7—

47.

2. Москалева В.Е. Строение древесины и его изменение при физичес-

ких и механических воздействиях. - М., 1957.