CC BY
198
РАЗРУШЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ СЖАТИИ
Е.И. ШЕМЯКИН, академик РАН, зав. каф. газовой и волновой динамики механико-математического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, д-р техн. наук, С.В. ТУТУРИН, докторант каф. газовой и волновой динамики механико-математического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, канд. техн. наук,
М.Р. КОРОТКИНА, проф. каф. газовой и волновой динамики механико-математического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, проф каф. физики МГУЛ, д-р физ.-мат. наук
I ^
■ I ь ^-ч. г
ш
ШЕМЯКИН Евгений Иванович
Родился 9 декабря 1929 г., Новосибирск. Специалист в области механики горного массива, механики деформируемых сред и действия взрыва на горные породы. Член-корреспондент по Отделению механики и процессов управления (механика горных пород) с 23 декабря 1976 г., академик по Отделению геологии, геофизики и геохимии (геология, геофизика, горное дело) с 26 декабря 1984 г.
Состоит в Отделении геологии, геофизики, геохимии и горных наук РАН.
Сжатие является одним из наиболее изученных видов напряженного состояния древесины. Испытания на сжатие освобождены от различных гипотез, не стеснены возможностями оборудования и формой образцов, могут проводиться на образцах раз-
личной формы, и оттого очень удобны в практическом применении.
До настоящего времени все испытания деревянных образцов на сжатие проводились путем приращения нагрузки. Основная новизна приводимых в публикации данных заключается в «жестком режиме» на-гружения, т.е. путем приращения перемещений. Картина разрушения и поведение образца принципиально различаются по сравнению с традиционными методами испытаний. Кроме того, с помощью «жесткого режима» нагружения впервые была получена полная диаграмма «нагрузка - деформация» образца при сжатии вдоль волокон.
Основные достижения в изучении прочности древесины при сжатии
Прочность древесины при сжатии определяется вдоль и поперек волокон, в последнем случае - в радиальном и танген-тальном направлениях.
Каждое из направлений при сжатии имеет свои особенности, которые нельзя обходить стороной. Так, например, при сжатии поперек волокон необходимо учитывать площадь образца, на которую действует нагрузка. Возможны два случая: нагрузка приложена на всю поверхность образца, и на часть поверхности. Во втором случае в образце высокие деформации могут быть вызваны смятием.
Деформацию древесины всех пород при сжатии поперек волокон в радиальном, а рассеяннопоровых лиственных пород и в тангентальном Хухрянский П.Н. описывает в три стадии [1]:
- В первой фазе деформация протекает до предела пластического течения ранней древесины. По терминологии Ю.М. Иванова, первая фаза соответствует «области неполной упругости» ранней древесины. Первая фаза для древесины разной влажности заканчивается при относительной деформации в 3-6 %. Кривые упругой и пластической деформации имеют вид параболы, обращенной выпуклостью вверх.
- Во второй фазе все кривые имеют горизонтальный или со слабым подъемом участок. Величина пологой части как для упругой, так и для пластической деформации в сильной степени зависит от влажности древесины в момент сжатия.
- В третьей фазе кривые упругой и пластической деформации имеют крутой подъем. Третья фаза является областью неполной упругости поздней древесины.
Деформация в первой фазе протекает за счет сжатия ранней древесины годовых слоев. Фаза продолжается до предела пластического течения оболочек клеток ранней древесины.
Вторая фаза начинается с пластического течения ранней древесины, с потерей устойчивости клеток. Деформация происходит в основном из-за смятия клеток ранней древесины. По мере вовлечения в деформацию клеток поздней древесины годовых слоев вторая фаза деформации плавно переходит в третью.
Величина полной деформации во второй фазе может быть определена по процентному содержанию ранней древесины, понимая при этом отношение ширины ранней части годовых слоев к их общей ширине.
Третья фаза протекает, главным образом, за счет сжатия клеток поздней древесины. Из-за прочности стенок клетки сминаются при относительно больших напряжениях.
При всех степенях сжатия древесины, имеющих комнатную температуру, отношения упругой и пластической деформации к полной есть величины довольно устойчивые для определенной влажности [2]. Необходимо заметить, что для древесины
больше подходит термин «необратимые деформации», так как в прямом смысле пластического течения у нее не наблюдается. Причем необратимые деформации наблюдаются уже при первых шагах нагружения и продолжаются вплоть до разрушения, что отчетливо показали эксперименты по циклическому нагружению, проведенные автором на сосновых образцах. Однако данная тема выходит за пределы обсуждения.
При сжатии поперек волокон сухой древесины всех пород в радиальном, а некоторых лиственных пород и в тангентальном направлении общая деформация может доходить до 75 %. Величина деформации обратно пропорциональна объемному весу древесины: чем больше вес, тем меньше деформации.
При величине относительной деформации, близкой к 50 %, наблюдается боковое выпучивание, сопровождаемое микроразрушением древесины.
Сжатие вдоль волокон существенно отличается от поперечного сжатия по многим показателям. В отличие от прессования древесины при поперечном сжатии разрушение вдоль волокон происходит по линиям скольжения, которые развиваются под разными углами в зависимости от породы древесины и ее плотности. Чем плотней древесина, тем меньше угол наклона. С вертикальной линией угол разрушения составляет у дуба 57°, у сосны 59,5°, у пихты 84,5° [3].
Надо заметить, что наблюдение линий скольжения являлось трудновыполнимой задачей. При пошаговом нагружении образца в нем развиваются деформации вплоть до критической нагрузки (определяется в серии испытаний), при достижении которой следующее приращение силы приводит к лавинообразному разрушению. Причем заранее неизвестно с удовлетворительной точностью данное критическое значение. Приходилось при появлении первых признаков разрушения мгновенно разгружать образец. По Иванову, если время до начала разгрузки превышало 0,5 секунды, то образец тут же разрушался, и наблюдать линии скольжения не представлялось возможным [4].
Визуально, даже при успешном раз-гружении, вид получающихся линий скольжения давал мало поводов для успешных выводов о свойствах материала, поэтому применялись различные дополнительные приборы и методы.
При изучении под микроскопом явления разрушения древесины сосны при сжатии вдоль волокон обнаружено, что имеющиеся на стенках трахеид мельчайшие, едва уловимые в поляризованном свете, линии скольжения развиваются в крупные, составляющие с осью трахеид угол около 70°. В дальнейшем линии соединяются в линии разрушения, при этом каждое волокно ведет себя, как стержень при продольном изгибе.
Углы наклона линий скольжения в ранней древесине значительно больше, чем в поздней. Для сосны, по данным В. А. Баженова, углы составляют соответственно 29,2° и 17,3°. Для лиственницы, по данным В.Е. Вихрова, 27° и 15,8° [3].
Второй вид обнаружения линий скольжения, по Л. А. Иванову, на начальных стадиях разрушения, заключается в рассмотрении в микроскоп окрашенной хлор-цинк-йодом древесины. В местах разрушения целлюлоза соприкасается с раствором, в результате чего происходит сине-фиолетовое окрашивание.
За период продолжительных исследований прочности древесины при сжатии были получены пределы прочности для многих пород древесины, а также определена величина коэффициентов поперечной деформации (Ванин, Леонтьев и др.), что, несомненно, имеет огромное практическое значение для использования древесины в промышленности [3, 6, 7].
Однако подавляющее большинство экспериментов, начиная с 1950 года и до сегодняшнего дня, проводились на малых образцах «чистой древесины», без учета масштабного фактора. В литературе удалось обнаружить лишь отдельные, несистематизированные сведения, о влиянии размера образца на прочность древесины при основных видах напряженного состояния - сжатие, изгиб и растяжение, несмотря на то, что сам
основатель метода испытаний «чистых» образцов профессор Ю.М. Иванов многократно предупреждал об осторожности в применении полученных результатов на практике
При подготовке к проведению основной серии экспериментов была проделана огромная работа с целью определения геометрически оптимального образца для испытаний. Помимо существующих данных, были проведены эксперименты на сосновых образцах с поперечными размерами от (3 х 3) см2 до (7 х 7) см2 [8, 9], после чего в качестве основного был принят образец с размерами (6 х 6 х 20) см3.
Подготовка к проведению испытаний и оборудование
Методика испытаний включает в себя подготовку к изучению не только прочности и разрушения древесины, но и влияния масштабного фактора.
Первоначально планировалось провести две серии испытаний: одну - на лиственной породе, другую - на хвойной. Однако при подготовительных работах, помимо трудоемкости, на первый план вышла высокая стоимость проведения эксперимента, из-за чего пришлось остановиться на одной породе, оставив более широкое поле для деятельности будущим экспериментаторам.
В качестве основной породы была принята сосна. Обоснованием такого решения послужили следующие факторы: сосна -одна из наиболее распространенных в промышленности пород, площадь запасов сосны на территории нашей страны составляет 20 % всех запасов древесины.
Любая подготовка к проведению эксперимента начинается с выбора материала для испытаний. Чтобы исключить влияние возраста, условий произрастания, различия почв и т. п., мы отправились на делянку близ Новосибирска, где велась порубка промышленной сосны леспромхозом. Выбрали четыре дерева примерно схожего диаметра, одинакового возраста, растущих относительно свободно, без помех со стороны ближних деревьев, с максимально ровным стволом, так, чтобы ветки начинались как можно выше.
Деревья были срублены (январь 2002 года), промаркированы и доставлены на лесопилку. В течение недели их разделали на кряжи в соответствии с принятыми правилами.
Возраст деревьев составил 85 ± 5 лет.
Каждый кряж пронумеровали по принципу «номер дерева - порядковый номер кряжа» и еще через пару недель распустили на брусья. Из деревьев 1, 3 и 4 взяли по четыре бруса, а из дерева 2 лишь два бруса, что обуславливалось выраженной кривизной волокон по длине кряжа. Схема распиловки кряжей на брусья представлена на рис. 1.
Особое внимание уделялось расположению брусьев в кряже. В кряже отмечали середину, из которой проводили четыре радиуса под углом в 90°. Место выпила бруса размечали так, чтобы все брусья лежали на одинаковом расстоянии от середины, радиус проходил через центр бруса, а грани бруса были бы перпендикулярны радиусам. Дополнительным условием являлось отсутствие в брусьях сердцевины и прикорных частей ствола.
Итого было получено 14 брусьев длиной 3,2 метра и поперечным сечением (80 х 80) мм2. Торцы каждого бруса замазывались краской с целью уменьшения усу-шечных трещин. Предполагалось, что перед распиловкой на образцы брусья будут обрезаны на 10-15 см с каждой стороны, чтобы удалить появившиеся трещины. Большой объем материала связан с несколькими задачами, которые преследовались в ходе эксперимента. Прочность и разрушение при сжатии являлось лишь одним из направлений исследования.
Все брусья были аккуратно доставлены и уложены на полу отапливаемой комнаты в одном здании с испытательным прессом параллельно друг другу. Между брусьями для свободной циркуляции воздуха были оставлены зазоры, приблизительно равные ширине бруса. Все брусья были промаркированы и оставлены для приобретения равновесной влажности. Температура в комнате держалась около 25 °С, относительная влажность воздуха - 50-60 %. Окна были зашторены, чтобы на брусья не попадал прямой солнечный свет.
Рис. 1. Разделка деревьев на кряжи и брусья
При этом необходимо обращать внимание на перепады температуры воздуха, в котором находится древесина. Противопоказано заносить брусья с холода сразу в отапливаемое помещение, потому что в течение нескольких часов древесина придет в полную негодность из-за возникновения трещин.
Выбирая температурно-влажностный режим хранения, мы ориентировались на немецкие рекомендации, прилагаемые к влагомеру.
Первоначально была замерена влажность свежесрубленной древесины. Она составила 75 ± 5 % в зависимости от дерева.
Через месяц хранения влажность брусьев была замерена повторно. Из каждого дерева наугад выбиралось два бруса, в которые внедрялись электроды влагомера с таким расчетом, чтобы расстояние от торца бруса до первого электрода было больше толщины бруса, но вместе с тем не превышало размера зоны предполагаемого отпила торца.
Все брусья высохли приблизительно до одинаковой влажности, которая колебалась в диапазоне 26-28 %.
Через два месяца после доставки брусьев в комнату новые измерения показали влажность 12 брусьев в 16-17 %, и лишь 4 бруса имели повышенную влажность около 20 %. Тогда с целью выравнивания влаж-ностных показателей испытуемого материала перед распиловкой на образцы брусья с наибольшей влажностью были перенесены в другую, более сухую и теплую комнату.
После этого влажность брусьев проверялась через день, и, когда она достигла близкого к стандартному значения в 15 ± 1 %, мы решили начать изготовление образцов, учитывая, что непосредственно после распиловки брусьев на образцы, влажность отдельно взятого образца перед установкой на пресс уменьшится.
Общее время атмосферной сушки составило порядка трех месяцев. Такие относительно короткие сроки можно объяснить временем заготовки древесины и низкой влажностью воздуха в помещении.
После распиловки все полученные образцы сложили в испытательном цехе, каждый тщательно обмерили и взвесили, и затем оставили досушиваться до 13-15-процентной влажности.
Учитывая, что более толстые образцы сохнут медленнее, испытания начались с малых образцов, каждый из которых перед установкой на пресс подвергался все тем же измерениям веса и обмерам. Для определения влажности из каждой партии для каждого дерева выбирался наугад один образец, в который внедрялся влагомер. Затем данный образец отправлялся в отходы, так как отверстия, сделанные влагомером, создавали нежелательные концентраторы напряжений.
Был заведен журнал испытаний, куда тщательно записывались все измерения, а также обнаруженные визуально незначительные дефекты некоторых образцов.
Не допускались к испытаниям образцы с искривлением волокон более чем на 15°, с видимыми пороками строения, а также отбраковалась целая серия, пораженная плесенью.
Все испытания проводились на прессе Seven Furnaces Limited SF868E (Certificate №2632-055, serial No: 36, Readout device DK38, P31637, Date 03/07/1999, calibration setting 2.0171. Verifiable to BS EN 10002-4, 1995, ASTM E83 and ISO 9513 when used with Instron machines. Instron certifies to National Physical Laboratory. Registered in England.), произведенном в Великобритании в 2000 году. Данная модель пресса имеет широчайший спектр возможностей для измерений прочностных качеств любых материалов. Непосредственно с захватов на компьютер передаются следующие характеристики процесса нагружения:
- нагрузка в килограммах или в ки-лоньютонах с точностью до 0,001 грамма;
- перемещение захвата с точностью до 0,0001 мм.
- время нагружения;
- блоки нагружения, в каждом из которых можно задавать любые параметры, в том числе форму волны нагружения, от прямой до периодической синусоиды.
В каждый новый рабочий день перед началом испытаний проводилась обязательная автоматическая калибровка пресса.
Было возможно наблюдать за процессами, происходящими в образце, на мониторе компьютера непосредственно в процессе нагружения, по ходу испытаний вносить корректировки в скорость нагружения, выбирать режимы циклического нагруже-ния с целью выявить остаточные деформации и т. д.
Скорость нагружения выбиралась в соответствии с видом испытаний и максимальными деформациями образца от нулевой нагрузки до разрушения. Сначала в каждой серии испытаний тестировался пробный образец, и только с учетом полученных характеристик программное обеспечение настраивалось на основные образцы.
Общая скорость нагружения принималась не более 2 мм/мин, причем на отдельных образцах мы сознательно изменяли скорость в ту или другую сторону от основного значения, чтобы определить возможные расхождения в результатах. Однако в диапазоне от 0,1 до 5 мм/мин существенных расхождений в форме получаемых кривых, в достижениях критических значений нагрузок и деформаций обнаружено не было, в связи с чем скорость в 2 мм/мин приняли за основную.
Данное испытательное оборудование позволяло нам принимать за критические параметры как прилагаемое усилие, так и перемещение. Во втором случае пресс реа-лизовывал принцип жесткой машины. На тестовом образце замерялись перемещения с учетом ниспадающей ветви диаграммы «напряжение-деформация», затем задавалось время до разрушения. Деление двух этих величин давало нам шаг нагружения по деформациям.
Подавляющее большинство образцов испытывалось по перемещениям, и лишь отдельные образцы для проверки достоверности полученных результатов - по максимальной нагрузке.
Все полученные данные записывались на жесткий диск компьютера, после че-
го создавалась резервная копия на внешнем носителе.
Затем с использованием Microsoft Excel строились графики для каждого образца по снятым с пресса данным и по построенным графикам определялись деформации, которые претерпел образец в ходе испытаний.
Критическая нагрузка заносилась в журнал испытаний из таблицы полученного файла.
Каждый рабочий день начинался с измерения влажности образцов того сечения, которое предполагалось испытывать. Наугад выбирался образец, по возможности наименее пригодный для испытаний, т.е. содержащий какие-либо дефекты строения. Поскольку наиболее неудачные образцы были отбракованы еще при распиловке брусьев, на данном этапе недостатки в образцах носили достаточно условный характер. Например, искривление волокон в 5-7° по длине рабочей части являлось основанием для проведения на таком образце пробных испытаний, внедрения влагомера и прочих манипуляций подготовительного характера.
Влажность заносилась в журнал для проведения испытаний. Она не должна была превышать 15 %. Если же образец из какого-либо бруса показывал большую влажность, данная серия откладывалась на последующие дни, так как в распиленном виде образцы сохли достаточно быстро. Следует отметить, что максимальная влажность серий образцов по результатам измерений равнялась 16,5 %.
Затем образец выбранного поперечного сечения устанавливался на пресс с целью определения ориентировочной максимальной нагрузки, и проводилось пробное испытание. По определенному экспериментальным путем усилию в компьютер пресса заносились оптимальные характеристики. Это, в первую очередь, время нагружения и максимальное перемещение захватов пресса, что давало необходимую скорость нагруже-ния.
Варьирование скоростью нагружения могло оказать нежелательное воздействие на
получаемые результаты. При задании высокой скорости (более 5 мм\мин) на пробных образцах уменьшался эффект последействия после достижения максимальной нагрузки (нисходящая ветвь на диаграмме «напряжение-деформация»), и образец разрушался быстрее без образования на графике характерных «ступеней». Также мы заметили, что более высокая скорость нагружения оказывала влияние и на максимальную нагрузку, которая уменьшалась с увеличением скорости.
Снижение скорости нагружения также являлось нежелательным эффектом ввиду увеличения времени проведения опытов. Дело в том, что испытательное оборудование при длительной работе перегревалось и охлаждающая жидкость не успевала остывать за ночь, из-за чего возникала опасность нарушения калибровок пресса и точности испытаний.
Каждое утро перед установкой первого образца на пресс проводилась обязательная калибровка испытательной машины, которая повторялась еще один-два раза в течение рабочего дня.
После осуществления всех необходимых подготовительных мероприятий проводился сам эксперимент. Часть его была снята на цифровую видеокамеру.
За один рабочий день испытывалось не более 10 образцов, как правило, одного типоразмера. Общая продолжительность эксперимента составила порядка двух недель.
Рабочий журнал содержал все необходимые данные и состоял из следующих разделов:
- вид испытаний;
- поперечное сечение серии образцов;
- порядковый номер образца;
- точные размеры (с погрешностью 0,05 мм);
- качество образца;
- количество годовых колец;
- среднее расстояние между волокнами;
- количество волокон;
- влажность;
- вес;
- время проведения нагружения;
- вид нагружения (по нагрузке или по перемещениям);
- дополнительные замечания (касались внешнего вида образца, хода опыта и прочих особенностей).
Результаты эксперимента Сжатие вдоль волокон
Наиболее интересным результатом испытаний стало обнаружение линий скольжения в деревянном брусе и наблюдение за их развитием.
В целом разрушение деревянных образцов из-за появления «складок», как это явление часто называется в технической литературе, наблюдалось еще профессором Ю.М. Ивановым с помощью микроскопа при увеличении в 100-200 раз. Сложность наблюдения заключалось не только в выборе освещения, введения в древесное вещество различных окрашивающих растворов, но и мгновенным разрушением 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?». От себя добавим, что не только при неизменной величине напряжения, но и при его уменьшении (графики) [5].
При проведении опытов действительно наблюдалось 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 растяжения во времени процесса разрушения достигнуть так и не удалось. Образец эффектно 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 достижения предельной деформации и, как следствие, разрушение образца, опровергается ходом испытания. При сбросе усилия при нагружении по перемещениям, деформации могут расти достаточно долго, о чем наглядно свидетельствует нисходящая ветвь на диаграмме.
По Ю.М. Иванову, 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 наблюдения в микроскоп показали, что до момента образования складки никаких микроскопических упругих или неупругих искажений первоначальной формы клеточных стенок нет. Разрушение происходит мгновенно, но подготавливается постепенно накапливающимися субмикроскопическими 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°).
Предположение о подобном расположении линий скольжения впервые было высказано В. Е. Москалевой, которая сделала заключение, что высокое сопротивление сердцевидных лучей способствует именно такому направлению развития линий. Однако позднее Ю.М. Иванов 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 Ю.М. Иванова, 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 возникновению 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 ветви и,
как следствие, остаточной прочности древесины.
Благодаря жесткой форме нагружения удалось наблюдать и запечатлеть на видеокамеру полную картину работы древеси-
ны при сжатии. Полная диаграмма представлена на следующем графике (рис. 2). Участок достижения максимальной нагрузки в увеличенном виде представлен на рис. 3.
Рис. 2. Полная диаграмма «нагрузка - перемещение» при сжатии
Рис. 3. Диаграмма «нагрузка - перемещение» в увеличенном масштабе
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 начала нагружения кривая постепенно отклоняется от линейной зависимости между усилием и деформациями. Это хорошо соотносится с общепринятыми представлениями о начале необратимых деформаций в зоне 0,6Рмах (второй участок на диаграмме).
Далее угол наклона кривой с осью ОХ постепенно увеличивается, доходя в вершине графика до 90°, что хорошо видно на следующем рисунке, 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 «усилие - перемещение пресса». 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 (рис. 4)
Нисходящая ветвь диаграммы состоит также из нескольких участков, каждому из которых соответствуют свои процессы, происходящие в образце.
На первом этапе происходит развитие линий скольжения. Никаких иных измене-
ний 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 начинает продолжаться 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.
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).
Последний участок упрочнения обозначен цифрой 4. С физической точки зрения это означает достижение верхней частью образца нижней платформы пресса. Происходит следующее явление: 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.
-18000
-16000
-14000
-12000
а
-10000
р
= -8000
м
-6000
-4000
-2000
65
,9 65,8 65,7 65,6 65,5 65,4 65,3 65,2 65,1 65 64,9 64,8
-16000
-14000
-12000
-10000
-8000
-6000
-4000
-2000
Перемещение пресса
Рис.4. Достижение максимальной нагрузки
I
III
^ V
80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -3
Рис. 5. Нисходящая ветвь диаграммы «нагрузка - перемещение» при сжатии в увеличенном масштабе
Наблюдая за экспериментом, мы не имели никаких 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 прочнее, нежели силы сцепления волокон между собой. Возникают поперечные напряжения, перпендикулярные линии действия нагрузки, растягивающие внутреннюю структуру образца на мелкие блоки.
Следует также 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 что самое важное, только образцы с идеальной структурой показывают 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
0
0
при появлении линий скольжения начинается потеря устойчивости всего образца, и он попросту «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 специальное исследование, 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.
В качестве проверки корректности полученных данных, кроме жесткого режима нагружения, на некоторых образцах усилие подавалось традиционным способом -путем приращения нагрузки.
Данный способ нагружения дает гораздо меньше информации для анализа процесса работы древесины при сжатии. Полностью отсутствует нисходящая ветвь на диаграмме «о-е», а сам образец разрушается мгновенно на мелкие щепки. Верхняя часть образца словно вдавливается в нижнюю, разрывая последнюю на части.
Максимальное напряжение, полученное путем приращения нагрузки, не отличается от аналогичного, полученного при жестком режиме нагружения. Так, например, для образцов сечением (4 х 4) см2, нагруженных по перемещению, среднее напряжение составляет 520 кг/см2 (при колебаниях в диапазоне от 490 кг/см2 до 533 кг/см2), тогда как среднее напряжение по нагрузке равно 525 кг/см2.
Сжатие поперек волокон
На сжатие в радиальном направлении было испытано 14 образцов размерами
(6 х 6 х 22) см3, а также два маленьких образца (6 х 6 х 5) см3 для более детального анализа процесса прессования древесины.
Необходимо заметить, что при данном виде сжатия совершенно непринципиален способ приложения нагрузки - приращением силы или приращением перемещений. В обоих случаях происходят схожие явления. Типичная диаграмма при радиальном сжатии, состоящая из трех различных участков, представлена на рис. 6.
Классификация участков диаграммы была предложена П.Н. Хухрянским в 40-е годы двадцатого столетия:
1) первая фаза характеризуется начальным, близким к прямолинейному виду участком, показывающим, что в этой стадии деформирования древесина подчиняется закону Гука, а в конце этой фазы достигается условный предел пропорциональности;
2) вторая фаза характеризуется криволинейным участком, расположенным горизонтально или с пологим подъемом; переход из первой фазы во вторую в большинстве случаев резко перегибается;
3) третья фаза отличается прямолинейным участком с крутым подъемом, в конце которого в образце появлялись трещины и разрушения от боковых выпучиваний.
Все три процесса наблюдались в нашем эксперименте. К классификации Хух-рянского можно лишь добавить, что третья фаза при нагружении по перемещениям, если скорость нагружения мала, может продолжаться продолжительный период времени, и упрочнение древесной структуры может продолжаться сколь угодно долго до первых «выпадений» частей образца.
Во второй фазе происходит заметное изменение формы образца. Из прямоугольной призмы он превращается в округлую конструкцию. Прямолинейные торцы изгибаются по окружностям. Именно в начале второй фазы возникают линии скольжения, которые образуют сетку по всему образцу с прямоугольными ячейками. При этом вертикальные составляющие сетки всегда располагаются перпендикулярно к годовым кольцам.
Перемещение пресса
Рис. 6. Типичная диаграмма «нагрузка -перемещение» при сжатии поперек волокон в радиальном направлении
Гремещние
Рис.7. Диаграмма «нагрузка- перемещение» при сжатии поперек волокон в тангенциальном направлении
По мере возрастания деформаций сетка на образце становится рельефнее.
Наличие линий скольжения в образце - основной вывод, который можно сделать из анализа данных по радиальному сжатию. Сам же вид диаграммы и разрушения уже давно известны исследователям.
Некоторые сложности возникают при размещении датчиков для измерения поперечной деформации. Дело в том, что на большом образце (относительно диаметра ствола дерева) мы имеем разброс участков с различной плотностью расположения поздней древесины. Крайние участки бруса, располагавшиеся
у сердцевины и в прикоровой зоне, имеют более плотное расположение колец, средний участок - более редкое. Соответственно, расположение датчика влияет на измерения поперечной деформации, которая меньше на участках с более плотной древесиной.
В экспериментах поперечная деформация измерялась в средней части образца.
Работа древесины при сжатии поперек волокон в тангенциальном направлении принципиально отличается от радиального направления. Разрушение происходит хрупко, из-за выпуклости годовых слоев, которые ведут себя подобно кривому брусу при
продольном изгибе. Образец сначала изгибается в направлении сердцевины предполагаемого ствола, а затем теряет устойчивость.
Типичная кривая при нагружении на «жесткой» машине выглядит следующим образом (рис. 7):
На первом участке материал ведет себя упруго, зависимость между перемещением и усилием выражается прямой линией. Затем начинается второй участок, характеризующийся началом необратимых деформаций. Третий участок, параллельный оси перемещений, показывает, что образец начинает прогибаться при постоянной нагрузке и приращении деформаций.
К сожалению, доводить испытание до полного разрушения не получалось из-за возможной поломки пресса, так как его захваты вместе с образцом стремились отклониться от оси.
При измерении поперечных деформаций следует так же, как и в случае радиального измерения, устанавливать датчик строго по радиусу кривизны годовых колец. Расположение в других зонах образца приводит к завышенным показаниям из-за прогибов образца.
В качестве существенного дополнения к полученным результатам представлены фотографий полученных в ходе испытаний образцов (рис. 8-12).
Рис. 8
Рис. 9
Рис. 10
Рис. 11
Рис. 12
Заключение
Полученные результаты позволяют по-новому взглянуть на проблемы прочности анизотропных тел, в частности, древесины. Получили очередное экспериментальное подтверждение гипотезы, высказанной еще в 19-м веке Треска, о сопротивлении любого твердого тела сдвигу, развитые впоследствии Сен-Венаном и многими последователями.
В ходе эксперимента была разработана и применена принципиально новая методика изучения сопротивления деревянного образца статическим нагрузкам.
Представленные данные позволяют рекомендовать предложенную методику проведения испытаний для изучения прочностных свойств древесины и разрушения не только при сжатии (и изгибе), но и при более сложных видах напряженного состояния.
Библиографический список
1. Хухрянский П.Н. Прочность древесины. - М., 1955.
2. Иванов Ю.М. Предел пластического течения древесины. - М., 1948.
3. Ванин С.И. Древесиноведение. - М.-Л., 1949.
4. Иванов Ю.М. Изменения микроскопического строения древесины в процессе ее деформирования и разрушения. В сб. «Труды института леса». - М., 1953. - Т. 9. - С. 89-114.
5. Иванов Ю.М. К вопросу исследования складки разрушения древесины при сжатии вдоль волокон. В сб.: «Труды института леса». - М., 1953. -Т. 9. - С. 115-121.
6. Иванов Ю.М. Сопротивление древесины сосны сжатию. В сб.: «Труды института леса». - М., 1952. - Т. 9. - С. 347-370.
7. Леонтьев Н.Л. О поперечной деформации древесины. - Труды ЦНИИМОД, 1950.
8. Тутурин С.В. О размере образца при построении теории прочности древесины. В сб.: «Сборник научных статей докторантов и аспирантов МГУЛ». - М., 2003.
9. Тутурин С.В. О влиянии масштабного фактора на прочность древесины. В сб.: «Сборник научных статей докторантов и аспирантов МГУЛ». - М., 2003.
10. Тутурин С.В. Развитие линий скольжения в анизотропной среде. В сб.: «Современные проблемы механики и прикладной математики». Ч. 1. -Т. 2.
