Чем отличается упругость древесины от ее прочности: Чем отличается упругость древесины от её прочности?

Механические свойства древесины | Древесные породы, применяемые в судостроении, и их свойства

К механическим свойствам относятся: прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.

Прочность — способность древесины сопротивляться действию внешних механических сил. Внешние силы, или нагрузки, приложенные к древесине, разделяются на статические и динамические. При статических нагрузках силы медленно и плавно возрастают до заданной величины и остаются постоянными по направлению. Динамическая сила действует быстро и может быть переменной по величине и направлению.

Волокнистое, неоднородное строение древесины обусловливает ее неодинаковую прочность в разных направлениях относительно волокон. При расчете конструкции выбирают такие размеры, при которых создается запас прочности.

Предел прочности древесины различных пород указан в табл. 1.

Таблица 1. Предел прочности древесины основных пород при сжатии, растяжении, изгибе и скалывании при 15% влажности
Породы Предел прочности древесины, кг/см2
при сжатии вдоль волокна при растяжении вдоль волокон при статическом изгибе при скалывании вдоль волокон
Сосна
Ель
Лиственница
Дуб
Бук
Береза
Липа
Осина
439
423
515
520
461
447
390
374
1150
1223
1291
1288
1291
1350
1158
1312
793
774
973
935
938
997
680
766
69—73*
53-52
115-126
85—104
99—131
85—110
73—80
57—77

* Первое число показывает, предел прочности древесины на скалывание в радиальном направлении, второе—в тангентальном.

Твердость — свойство древесины сопротивляться проникновению постороннего тела, например, гвоздя, шурупа или инструмента. Твердость древесину зависит от породы дерева, объемного веса и степени влажности. Чем тверже древесина, тем она труднее поддается обработке.

Упругость — способность древесины возвращаться к начальной форме и размерам при прекращении действия сил. Упругость зависит от влажности, объемного веса, прямослойности древесины, от количества и размеров сердцевинных лучей в ней, а также от возраста дерева.

Упругость древесины имеет, большое значение в практике: упругая древесина, принимая удары, поглощает и смягчает отдачу удара соприкасающемуся с древесиной телу.

Вязкость — сопротивление древесины нарушению связи между частицами, т. е. сопротивление разрушению при том или ином виде действия сил. Чем больше остаточные деформации древесины под действием механических сил, тем ее вязкость выше.

К наиболее вязким породам относятся: вяз, ясень, дуб.

Пластичность — способность древесины принимать, не разрушаясь, под действием силы ту или иную форму и удерживать ее по прекращении действия нагрузки. Пластичность — свойство древесины, обратное упругости. На пластичность оказывают влияние те же условия, от которых зависит упругость, но действие их на пластичность обратное. Условия, понижающие упругость, увеличивают пластичность, и наоборот.

Упругость и пластичность древесины. Модуль упругости древесины |

Упругость древесины является одной из главных характеристик механических свойств дерева. Упругостью называют способность материала, в данном случае – дерева, сопротивляться деформации под действием механического напряжения.

Упругость древесины зависит от нескольких параметров древесины:

— влажности. Чем выше влажность – тем ниже упругость

— прямослойности. Свилеватая древесина менее упруга, чем прямослойная

— объемного веса. Легкая древесина не так упруга, как тяжелая и плотная

— возраст. Молодая древесина менее упруга, чем зрелая

— размеры сердцевинных лучей. Например, у хвойных пород древесины сердцевинные лучи однорядные и очень мелкие, поэтому такая древесина отличается большой упругостью, невзирая на относительно небольшой удельный вес.

— заболонная древесина менее упруга, чем ядровая.

При недлительных нагрузках до напряжений, которые соответствуют пределу пропорциональности (иными словами – до момента, когда процесс деформации окажется необратимым), деформация материала пропорциональна его напряжению, и после снятия нагрузки исчезает. Упругость древесины также именуют жесткостью древесины или деформативностью древесины.

Для определения упругости древесины используют понятия модуля упругости древесины, коэффициента деформации и модуля сдвига

. При этом все показатели будут существенно отличаться в зависимости от того, в каком направлении приложена нагрузка – вдоль древесных волокон, тангенциально поперек древесных волокон, радиально поперек древесных волокон.

— Модуль упругости древесины Е – это соотношение между нормальными напряжениями и относительными деформациями. Различают следующие модули упругости: вдоль волокон Еа, поперек волокон тангенциальный Еt, поперек волокон радиальный Еr, модуль упругости при изгибе Еизг;

— Модуль сдвига древесины  G – это соотношение между касательными напряжениями и относительным сдвигом

— Коэффициент поперечной деформации дерева  µ – это соотношение поперечной деформации к продольной, которые возникают при нагрузке стержня.

Модуль упругости древесины основных пород

Порода древесиныМодуль упругости древесины на растяжение, МПаМодуль упругости древесины на сжатие, МПаМодуль упругости древесины на изгиб (статический), МПа
ЕаЕtЕrЕаЕtЕr
Береза18 30049067016 10052067015 400
Ель14 60049069014 50043066011 000
Сосна12 10050058012 10057069012 600
Дуб14 3008901 16014 3009701 34015 400

Модуль упругости дерева исчисляется в МПа, или в кГс/см

2 (1 МПа = 10,19716213 кГс/см2))

Коэффициенты поперечной деформации основных пород дерева

Порода древесиныµraµtaµarµtrµatµrt
Береза0,580,450,0430,810,040,49
Ель0,440,4110,0170,480,0310,025
Сосна0,490,410,030,790,0370,038
Дуб0,430,410,070,830,090,34

 

Модуль сдвига основных пород древесины

ПородаGra   (МПа)Gta   (МПа)Grt   (Мпа)
Береза1 510870230
Ель 50
Сосна1 210780
Дуб1 380980460

 

Модуль упругости древесины обязательно учитывается при сооружении кровельных и стропильных систем, поскольку определение внутренних усилий древесины от воздействия нагрузок играет здесь очень важную роль. К тому же, упругость древесины имеет значение при изготовлении ружейных лож, ручек к ударным инструментам, молотам и прочим случаям, где необходимо смягчить толчки.

Пластичность древесины

Говоря об упругости древесины, невозможно не упомянуть о ее антиподе – пластичности. Пластичность древесины – это ее способность изменять форму при воздействии нагрузки и сохранять ее и после воздействия нагрузки. Данный показатель зависит от тех же факторов, что и упругость, однако их действие будет обратным (чем влажнее древесина – тем она пластичней, чем старше – тем менее пластична и т.д.).

Пластичность древесины можно повысить путем пропарки или проварки горячей водой. Такие методы используют при производстве гнутой мебели, полозьев для саней и прочих мест, где пластичность дерева играет ключевую роль. Среди популярных пород древесины наибольшей пластичностью обладают бук, вяз, ясень и дуб. В частности, у бука хорошая пластичность обусловлена множеством крупных сердцевинных лучей, которые изгибают древесные волокна. У вяза, ясеня и дуба при изгибании крупные сосуды, расположенные кольцевыми рядами в годовых слоях, значительно сдавливаются поздней, более плотной, древесиной, чем и объясняется их высокая пластичность.

 

 

Татьяна Кузьменко, член редколлегии Собкор интернет-издания «AtmWood. Дерево-промышленный вестник»

курсов PDH онлайн. PDH для профессиональных инженеров. ПДХ Инжиниринг.

«Мне нравится широта ваших курсов HVAC; не только экологические курсы или курсы по энергосбережению

 

 

Рассел Бейли, ЧП

Нью-Йорк

«Это укрепило мои текущие знания и научило меня нескольким новым вещам, кроме того

познакомив меня с новыми источниками

информации».

 

Стивен Дедак, ЧП

Нью-Джерси

«Материал был очень информативным и организованным. Я многому научился, и они

очень быстро отвечали на вопросы.

Это было на высшем уровне. Буду использовать

снова. Спасибо».

Блэр Хейуорд, P.E.0003 «Веб-сайт прост в использовании. Хорошо организован. Я действительно буду пользоваться вашими услугами снова.

Я передам название вашей компании

другим сотрудникам.»

 

Рой Пфлейдерер, ЧП

Нью-Йорк

«Справочный материал был превосходным, и курс был очень информативным, особенно потому, что я думал, что уже знаком

с деталями Канзас

Авария в City Hyatt.»

Майкл Морган, ЧП

Техас

«Мне очень нравится ваша бизнес-модель. Мне нравится, что я могу просмотреть текст перед покупкой. Я обнаружил, что класс

Информативный и полезный

в моей работе. «

Уильям Сенкевич, P.E.

Флорида

познавательный. Вы

— лучшие, которые я нашел. «

Рассел Смит, P.E.

Pennsylvania

Я считаю, что подход упрощает для рабочего инженера.

материала». На самом деле

человек изучает больше

от неудач. «

Джон Скондры, P.E.

Пенсильвания

«. Курс был хорошо поставлен вместе, и используется.

Путь обучения. «

Jack Lundberg, P.E.

Висконсин

» Я очень увлекаюсь тем, как вы представляете курсы; т. е. позволяя

Студент. Для рассмотрения курса

Материал перед оплатой и

Получение викторины. «

Arvin Swanger, P.E.

Virgina

«. курсы. Я, конечно, многому научился и

получил огромное удовольствие». 0002 «Я очень доволен предлагаемыми курсами, качеством содержания материалов и простотой поиска

онлайн-курсов

Уильям Валериоти, ЧП

Техас

«Этот материал во многом оправдал мои ожидания. Курс был прост для понимания. Фотографии в основном давали хорошее представление о

обсуждаемых темах.»

 

Майкл Райан, ЧП

Пенсильвания

«Именно то, что я искал. Нужен 1 балл по этике, и я нашел его здесь.»

 

 

 

Джеральд Нотт, П.Е.

Нью-Джерси

«Это был мой первый онлайн-опыт получения необходимых кредитов PDH. Это было

информативно, выгодно и экономично.

Я настоятельно рекомендую это

всем инженерам. «

Джеймс Шурелл, P.E.

Ohio

Я ценю вопросы« Реальный мир »и соответствует моей практике. , и

не основаны на каком-то неясном разделе

законов, которые не применяются

к «нормальной практике».0005

Марк Каноник, ЧП

Нью-Йорк

«Большой опыт! Я многому научился, чтобы вернуться к своему медицинскому устройству

организации».

 

 

Иван Харлан, ЧП

Теннесси

«Материал курса имеет хорошее содержание, не слишком математический, с хорошим акцентом на практическое применение технологий».

 

 

Юджин Бойл, ЧП

California

«Это был очень приятный опыт. Тема была интересной и хорошо представленной,

, а онлайн -формат был очень

и простые в

. Благодарность.»

Патрисия Адамс, ЧП

Канзас

«Отличный способ добиться соответствия непрерывному обучению физкультуры в рамках временных ограничений лицензиата».

 

 

Джозеф Фриссора, ЧП

Нью-Джерси

«Должен признаться, я действительно многому научился. Это помогает иметь

обзор текстового материала. предоставлены

фактические случаи».

Жаклин Брукс, ЧП

Флорида

«Общие ошибки ADA в проектировании объектов очень полезны. Проверка

потребовало исследования в

Документ Но Ответы были

Проще говоря.»

Гарольд Катлер, ЧП

Массачусетс

«Это было эффективное использование моего времени. Спасибо за разнообразие выбора

в инженерии дорожного движения, который мне нужен

, чтобы выполнить требования

Сертификация PTOE. «

Джозеф Гилрой, стр. способ заработать CEU для моих требований PG в штате Делавэр. До сих пор все курсы, которые я посещал, были отличными.

Надеюсь увидеть больше 40%

Курсы с дисконтированием ».

Кристина Николас, P.E.

New York

» только что завершены. дополнительные

курсы. Процесс прост, и

намного эффективнее, чем

необходимость путешествовать.0004

Айдахо

«Услуги, предоставляемые CEDengineering, очень полезны для инженеров-профессионалов

для получения единиц PDH

в любое время. Очень удобно.»

 

Пол Абелла, ЧП

Аризона

«Пока все было отлично! Поскольку я постоянно работаю матерью двоих детей, у меня не так много

времени, чтобы исследовать, куда

получить мои кредиты от.»

 

Кристен Фаррелл, ЧП

Висконсин

2 90 «Это было очень познавательно. Легко для понимания с иллюстрациями

и графиками; определенно облегчает

усвоение всех

теорий.»

Виктор Окампо, P.Eng.

Альберта, Канада

«Хороший обзор принципов полупроводников. Мне понравилось проходить курс по телефону

My Sope Pace во время моего Morning

Subway Commute 9000

до работы. .»

Клиффорд Гринблатт, ЧП

Мэриленд

«Просто найти интересные курсы, скачать документы и получить

викторина. Я буду Emong Рекомендовать

You To Every PE, нуждающийся в

CE. тем во многих областях техники».0004

«У меня есть перезагруженные вещи, которые я забыл. Я также рад получить финансово

на Ваше промо-электронное письмо , которая

на 40%. »

Conrado Casem, P.E.

Теннесси

«Отличный курс по разумной цене. Буду пользоваться вашими услугами в будущем.»

 

 

 

Чарльз Флейшер, П.Е.

Нью-Йорк

«Это был хороший тест, и я фактически проверил, что я прочитал кодексы профессиональной этики

и правила Нью-Мексико

».

 

Брун Гильберт, Ч.П.

Калифорния

«Мне очень понравились занятия. Они стоили времени и усилий.»

 

 

 

Дэвид Рейнольдс, ЧП

Канзас

«Очень доволен качеством тестовых документов. Будет использовать CEDengineerng

, когда потребуется дополнительная сертификация

 

Томас Каппеллин, ЧП

Иллинойс

«У меня истек срок действия курса, но вы все равно выполнили обязательство и поставили

Me, за что я заплатил — много

! » для инженера». 0004

Хорошо расположено. «

Глен Шварц, P.E.

Нью -Джерси

Вопросы были подходящими для уроков, а материал урока —

.

для дизайна дерева.»

 

Брайан Адамс, ЧП

Миннесота

0004

 

 

 

Роберт Велнер, ЧП

Нью -Йорк

«У меня был большой опыт, когда я получил прибрежное строительство — проектирование

Building и

High Рекомендую его».

 

Денис Солано, ЧП

Флорида

«Очень понятный, хорошо организованный веб-сайт. Материалы курса этики штата Нью-Джерси были очень

хорошо подготовлено. Мне нравится возможность загрузить учебный материал до

Обзор везде, где бы ни был и

всякий раз, когда ».

Тим Чиддикс, P.E.

Colorado

» Отлично! Сохраняйте широкий выбор тем на выбор».

 

 

 

Уильям Бараттино, ЧП

Вирджиния

«Процесс прямой, никакой чепухи. Хороший опыт.»

 

 

 

Тайрон Бааш, ЧП

Иллинойс

«Вопросы на экзамене были наводящими и демонстрировали понимание

материала. Тщательный

и всеобъемлющий. «

Майкл Тобин, P.E.

Аризона

» Это мой второй курс, и мне понравилось то, что мне предложил курс, что

помогу моя линия

работы. Я обязательно воспользуюсь этим сайтом снова.»

 

 

 

Анджела Уотсон, ЧП

Монтана

«Простота в исполнении. Никакой путаницы при подходе к сдаче теста или записи сертификата.»

 

 

 

Кеннет Пейдж, ЧП

Мэриленд

«Это был отличный источник информации о нагревании воды с помощью солнечной энергии.

 

 

Луан Мане, ЧП

Conneticut

«Мне нравится подход, позволяющий зарегистрироваться и иметь возможность читать материалы в автономном режиме, а затем

вернуться, чтобы пройти тест.»

 

 

Алекс Млсна, ЧП

Индиана

«Я оценил количество информации, предоставленной для класса. Я знаю

Это вся информация, которую я могу

В реальных жизненные ситуации. «

Натали Дриндер, P.E.

South Dakota

курс.»0004

«веб -сайт прост в использовании, вы можете загрузить материал для изучения, затем вернуться

и пройти тест.

Майкл Гладд, ЧП

Грузия

«Спасибо за хорошие курсы на протяжении многих лет.»

 

 

 

Деннис Фундзак, ЧП

Огайо

«Очень легко зарегистрироваться, получить доступ к курсу, пройти тест и распечатать сертификат PDH

. Спасибо, что сделали этот процесс простым.»

 

Фред Шайбе, ЧП

Висконсин

«Положительный опыт. Быстро нашел курс, который соответствует моим потребностям, и закончил

PDH за один час за

Один час. «

Стив Торкильдсон, P.E.

Южная Каролина

» Мне нравилось загрузить документы для рассмотрения контента

и приготовимости.

наличие для оплаты

материалов.»

Richard Wymelenberg, P. E.0005

«Это хорошее пособие по ЭЭ для инженеров, не являющихся электриками.»

 

 

 

Дуглас Стаффорд, ЧП

Техас

«Всегда есть место для улучшения, но я не могу придумать ничего в вашем

процессе, который нуждается в

улучшении.»

 

Томас Сталкап, ЧП

Арканзас

«Мне очень нравится удобство прохождения онлайн-викторины и немедленного получения сертификата

 

 

Марлен Делани, ЧП

Иллинойс

«Обучающие модули CEDengineering — это очень удобный способ доступа к информации по

многим различным техническим областям

3 за пределами

40003 собственная специализация без

. высокие температуры :: Биоресурсы

Цзян Дж., Лу Дж., Чжоу Ю.
, Чжао Ю. и Чжао Л. (2014). «Прочность на сжатие и модуль упругости параллельно волокнам древесины дуба при сверхнизких и высоких температурах» БиоРес. 9(2), 3571-3579.
Реферат

Влияние температуры на прочность при сжатии ( f c0) в диапазоне от -196 ºC до +220 ºC и модуль упругости при сжатии ( E c0) параллельно волокнам дуба ( Исследовали древесину Quercus mongolica Fisch et Turcz.) в интервале температур от -196 ºC до +23 ºC. Для каждого температурного уровня было приготовлено по пять образцов. Образцы выдерживали при каждом уровне температуры в течение 30 мин, после чего проводили механические испытания в камере с регулируемой температурой. Результаты показали, что в зависимости от температурного диапазона существует четыре различных модели отказов. При понижении температуры с +23 ºC до -196 ºC, f c0 и E

c0 древесины увеличились на 283,91% и 146,30% соответственно. Связь между f c0 и температурой и между E c0 и температурой может быть описана линейной и полиномиальной моделью соответственно. Кроме того, E c0 можно использовать для предсказания f c0 с использованием полиномиальной модели. Однако при повышении температуры с +23 ºC до +220 ºC значение c0 f уменьшилось на 67%, что свидетельствует о нелинейной зависимости.


Скачать PDF
Полный текст статьи

Прочность на сжатие и модуль упругости параллельно волокнам древесины дуба при сверхнизких и высоких температурах

Цзинхуэй Цзян, Цзяньсюн Лу* Юндонг Чжоу, Юке Чжао* и Лиюань Чжао

Влияние температуры на прочность при сжатии ( f c0 ) в диапазоне от -196 ºC до +220 ºC и модуль упругости при сжатии ( E c0 ) параллельно волокнам дуба ( Quercus mongolica Fisch et Turcz.) изучали древесину в диапазоне от -196 ºC до +23 ºC. Для каждого температурного уровня было приготовлено по пять образцов. Образцы выдерживали при каждом уровне температуры в течение 30 мин, после чего проводили механические испытания в камере с регулируемой температурой. Результаты показали, что в зависимости от температурного диапазона существует четыре различных модели отказов. Когда температура была снижена с +23 ºC до -196 ºC, f c0  и  E c0  из древесины увеличилась на 283,91% и 146,30% соответственно. Взаимосвязь между f c0 и температурой, а также между E c0 и температурой может быть описана линейной и полиномиальной моделями соответственно. Кроме того, E c0 можно использовать для прогнозирования f c0 с использованием полиномиальной модели. Однако, когда температура была увеличена с +23 ºC до +220 ºC, f c0 снизился на 67%, что указывает на нелинейную зависимость.

Ключевые слова: прочность на сжатие; Модуль упругости при сжатии; Ультранизкая температура; Высокая температура

Контактная информация: Государственная ключевая лаборатория генетики и селекции деревьев Научно-исследовательского института деревообрабатывающей промышленности Китайской академии лесного хозяйства, Пекин, 100091, Китай;

* Авторы для переписки: jianxiong@caf. ac.cn; [email protected]

ВВЕДЕНИЕ

Температура играет важную роль в механической прочности древесины. При нагревании древесины ее механические свойства обычно ухудшаются. Что касается термообработанной древесины, то модуль разрыва (MOR) ели ( Picea abies ) снизился на 44–50 % при повышении температуры обработки с +100 ºC до +200 ºC, в то время как модуль упругости (MOE) уменьшился всего на 4-9% (Bekhta and Niemz 2003). Манрикес и Мораес (2010) обнаружили, что средняя прочность на сжатие, параллельная зерну парики ( Schizolobium amazonicum ) составляли 32 МПа и 11 МПа при +20 ºC и +230 ºC соответственно. Напротив, когда древесина охлаждается ниже комнатной температуры, ее механические свойства имеют тенденцию к увеличению (Cheng 1985; Green et al. 1999; Yamada 1971). Сообщалось, что значения MOE для древесины шведской сосны ( Pinus sylvestris ) с содержанием влаги 12% составляли 14,2 ГПа и 11,6 ГПа при -20 ºC и +20 ºC соответственно (Kollmann and Cote 1968). Кендра и Кортес (2010) обнаружили, что MOR деревянной бейсбольной биты увеличилась на 26%, когда она была подвергнута воздействию температуры -190 ºC в течение 24 часов. Kollmann и Cote (1968) наблюдали прямолинейную зависимость между прочностью на раздавливание высушенной в печи древесины и температурой в диапазоне температур от -191 ºC до +200 ºC. Однако до настоящего исследования прочность и модуль упругости при сжатии высушенной в печи древесины не измерялись в условиях сверхнизких температур, например, в диапазоне от -100 ºC до -196 ºC.

Древесина состоит из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Целлюлоза и гемицеллюлозы представляют собой углеводы, являющиеся структурными компонентами древесины. Целлюлоза составляет от 40 до 50%, а гемицеллюлозы от 25 до 35% древесины. Температура разложения гемицеллюлозы составляет примерно от +150 до +260 ºC, а соответствующая температура для целлюлозы составляет примерно от +240 до +350 ºC. Масса лигнина начинает уменьшаться только при температуре выше +200 ºC. При температуре от +150 до +250 ºC происходят серьезные изменения в гемицеллюлозах, что приводит к их деградации (Finnish Thermowood Association 2003). Снижение прочности древесины в результате термической обработки происходит в основном из-за деградации гемицеллюлозы (Brito и др.  2008). Однако, когда древесину подвергают криогенной обработке в среде сверхнизких температур, а затем подвергают механическим испытаниям, прочность древесины увеличивается, а влажность древесины остается неизменной. Поскольку вода в образцах образует лед при температуре замерзания, Меркель (2004) установил следующую зависимость между прочностью на сжатие ( σ ) и температурой ( T ):

 (1)

При понижении температуры прочность льда увеличивается, что может частично объяснить увеличение прочности древесины (Майкл 1978).

Целью исследования было определение влияния температуры на прочность на сжатие параллельно волокну дуба в диапазоне температур от -196 ºC до +220 ºC. Полученные данные могут помочь объяснить поведение контрактур древесины во время пожаров, а также расширить диапазон применения древесины в условиях сверхнизких температур, например, в условиях сжиженного природного газа или жидкого азота. В предыдущих исследованиях (Ayrilmis и др. . 2010; Bekhta and Marutzky 2007; Kendra and Cortez 2010) образцы помещались на несколько часов в климатическую камеру с заданной температурой, а затем тестировались вне камеры при комнатной температуре. Таким образом, значения, которые были определены с использованием предыдущих методов, не отражали точных свойств образцов при этих температурах в камере, поскольку образцы подвергались воздействию комнатной температуры в течение нескольких последующих секунд. Настоящее исследование уникально тем, что образцы были испытаны в климатической камере при заданной температуре.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ

Материалы

Дуб ( Quercus mongolica  Fisch et Turcz. ) доска размерами 120 (П) х 30 (Т) х 800 (Д) мм, воздушно-сухая плотность 0,819 г/см 3 , влажность (МС) 12,18 % были получены из естественного леса. Все образцы, каждый размером 20 (П) х 20 (Т) х 30 (Д) мм, были вырезаны из доски. Девятнадцать уровней температуры, -196 ºC (жидкий азот), -170 ºC, -150 ºC, -130 ºC, -110 ºC, -90 ºC, -70 ºC, -50 ºC, -30 ºC, -10 ºC, 0 ºC , +23 ºC, +50 ºC, +80 ºC, +110 ºC, +140 ºC, +170 ºC, +200 ºC и +220 ºC. Образцы были разделены на 19групп на основе их среднего веса, чтобы усреднить коэффициент вариации для каждой группы. Для каждого температурного уровня было приготовлено по пять образцов.

Методы

Образцы подвергали криогенной обработке жидким азотом в течение 2 ч в регулируемой температурной камере универсальной механической испытательной машины. В каждом образце размерами 20 (П) х 20 (Т) х 50 (Д) мм выполнена торцевая перфорация диаметром 3 мм. В отверстие вставляли термопару для измерения температуры в геометрическом центре образца. Это позволило определить время, необходимое для достижения образцом желаемой температуры. Прочность на сжатие и модуль упругости измеряли в нижней части температурного диапазона.

Образцезажимная головка универсальной механической испытательной машины была предварительно настроена в камере с регулируемой температурой. Образцы нагревали в камере в течение 30 мин. Прочность на сжатие измеряли в верхней части температурного диапазона.

Механические испытания проводились на универсальной испытательной машине MTS-SANS CMT5000 (Шэньчжэнь, Китай) с максимальной нагрузкой 100 кН и температурной камерой. Экспериментальное устройство помещалось внутрь камеры. Компрессионную нагрузку прикладывали со скоростью 1,0 мм/мин в течение периода от 1 до 5 мин. Испытание считалось завершенным, когда образец не выдержал испытаний.

Значения f c0 образцов были рассчитаны следующим образом:

 (2)

, где f c0max — максимальная нагрузка, a — ширина поперечного сечения, а b — толщина поперечного сечения.

Рис. 1. Кривая силы и деформации

Значения модуля упругости при сжатии ( E c0 ) были рассчитаны с использованием 10% и 40% значений разрушающей нагрузки ( f c0max ) (рис. 1) из кривой нагрузки и деформации в пропорциональных пределах по следующей формуле,

 (3)

где L  длина образца, ( f 2 f 1 ) приращение нагрузки на прямолинейном участке кривой деформации под нагрузкой, a  ширина поперечного сечения, 90 b  – толщина поперечного сечения, а ( d 2 d 1 ) – приращение деформации, соответствующее F 2 F 1 .

Многократные сравнительные тесты Дункана были выполнены с помощью программного обеспечения IBM SPSS Statistics 17.0.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Отказ образца

Образцы показали четыре формы разрушения: грушевидную форму, сдвиг, клиновидное расщепление и расщепление, все из которых показаны на рис. 2. В диапазоне от +220 ºC до +50 ºC (рис. 2a) , платы показали грушевидную форму отказа. В диапазоне от +23 ºС до -30 ºС (рис. 2б) разрушение происходило между серединой и концом образцов, под углом от 30° до 60°. В интервале температур от -50 ºС до -110 ºС (рис. 2в) плиты разрушались по клиновидному типу, при котором направление раскола было либо радиальным, либо тангенциальным. В диапазоне от -130 ºC до -19При температуре 6 ºC (рис. 2d) образцы разрывались параллельно волокнам, что является характерной чертой разрушения, известной как расщепление.

Рис. 2. Различные схемы отказа

f c0 и E c0 при сверхнизких температурах

Определенные значения для f c0 и E c0 параллельно волокнам древесины при сверхнизких температурах представлены в таблице 1. Таблица показывает, что0003 f c0 и E c0 увеличивались по мере снижения температуры. The average  f c0  and  E c0  values ​​at +23 ºC were 57.17 MPa and 7.83 GPa, respectively, while the average  f c0  and  E c0  values ​​at -196 ºC составили 219,49 МПа и 19,28 ГПа соответственно. При снижении температуры с +23 ºC до -196 ºC среднее значение f c0  и  E c0  значения увеличились на 283,91% и 146,30% соответственно. Несколько исследователей также сообщили об аналогичном увеличении f c0 древесины при понижении температуры (Чанг, 1985; Грин, и др., , 1999; Ямада, 1971). Согласно проведенным множественным сравнительным тестам Дункана, значительные различия ( p <0,05) наблюдались как в f c0 , так и в E c0 с помощью программного обеспечения SPSS Statistics 17.0. Буквы в таблице 1 показывают результаты многократных тестов Дункана. Дисперсионный анализ показал наличие статистически значимых различий между f c0 при +23 ºC и других температурных режимах. Не было обнаружено существенных различий в E c0 между +23 ºC и -50 ºC или между -70 ºC и -150 ºC. Однако значительная разница в E c0 наблюдалась между -170 ºC и температурой жидкого азота -196 ºC.

В таблице 1 также показано влияние температуры на результаты f c0 и E c0 . f c0  и E c0  значения древесины увеличивались с понижением температуры, что в основном было связано с образованием кристаллов льда в стенках клеток древесины при сверхнизких температурах, особенно при температуре жидкого азота ( -196 ºС). В условиях жидкого азота максимальные значения f c0 и E c0 были связаны с 10-процентным увеличением веса образца в результате поглощения и замораживания некоторого количества дополнительной влаги. В предыдущем исследовании сообщалось, что МДС шведской сосны составляло 14,2 ГПа при -20 ºC и 11,6 ГПа при +20 ºC (Kollmann and Cote 19). 68). Кендра и Кортес (2010) обнаружили, что MOR деревянной бейсбольной биты увеличилась на 26% при температуре -190 ºC. Несколько исследователей сообщили об аналогичном увеличении MOE и MOR древесных плит при снижении температуры (Ayrilmis  и др. . 2010; Bekhta and Marutzky 2007; Suzuki and Saito 1987; Yu and Östman 1983). Однако в этих предыдущих исследованиях образцы помещались в климатическую камеру при желаемой температуре на несколько часов, а затем тестировались в отдельной среде с комнатной температурой. Таким образом, значения, определенные с использованием предыдущих методов, не отражали точных свойств образца при температурах в камере, поскольку образцы были приведены к комнатной температуре в течение нескольких последующих секунд. Настоящее исследование уникально тем, что образцы были испытаны в климатической камере при заданной температуре.

Чжан и др.  (2010) исследовал и охарактеризовал прочность и разрушение клеток древесины с помощью теста на одноосное микросжатие и сообщил, что прочность на сжатие клеток сосны обыкновенной ( Pinus taeda  L. ) и клеток Керанджи ( Dialium  spp.) стенки составляли 125 МПа и 160 МПа соответственно. Вода находится в контакте с гидрофильными гидроксильными группами цепей целлюлозы. В одном исследовании, когда образцы обрабатывались при сверхнизких температурах, вода в образцах превращалась в лед. Однако прочность на сжатие пресноводного льда зависела от размера кристаллов, скорости деформации и температуры льда. При температуре льда -170 ºC прочность льда на сжатие может достигать 155 МПа (Меркель 2004). Прочность сцепления льда с поверхностями подложки, такой как дерево и бетон, может превышать прочность материала подложки и вызывать разрушение или растрескивание подложки (Ayrilmis 9).0003 и др. . 2010). Более того, методом наноиндентирования было определено, что продольный модуль клеточной стенки дуба составляет 18,4 ГПа (Wu et al . 2009). Был сделан вывод, что при низком содержании влаги, таком как 12,18%, присутствие молекул замороженной воды между волокнами целлюлозы улучшало f c0 и E c0 древесины из-за того, что молекулы воды придавали жесткость древесине. фибриллы целлюлозы таким же образом, как клей.

таблица 1

Группы с одинаковыми буквами в каждом столбце – это группы, в которых отсутствует статистическая разница (на уровне 0,05) между выборками по множественным критериям Дункана. В скобках указаны стандартные отклонения

f c0  при высокой температуре

Результаты испытаний прочности на сжатие параллельно зерну при высоких температурах представлены в таблице 2. С повышением температуры значения f c0 сначала уменьшались, затем увеличивались и, наконец, снова уменьшались. Результаты были аналогичны результатам, полученным предыдущими исследователями (Cao et al. . 2012; Kubojima et al. . 2000; Manríquez and Moraes 2010; Millett and Gerhards 1972; Moraes et al. , 2007). Влажность образцов уменьшалась с повышением температуры и была близка к нулю к +170 °С (табл. 2). Несколько исследователей сообщили, что содержание влаги и температура являются важными факторами, влияющими на прочность древесины. Уменьшение влажности приводит к увеличению прочности древесины, а повышение температуры приводит к снижению прочности. По словам Шаффера (1973), прочность на сжатие сильно зависит от лигнина, находящегося на внешней стороне древесных волокон, размягченного при +110 ºC. В этом исследовании значение f c0 при +110 ºC было ниже, чем при +140 ºC. Jiang (2013) заметил, что при повышении температуры до +140 ºC содержание гемицеллюлозы начало снижаться, содержание α -целлюлозы начало увеличиваться, а кристалличность целлюлозы была выше, чем при +23 ºC. , вырос. Поскольку температура постоянно повышалась, гемицеллюлозы и целлюлоза разлагались, что приводило к потере массы и снижению прочности древесины. Эта деградация, вероятно, была причиной того, что f c0 значение было самым низким при +220 ºC.

Таблица 2.  f c0  из древесины дуба при температуре от +23 до +220 ºC

Группы с одинаковыми буквами в каждом столбце – это группы, в которых отсутствует статистическая разница (на уровне 0,05) между выборками по множественным критериям Дункана. В скобках указаны стандартные отклонения

Регрессионная модель

Из рис. 3 соотношения между f c0 и температурой ( T ) были получены следующим образом:

f c0  = -0,813× T  + 70,649, -196 ºC ≤ T ≤+23 ºC, R 2 =0,974 (F<0,0)

F C0 = -3,0 × 10-5 × T 3 + 0,011 × T 2 -1,264 × T + 81.529 +23 º T + 81.529 +23 ° C T9000+ 81.529 +23 ° C + 81,529 +23 ° C + 81.529 +23 ° C + 81,529 +23 ° C + 81,529 +23 ° C + 81,529 +23 ° C + 81,529 +23 ° C + 81,529 +23 ° C + 81,529. ,

Р² = 0,942 (F=0,006) (5)

Коэффициенты детерминации для линейных и нелинейных режимов составили 0,974 и 0,942 соответственно при уровне значимости 0,01. Можно отметить, что было два отдельных диапазона температур, что является причиной качественно различных изменений прочностных свойств древесины, и эти диапазоны были:

Диапазон 1: от -196 ºC до +23 ºC. В этом диапазоне влагосодержание не изменилось, кроме как под жидким азотом -196 ºC, но f c0 увеличивалась с понижением температуры, что было зафиксировано линейной моделью. Аналогичный результат был получен Айрилмисом и соавт.  (2010), который сообщил, что повышение температуры от -30 ºC до +30 ºC отрицательно влияет на изгибные свойства фанеры, древесноволокнистых плит средней плотности и ориентированно-стружечных плит. Бехта и Маруцки (2007) обнаружили, что зависимость между MOR/MOE и температурой от -40 ºC до +40 ºC описывается линейной моделью. Ченг (1985) также обнаружил, что связь между f c0 и температурой описывается линейной моделью.

Диапазон 2: от +23 ºC до +220 ºC. В этом диапазоне значения f c0 сначала уменьшались в соответствии с повышением температуры, затем увеличивались, а затем снова уменьшались. Полиномиальная функция была более подходящей, чем линейная или экспоненциальная, для описания взаимосвязи между f c0 и температурой.

Рис. 3. Влияние температуры на f c0  дерева

Рис. 4. Зависимости между E c0 и температурой (а), а также f c0 и E c0 9 0 (б)

На рис. 4 отношения между E c0 и температурой ( T ), а также E c0 и f c0  были установлены с использованием полиномиальной модели следующего вида:

E C0 = 2,0 × 10-4 × T 2 -0,005 × T + 8,199, -196 ºC T ≤+ 23 ºC, R² = 0,924 (F <0,001) (F <0,001) (F <0,001) (F <0,001) (F <0,001) (F <0,001) (F <0,001) (F <0,001) 6)

F C0 = -1,444 × E C0 2 + 52,104 × E C0 -250,97, -1963 r 0 C0 -250,97, -1963 . 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.

R² = 0,870 (F<0,001) (7)

Коэффициенты детерминации для этих двух взаимосвязей составили 0,924 и 0,870 соответственно при уровне значимости 0,001. Значения E c0 можно оценить на основе температуры, которую можно использовать для прогнозирования f c0 древесины.

ВЫВОДЫ

В этом исследовании оценивалось влияние температуры в диапазоне от -196 до +220 ºC на f c0 и E c0  параллельно волокнам древесины дуба. Результаты суммированы следующим образом:

  1. Четыре формы разрушения, известные как грушевидная форма, сдвиг, клиновидный раскол и расщепление, наблюдались в температурных диапазонах от +220 до +50 ºC, от +23 до -30 ºC, от -50 до -110 ºC и — от 130 до -196 ºC соответственно.
  2. При понижении температуры с +23 ºC до -196 ºC средние значения f c0 и E c0  выросли на 283,91% и 146,30% соответственно. Отношения между f c0 и температура и E c0 и температура составляли линейную модель и полиномиальную модель соответственно. Кроме того, было обнаружено, что полиномиальная модель может быть использована для прогнозирования f c0 по E c0 при температурах ниже 23 ºC.
  3. При повышении температуры с +23 ºC до +220 ºC средние значения f c0 снизились с 57,17 МПа при +23 ºC до 18,86 МПа +220 ºC. 9Значение 0003 f c0 при самом высоком уровне температуры соответствовало 32,99% от значения f c0 при комнатной температуре. Связь между f c0 и температурой может быть описана полиномиальной моделью.

БЛАГОДАРНОСТИ

Эта работа выполнена при финансовой поддержке проекта Научно-исследовательского института новых лесных технологий Китайской академии лесного хозяйства (CAFINT2013C09) и Национальной программы исследований и разработок ключевых технологий (№ 2012BAD24B02).

ССЫЛКИ

Айрилмис, Н., Буюксари, У., и Ас, Н. (2010). «Прочность на изгиб и модуль упругости древесных плит при низких и умеренных температурах», Наука и технологии холодных регионов 63(1-2), 40-43.

Бехта, П., и Маруцкий, Р. (2007). «Прочность на изгиб и модуль упругости древесностружечных плит при различных температурах», Holz als Roh- und Werkstoff  65(2), 163-165.

Бехта П. и Нимц П. (2003). «Влияние высокой температуры на изменение цвета, размерной стабильности и механических свойств древесины ели», Holzforschung  57(5), 539-546.

Брито, Дж. О., Силва, Ф. Г., Леао, М. М., и Алмейда, Г. (2008). «Изменение химического состава древесины Eucalyptus и Pinus , подвергнутых термической обработке», Биоресурс. Технол . 99(18), 8545-8548.

Цао, Ю. Дж., Лу, Дж. X., Хуанг, Р. Ф., Чжао, X., и Цзян, Дж. Л. (2012). «Влияние паротепловой обработки на механические свойства пихты китайской», BioResources 7(1), 1123-1133.

Ченг, Дж. К. (1985). Wood Science , Издательство China Forestry Publishing House, Пекин.

Финская ассоциация термодревесины (2003 г.). Справочник ThermoWood , www.thermowood.fi.

Грин, Д. В., Винанди, Дж. Э., и Кречманн, Д. Э. (1999). «Механические свойства древесины», в: Справочник по дереву – Древесина как конструкционный материал , Общий технический отчет FPL-GTR-113, Министерство сельского хозяйства США, Лесная служба, Лаборатория лесных товаров, Мэдисон, Висконсин, стр. 4-36 .

Цзян, Дж. Х. (2013). «Исследования механизма и свойств термически обработанной перегретым паром древесины дуба», к.т.н. диссертация, Китайская академия лесного хозяйства.

Кендра, Г. Д., и Кортез, Дж. (2010). «Криогенно обработанная деревянная бейсбольная бита», патент США № 20100307170A1.

Коллманн, Ф.Ф.П., и Кот, В.А. (1968). Принципы науки и технологии древесины. I: Solid Wood , Springer Verlag, Берлин.

Кубодзима Ю. , Окано Т. и Охта М. (2000). «Прочность на изгиб и ударная вязкость термообработанной древесины», J. Wood Sci.  46(1), 8-15.

Манрикес, М. Дж., и Мораес, П. Д. (2010). «Влияние температуры на прочность на сжатие параллельно зерну парики», Строительство и строительные материалы, , 24(1), 99-104.

Меркель, Х. (2004). «Механические свойства льда», http://ffden-2.phys.uaf.edu/311_fall2004.web.dir/heike_merkel/Intro.htm 2013 (слайд 3 и 4).

Миллетт, Массачусетс, и Герхардс, Г.К. (1972). «Ускоренное старение: Остаточный вес и свойства древесины при изгибе, нагретой в атмосфере при температуре от 115 ºC до 170 ºC», Науки о древесине. 4(4), 193-201.

Мораес, П. Д., Рогаум, Ю., и Трибуло, П. (2004). «Влияние температуры на модуль упругости (MOE) Pinus sylvestris L.», Holzforschung 58(2), 143-147.

Шаффер, Э. Л. (1973). «Влияние температуры пиролиза на продольную прочность сухой пихты Дугласа», J. Test Eval. 1(4), 319-329.

Ши, Дж. Л., Кокаефе, Д., и Чжан, Дж. (2007). «Механическое поведение пород древесины Квебек, подвергнутых термообработке с использованием процесса ThermoWood»,  Holz als Roh- und Werkstoff  65(4), 255-259.

Судзуки, С., и Сайто, Ф. (1987). «Влияние факторов окружающей среды на свойства ДСП», Mokuzai Gakkaishi, , 33(4), 298-303.

Ву, Ю., Ван, С., Чжоу, Д., Син, К., и Чжан, Ю. (2009). «Использование наноиндентирования и силвискана для определения механических свойств 10 пород твердой древесины», Wood and Fiber Science 41(1), 64-73.

Ямада, Т. (1971). «Температурная зависимость физических свойств древесины при низкой температуре», Репозиторий исследовательской информации Киотского университета.

Ю. Д. и Остман Б. А. Л. (1983). «Прочность на растяжение древесно-стружечных плит при различных температурах и влажности», Holz als Roh- und Werkstoff 41(7), 281-286.

Чжан, X.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *