Реологические свойства

Выбор сырья-реологические свойства
Реологические свойства древесины. Основные вещества, слагающие древесину, представляют собой природные полимеры с длинными гибкими цепными молекулами. Поэтому механические свойства древесины, так же как и других полимеров, должны изучаться на базе реологии (от гр. rheos — течение и logos — наука). Реология рассматривает общие законы деформирования материалов под действием нагрузки с учетом фактора времени. При кратковременных нагрузках древесина, как уже отмечалось, обладает свойствами сравнительно жесткого малодеформируемого тела. При увеличении времени действия нагрузок древесина ведет себя как весьма податливое тело, деформации которого довольно велики.

Было установлено, что под действием постоянной нагрузки, кроме упругой деформации, появляющейся в древесине немедленно после приложения нагрузки, с течением времени развиваются эластические деформации и остаточные деформации ползучести. Упругие и эластические деформации составляют обратимую часть общих деформаций. Они исчезают после снятия нагрузки (упругие деформации — сразу, а эластические — по истечении некоторого времени). Деформации ползучести (необратимая часть общих деформаций) сохраняются в древесине после снятия нагрузки при длительной выдержке в среде с постоянной температурой и влажностью.
Реологические показатели, характеризующие закономерности развития упругоэластических деформаций (мгновенный и длительный модули упругости, а также время релаксации), с повышением влажности и температуры древесины уменьшаются, что свидетельствует об увеличении ее податливости.
Гигро- и термомеханические деформации древесины. Увлажнение или нагревание нагруженной древесины приводит к увеличению общей деформации из-за снижения жесткости древесины. При этом образуются так называемые влажностно-силовые или температурно-силовые деформации. При последующей сушке или охлаждении они не исчезают и общая деформация нагруженной древесины сохраняется неизменной. После разгрузки обнаруживаются «замороженные» деформации. Поскольку они обусловлены превращением упругоэластических, т. е. обратимых деформаций, увлажнение или нагревание древесины приводит к их «размораживанию», исчезновению.
Таким образом, «замороженные» деформации образуются вследствие временной перестройки структуры древесины под управляющим воздействием нагрузки в процессе высыхания или охлаждения. Они вызывают эффект деформационной «памяти» древесины на температурно-влажностные воздействия, подробно исследованный в МЛТИ — МГУЛ автором совместно с Э. Б. Щедриной, Г. А. Горбачевой и Н. В. Скуратовым. Древесина «запоминает» также вид нагрузки и соответствующие ему деформации сжатия или растяжения. Нагревание (увлажнение) разгруженного объекта из древесины почти полностью восстанавливает его форму и размеры.
«Замороженные» деформации учитывают при расчете сушильных напряжений. В остаточные деформации после сушки древесины, обозначаемые в мировой литературе как «сет-деформации», кроме «замороженных» деформаций входят также необратимые деформации ползучести.
При многократных циклических изменениях влажности нагруженной древесины жесткость (и прочность) ее снижается, т. е. наблюдается гигроусталость. Это явление было исследовано автором совместно с Н. В. Скуратовым и Л. В. Поповкиной при растяжении ели в тангенциальном направлении поперек волокон. После шести циклов увлажнения-сушки в пределах от 20 до 12 % при напряжениях 1,2 МПа модуль упругости снизился примерно на 30%.
Гигроусталость необходимо учитывать при использовании древесины в строительных конструкциях.
Данные о деформативности древесины поперек волокон, определенные в МЛТИ при реологических испытаниях, используются для расчета сушильных напряжений в пиломатериалах, при обосновании режимов резания древесины и для других целей.
Механические свойства древесины – деформативность

Кратковременное действие нагрузок

При действии кратковременных нагрузок, не превышающих определенного значения, древесина ведет себя как упругое тело. И для того чтобы охарактеризовать деформативность древесины в этих условиях (жесткость), используют упругие постоянные: модули упругости, коэффициенты поперечной деформации (коэффициенты Пуассона) и модули сдвига.

Модули упругости

Модули упругости характеризуют способность материала сопротивляться упругим деформациям, т. е. являются мерой жесткости материала. Они представляют собой коэффициент пропорциональности в законе Гука.

Из-за анизотропии древесины модули упругости определяют в трех основных направлениях: вдоль волокон (Еа), поперек волокон в радиальном направлении (Еr), поперек волокон в тангенциальном направлении (Et). Модули упругости определяют и для различных схем нагружения: сжатие, растяжение, статический изгиб.

Известно, что показатели механических свойств древесины, в том числе и модули упругости, существенно зависят от влажности. При увлажнении древесины от абсолютно сухого состояния до влажности 30% значения всех механических характеристик резко уменьшаются. Поэтому значения модулей упругости, как и других параметров, приведены к нормализованной влажности (12%).

Модуль упругости, как и модуль сдвига, пределы прочности на растяжение и сжатие, сдвиг, определяется экспериментально на специально подготовленных образцах и по специальной методике. Однако свойства древесины зависят не только от породы, но и от места произрастания и многих других факторов. Поэтому значения параметров упругости так же, как и прочности, носят несколько приближенный (усредненный) характер. Существуют определенные закономерности, показывающие зависимость этих параметров от структуры древесины, которая, в свою очередь, определяется условиями произрастания и т.д. Модуль упругости при нагружении древесины вдоль волокон примерно в 20-25 раз выше, чем поперек. Модуль упругости в радиальном направлении поперек волокон в среднем выше на 20-50%, чем в тангенциальном.

Значения модулей упругости для коммерческих пород можно найти в таблицах Государственной системы стандартных справочных данных (ГСССД) «Древесина. Показатели физико-механических свойств малых образцов без пороков».

Коэффициенты поперечной деформации

При растяжении или сжатии образца кроме продольных деформаций появляются и поперечные (образец не только удлиняется или укорачивается, но и сужается или расширяется соответственно). Коэффициентом поперечной деформации (коэффициентом Пуассона) называется отношение поперечной деформации к продольной. Таких коэффициентов шесть: mrа, mta, mtr, mar, mrt, mat.

Модули сдвига древесины

Известно, что помимо нормальных напряжений в материале возникают еще и касательные. Для упругого тела коэффициентом пропорциональности между касательными напряжениями ф и угловой деформацией r является модуль сдвига G. Обычно в справочной литературе приводятся данные о трех модулях сдвига: Gta, Gra, Grt.

Развитие деформации во времени

При длительном воздействии механических нагрузок, колебаний влажности и температуры проявляются так называемые реологические свойства древесины, т. е. ее способность деформироваться под нагрузкой во времени.

Древесина, или материал клеточных стенок, в основном представляет собой комплекс природных полимеров, имеющих длинные гибкие цепные молекулы. Такая особенность строения полимеров определяет особый характер их поведения под нагрузкой и реологические свойства древесины. При приложении усилий к образцу такого материала могут возникнуть следующие виды деформаций: упругие — вследствие обратимого изменения средних междучастичных расстояний (о них речь шла выше); высокоэластичные, связанные с обратимой перегруппировкой звеньев цепей молекул (при этом объем тела не изменяется); вязко-текучие, обусловленные необратимым смещением молекулярных цепей (объем тела при этом меняется).

Полимеры могут находиться в трех физических состояниях — стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Каждое из них характеризуется преобладающим типом деформаций. Переход из состояния в состояние происходит при изменении температуры, критические значения которой называются температурой стеклования и температурой текучести. А при изменении влажности влияние температуры на развитие деформаций древесины во времени усиливается.

Поведение реальных тел можно описать при помощи соотношений, содержащих в общем случае напряжения, деформации и их производные во времени. Такие соотношения называют реологическими уравнениями, а параметры, характеризующие материал, — реологическими коэффициентами, напряжения и деформации — реологическими переменными.

Реологические коэффициенты можно получить в процессе двух основных видов испытаний: на ползучесть и релаксацию. В первом случае ведется наблюдение за значением деформации образца, возникающей под действием нагрузки, мгновенно приложенной и неизменяемой в течение испытаний. Во втором случае образцу сообщается начальная деформация, которая во время испытаний поддерживается постоянной. При этом значение напряжений снижается по сравнению с начальным. Кроме того, реологические испытания проводят при константной скорости возрастания напряжений или скорости деформации.

Реологические свойства древесины и особенности ее деформирования при различной последовательности силовых, влажностных и температурных воздействий учитываются при разработке режимов гидротермической (например, для получения шпона) и механической (гнутье, прессование) обработки, консервирования, модифицирования древесины.

На основе исследований реологических свойств также выяснилось, что при многократных циклических изменениях влажности древесины жесткость и прочность деревянных конструкционных элементов снижается. Это явление получило название гигроусталость. По некоторым данным, уже после шести циклов увлажнения-сушки с амплитудой 8% (от 20% до 12%) при напряжениях 1,2 МПа модуль упругости снижается примерно на 30%.

Комментарии закрыты