Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Применение древесины в качестве конструкционного материала обусловлено способностью сопротивляться действию усилий, т.е. механическими свойствами.
Различают следующие свойства древесины, проявляющиеся под воздействием механических нагрузок: прочность - способность сопротивляться разрушению, деформативность - способность сопротивляться изменению размеров и формы, технологические иэксплуатационные свойства.
Показатели механических свойств древесины определяют обычно при следующих видах испытаний: растяжении, сжатии, изгибе и сдвиге. Поскольку древесина - анизотропный материал, т.е. материал с различными свойствами в разных направлениях, указывают направление действия нагрузок: вдоль или поперек волокон (в радиальном или тангенциальном направлении).
Из-за сопротивления древесины внешним нагрузкам в ней возникают внутренние силы. Эти силы, отнесённые к единице площади сечения (1 см2) называются напряжениями. Максимальное напряжение, предшествующее разрушению тела, называют пределом прочности.
Предел прочности определяют на малых, чистых и не имеющих пороках образцах в лабораториях на испытательных машинах. Эти образцы имеют базисное сечение с размерами 20 * 20 мм и должны включать не менее 4-5 годичных слоёв. Некоторые виды испытаний производят на образцах, сечение которых отличается от указанного.
Прочность при сжатии определяется на образцах призматической формы. Схема испытания на прочность при сжатии вдоль волокон и размер образца показаны на рисунке:
Образец постепенно нагружают до разрушения. Затем по силоизмерителю испытательной машины отсчитывают максимальную нагрузку Рмах, Н. Предел прочности б, МПа, вычисляют по формуле: бw = Pmax / (a * b), где (a * b) - площадь сечения образца, мм2.
В среднем для всех отечественных пород при влажности древесины 12% предел прочности на сжатие вдоль волокон составляет около 50 МПа.
Прочность при сжатии поперёк волокон определяется по схеме на рисунке. Здесь указана равнодействующая сил, которые либо равномерно распределены по всей поверхности образца, либо по всей ширине, но на части длины его (местное сжатие). И в том, и в другом случаях определяют условный предел прочности. В качестве этого показателя используют предел пропорциональности, т.е. величину напряжений, до которых наблюдают линейную зависимость между напряжениями и деформациями. В среднем для всех пород он составляет 1/10 предела прочности при сжатии вдоль волокон.
Испытания на прочность при растяжении проводятся на образцах другого вида:
Такая форма образцов обусловлена стремлением обеспечить разрушение в тонкой рабочей части, а не в месте закрепления, под воздействием именно растягивающих напряжений.
В среднем для всех пород предел прочности при растяжении вдоль волокон равен 130 МПа, а предел прочности при растяжении поперёк волокон в 20 раз ниже. Поэтому при конструировании изделий из древесины избегают растягивающих нагрузок, направленных поперёк волокон.
Для испытания древесины на статический изгиб применяют образцы в форме бруска размерами 20 * 20 * 300 мм:
Предел прочности при статическом изгибе, МПа, вычисляют по формуле: бw = (3/2) * ((Pmax*l) / (b * h2)), где Pmax - максимальная нагрузка, Н; l - пролет, т.е. расстояние между центрами опор, равный 240 мм; b и h - ширина (в радиальном) и высота (в тангенциальном) направлениях, мм.
В среднем предел прочности при статическом изгибе составляет 100 МПа.
При испытаниях к образцу прикладывают две равные и противоположно направленные силы, вызывающие разрушение в параллельной им плоскости, происходит сдвиг. Различают три вида испытаний на сдвиг: скалывание вдоль волокон, скалывание поперёк волокон и перерезание древесины поперёк волокон. Схемы действия сил при этих испытаниях показаны на рисунке:
Для испытания на скалывание вдоль волокон применяют образец, форма и размеры которого показаны на рисунке:
Предел прочности при скалывании вдоль волокон определяют по формуле: Tw = Pmax / (b * l), где (b * l) - площадка скалывания, мм2.
Величина предела прочности - касательных максимальных напряжений при скалывании вдоль волокон в среднем для всех пород составляет примерно 1/5 от предела прочности при сжатии вдоль волокон. Предел прочности при скалывании поперёк волокон в 2 раза меньше, а предел прочности при перерезании поперёк волокон в 4 раза больше, чем предел прочности при скалывании вдоль волокон.
Деформативность. При кратковременных нагрузках в древесине возникают преимущественно упругие деформации, которые после нагрузки исчезают. До определённого предела зависимость между напряжениями и деформациями близка к линейной (закон Гука). Основным показателем деформативности служит коэффициент пропорциональности - модуль упругости.
Модуль упругости вдоль волокон Е = 12-16 ГПа, что в 20 раз больше, чем поперёк волокон. Чем больше модуль упругости, тем более жесткая древесина.
С увеличением содержания связанной воды и температуры древесины, жесткость её снижается. В нагруженной древесине при высыхании или охлаждении часть упругих деформаций преобразуется в "замороженные" остаточные деформации. Они исчезают при нагревании или увлажнении.
Поскольку древесина состоит в основном из полимеров с длинными гибкими цепными молекулами, её деформативность зависит от продолжительности воздействия нагрузок. Механические свойства древесины, как и других полимеров, изучаются на базе общей науки реологии. Эта наука рассматривает общие законы деформирования материалов под воздействием нагрузки с учётом фактора времени.
Эксплуатационные и технологические свойства. Прочность древесины при длительных постоянных нагрузках важно знать в связи с применением её в строительных конструкциях. Показателем этого свойства является предел длительного сопротивления бд.с., который в среднем для всех видов нагрузки составляет примерно 0,5 - 0,6 величины предела прочности при кратковременных статических испытаниях.
Показателем прочности при переменных нагрузках является предел выносливости, средняя величина которого составляет примерно 0,2 от статического предела прочности.
При проектировании деревянных конструкций в расчётах используют не пределы прочности малых образцов древесины, а в несколько раз меньшие показатели - расчётные сопротивления. Они учитывают большие размеры элементов конструкций, наличие пороков древесины, длительность действия нагрузки, влажность, температуру и другие факторы.
Удельная вязкость характеризует способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения и определяется при испытаниях на изгиб. Ударная вязкость у древесины лиственных пород в среднем в 2 раза больше, чем у древесины хвойных пород.
Твёрдость характеризует способность древесины сопротивляться вдавливанию более твёрдого тела. Испытания на статическую твёрдость проводят по схеме, показанной на рисунке:
Для испытания на твёрдость используют приспособление, которое имеет пуансон с полусферическим наконечником. Его вдавливают на глубину радиуса. После испытания в древесине остаётся отпечаток, площадь проекции которого при указанном радиусе полусферы составляет 100 мм2. Показателем статической твёрдости образца, Н/мм2, является усилие, отнесенное к этой площади. Статическая твёрдость торцевой поверхности выше, чем боковых поверхностей.
Все отечественные породы по твёрдости торцевой поверхности при влажности 12% делят на 3 группы: мягкие (твёрдость 40 Н/мм2 и менее), твёрдые (41-80) и очень твёрдые (более 80 Н/мм2).
Ударную твёрдость определяют, сбрасывая стальной шарик диаметром 25 мм с высоты 0,5 м на поверхность образца, величена которого тем больше, чем меньше твёрдость древесины.
Износостойкость - способность древесины сопротивляться износу, т.е. постепенному разрушению её поверхностных зон при трении. Испытания на износостойкость древесины показали, что износ с боковых поверхностей значительно больше, чем с поверхности торцевого разреза. С повышением плотности и твёрдости древесины износ уменьшился. У влажной древесины износ больше, чем у сухой.
Уникальным свойством древесины является способность удерживать крепления: гвозди, шурупы, скобы, костыли и др. При забивании гвоздя в древесину возникают упругие деформации, которые обеспечивают достаточную силу трения, препятствующую выдёргиванию гвоздя. Усилие, необходимое для выдёргивания гвоздя, забитого в торец образца, меньше усилия, прилагаемого к гвоздю, забитому поперёк волокон. С повышением плотности сопротивление древесины выдергиванию гвоздя или шурупа увеличивается. Усилия, необходимые для выдёргивания шурупов (при прочих равных условиях), больше, чем для выдёргивания гвоздей, так как в этом случае к трению присоединяется сопротивление волокон перерезанию и разрыву.
Технологическая операция гнутья древесины основана на её способности сравнительно легко деформироваться при действии избегающих усилий. Способность гнуться выше у кольцесосудистых пород - дуба, ясеня и др., а из рассеянно-сосудистых - бука; хвойные породы обладают меньшей способностью к загибу. Гнутью подвергают древесину, находящуюся в нагретом и влажном состоянии. Это увеличивает податливость древесины и позволяет вследствие образования замороженных деформаций при последующем охлаждении и сушке под нагрузкой зафиксировать новую форму детали.
Для сравнительной оценки качества древесины используют так называемые удельные характеристики механических свойств, т.е. показатели ее механических свойств, отнесенные к единице плотности.
Удельная прочность при сжатии и статическом изгибе у хвойных пород выше, чем у лиственных. Значительно выше у хвойных пород и удельная жесткость. По остальным свойствам удельные характеристики у древесины лиственных пород выше, чем у хвойных.
Удельные характеристики древесины имеют особое значение, когда от изделия или конструкции требуется высокая прочность при малом весе. Это важно для транспортного машиностроения, авиастроения, судостроения и в других случаях.
5.МОДУЛЬ УРУГОСТИ.
Модуль упругости — общее название нескольких физических величин, характеризующих способность твёрдого тела (материала, вещества) упруго деформироваться (то есть не постоянно) при приложении к нему силы. В области упругой деформации модуль упругости тела определяется производной (градиентом) зависимости напряжения от деформации, то есть тангенсом угла наклона диаграммы напряжений-деформаций:
где:
Если напряжение измеряется в паскалях, то, поскольку деформация является безразмерной величиной, единицей измерения λ также будет паскаль. Альтернативным определением является определение, что модуль упругости — это напряжение, достаточное для того, чтобы вызвать увеличение длины образца в два раза. Такое определение не является точным для большинства материалов, потому что это значение намного больше чем предел текучести материала или значения, при котором удлинение становится нелинейным, однако оно может оказаться более интуитивным.
Разнообразие способов, которыми могут быть изменены напряжения и деформации, включая различные направления действия силы, позволяют определить множество типов модулей упругости. Здесь даны три основных модуля:
Существуют и другие модули упругости: коэффициент Пуассона, параметры Ламе.
Гомогенные и изотропные материалы (твердые), обладающие линейными упругими свойствами, полностью описываются двумя модулями упругости, представляющими собой пару любых модулей. Если дана пара модулей упругости, все другие модули могут быть получены по формулам, представленным в таблице ниже.
|
Материал |
Е, МПа |
Е, кгс/см² |
|
Алюминий |
70000 |
713 800 |
|
Вода |
2030 |
20300 |
|
Дерево |
10000 |
102 000 |
|
Кость |
30000 |
305 900 |
|
Медь |
100000 |
1 020 000 |
|
Резина* |
10 |
102 |
|
Сталь |
200000 |
2 039 000 |
|
Стекло |
70000 |
713 800 |
6.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФЛЮСА И ОТОЩИТЕЛЯ.
Плавленые флюсы получают методом расплавления компонентов с после последующей их грануляцией или дроблением застывшей массы. Керамические получают путем смешивания сухих компонентов флюса, добавления в полученную смесь связующего элемента (как правило, жидкого стекла) и последующую ее грануляцию. Процесс производства плавлено-керамических флюсов включает в себя оба метода изготовления.
1. Легирование сварного шва через флюс
По этому показателю флюсы подразделяются на легирующие (активные) и пассивные.
Пассивные флюсы:
• Имеют более высокие механические характеристики сварного шва
• Более применимы для многопроходной сварки, т.к. позволяют поддерживать практически постоянный химический состав шва
• Имеют ограничения к использованию по ржавчине и окалине
Активные флюсы:
• Обладают более низкой восприимчивость к ржавчине и окалине
• Отличаются лучшей отделяемостью шлака
• Имеют потенциальную опасность неравномерного легирования шва при многопроходной сварке
Плавленые флюсы, как правило, бывают только пассивными, т.к. компоненты флюса, через которые можно производить легирование, в процессе производства при плавлении начинают вступать в химические реакции. Керамические флюсы разрабатываются как активными, так и пассивными, что позволяет более узко специализировать различные марки флюсов. Это позволяет получить наиболее оптимальные сочетания различных свойств сварного соединения, необходимых для данной конструкции.
В общем случае керамическая масса состоит из четырех компонентов: 1) глины (или смеси глин), 2) отощителя, 3) флюса и 4) воды. В некоторых случаях, при подходящих природных глинах, отсутствует необходимость в использовании отощителя или флюса. При необходимости получить пористый черепок, в массу вводят порообразующие материалы.
В связи с сокращением запасов высококачественных марганцевых руд, качество высокомарганцовистых плавленых флюсов ухудшается, т.к. они содержат в своем составе повышенное количество серы и фосфора, что приводит к интенсивному переходу указанных элементов в наплавленный металл, и неизбежному ухудшению эксплуатационных характеристик металла сварного шва. Так, например, ГОСТ Р52222-2004 [1] регламентирует содержание серы и фосфора в составе флюса марки АН-348А на уровне 0,12%, что не позволяет использовать указанный флюс при сварке изделий ответственного назначения, например, эксплуатация которых возможна при низких температурах
Одним из основных требований, предъявляемых к новому керамическому флюсу общего назначения, является обеспечение минимального окислительного потенциала по отношению к металлу сварного шва при сохранении достаточно высокого уровня его сварочно-технологических свойств. Необходимо также отметить, что существующая на сегодняшний день сырьевая база не позволяет изготавливать качественные керамические флюсы с высоким содержанием оксида марганца, т.к. это неизбежно приводит к повышению в составе флюса вредных примесей серы и фосфора и, в конечном итоге, к повышению указанных примесей в составе металла сварного шва и к снижению механических характеристик сварного соединения. Поэтому, для того чтобы снизить концентрацию серы и фосфора в наплавленном металле необходимо использовать более чистые компоненты по указанным примесям, а также понижать количество компонентов, содержащих в составе оксиды марганца, или разрабатывать специальные меры по снижению серы и фосфора в составе керамического флюса.
Для грубокерамических изделий характерны не только крупнодисперсная структура, но и видимое отсутствие аморфной стекловидной фазы. Это значит, что для производства таких изделий не используют (или используют в малом количестве) плавни (флюсы), образующие в процессе обжига жидкую фазу. Такие изделия имеют достаточно высокую пористость, редко покрываются глазурью, чаще ангобом. Типичными изделиями, относящимися к этому классу, являются шамотные.