Древесные материалы

Древесина с давних времен используется в качестве конструкционного материала в различных отраслях промышленности и применяется как в натуральном виде, так и в виде разнообразных древесных материалов.

К достоинствам древесины как конструкционного материала относят­ся достаточно высокая механическая прочность и небольшая объемная масса и, следовательно, высокая удельная прочность, хорошее сопротив­ление ударным и вибрационным нагрузкам. Теплофизические свойства древесины характеризуются малой теплопроводностью и в 2 — 3 раза мень­шим, чем у стали, температурным коэффициентом линейного расширения. Древесина имеет высокую химическую стойкость к ряду кислот, солям, маслам, газам. Важными свойствами древесины являются ее способность к склеиванию, возможность быстрого соединения гвоздями, шурупами, легкость механической обработки и гнутья.

Наряду с указанными достоинствами древесина обладает рядом недо­статков, ограничивающих ее применение как конструкционного материала. Можно отметить следующие недостатки: гигроскопичность, которая является причиной отсутствия у деталей из древесных материалов стабильности формы, размеров и прочностных свойств, меняющихся с изменением влажности; склонность к поражению грибковыми заболеваниями; отсутствие огнестойкости; низкий модуль упругости; анизотропия механических свойств, которые в силу волокнистого строения древесины различны в разных направлениях действия сил; неоднородность строения, в результате которой свойства материала различны не только в пределах одной породы; но в пределах одного ствола.

Строение древесины. Древесина состоит из органических веществ: 43 — 45% целлюлозы, 19 — 29% лигнина, остальное — низкомолекулярные углеводы и другие компоненты. Свойства древесины обусловливаются ее строением. Так как древесина является волокнистым материалом, ее строение изучают по трем разрезам: торцовому (поперечному), перпендикулярному к волок­нам; радиальному, проходящему через ось ствола, тангентальному, идуще­му вдоль ствола на некотором расстоянии от него.

Строение древесины, ширина годичных колец, содержание летней зоны древесины обусловливают механическую прочность как хвойных, так и ли­ственных пород. На свойства древесных материалов влияет наличие в дре­весине различных пороков.

Пороками древесины называются отклонения от нормального строения, а также повреждения микологического и механического характера. Пороки снижают физико-механические свойства древесины. На меха­нические свойства здоровой древе­сины влияют сучки, трещины, нак­лон волокон (косослой).

К паразитным порокам отно­сятся грибковые (микологические) повреждения древесины. Для развития грибов требуются определенные условия; наиболее благоприятны для них температура 2 —40С, влажность 30 — 60% и наличие воздуха, без которого развитие гриба невозможно. В ре­зультате грибкового поражения древесина разрушается, превращаясь в труху, гниль. При неправильном хранении древесины часто возникает синева, которая быстро распространяется и проникает в глубь материала. Синева существенного влияния на физико-механические свойства древесины не оказывает, однако при сильном развитии может вызвать поражения более опасными грибами.

Повреждения насекомыми (червоточина) встречаются в древесине всех пород. Наличие червоточины влияет на сортность древесины.

Физические свойства. Для древесины как конструкционного материала ос­новное значение имеют влажность, изменяемость размеров, формы, объем­ная масса.

Влажностью древесины называется количество воды, заключающейся в ней, выраженное в процентах. Влажность определяется по формуле

где m — масса влажного образца при данной влажности в г; m₀ — масса образца в абсолютно сухом состоянии в г (за m₀ принимается масса образца, высушенного при 100 + 5°С).

Вода, содержащаяся в древесине, бывает двух видов: свободная (капиллярная) вода, заполняющая внутренние пустоты, и связанная (гигро­скопическая), находящаяся в клеточных оболочках. Таким образом, влаж­ность древесины складывается из влаги связанной и свободной. При высы­хании дерево теряет сначала свободную воду, а затем начинает терять связанную воду.

Состояние древесины, при котором в ней имеется только связанная влага, называется точкой насыщения волокон. Для различных древесных пород максимальное количество связанной влаги колеблется от 23 до 30%. Свежесрубленной древесине соответствует влажность 50 — 100%; в древеси­не, пролежавшей долгое время на воздухе (воздушно-сухой), устанавли­вается влажность 10 — 20%, в комнатных условиях (комнатно-сухая древесина) — влажность 7 —10%, а для абсолютно сухой древесины влажность нулевая. Влажность, отвечающая условиям производственного помещения, носит название производственной влажности. За стандартную влажность древесины принята влажность 15%, которая представляет собой среднюю влажность воздушно-сухой древесины. Все свойства древесины для воз­можности сравнения устанавливаются при стандартной влажности 15%. Производственная, влажность должна быть равна эксплуатационной или на 2% ниже (иначе древесина будет усыхать).

Изменение размеров и формы древесины связано с изменением ее влажности. Эти изменения выражаются в усушке, разбухании и коробле­нии. При высыхании древесины из нее вначале удаляется свободная влага, при этом размеры клеток не изменяются (уменьшается только масса); с момента точки насыщения волокна стенки волокон древесины теряют связанную влагу и сокращаются в размерах.

Усушкой древесины называется уменьшение линейных размеров и объе­ма древесины при высыхании (выражается в процентах). Усушка зависит от направления: так, наибольшая усушка происходит в тангентальном направлении, наименьшая — вдоль волокон.

Усушка представляет собой отрицательное явление, во-первых, потому, что ее необходимо учитывать при изготовлении деталей, и, во-вторых, она служит причиной появления в древесине внутренних напряжений, вызы­вающих трещины и коробления.

Древесина разных пород имеет одинаковый химический состав, поэто­му плотность вещества, образующего стенки клеток, принимается равной 1,54 г/см³. Для практических целей важно знать объемную массу, кото­рая зависит от влажности материала и коэффициента объемной усушки. Значение у древесины составляет 0,34-0,98 г/см3. Более легкими по­родами являются сосна, ель, пихта, липа, осина, ольха; очень тяжелыми: граб, груша, самшит. Чем больше объемная масса, тем плотнее древесина и тем лучше она сопротивляется нагрузкам.

Защита древесины от увлажнения, загнивания и воспламенения. В усло­виях эксплуатации или хранения древесины на открытом воздухе ее влаж­ность может значительно увеличиваться и вызывать загнивание дере­вянных элементов. Для борьбы с этим недостатком применяют гидроизо­ляционные прокладки, лакокрасочные покрытия и антисептирование.

Антисептики представляют собой водные растворы минеральных солей (фтористого натрия, хлористого цинка, медного купороса и др.) и спир­товые растворы оксидифенила и ртутноорганических соединений. Антисеп­тирование производят путем промазки, опрыскивания, пропитки под давлением.

Древесина легко воспламеняется от огня (точка воспламенения 330-470°С). Для повышения ее огнестойкости (хотя сделать древесину со­всем несгораемой нельзя) применяют ряд способов. Первый и наиболее эффективный способ защиты — пропитка химическими веществами — антипиренами, второй - окраска огнезащитными красками. В качестве антипиренов используют аммониевые соли и соли фосфорной кислоты или бор­ной кислоты. Огнезащитные краски должны быть негорючими и нетеплопроводными. К ним относятся силикатные краски на основе жид­кого стекла и перхлорвиниловые лакокрасочные покрытия.

Разновидности древесных материалов. Материалы из натуральной древесины применяют в виде пиломатериалов и заготовок. В зависимости от размеров поперечного сечения различают брусья, ширина и толщина которых свыше 100 мм; бруски шириной не более двойной толщины; доски при ширине более двойной толщины (тонкие узкие доски называются планками).

Пиломатериалы хвойных пород применяют более широко, поскольку они обладают высокой прочностью, меньше подвержены загниванию, осо­бенно сосна; из лиственных пород дуб и ясень хорошо поддаются гнутью; бук и береза служат их заменителями. Хвойные и твердые лиственные по­роды применяют для силовых нагруженных деталей. Мягкие породы (липа) являются несиловыми материалами. Хвойные пиломатериалы используют в судостроении, в автотранспорте (детали грузовых автомобилей), в конструкциях грузовых железнодорожных вагонов, сельскохозяйственных машин и т. д. Заготовки из древесины используются для тех же целей и моделей.

Шпон — широкая ровная стружка древесины, получаемая путем луще­ния или строгания. Толщина листов шпона от 0,55 до 1,5 мм. Шпон является полуфабрикатом для изготовления фанеры, древесных слоистых пластиков и выклейки гнутых деталей. Шпон с красивой текстурой (дуб, бук и др.) используется в качестве облицовочного материала для изделий из древесины.

Фанера — листовой материал, получаемый путем склейки слоев шпона. Толщина фанеры от 1 до 12 мм, более толстые материалы называют пли­тами. В зависимости от склеивающего шпон клея и степени водостойкости фанера выпускается следующих марок: ФСФ на фенолоформальдегидном клее с повышенной водостойкостью, ФК — на карбамидном и ФБА на альбуминоказеиновом клеях со средней водостойкостью и ФБ на белковых клеях ограниченной водостойкости.

Прессованная древесина получается при горячем прессовании брусков, досок, заготовок, при этом она подвергается специальной термообработке в уплотненном состоянии.

Прессованная древесина имеет следующие свойства: объемную массу 1,1-1,42 г/см³, предел прочности вдоль волокон при растяжении 14-23 кгс/мм², при сжатии 9-13 кгс/мм², при изгибе 15-20 кгс/мм², ударную вязкость 60-80 кгс-см/см².

Прессованная древесина является заменителем черных и цветных ме­таллов и пластмасс. Она широко применяется для изготовления деталей машин, работающих при ударных нагрузках (кулачки, сегменты зубчатых передач, подшипники, втулки и т. д.). Вкладыши из древесины по сравне­нию с бронзовыми имеют вдвое меньший износ, снижается расход смазоч­ного масла.

Древесностружечные плиты изготовляют горячим прессованием дре­весной стружки со связующим. Плиты выпускают однослойными (ПС-1, ПТ-1), трехслойными (ПС-3, ПТ-3) и облицованными шпоном, фанерой, бу­магой (ЭС, ЭМ).

Древесностружечные плиты применяют для пола и бортов грузовых машин и прицепов, в ваго­ностроении, в строительстве, для производства мебели и т. д.

Древесноволокнистые плиты изготовляют из древесных волокон (раз­мельченной древесины), иногда с добавками связующих составов. Под дей­ствием высокой температуры и большого давления древесные волокна спрессовываются в равнопрочный материал. Плиты подразделяют на мяг­кие пористые (М-4, М-12, М-20), полутвердые (ПТ-100), твердые (Т-350 Т-400) и сверхтвердые (СТ-500). В промышленности выпускают также акустические плиты, имеющие коэффициент звукопоглощения 0,2-0,3 при частоте коле­баний 300 Гц и 0,4-0,5 при 1000 Гц. Древесноволокнистые плиты приме­няют для облицовки пассажирских вагонов, внутренней отделки автобусов в радиотехнической промышленности, в строительстве и т.д.

Глава 1 ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О СТРОЕНИИ МЕТАЛЛОВ

Кристаллические структуры металлов и сплавов

1.2. Дефекты строения реальных кристаллов

1.3. Кристаллизация металлов

1.4. Полиморфизм металлов

1.5. Основные сведения о металлических сплавах

1.6. Диаграммы состояния двойных сплавов

1.6.2. Диаграмма состояния для сплавов, компоненты которых неограниченно растворимы в твердом состоянии (II рода)

1.6.1. Диаграмма состояния для сплавов, компоненты которых нерастворимы в твердом состоянии (I рода)

1.6.3. Диаграмма состояния для сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твердом состоянии (III рода)

1.6.4. Диаграмма состояния для сплавов, компоненты которых образуют устойчивое химическое соединение (IV рода)

1.6.5. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

Глава 2 ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

2.1. Структурные составляющие сплавов железа с углеродом

2.2. Участок диаграммы состояния Fe-Fe3C с концентрацией углерода 0...2,14 %

2.3. Участок диаграммы состояния Fe-Fe3C с концентрацией углерода 2,14...6,67 %

Глава 3 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

3.1. Основы термической обработки стали

3.1.2. Превращения аустенита при охлаждении

3.1.1. Превращение перлита в аустенит и рост зерна аустенита при нагреве

3.1.3. Мартенситное превращение

3.1.4. Превращения мартенсита при нагреве

3.2. Основные виды термической обработки стали

3.2.1. Отжиг сталей

3.2.2. Закалка сталей

3.2.3. Закаливаемость и прокаливаемость стали

3.2.4. Поверхностная закалка

3.2.5. Отпуск сталей

3.3. Термомеханическая обработка стали

3.4. Термическая обработка чугуна

3.5. Дефекты термической обработки стали

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Глава 4

4.1. Основы химико-термической обработки сталей

4.2. Цементация

4.3. Азотирование

4.4. Цианирование

4.5. Диффузионная металлизация

Глава 5

УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

5.1. Влияние примесей на свойства сталей

5.2. Классификация сталей

5.3. Углеродистые стали

5.4. Легированные стали

5.4.1. Конструкционные стали

5.4.2. Инструментальные стали

5.4.3. Стали специального назначения

Глава 6

Добавить ЧУГУНЫ

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

6.1. Общее понятие о цветных металлах

6.2. Алюминий и его сплавы

6.3. Магний и его сплавы

6.4. Медь и ее сплавы

6.5. Титан и его сплавы

Глава 7

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

7.1. Классификация композиционных материалов

7.2. Особенности получения КМ жидкофазными методами

7.4. Методы и условия получения эвтектических КМ

7.3. Особенности получения КМ твердофазными методам»

7.5. Технология изготовления дисперсно-упрочненных КМ

7.6. Технология изготовления слоистых КМ

Глава 8

ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

8.1. Производство металлических порошков

8.2. Формование порошков

8.3. Спекание порошковых материалов

8.4. Свойства и области применения порошковых материалов

8.5. Техническая керамика

8.6. Керамике-полимерные материалы

Глава 9

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

9.1. Общее понятие о неметаллических материалах

9.2. Полимеры

9.2.1. Строение и классификация полимеров

9.2.2. Свойства полимеров

9.3. Пластмассы и полимерные композиционные материалы

9.3.1. Состав и классификация пластмасс

9.3.2. Технология получения изделий из пластмасс и полимерных композиционных материалов

9.4. Резиновые материалы

9.5. Сотовые и панельные конструкции

Список литературы

1. Шевельков В.В., Былеев А.С. Материаловедение. Учебное пособие. Псков: ППИ, 2006. 97с.

2. Гуляев А.П. Металловедение: учебник для вузов/А.П. Гуляев. М.: Металлургия, 2006. 554 с.

3. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов / А.М. Даль-ский.Т.М. Барсукова и др. М.: Машиностроение, 2005. 592с.

3. Кнорозов Б.В. Технология металлов и материаловедение / Б.В. Кноро­зов, Л.Ф. Усова и др. М.: Металлургия, 1987. 800 с.

4. Кузьмин Б.А. Технология металлов и конструкционные материалы / Б.А. Кузьмин. М.: Машиностроение, 1989. 494 с.

5. Материаловедение / под общ. ред. В.Н. Арзамасова. М.: Машино­строение, 2005. 384 с.

6. Металловедение и технология металлов / под ред. В.П. Солнцева. М.: Металлургия, 1988. 512 с.

7. Прейс ГА. Технология конструкционных материалов / ГА. Прейс, Н.А. Сологуб и др. Киев: Выща шк., 1991. 390 с.

8. Технология конструкционных материалов / под ред. А.К. Дальского. М.: Машиностроение, 2001. 447 с.

9. Технология конструкционных материалов / под ред. О.С. Комарова. Минск: ООО «Новое знание», 2005. 560 с.

10. Металловедение и термическая обработка. Методические указания к лабораторным работам. / под ред. А.М.Паршина. Ленинград, 2004. 108 с.

11. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П.. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990. 400 c.

Приложения