Деревообрабатывающее оборудование
и комплексный инжиниринг

Растяжение в направлении поперек волокон

Древесина легко ломается от растяжения, направленного поперек волокон. Это происходит при колке дров, при забивании гвоздей в неподатливую доску, при попытке «разогнуть» покоробленную доску, при демонстрации приемов карате (имеется в виду искусство «тамешивари» - разбивания предметов – где в качестве объекта часто используются  деревянные пластины стандартного размера – ред.) или в том случае, когда мы отделяем длинную тонкую стружку от края доски. Но мы обычно бываем хорошо осведомлены об этой слабости нашего материала и достаточно хорошо научились проектировать изделия и использовать их так, чтобы избегать подобных разрушений. Похоже самыми распространенными и наименее познанными дефектами, вызванными растяжением вдоль волокон, являются разрушения под влиянием самосоздающихся напряжений к которым приводят напряжения, возникающие при неравномерных изменениях размеров. Как мы уже писали, растрескивание на концах, поверхностные и внутренние трещины являются классическими примерами, равно как и радиальные трещины, образующиеся в древесине, окружающей сердцевину.

Стандартный тест ASTM (Американское Общество Испытаний Материалов) на растяжение поперек волокон (рис. 1) не дает возможности измерить напряжение. Замерить можно только напряжение деформации, за которым образец мгновенно разрушается. В справочниках приводится, как правило, только эта величина. Типичные значения ее, для примера, 310 psi для сосны или 1010 psi для американского бука (psi – американская мера давления, 1 фунт веса на 1 дюйм площади, 1фунт  = 0,453 кг,  1 дюйм = 25,4 мм – ред.). Используются они, в основном, для сравнения различных пород на предмет расщепления.

К счастью, некоторые испытания проводились и с использованием образцов, снабженных датчиками измерения напряжения. (рис. 2). Как показано на рисунке 3, эластичность ведет себя схоже с сжатием перпендикулярно волокнам (см. «GE-News № 46»), с примерно таким же пределом пропорциональности. А дальше начинаются разительные отличия. При превышении предела пропорциональности растяжением, превышающем предел на 2%, образец разрушается. А для разрушения образца сжатием, усилие должно превышать предел пропорциональности вдвое. Жаль, что нет более обширных данных по разным породам, это могло бы дать нам большее понимание природы пределов прочности древесины. Так, если содержание влаги на одном краю образца станет на 8-10% ниже, чем на соседнем участке, более сухая часть будет стремиться усохнуть на 2% своего тангентального размера. Судя по имеющейся у нас информации о природе нагрузки, мы можем с уверенностью сказать, что образец треснет.

Предел натяжения при растяжении поперек волокон может быть критичным в ситуации, когда доска зафиксирована и испытывает сжатие по причине потери влаги. Ярчайший пример тому – разрушение изделий, изготовленных из древесины воздушной сушки с влажностью в 14-15%, которая в помещении постепенно достигает равновесной влажности в 6-7%. В результате сжатие при усушке превышает 2%. Результат понятен. Более сложный случай возникает, когда изделия изготавливаются из древесины с влажностью, скажем, в 7%, а на следующий год растрескиваются. Это типично для такого дизайна, когда широкие доски или панели прикрепляются по краям к жестко зафиксированной раме. Типичный представитель – корпус, у которого направляющие выдвижных ящиков изготовлены из брусков с продольно ориентированными волокнами, которые, в свою очередь, прикреплены к боковым панелям по обоим концам. Попадая в помещение с более высокой влажностью (в подвал, например), они не могут разбухнуть, и образуется 2-3%-ная остаточная деформация. Внешне никакой проблемы нет, но когда вещь возвращается в помещение с «правильной» влажностью, она не может усохнуть до прежней формы, опять-таки  потому, что края ее стенок прикреплены к направляющим ящиков. Тут-то она и трескается с грохотом. Распространенное заблуждение на этот счет звучит так: «О-о, у нас никогда не было проблем с высокой влажностью. Это низкая влажность создает проблемы». Вывод, к сожалению, звучит так, что дереву полезнее влажная атмосфера, а сухость, по сути, вредна.

В соединениях типа «ласточкин хвост» или «шип-паз» хорошее качество склеивания может привести к сдерживанию усушки, что непременно разорвет соединение. Однако при приближении к пределу прочности на натяжение, трещина обычно возникает на линии склеивания или возле нее (рис. 4). Почему так происходит? Вероятно, по нескольким причинам, включая дефекты обработки краев шипа и паза, равно как и конфликт перпендикулярного расположения волокон. Я никогда не видел, чтобы шип треснул изнутри из-за того, что клей не пускает его усохнуть.

Однажды я проел исследование цилиндрических соединений шип-паз. В нем половина были обычными, а у другой половины я стамеской расщепил шип на длину, соответствовавшую глубине паза. После прохождения нескольких циклов усушки и разбухания, достаточно жестких для того, чтобы все обычные соединения треснули, расщепленные вскрылись изнутри, но клеевой шов остался абсолютно неповрежденным (рис. 5). Этот подход, при котором нарочно создается дефект, там, где он заведомо не принесет вреда, мне кажется, требует более глубокого изучения. Я подозреваю, что клиновые шипы успешно выдерживают капризы влажности именно по этому. Я видел садовые скамьи со сквозными клиновыми шипами в конструкции спинок. У них наружная часть клина сидела плотно, в то время как в основании клина можно явно было различить щель.

Рис. 1 В стандартном тесте на стойкость к растрескиванию поперек волокон образец растягивают, пока он не треснет. Определить можно только максимальное напряжение.

Рис. 2 В тесте Юнга датчик напряжения прикрепляется к образцу стандартной формы. Благодаря тому, что концы его половин прикреплены к древесине, он испытывает напряжение, которое и замеряется.

Рис. 3 Типичный график нагрузка/напряжение натяжения перпендикулярно волокну. Предел пропорциональности достигается при менее, чем 1% напряжения, разрушение происходит при менее, чем 2%.

Рис. 4 После прохождения цикла усушка-разбухание, «ласточкин хвост» без клея (слева) приобретает остаточную деформацию и сжимается поверху и понизу. При клеевом соединении отрывается одна сторона шипа, прихватывая, как правило, немного материала со стенки паза. Но оставшегося целого соединения уже недостаточно, чтобы выстоять при раскачивании.

Рис. 5 Когда шип был расщеплен до сборки, создав таким образом кажущийся дефект, он после прохождения усушки и разбухания раскроется, но клеевой шов останется цел.