Wytrzymałość materiału

1. Wytrzymałość materiału

Wytrzymałość materiału jest jego mechaniczną właściwością, określającą zdolność materiału do przeciwstawiania się działaniu sił zewnętrznych, które powodują przejściowe lub trwałe jego odkształcenie a nawet zniszczenie.

Siły działające na drewno mogą występować jako obciążenia statyczne – wzrastające powoli i równomiernie w jednym kierunku działania siły oraz jako obciążenia dynamiczne, działające jednorazowo lecz z szybką zmianą kierunku i wartości działania siły. Tego rodzaju obciążenia ze zmiennym kierunkiem działania sił nazywają się obciążeniami wibracyjnymi (np. uderzenia, drgania).

Zmiany wymiarów lub kształtu materiału nazywają się odkształceniami.
Mogą one mieć charakter odkształceń sprężystych, zanikających po ustaniu działania siły, lub odkształceń trwałych, pozostających po ustaniu działania siły. Opór stawiany przez materiał w wyniku działania sił zewnętrznych nazywa się naprężeniem, które określa się stosunkiem działania sił do powierzchni przekroju. Stałe naprężenia materiału, w wyniku długotrwałych małych obciążeń nieprzekraczających jego odporności, w konsekwencji powodują zmęczenie materiału.

2. Badania wytrzymałościowe materiałów

Badania własności mechanicznych (w tym wytrzymałość materiału) materiałów wykonuje się wykorzystując wiele różnorodnych metod. Wynika to z potrzeby określenia wielkości charakteryzujących zachowanie się materiału poddawanego różnym rodzajom obciążenia, jak: rozciąganie, ściskanie, zginanie, skręcanie czy ścinanie, a także niektórym ich kombinacjom.

Różne warunki pracy materiałów (zwłaszcza materiałów konstrukcyjnych) narzucają ponadto konieczność prowadzenia badań przy obciążeniach cyklicznych, stosowania różnych szybkości obciążenia, a dla uwzględnienia wpływu temperatury otoczenia – wykonywania prób w temperaturach różnych od temperatury otoczenia, co znakomicie powiększa liczbę możliwych wariantów.
Konieczność wyznaczenia w możliwie prosty sposób charakterystyki mechanicznej materiału i przekazania jej konstruktorom i technologom w postaci ściśle określonych wartości liczbowych spowodowała, że nie są to wielkości fizyczne.

Mają one znaczenie umowne i są ściśle zależne od warunków, w jakich zostały wyznaczone. Pierwszą własnością mechaniczną, jaka prawdopodobnie została zauważona w związku z budową dużych konstrukcji, np. mostów lub budynków, jest wytrzymałość.

Ściślej biorąc pojęcie wytrzymałość doraźna na rozciąganie, ściskanie, zginanie, skręcanie, ścinanie, wytrzymałość: czasowa i trwała przy pełzaniu, wytrzymałość zmęczeniowa przy obciążeniach jednostronnie zmiennych (tętniących) i przy obciążeniach obustronnie zmiennych (przemiennych).
Innymi własnościami mechanicznymi są: sprężystość, plastyczność, pełzanie, twardość, udarność. Każda z tych własności wyraża pewną zdolność stawiania oporu czynnikom mechanicznym.

Do badań wytrzymałościowych stosuje się próbki materiału, których jakość, kształt i wielkość są znormalizowane. Próbki te niezależnie od rodzaju badań przygotowuje się według ujednoliconych zasad. Dotyczą one zarówno sposobu przygotowania próbek pierwotnych (np. z drewna okrągłego lub tarcicy), jak i sposobu przygotowania próbek laboratoryjnych do konkretnych badań.
Wszelkie wady materiału w próbkach laboratoryjnych są niedopuszczalne.

Badania mechanicznej właściwości materiału przeprowadza się na maszynach probierczych różnej konstrukcji. Najczęściej stosuje się maszyny uniwersalne, na których można wykonywać wielorakie badania wytrzymałościowe przy zastosowaniu odpowiednich próbek laboratoryjnych.

3. Badania wytrzymałościowe drewna

Podstawową maszyną probierczą do badań wytrzymałościowych jest maszyna Amslera przystosowana do różnorodnych badań (z wyjątkiem badań na rozciąganie drewna wzdłuż włókien). Maszyna ta składa się z płyty fundamentowej, dwóch stojaków rurowych połączonych poprzecznicą górną, pompy olejowej o dwustronnym działaniu, prasy hydraulicznej, ramy zawieszonej na tłoku prasy hydraulicznej, młota udarowego, urządzenia rejestrującego, bębna z samopisem oraz ze skali młota udarowego. Maszyna wytrzymałościowa tego typu jest przystosowana do dwóch zakresów obciążeń: obciążeń granicach 04 kN oraz 040 kN.
Wartość obciążenia maksymalnego zależy od powierzchni poprzecznej pracującego tłoka.
Gdy powierzchnia pracującego tłoka jest większa, wówczas następuje większe obciążenie badanej próbki.

4. Wytrzymałość drewna na obciążenia statyczne

Wytrzymałość drewna na ściskanie.

Wytrzymałość drewna na ściskanie jest to opór, jaki stawia materiał drzewny poddany działaniu sił ściskających, powodujących jego odkształcenie lub zniszczenie.

Miarą wytrzymałości drewna na ściskanie jest naprężenie w MPa, przy którym następuje zniszczenie badanej próbki. Wytrzymałość ta zależy w drewnie od jego kierunku anatomicznego. Rozróżnia się wytrzymałość drewna na ściskanie wzdłuż włókien oraz na ściskanie prostopadłe do włókien (kierunek promieniowy i styczny).

Wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien określa się wartością przyłożonej siły w kierunku podłużnym (które powoduje zniszczenie), odniesienie do wartości obciążonego przekroju.

Wytrzymałość na ściskanie prostopadłe do włókien określa się wartością przyłożonej siły ściskającej w kierunku prostopadłym do włókien, odniesioną do wartości obciążonego przekroju.

Przeciętna wytrzymałość drewna na ściskanie wzdłuż włókien wynosi 39,3 49,2 MPa, zaś na ściskanie w kierunku prostopadłym do włókien jest 6 10 razy mniejsza.

W związku z tym przeprowadza się oddzielnie badania wytrzymałości na ściskanie wzdłuż i prostopadle do włókien; badania te wykonuje się na znormalizowanych próbkach drewna o wilgotności 12 3 %. Wyniki badań zależą w dużym stopniu od prędkości przyrostu obciążenia. Przeciętny przyrost obciążenia próbki powinien przebiegać w przedziale 29,4 44,2 MPa przy założeniu, że zniszczenie próbki nastąpi w ciągu około 1,5 minuty.

Badanie wytrzymałości drewna na ściskanie wzdłuż i prostopadle do włókien wykonuje się tak samo.

Wytrzymałość drewna na ściskanie prostopadłe do włókien w kierunku prostopadłym do przekroju promieniowego jest zwykle większa od wytrzymałości w kierunku prostopadłym do przekroju stycznego, np. w drewnie dębu i drewnie drzew iglastych.

Próbki do badania różnie się odkształcają. Pod wpływem ściskania następuje często ścięcie drewna wczesnego wzdłuż warstw drewna późnego, co uwydatnia się na promieniowej ścianie próbki jako fałda przebiegająca pod kątem 40 60º w stosunku do krawędzi pionowych. Rzadziej mogą wystąpić dwa ukośne sfałdowania przechodzące w szczelinę podłużną.

Wytrzymałość drewna na rozciąganie.

Wytrzymałość drewna na rozciąganie jest to opór, jaki stawia materiał drzewny poddany działaniu sił rozciągających, dążących do jego odkształcenia lub rozerwania. Miarą wytrzymałości drewna na rozciąganie jest naprężenie w MPa, przy którym następuje zniszczenie badanej próbki. Siły rozciągające mogą działać wzdłuż włókien i prostopadle do nich. Wytrzymałość na rozciąganie wzdłuż włókien określa się wartością siły rozciąganej, działającej w kierunku równoległym do włókien, odniesioną do wartości obciążonego przekroju. Drewno poddane rozciąganiu wzdłuż włókien wykazuje wówczas największą wytrzymałość. Zwiększa się ona także w miarę wzrostu gęstości drewna.

Gdy kąt odchylenia włókien od kierunku działania siły wzrasta 0 15º, wówczas obniżenie wytrzymałości drewna na rozciąganie zmniejsza się do 50% i więcej w stosunku do wytrzymałości drewna o prostoliniowych układzie włókien.

Rozerwanie próbki wzdłuż włókien następuje zwykle w jej części przewężonej.
Wytrzymałość drewna na rozciąganie wzdłuż włókien jest około 2,5 raza większa od wytrzymałości drewna na ściskanie. Przeciętna wytrzymałość drewna na rozciąganie wzdłuż włókien wynosi 110 140 MPa.
Zależnie od rodzaju drewna wytrzymałość na rozciąganie w poprzek włókien jest 5 40 razy mniejsza niż wytrzymałość na rozciąganie wzdłuż włókien (średnio przyjmuje się jako 1/30 wytrzymałości wzdłuż włókien). Wytrzymałość na rozciąganie w poprzek włókien w kierunku stycznym jest wyższa niż wytrzymałość w kierunku promieniowym.

Zakres korzystania z wysokiej wytrzymałości drewna na rozciąganie jest ograniczony ze względu na niską jego wytrzymałość na ścianie, a także ze względu na odchylenia włókien od przebiegu prostoliniowego i ujemny wpływ sęków.

Wytrzymałość drewna na ścinanie.

Wytrzymałość drewna na ścianie określa się wartością siły ścinającej działającej równolegle do włókien (która powoduje zniszczenie), odniesioną do wartości obciążonego przekroju. Naprężenie ścinające występuje wówczas, gdy na badaną próbkę drewna działają dwie siły równoległe przeciwnie skierowane, dążące do przesunięcia (ścięcia) cząstek drewna w kierunku stycznym do przekroju badanego. Wytrzymałość drewna na ścianie wzdłuż włókien bada się na znormalizowanych próbkach w wymaganej wilgotności (12±3%).

Służą one do oznaczania wytrzymałości drewna na ścinanie w płaszczyźnie:
- promieniowej do przebiegu słojów rocznych
- stycznej do przebiegu słojów rocznych

Wytrzymałość drewna na ścinanie w kierunku równoległym do włókien w płaszczyźnie promieniowej jest zwykle większa, niż w płaszczyźnie stycznej do przebiegu słojów rocznych.

W związku z tym wyniki podaje się oddzielnie lub jako średnią arytmetyczną wyników badań w obydwóch kierunkach. Przeciętna wytrzymałość drewna na ścinanie wynosi 1/8 1/6 wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien oraz 1/10 1/8 wytrzymałości na rozciąganie w kierunku równoległym do włókien. Ścinanie odgrywa dużą rolę w sklejce i drewnie warstwowym, gdzie wytrzymałość na ścinanie warstw drewna i spoin kolejowych wywiera decydujący wpływ na techniczną wartość tego materiału. Wszelkie odchylenia od prawidłowej budowy drewna (np. pęknięcia lub skręt włókien) zmniejszają jego wytrzymałość, również na ścinanie.

Wytrzymałość drewna na zginanie statyczne.

Zgnanie statyczne występuje w drewnie podczas wzrastającego powoli obciążenia zginającego, działającego bez zmiany kierunku.

Badanie wytrzymałości drewna na zginanie statyczne przeprowadza się na belce podpartej na końcach i obciążonej w środku długości. W wyniku obciążenia górna płaszczyzna belki jest rozciągana, a dolna ściskana. Do badania wytrzymałości drewna na zginanie statyczne stosuje się, zależnie od wielkości maszyny probierczej, próbki małe wymiarach 20x20x300 mm i rozstawie podpór 240 mm, próbki średnie o wymiarach 50x50x950 mm i rozstawie podpór 750 mm lub próbki duże o wymiarach 100x100x1500 mm i rozstawie podpór 1200 mm. Zgodnie z wymaganiami polskich norm badane próbki powinny mieć wilgotność 12±3%. Występowanie wad drewna, zwłaszcza sęków w środkowej części próbki, jest niedopuszczalne.

Badaną próbkę niezależnie od jej wielkości obciąża się w środku długości prostopadle do jej przekroju promieniowego. Przeciętny przyrost obciążenia, gdy bada się próbki małe, powinien wynosić 1,78 1,77 kN w ciągu 1 minuty. W miarę wzrastającego obciążenia, działającego równolegle lub prostopadle do przebiegu włókien drewna, następuje najpierw sfałdowanie płaszczyzny ściskanej i rozerwanie płaszczyzny rozciąganej, a w efekcie końcowym złamanie próbki. Rodzaj przełamu drewna jest wskaźnikiem jakości badanej próbki.

Średnia wytrzymałość drewna na zginanie statyczne wynosi 78,5 98,1 MPa.

Jest ona mniejsza niż wytrzymałość na rozciąganie, lecz większa niż wytrzymałość na ściskanie. Jeżeli przyjmuje się wskaźnik wytrzymałości drewna na ścinanie wzdłuż włókien za 100, to odpowiednie proporcje wytrzymałości, określone wzdłuż F. Krzysika, kształtują się następująco: na zginanie statyczne – 200, zaś na rozciąganie podłużne – 300. W drewnie drzew iglastych wytrzymałość na zginanie statyczne w kierunku stycznym może być ok. 12% większa niż w kierunku promieniowym.

Wytrzymałość drewna na skręcanie.

Skręcanie drewna jest wynikiem działania pary sił powodujących jego obrót oraz spiralne skręcenie włókien drzewnych. W praktyce zjawisko to niekiedy występuje w śmigłach lotniczych, drewnianych częściach maszyn rolniczych, w wałach drewnianych itp.
Do badań na skręcanie drewna stosuje się specjalne próbki o kolistym przekroju i równoległym układzie włókien, które na skutek skręcania pękają podłużnie.

Przeciętna wytrzymałość drewna na skręcanie, zależnie od jego gatunku, wynosi 2,94 14,7 Mpa, gdy układ włókien jest równoległy do osi podłużnej.
Największą wytrzymałość na skręcanie ma drewno jesionu.

5. Wytrzymałość drewna na obciążenia dynamiczne

W przeciwieństwie do prób statycznych, w czasie których przyrost obciążeń na drewno przebiega stopniowo i powoli, próby dynamiczne charakteryzują się tym, że drewno ulega zniszczeniu pod wpływem sił działających jako jednorazowe uderzenie.

Występują tu na ogół znane zjawiska, podczas których materiał drzewny na skutek obciążeń udarowych ulega zniszczeniu, np. zniszczenie elementów z drewna w konstrukcjach budowlanych lub w konstrukcjach mebli.

Wytrzymałość materiałowa w odniesieniu do drewna przy wszelkich jego obciążeniach, zwłaszcza dynamicznych, wyraźnie się zmniejsza na skutek wad drewna (sęki, pęknięcia itp.).

Do typowych prób dynamicznych zalicza się:
Udarność – zdolność drewna do pochłaniania energii mechanicznej podczas zginania dynamicznego. Charakteryzuje się ona wytrzymałością drewna na obciążenia dynamiczne, działające na skutek jednorazowego silnego uderzenia. Można ją określić jako stosunek ilości pracy potrzebnej do zniszczenia próbki w odniesieniu do powierzchni przekroju poprzecznego tej próbki. Badania przeprowadza się młotem udarowym, którego ciężar i wysokość spadania są wielkościami stałymi, pozwala to ustalić pracę potrzebną do zniszczenia próbki o określonych wymiarach przekroju przy jednorazowym silnym uderzeniu. Drewno sprężyste o dużej udarności, mające przełam długowłóknisty, jest szczególnie cennym materiałem konstrukcyjnym poszukiwanym w produkcji sprzętu sportowego, wyrobów kołodziejskich, drewnianych części maszyn oraz niektórych narzędzi stolarskich.
Wytrzymałość drewna na zginanie dynamiczne – do badania tej wytrzymałości drewna stosuje się specjalne urządzenia, które w przeciwieństwie do udarności rejestrują silę dynamiczną niszczącą próbkę, zamiast pracy zużytej na jej zniszczenie.

6. Wytrzymałość drewna na zmęczenie

Drewno poddane przez dłuższy czas naprężeniom zmiennym, w wyniku działania obciążeń zmiennych, ulega zniszczeniu nawet wtedy, gdy te naprężenia są mniejsze od wytrzymałości na obciążenia statyczne. Zjawisko to nazywa się zmęczeniem drewna. W badaniach wytrzymałości drewna na zmęczenie uwzględnia się wytrzymałość doraźną i trwałą.

Wytrzymałość doraźną ustala się za pomocą maszyny probierczej, umożliwiającej określenie największego obciążenia drewna, jakie ono może przenieść bez jego zniszczenia w ciągu możliwie najkrótszego czasu.

Wytrzymałość trwała jest wskaźnikiem rzeczywistej wytrzymałości drewna na największe obciążenia działające przez dowolnie długi czas. Ta wytrzymałość w praktyce stanowi ok. 70% wytrzymałości doraźnej. Gdy naprężenia są niższe od wytrzymałości trwałej drewna, następują odkształcenia sprężyste, mające charakter odkształceń przejściowych. Przy większych zaś naprężeniach w efekcie końcowym następuje zniszczenie badanej próbki drewna.
Największe naprężenie, jakie drewno może przenieść bez zmian powodujących odkształcenie trwałe, nazywa się wytrzymałością na zmęczenie.

Obciążenia zmienne mogą być jednostronne lub obustronne – ściskające, rozciągające, zginające lub skręcające. Wytrzymałość drewna na zmęczenie jest na ogół większa przy obciążeniach jednostronnych niż w przy obciążeniach dwustronnych i rośnie ona w miarę wzrostu gęstości drewna. Próby badań na zmęczeniową wytrzymałość drewna przeprowadza się w specjalnych maszynach probierczych przy zastosowaniu próbek drewna o ustalonych wymiarach i określonej wilgotności.

Współczynnik jakości wytrzymałościowej. Przy zastosowaniu technicznej wartości drewna praktyczne znaczenie odgrywa znajomość współczynnika jakości wytrzymałościowej.
Współczynnik jakości wytrzymałościowej jest tym, większy, im większa jest wytrzymałość drewna i mniejsza gęstość właściwa drewna.Wykładnikiem technicznej wartości drewna jest odpowiednio duży współczynnik jakości wytrzymałościowej, który decyduje o przydatności danego gatunku drewna, zwłaszcza jako materiału konstrukcyjnego. Współczynnik jakości wytrzymałościowej drewna w przeciwieństwie do tego samego gatunku drewna, ponieważ zależy on często od warunków wzrostu drzewa, gęstości właściwej drewna, jego wilgotności itp.

Współczynnik bezpieczeństwa i naprężenia dopuszczalne. W projektowaniu różnych konstrukcji drewnianych, gdzie wchodzą w grę niekiedy znaczne obciążenia statyczne lub dynamiczne, uwzględnia się współczynnik bezpieczeństwa. Współczynnik ten określa się jako stosunek wytrzymałości drewna do naprężenia dopuszczalnego, jest on stałą wartością liczbową n i zależnie do rodzaju obciążenia wynosi 5 10.