Структура и свойства древесных и других неметаллических материалов

Г. В. Пачурин, С. М. Шевченко, А. А. Филиппов






        СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ДРЕВЕСНЫХ И ДРУГИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие

Под общейредакцией Г.В. Пачурина

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.77:669.14
ББК 30.3
     П21



Рецензент:
директор научно-производственной фирмы «Интерсейсм», почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации, академик МАЭП, МАНЭБ и РАЕ доктор технических наук, профессор В. К. Мусаев




     Пачурин, Г. В.
П21 Структура и свойства древесных и других неметаллических материалов : учебное пособие / Г. В. Пачурин, С. М. Шевченко, А. А. Филиппов ; под общ. ред. Г. В. Пачурина. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 128 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1423-4

            Представлены теоретические основы изучения древесных и других неметаллических материалов, включая стекло и резину. Представлена классификация древесных пород, свойства древесины, виды лесоматериалов, пиломатериалов, плитно-листовых материалов, пороков древесины. Даны методические указания к выполнению практических заданий по курсам «Материаловедение», «Технология конструкционных материалов».
            Для студентов высших и средних специальных учебных заведений очной и заочной форм, обучающихся по направлениям подготовки «Техносферная безопасность» (профили «Безопасность жизнедеятельности», «Безопасность технологических процессов и производств»), «Педагогическое образование» (профили «Технология», «Технология и экономика»), «Технология машиностроения». Может быть полезно преподавателям.

УДК 621.77:669.14
ББК 30.3









ISBN 978-5-9729-1423-4

     © Пачурин Г. В., Шевченко С. М., Филиппов А. А., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.....................................................5

1. СТРОЕНИЕ И МАКРОПРИЗНАКИ ДРЕВЕСИНЫ........................7
 1.1. Строение древесины.....................................7
 1.2. Макроскопические признаки древесины....................9
 1.3. Классификация древесных пород по макроскопическим признакам.17
 Контрольные вопросы........................................21
 Тест к разделу.............................................21

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРОДЫ ДРЕВЕСИНЫ
ПО МАКРОСКОПИЧЕСКИМ ПРИЗНАКАМ...............................23
 Практические задания по разделу............................33

3. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ...........................34
 3.1. Физические свойства древесины.........................34
 Вопросы для самоконтроля...................................41
 3.2. Механические свойствадревесины........................43
 Вопросы для самоконтроля...................................47
 Практические задания по теме...............................49

4. ДРЕВЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ......................................50
 4.1. Виды круглого лесоматериала...........................50
 4.2. Виды пиломатериалов...................................51
 4.3. Шпон..................................................54
 4.4. Фанера................................................55
 4.5. ДВС, ДВП, МДФ и другие древесные материалы............57
 Контрольные вопросы........................................61
 Тест к разделу.............................................61
 Практические задания по теме...............................64

3

5. ПОРОКИ ДРЕВЕСИНЫ.......................................65
 Контрольные вопросы......................................86
 Тест к разделу...........................................86
 Практические задания по теме.............................88

6. ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ...................................89
 6.1. Пластмассы..........................................92
 6.2. Некоторые природные и синтетические полимеры........95
 6.3. Методы переработки пластмасс.......................100
 6.4. Полимерные материалы в автомобилестроении..........102
 Контрольные вопросы.....................................105

7. СТЕКЛО................................................106
 7.1. Стекло в автомобилестроении........................108
 7.2. Стеклокристаллические материалы....................115
 Контрольные вопросы.....................................116

8. РЕЗИНА................................................117
 8.1. Свойстварезины.....................................118
 8.2. Классификация резины...............................119
 Контрольные вопросы.....................................121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................122

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК..................................123

4

            ВВЕДЕНИЕ



     В учебном пособии рассмотрен один из важнейших разделов современного материаловедения - неметаллические материалы.
     Создание новой техники, изделий с высокими эксплуатационными свойствами, надежностью и долговечностью неразрывно связано с использованием разнообразных материалов, отличающихся не только химическим составом, но и способами обработки и технологиями изготовления. Именно поэтому в планах учебных заведений разного уровня, и в первую очередь высшего образования, была введена дисциплина «Материаловедение» (вместо «Металловедение»), охватывающая весь спектр конструкционных материалов. И если по металловедению имеется сравнительно большое количество литературы, то по неметаллическим материалам ощущается их явный недостаток. В связи с чем издание данного пособия является актуальным.
     В пособии изложены основные теоретические сведения о строении, классификации неметаллических материалов; их свойствах, области применения, достоинствах и недостатках. Достаточно подробно представлены пороки древесины; дана подробная характеристика лиственных и хвойных пород, характерных для средней полосы России; рассмотрены физические и механические свойства древесины, выделены основные факторы, влияющие на них. В пособии приведены экспериментальные значения характеристик механических свойств, в том числе и для достаточно широкого круга древесных материалов, при различных способах приложения нагрузки, в том числе пластмасс и композиционных материалов. Данное учебное пособие дает достаточно полное и четкое представление о неметаллических материалах, их физико-механических свойствах, факторах, влияющих на прочностные и эксплуатационные свойства.
     Представленный в пособии наглядный материала помогает понять и усвоить обучающимся теоретический материал.

5

     По каждой теме разработаны вопросы для самоконтроля; тестовые вопросы, ориентирующие на самообучение и рефлексию; практические задания для самостоятельной работы.
     Учебное пособие адресовано бакалаврам, студентам и магистрантам высших и средних специальных учебных заведений очной и заочной форм обучения при изучении таких специальных дисциплин, как «Материаловедение», «Технология конструкционных материалов», «Неметаллические материалы», по направлениям подготовки «Техносферная безопасность» (профили «Безопасность жизнедеятельности», «Безопасность технологических процессов и производств»), «Педагогическое образование» (профили «Технология», «Технология и экономика»), «Технология машиностроения», а также может быть полезно преподавателям и специалистам, интересующимся данными вопросами.

6

            1. СТРОЕНИЕ И МАКРОПРИЗНАКИ ДРЕВЕСИНЫ


        1.1. Строение древесины

     Древесина является важным конструкционным материалом и ценным промышленным сырьем. Потребление древесины практически во всех отраслях промышленности объясняется ее свойствами и доступностью использования. Благодаря химическому составу, древесина применяется в качестве сырья для целлюлозно-бумажной, легкой, химической промышленности. Древесину используют для строительства, железнодорожного транспорта, энергетики. Декоративные достоинства древесины особенно ценятся в мебельной промышленности и столярном деле.
     Древесина - природный материал растительного происхождения, состоящий из элементарных клеток, разнообразных по форме и размеру, прочно связанных между собой и имеющих слоисто-волокнистое строение.
     Клетки - главный элемент структуры древесины. Средняя длина клетки составляет 2-4 мм, а ширина около 20-40 мкм. Стенки клетки представляет собой сложный композиционный материал, в составе которого находится кристаллическая целлюлоза (ОбНюОз - полимер со степенью полимеризации 10⁴). Микроволокна целлюлозы составляют основу лигнина и гемицеллюлозы, которая является полимером такого же состава, что и целлюлоза, но с частично кристаллической структурой и меньшей степенью кристаллизации, в то время как лигнин является некристаллическим полимером. Таким образом, примерный состав древесины такой: 45 % - целлюлоза, около 30 % - лигнин и гемицеллюлоза, остальное - вода, низкомолекулярные углеводы, смолы, дубильные вещества, минеральные соли.
     Химический состав древесины состоит из углерода - 50 %, кислорода -43 %, водорода - 6,5 % и азота - 0,15 % (указывается доля элементов в сухой древесине).


7

     Микроструктура древесины представляет собой прочно связанные длинные, плотные трубчатые клетки, наполненные водой или растительным соком. Целлюлоза и гемицеллюлоза образуют каркасное вещество клеточных стенок, которые насыщены лигнином.
     В растущем дереве можно условно выделить три части: корни, ствол, крону.
     Корни - сложная многофункциональная система, обеспечивающая питание растущего дерева и удерживающая его в вертикальном положении.
     Крона - совокупность вершины ствола, сучьев, ветвей и листвы или хвои.
     Ствол - основная часть дерева, которая используется как конструкционный материал. Условно ствол делят на тонкую вершинную и толстую нижнюю, которая и является конструкционным материалом.
     Знание особенностей строения древесины позволяет существенно снизить природные недостатки ее как конструкционного материала. Так как древесина является волокнистым материалом, то изучение ее строения и свойств проводят по трем разрезам: торцевому или поперечному (плоскость разреза перпендикулярна оси ствола); радиальному (разрез плоскостью, проходящей вдоль оси ствола через середину); тангенциальном или тангентальном (разрез плоскостью, проходящей вдоль оси ствола на некотором расстоянии от сердцевины) (рис. 1).


Рис. 1. Главные разрезы ствола

8

        1.2. Макроскопические признаки древесины


     Строение древесины, наблюдаемое на главных разрезах ствола невооруженным глазом, называется макроскопическим.
     На поперечном и радиальном разрезах можно наблюдать основные анатомические структуры дерева: сердцевину, древесину с ее годичными слоями, луб, камбий и кору (рис. 2).
     Сердцевина на поперечном срезе имеет вид темного пятнышка диаметром 2-5 мм. Она состоит из мягких, рыхлых тканей и быстро загнивает. На радиальном срезе сердцевина имеет вид прямой или извилистой узкой полосы.
     Кора покрывает дерево и состоит из внешнего пробкового слоя - корки и внутреннего слоя - луба, вид и цвет коры зависит от возраста и породы дерева. Кора может быть гладкой (пихта), чешуйчатой (сосна), волокнистой (можжевельник). Цвет коры имеет множество оттенков, например, белая у березы, темно-серая у дуба, темно-бурая у ели. В зависимости от породы, возраста дерева и условий произрастания у наших лесных пород кора составляет от 6 до 25 % объема ствола.


Рис. 2. Поперечный разрез ствола

9

     Центральная часть (древесина) - это основная по массе часть ствола, имеющая основное промышленное значение. Центральная часть ствола - это совокупность проводящих, механических и запасающих тканей, расположенных в стволах, ветвях и корнях древесных растений между корой и сердцевиной.
     Камбий - очень тонкий, невидимый невооруженным глазом слой, расположенный между корой и древесиной. Камбий состоит из живых клеток. Из камбиальных клеток образуются клетки древесины и коры, причем в сторону древесины клетки откладываются в 5-6 раз чаще, чем в сторону коры. Камбий - образовательная ткань, от которой зависит утолщение ствола.
     Луб - слой, расположенный между корой и камбием. В растущем дереве проводит питательные вещества от кроны вниз ствола.
     На поперечном разрезе ствола деревьев заметны концентрически расположенные слои, окружающие сердцевину. Каждое такое кольцо представляет собой ежегодный прирост древесины, вследствие чего оно называется годичным слоем. Эти слои заметны у многих пород, но особенно хорошо у хвойных. На радиальном разрезе слои имеют вид продольных параллельных полос, а на тангенциальном - извилистых линий (рис. 3).


а                  б                  в

Рис. 3. Вид годичных слоев на главных разрезах древесины: а - поперечном; б - тангенциальном; в - радиальном

10

     Строение ствола можно представить в виде ряда извилистых линий конусообразной формы с общим стержнем - сердцевиной (рис. 4). Число годичных слоев на поперечном разрезе уменьшается по мере поднятия вверх по стволу, т. к. рост дерева осуществляется не только в ширину, но и в высоту. По числу годовых слоев можно узнать возраст той части ствола, где был произведен разрез. В редких случаях бывает, что за год образуется два слоя, или слоя не образуется вовсе. Такие аномалии могут происходить вследствие различных погодных явлений (весенние заморозки, частые смены сухих и влажных периодов). В таких случаях может быть удвоение годичного слоя. Если же к растущему дереву подводится недостаточное количество питания, то, скорее всего, в нижней части ствола нового годичного слоя не образуется.


Возраст

Рис. 4. Вид годичных слоев в стволе

11

     Годовой слой состоит из двух зон (рис. 3). Внутренняя зона, обращенная к сердцевине, более светло окрашенная и мягкая, называется ранней древесиной . Она образуется в первой половине вегетационного периода - весной. Наружная зона, обращенная к коре, имеет более темный цвет, большую твердость и называется поздней древесиной. Различие между ранней и поздней древесиной сильно выражено у хвойных пород и в меньшей степени у лиственных. Годичные слои, как правило, хорошо видны в хвойных породах и слабо заметны в лиственных. По ранней древесине происходит передвижение воды вверх по стволу от корней к кроне, а поздняя древесина выполняет преимущественно механические функции.
     Древесина лесных пород окрашена обычно в светлый цвет. При этом у одних пород вся масса древесины окрашена в один цвет (ольха, береза), а у других центральная часть имеет более темную окраску (дуб, лиственница, сосна). Темноокрашенная часть ствола называется ядром, а светлая периферийная заболонью (рис. 2). Ядро древесины состоит из мертвых, а заболонь - из живых клеток.
     В том случае, когда центральная часть ствола отличается меньшим содержанием влаги, а по цвету не отличается от периферийной, ее называют спелой древесиной, а породы - спелодревесными.
     Породы, имеющие ядро, называют ядровыми. Остальные породы, у которых нет различия между центральной и периферийной частью ствола ни по цвету, ни по содержанию воды, называют заболонными.
     К ядровым относятся такие породы как: сосна, лиственница, кедр, тис, можжевельник (хвойные), а также дуб, ясень, тополь (лиственные).
     Спелодревесными породами являются: из хвойных - ель и пихта, из лиственных - бук и осина. К заболонным породам относятся лиственные: береза, клен, ольха, липа, груша.
     Однако у некоторых безъядровых пород (береза, бук, осина, ель, клен) наблюдается потемнение центральной части ствола. В этом случае темная центральная зона называется ложным ядром.

12