Структура и свойства неметаллических материалов

15.03.01 «Машиностроение»

20.03.01
44.03.01

УДК 620.2
ББК 30.3

П21

Рецензент:

В.К. Мусаев — доктор технических наук, профессор, академик МАЭП,
МАНЭБ и РАЕ, директор научнопроизводственной фирмы «Интерсейсм»,
почетный работник высшего профессионального образования
Российской Федерации

Пачурин Г.В.

П21
Структура и свойства неметаллических материалов : учебное пособие / Г.В. Пачурин, Т.А. Горшкова, С.М. Шевченко, А.А. Филиппов;
под общ. ред. Г.В. Пачурина. — М. : ФОРУМ : ИНФРАМ, 2019. —
104 с. — (Высшее образование).

ISBN 9785000910108 (ФОРУМ)
ISBN 9785160105215 (ИНФРАМ, print)
ISBN 9785161023631 (ИНФРАМ, online)

В учебном пособии представлены теоретические основы изучения древесных и других неметаллических материалов, а также методические указания к выполнению практических заданий по курсам «Материаловедение»,
«Технология конструкционных материалов».

В результате изучения обучающиеся должны овладеть знаниями и навыками определения строения и породы древесины по наиболее характерным
макроскопическим признакам, получить знания о классификации древесных пород, свойствах древесины, видах лесоматериалов и пиломатериалов,
полимерных материалах, их классификации, составе, свойствах, методах
переработки.

Пособие предназначено для бакалавров, студентов и магистрантов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки
20.03.01 «Техносферная безопасность» (профили «Безопасность жизнедеятельности», «Безопасность технологических процессов и производств»),
44.03.01 «Педагогическое образование» (профили «Технология», «Технология и экономика») и 15.03.01 «машиностроение», а также будет полезно
преподавателям и специалистам.

УДК 620.2
ББК 30.3

ISBN 9785000910108 (ФОРУМ)
ISBN 9785160105215 (ИНФРАМ, print)
ISBN 9785161023631 (ИНФРАМ, online)  

© Пачурин Г.В., Горшкова Т.А.,

Шевченко С.М., Филиппов А.А., 2014

© Издательство «ФОРУМ», 2014

Введение

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 планы учебных заведений разного
уровня и в первую очередь высшего образования, была введена дисциплина «Материаловедение» (вместо дисциплины «Металловедение»), охватывающая весь спектр конструкционных материалов.
И если по металловедению имеется сравнительно большое количество литературы, то по неметаллическим материалам ощущается их явный недостаток.
В пособии «Свойства неметаллических материалов» 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 (для достаточно широкого круга древесных материалов), при различных способах приложения нагрузки. Учебное пособие дает достаточно полное и четкое
представление о неметаллических материалах, их физикомеханических свойствах, факторах, влияющих на прочностные и эксплуатационные свойства.
Представленный в пособии наглядный материал помогает понять
и усвоить обучающимся теоретический материал.
По каждой теме разработаны: вопросы для самоконтроля; тестовые вопросы, ориентирующие на самообучение; практические задания для самостоятельной работы.

Глава 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 целлюлознобумажной, 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, имеющий слоистоволокнистое строение.
Клетки — главный элемент структуры древесины. Средняя длина
клетки составляет 2—4 мм, а ширина около 20—40 мкм. Стенки клетки представляют собой сложный композиционный материал, в составе которого находится кристаллическая целлюлоза (О6Н10О5 — 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: углерод — 50 %, кислород — 43 %,
водород — 6,5 % и азот — 0,15 % (указывается доля элементов в сухой
древесине).
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
часть 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 (рис. 1): торцевому
или поперечному (плоскость разреза перпендикулярна оси ствола);
радиальному (разрез плоскостью, проходящей вдоль оси ствола через
середину); тангентальному или тангенциальному (разрез плоскостью,
проходящей вдоль оси ствола на некотором расстоянии от сердцевины) (рис. 1).

1.1. Строение древесины
5

Рис. 1. Главные разрезы ствола

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, темносерая у дуба, темнобурая у ели.
В зависимости от породы, возраста дерева и условий произрастания у
наших лесных пород кора составляет от 6 до 25 % от объема ствола.
Центральная часть (древесина) — это основная по массе часть
ствола, имеющая основное промышленное значение. Это совокупность проводящих, механических и запасающих тканей, расположенных в стволах, ветвях и корнях древесных растений между корой и
сердцевиной.

6
Глава 1. Строение и макропризнаки древесины

Рис. 2. Поперечный разрез ствола

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).

Строение ствола можно представить в виде ряда извилистых линий конусообразной формы с общим стержнемсердцевиной (рис. 4).
Число годичных слоев на поперечном разрезе уменьшается по мере
поднятия вверх по стволу, так как 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.

1.2. Макроскопические признаки древесины
7

Рис. 3. Вид годичных слоев на главных разрезах древесины (поперечном, тангенциальном, радиальном)

Годовой
слой
состоит
из
двух
зон
(см. 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 (см. 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. Спелодревесными породами являются: из хвойных — ель и пихта, из лиственных — бук и осина.
Породы, имеющие ядро, называют ядровыми. К ядровым относятся такие породы, как сосна, лиственница, кедр, тис, можжевельник
(хвойные), а также дуб, ясень, тополь (лиственные). Остальные породы, у которых нет различия между центральной и периферийной частью ствола ни по цвету, ни по содержанию воды, называют заболонными породами. К ним 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.
На поперечном разрезе некоторых пород хорошо видны невооруженным глазом светлые, часто блестящие, направленные от сердце8
Глава 1. Строение и макропризнаки древесины

Рис. 4. Вид годичных
слоев в стволе

вины к коре линии — сердцевинные лучи (рис. 5). Сердцевинные лучи
имеются у всех пород, но видны лишь у некоторых. Первичные сердцевинные лучи начинаются у самой сердцевины, а вторичные — на
разном расстоянии от нее, но, раз возникнув, каждый луч обязательно доходит до коры и продолжается в ней. Ширина сердцевинных лучей, измеряемая на поперечном разрезе ствола, приблизительно
0,005—1 мм.
По ширине сердцевинные лучи могут быть:
• очень узкие, не видимые невооруженным глазом (осина, тополь, ива, груша, рябина и все хвойные);
• узкие, трудноразличимые (вяз, ильм, карагач, липа, кизил);
• широкие, хорошо видимые невооруженным глазом (дуб, бук,
платан);
• ложно широкие, состоящие из пучка сближенных узких лучей
(граб, ольха, лещина).
Очень узкие лучи некоторых пород иногда лучше заметны на радиальном разрезе. Именно на радиальном разрезе можно увидеть
сердцевинные лучи ясеня, березы, осины, тополя, сосны, ели, лиственницы и др.
У некоторых пород лучи расширяются при пересечении границ
годичных слоев (например, бук).
На радиальном разрезе сердцевинные лучи могут быть в виде поперечных блестящих разных по длине и ширине полос или пятен, окрашенных темнее или светлее окружающей древесины. На тангенциальном разрезе древесины сердцевинные лучи имеют чечевицеобразную или веретенообразную форму. Как правило, сердцевинные лучи
располагаются по спирали вдоль оси ствола, хотя у некоторых пород
они образуют горизонтальные ряды или ярусы, которые отчетливо заметны на тангенциальном разрезе (например, у хурмы).

1.2. Макроскопические признаки древесины
9

Рис. 5. Вид сердцевинных лучей на главных разрезах

Основная функция сердцевинных лучей — проведение воды и
питательных веществ в горизонтальном направлении и хранение питательных веществ зимой. Плотность сердцевинных лучей велика, на
1 см2 поверхности тангенциального разреза может приходиться
3000—15 000 лучей в зависимости от породы. Наибольшее их количество находится в нижней части ствола, выше — их количество уменьшается, далее к кроне — снова возрастает. Объем сердцевинных лучей
зависит от породы и условий произрастания.
На продольных разрезах древесины некоторых лиственных пород
видны бурые или коричневые черточки, полосы, пятна, расположенные у границ годичных слоев. Эти включения называются сердцевинными повторениями или сердцевинными прожилками, так как по цвету и строению напоминают сердцевину. Они возникают в результате
зарастания ходов насекомых и встречаются в основном в нижней части ствола деревьев лиственных пород (березы, ольхи, клена, рябины,
груши), у хвойных пород — реже (иногда у пихты).
Перечисленные макроскопические свойства относятся как к лиственным, так и к хвойным породам одновременно, но существуют
такие признаки, которые присущи только либо лиственным, либо
хвойным породам.
На поперечном (торцовом) разрезе лиственных пород видны отверстия, представляющие сечения сосудов — трубок, каналов разной величины, предназначенные для проведения воды (рис. 6). Сосуды делятся на крупные, которые хорошо заметны невооруженным
глазом, и мелкие, практически неразличимые невооруженным глазом. В некоторых породах мелкие сосуды расположены компактно и
образуют группы, которые можно различить без микроскопа. Крупные сосуды могут быть сосредоточены в ранней зоне, образуя на поперечном срезе пористое кольцо, или расположены равномерно по
всему годичному слою, что встречается гораздо реже (например, у
грецкого ореха).
Породы, в которых крупные сосуды на поперечном разрезе образуют в ранней древесине годичных слоев сплошное кольцо, называют
кольцесосудистыми породами. У этих пород, как правило, группы мелких сосудов образуют рисунки в поздней зоне древесины. К кольцесосудистым породам относятся дуб, ясень, вяз, каштан, ильм, карагач, бархатное дерево и др. Для этих пород характерна резкая разница
между ранней и поздней древесиной, что делает хорошо заметными
годичные слои.

10
Глава 1. Строение и макропризнаки древесины