Fafizika 11. elıad. A faanyag szilárds NYME, FMK,

Átírás

1 Fafizika 11. elıad adás A faanyag szilárds rdságának jellemzése II. Prof. Dr. Molnár r SándorS NYME, FMK, Faanyagtudományi nyi Intézet

2 Ütı-hajlító szilárds rdság A faanyagnak a gyors, lökésszerő erıhat hatásokkal szembeni ellenáll llását nevezzük dinamikai szilárds rdságnak. A dinamikai szilárds rdságokat azzal a munkával mérjük, amelyet az erık a törés elıid idézésekor kifejtenek. Az anyagvizsgálati gyakorlatban a lengıkalap kalapácsos ütımővel megvalósíthat tható ütı-hajlító szilárds rdsági vizsgálat terjedt el. E jellemzı választ ad arra, hogy az adott faanyag mennyire szívós dinamikus igénybev nybevételek esetén. A vizsgálatokhoz négyzetes hasáb alakú próbatestet alkalmaznak.. A keresztmetszet mérete 20x20 mm, és a hasáb teljes hossza 300 mm. A próbatest felfekvési távolsága 240 mm, szabad felfekvése pedig 210 mm. A mérést Charpy-féle ütımővön végezzük el. A lengı kalapács kiindulási és végsı magassága közötti helyzeti energiák különbsége került felhasználásra sra a próbatest eltörésekor sekor.

3 ĺgy az ütımő által kifejtett fajlagos ütı-hajlító munka: w = G m e G m A u = G( me m A u ) = G m A Fafaj Duglaszfenyı Erdeifenyı Lucfenyı Vörösfenyı Akác Bükk Kıris Nyár (óriás) Tölgy Ütı- hajlító szilárdság J/cm 2 3,8 4,0 4,0 6,0 13,5 10,0 6,8 5,0 6,8

4 Technológiai giai-szilárdsági tulajdonságok Azokat a sajátos összetett mechanikai igénybev nybevételeket, amelyek a fatermék gyárt rtásakor és felhasználásakor sakor jelentkeznek, technológiai tulajdonságoknak nevezzük. Ide tartoznak: a keménys nység, a kopásáll llóság, a szeg- és csavaráll llóság, a hasítószil szilárdság, a hajlíthat thatóság, a ragasztási si szilárds rdság és a fajlagos forgácsol csolásisi ellenáll llás.

5 A faanyag keménys nysége A fa keménys nységét a korábbi évtizedekben univerzális mőszaki anyagjellemzınek nek tekintették. A fafajok besorolása sa is: lágy lombos, kemény lombos.. A keménys nység szerepe a különbözı fatermékek használatakor (pl. parketta), vagy a faanyag forgácsol csolási, ragasztási si paramétereinek megválaszt lasztásakorsakor vitathatatlan. A fa keménys nységén azt az ellenáll llást értjük, amelyet a fa a belé nyomott kemény tárggyal szemben kifejt. A keménys nység abszolút számokkal való jellemzésére különbözı vizsgálati eljárások alakultak ki, amelyek elsısorban sorban a benyomott tárgy alakjában különböznek. A keménys nység meghatároz rozásárara kialakult vizsgálati eljárások két csoportba sorolhatók: - statikus és - dinamikus keménys nységvizsgálati eljárások

6 Janka-féle keménys nységvizsgálati eljárás A Janka-féle keménys nységi szám megállap llapítására egy 11,284 mm átmérıjő acélgoly lgolyót egyenlítıjéig ig,, 5,642 mm mélységre nyomunk a vizsgáland landó faanyagba. Az alkalmazott golyó félgömb, vetülete pontosan 1 cm 2. A Janka-féle keménys nységi szám: F H = J 100 A próbatest nagysága ga minimálisan 50x50x50 mm élhosszúságú kocka.

7 Janka-féle keménys nységi skála N/mm 2 ig igen puha fák (nyárak, főzek, hársak, fenyık) < 35 puhafák (nyír, éger, vörösfenyı) középkemény fák (szelídgesztenye, vöröstölgy) keményf nyfák (bükk, tölgy, akác, kıris, gyertyán) igen kemény fák (bukszus) csontkemény ny fák (pockfa, ébenfa) 151 >

8 A Janka-féle keménys nységvizsgálati eljárás hibái A legtöbb fafajnál a gömbsüveg felület letére vonatkoztatott legnagyobb keménys nység kb. 0,77 mm benyomódási mélységnél jelentkezik, tehát a Janka-féle keménys nységi számok kisebbek lesznek,, mint a gépen kijelzett maximális értékek. A fenyıfélék és a lombfák más-más magatartást tanúsítanak tanak a benyomott golyó mélységének változásával szemben. A benyomott golyó kisebb-nagyobb szöveti elváltoz ltozásokat idéz elı, kicsiny szöveti szakadások sok állapíthatók meg, amelyek a behatolási mélységgel állandóan növekszenek. A rostoknak oldalirány nyú eltolódása következtében hasító hatás is létrejön, amely különösen a lombosfákn knál kerül elıtérbe rbe. A golyó benyomódásával a rostokkal párhuzamos irány nyú,, a fatestre ferdén ható nyomóhat hatás is jelentkezik.

9 Brinnell-Mörath rath-féle keménys nységvizsgálati eljárás Mörath a fa keménys nységéneknek meghatároz rozásárara a Brinell-féle le golyós vizsgálatot módosította, úgy, hogy csak a terhelıer erıknél javasolt változtatásokat. Ehhez 10 mm átmérıjő acélgoly lgolyót használnak lnak, amelyet az európai fafajoknál 500 N-osN os,, a nagyon kemény trópusi fáknál 1000 N-osN terheléssel nyomnak a vizsgáland landó faanyagba. Igen puha fánál az acélgoly lgolyó benyomásához használt erı csak 100 N-os. A vizsgálatokhoz használt próbatest mérete 50x50x50 mm. Megállap llapítandó a bütü- és oldalkeménys nység, az utóbbit a sugárés húrmetszeteken kell vizsgálni lni.

10 F H = B D π h A benyomódás mélysége helyett lehet a benyomódási kép átmérıjét is mérni: h = D D d Ezt behelyettesítve: tve: F H = 2 B Dπ D D d ( ) 2 2

11 Brinell-Mörath rath-féle keménys nységvizsgálati eljárás hibái A golyó benyomódásához az elıirt háromféle nyomóer erı alkalmazása az eljárást bizonytalanná teszi. A keménys nységi szám meghatároz rozásához a gömbsüveg felület letének az átlagos átmérıbıl való kiszámítása sa (különösen az oldalkeménys nységnél) pontatlan eredményeket ad, mert a fába benyomott gömbsüveg képe nem mindig szabályos kör, hanem igen gyakran ellipszis alakú. Az acélgoly lgolyó 10 mm-es átmérı mérete még mindig kis felületen leten hat, így hasító- illetve ékhatással (fıleg a bütüfelületen) számolnunk kell. A szélesebb évgyőrők esetén a benyomódás vagy a korai vagy a késıi pásztát érinti. Tehát nem jellemzi az egész faanyagot.

12 A fontosabb hazai fafajok Brinnel-Mörath rathféle keménys nysége,, N/mm 2 Fafaj, csoport Igen puha fák: Hárs Főz Óriás nyár Puha fák: Lucfenyı Erdeifenyı Vörösfenyı Középkemény fák: Szelídgesztenye Tölgyek Bükk Kıris Hegyi juhar Kemény fák: Akác Gyertyán Bütüfelülete n Oldalfelülete n

13 Krippel-Pallay Pallay-félele keménys nységvizsgálati eljárás Gömbsüveg alakú nyomótestet testet, melynek benyomódási mélysége 2 mm. A benyomott gömbsüveg felülete lete 2 cm 2. A vizsgálatokhoz használt gömbsg mbsüveg - acélgoly lgolyó átmérıje 31,834 mm. H K F P = 200

14 Az eljárás elınye nye: A benyomódás viszonylag sekély ly,, (a kísérlet eredményei azt igazolták, hogy a 2 mm-es benyomási mélységen belül a fenyıfélék és a lombfák egyformán viselkednek); A benyomott gömbsüveg nagy felülete lete biztosabban adja a próbatest átlagos keménys nységét.

15 Szanaev mikrokeménys nységi vizsgálati módszere Lehetıséget ad a korai és késıi pászták elkülönített vizsgálat latára. A Szanaev-módszer lényege, hogy egy 60 µm sugarú, félgömb hegyő fémtőt 0,3 N terheléssel egyenletesen 1,5 percen keresztül nyomnak a fába: : a tő behatolási mélységét 0,01 mm pontossággal határozz rozzák meg. A vizsgálati eredmények jól reprezentálj lják az évgyőrőszerkezeten belüli li keménys nységi eltéréseket seket. Fafaj Tölgy Erdeifenyı korai pászta késıi pászta

16 Pevzoff dinamikai módszere Egy 25 mm átmérıjő acélgoly lgolyót 500 mm magasságb gból ejtenek a próbatest felület letére. Megmérik a benyomódás átmérıjét, és az átlagátmérı alapján a dinamikai keménys nység: H p = 4 m g π d 2 h Fafaj Dinamikai keménység Fafaj Dinamikai keménység Vörösfenyı 0,92 Akác 1,27 Lucfenyı 0,74 Bükk 0,96 Erdeifenyı 0,73 Nyír 0,82 Jegenyefenyı 0,66 Nyár 0,69

17 A faanyag kopásáll llósága A kopásáll llóság kifejezi, hogy a faanyag felületi leti rétegei mennyire képesek ellenállni llni a külsı koptató erıknek knek. A kopás (elhasználódás) mértéke kifejezhetı tömeg és/vagy térfogat veszteségben gben, valamint vastagságcs gcsökkenéssel. A kopásáll llóság,, mint a fa felület letének egyik jellemzıje szoros kapcsolatban áll a keménys nységgel és a csúsz szó súrlódási tényezıvel. Vizsgálati eljárások sok: homokfúvásos eljárás: nagy erıvel fújt homoksugár koptatja a fa felszínét kemény fém eszközökkel kkel végzett koptató eljárások csiszolásos sos eljárások sok: az emberi járást modellezi.. A lábat utánz nzó vastuskó aljára van a csiszolószalag szalag felszerelve

18 Az eltérı módszerő koptató eljárások eredményei nehezen hasonlíthat thatók össze. ĺgy a különbk nbözı fafajokra kapott értékeket a bükkhb kkhöz z szokták hasonlítani. Ha a bükk kopásáll llóságát 1,0-nek vesszük, akkor az akác 0,37, gyertyán 0,45, kıris 1,53, tölgy 1,56, vörösfenyı 1,86, lucfenyı 2,03, éger 3,34 viszonylagos kopásáll llóságú. A fafajok sorrendbe állítása jól mutatja, hogy a keménys nységi jellemzıkkel összhangban az akác és a gyertyán a két legkopásáll llóbb fafajunk. Minısítés Nagyon kopásálló Kopásálló Közepesen kopásálló Gyengén kopásálló bütü < 0,02 0,021-0,04 0,041-0,06 > 0,061 Vastagságcsökkenés, mm/100 ford oldal (húr, sugár) < 0,03 0,031-0,06 0,061-0,09 > 0,091 bütü < 0,06 0,061-0,12 0,121-0,18 > 0,181 Tömegveszteség, g/100 ford oldal (húr, sugár) < 0,08 0,081-0,16 0,161-0,22 > 0,221

19 A faanyag súrls rlódási tulajdonságai a súrlódás két alapesetét különböztetjük meg: csúsz szó és gördülı súrlódások. A korábbi évtizedekben a fa súrlódási jellemzıinek a gépgyártásban is jelentıs szerepe volt. Szinte egyedüláll lló terület a rönkbehordó lánctranszportıröknél használt fabetétek tek. A súrlódási tényezı szerepe azonban jelentıs a fa kopása sa,, a falapok, fatermékek tárolása, mozgatása sa, sıt a faanyagok csiszolása sa szempontjából is. A fizikából ismert, hogy a csúsz szó súrlódási erı (F s ) egyenesen arányos a felületre letre ható nyomóer erıvel (F ny ): F s = µ cs F ny

20 Ennek értéke a felületek letek simaságától, anyagi minıségétıl,, a kialakuló molekuláris erıkt ktıl és a mozgás sebességétıl függ. Az egymásra helyezett falapok, fatermékek elmozdulását akadályoz lyozó tapadási súrlódás a csúsz szó súrlódásnak a nyugalmi helyzetre vonatkozó sajátos típusa. A tapadó súrlódási együtthat ttható (µ t ) értéke valamivel meghaladja a csúsz szó súrlódásét: µ t > µ cs. Tapadó súrlódási együtthatók (µ t ) B Lf T Rl Fl Frl MDF Dl Bl B 0,38 0,33 0,28 0,38 0,32 0,32 0,35 0,17 0,37 Lf 0,33 0,34 0,35 0,39 0,37 0,33 0,32 0,21 0,29 T 0,28 0,35 0,46 0,44 0,35 0,32 0,38 0,22 0,32 Rl 0,38 0,39 0,44 0,19 0,42 0,32 0,41 0,22 0,28 Fl 0,32 0,37 0,35 0,42 0,58 0,36 0,59 0,22 0,30 Frl 0,32 0,33 0,32 0,32 0,36 0,29 0,41 0,24 MDF 0,35 0,32 0,38 0,41 0,59 0,41 0,52 0,29 Dl 0,17 0,21 0,22 0,22 0,22 0,12 0,17 Bl 0,37 0,29 0,32 0,28 0,30 0,24 0,29 0,17 0,15

21 0,12 0,15 0,21 0,19 0,22 0,25 0,26 0,31 Bl 0,15 0,11 0,18 0,16 0,18 0,17 0,19 0,15 Dl 0,21 0,18 0,23 0,22 0,24 0,18 0,18 MDF 0,19 0,16 0,22 0,19 0,18 0,21 0,19 Frl 0,22 0,18 0,24 0,,23 0,18 Fl 0,17 0,18 0,16 0,32 0,29 0,33 Rl 0,25 0,32 0,35 0,26 0,22 T 0,26 0,19 0,18 0,21 0,29 0,26 0,25 0,27 Lf 0,31 0,15 0,18 0,19 0,18 0,33 0,22 0,27 0,32 B Bl Dl MDF Frl Fl Rl T Lf B Csúszó súrlódási együtthatók (µ cs )

22 Hasítószil szilárdság Egy ék alakú szerszám behatolásával szembeni ellenáll llóképesség. E jellemzıt a sarangolt faválaszt lasztékok hasításakor sakor veszik figyelembe. A vizsgálatokat klimatizált lt próbatestekkel folyamatos lassú terheléssel kell végezni. Sugárir rirányban elıny nyösebben hasíthat tható,, mint húrirh rirányban. A nedvességtartalom növekedn vekedésével vel u = 12%-ig növekszik n a hasítószil szilárdság,, azt követk vetıen en pedig folyamatosan csökken. σ hs = F max A

23 A hasíthat thatóságot nagyban befolyásolj solják a fahibák. Különösen a göcsösségnek és a szabálytalan rostlefutásnak snak (csavarodottságnak) negatív a hatása sa. A szöveti jellemzık k közül k l a nagy bélsugarak b (pl. bükk, b tölgy) t pozitívan hatnak a hasíthat thatóságra. Fafaj Lucfenyı Feketefenyı Erdeifenyı Simafenyı Akác Juhar Kıris Szil Gyertyán Bükk Tölgy Nyár (óriás) Húr 0,26 0,46 0,46 0,77 1,12 1,60 1,60 0,74 1,50 0,45 0,45 0,53 Sugár 0,45 0,24 0,45 0,62 1,00 0,69 0,60 0,62 0,35 0,43 0,39

24 Szeg- és s csavaráll llóság A szegek,facsavarok kihúzásához hoz szüks kséges erıvel mérhetı. Ismerete fontos a különbözı bútorelemek, belsıépítészeti szeti tárgyak, ládák, rakodólapok kötéseinek tartóss ssága szempontjából. A mérések a szeg (csavar) kihuzásához hoz szüks kséges erı meghatároz rozásárara irányulnak nyulnak. A szeg (csavar) tartó erıt a beverési hossz viszonyában adják meg: F sz = F l k Anyag (sőrőség) Forgácslap (600 kg/m 3 ) Fenyık (500 kg/m 3 ) Forgácslap ( kg/m 3 ) MDF lemez ( kg/m 3 ) Szegállóság, N/mm 0,8...1,5 1,2...2,0 1,5...2,2 2,5...4, Csavarállóság, N/mm

25 A szilárds rdsági jellemzıket befolyásol soló tényezık A különbözı szilárds rdsági, rugalmassági gi jellemzıkre a következı fontosabb tényezık hatnak: a sőrőség, a nedvességtartalom gtartalom, a rostirány ny, a terhelési idı, a hımérséklet, a szöveti jellemzık, a fahibák.

26 A fatest sőrősége A sőrőség viszonylag szoros, függvényszerő kapcsolatban áll a statikus szilárds rdsági jellemzıkkel kkel. A nagyfokú gyantatartalom és a gesztesedés során berakódó járulékos anyagok ronthatják a faanyag rugalmas jellemzıit it. Ugyancsak kedvezıtlen tlen,, ha a keskeny évgyőrőszerkezet silány termıhelyi körülmények eredménye nye. Győrőslikacs slikacsú lombfákn knál a szélesebb évgyőrőjő, nagyobb sőrőségő fák általában szilárdabbak rdabbak. A szilárds rdsági jellemzık (σ) és a sőrőség (ρ) viszonya: σ = a ρ + b b σ = a ρ A szilárds rdsági értékek és a sőrőség hányadosát fajlagos szilárds rdsági jellemzıknek hívjuk. E jellemzık jól érzékeltetik a különbözı fafajok alkalmassági fokát is egy-egy szerkezeti célra.

27 A nedvességtartalom A nedvességtartalom növekedésévelvel a statikus szilárds rdsági jellemzık a rosttelítetts tettségi pontig fokozatosan csökkennek kkennek, azt követıenen nem változnak. A nemzetközi zi megállapod llapodások szerint az anyagvizsgálatokat 20 C hımérsékleten,, 65% légnedvességen, klimatizált lt próbatestekkel kell elvégezni gezni.. A fafajok átlagában ez 12% egyensúlyi fanedvességet jelent. Amennyiben a nedvességtartalom ettıl eltér,, a mérési eredményeket légszáraz állapotra kell átszámítani: σ = σ u 1+ α( u 12) [ ] 12 α értéke: nyomószilárdságnál 0,04 húzószilárdságnál 0,03 nyírószilárdságnál 0,03 hajlítószilárdságnál 0,04 hajlító rugalmassági modulusznál 0,02 ütı-hajlító szilárdságnál 0,025 keménységnél: bütüfelületen 0,04 oldalfelületeken 0,025

28 A rostirány A különbözı faszerkezeteknél gyakran elıfordul fordul, hogy az alapvetı igénybev nybevételek iránya nem esik egybe a faanyag rostirány nyával. A szilárds rdsági értékek általában a rostirányban a legmagasabbak,, a rostra merılegesen a legkisebbek.

29 A rostiránnyal bezárt szög (α) ismeretében a szilárds rdsági jellemzık: σ σ ll σ α =, n n σ sin α + σ cos α ll A terhelés s idıtartama, a faanyagok reológiai tulajdonságai A terhelés hosszabb idıtartama jelentısen lecsökkenti a statikus szilárdsági értékeket. Ha a tartós teher (feszültség) és a statikus szilárdság hányadosaként megfogalmazott terhelési tényezıt %-ban fejezzük ki, akkor ez 0,3-5 év alatt 40-60% értéket vesz fel.

30 A hımérséklet, a fahibák és egyéb tényezık hatása A hımérséklet és az egyéb idıjárási tényezık együttesen jelentıs hatással lehetnek a faanyag szilárds rdsági jellemzıire is. A hımérséklet növekedésévelvel ( C között) minimális mértékben (0,1 %/1 C) csökkennek a szilárds rdsági jellemzık. A nedvesség és a hımérséklet együttesen jelentıs elváltoz ltozásokat okoznak. A rostok szabálytalan futásir siránya, csavarodottsága és általában a különbözı szöveti hibák befolyása jelentıs szilárds rdság csökkent kkentı tényezı. A göcsösség elsısorban sorban hajlító és a húzó igénybev nybevételeknél csökkenti a szilárds rdsági értékeket. A korhadás már a kezdeti szakaszban is lényeges elváltoz ltozásokat okozhat. Az egészs szséges álgeszt és a kékülés szilárds rdságromlást nem okoznak, mivel a jelenlévı a sejtfal alkotórészeit nem bontják.

31 Köszönöm m a figyelmet!