7. Wyniki i dyskusja
7.1. Wyznaczenie krzywej zmęczeniowej warstwy dekoracyjnej na drewnie
7.1.1. Sprawdzenie poprawności przyjętej metodyki imitacji odpowiedzi wilgotnościowej drewna przez rozciąganie mechaniczne
Jak napisano w rozdziale 1 drewno jest materiałem anizotropowym, którego strukturę określają pierścienie rocznych przyrostów, same będące aglomeracjami komórek o różnej strukturze w zależności od pory ich wzrostu. Stąd średnie zmiany wymiarowe mierzone w drewnie pod wpływem naprężeń lub zmian zawartości wody w materiale są w rzeczywistości sumą zmian lokalnych, których wielkość zależny od miejsca w pierścieniu przyrostu rocznego. Uszkodzenia warstwy polichromii będą powstawały w miejscach o największych odkształceniach lokalnych. Powstaje zatem pytanie, czy lokalne wartości odkształceń wywołanych zmianami wilgotnościowymi są takie same jak odkształcenia wywoływane przez rozciąganie mechaniczne. Tylko wtedy zasadne jest przyjęcie zaproponowanej metodyki imitacji odpowiedzi wilgotnościowej drewna poprzez rozciąganie próbek w maszynie UTM. Dlatego zbadano lokalne pola odkształceń w próbkach podczas ich odpowiedzi na zmianę wilgotności względnej w otoczeniu oraz w próbkach poddawanych odkształceniom mechanicznym. Pomiary lokalnego pola odkształceń przeprowadzono przy użyciu interferometru plamkowego przystosowanego do pomiaru odkształceń prostopadłych do kierunku obserwacji (in
plane ESPI). Dzięki niemu można śledzić proces odkształcenia, do którego dochodzi w płaszczyźnie w której badana próbka zmienia swój wymiar poprzez rozciąganie bądź pęcznienie. Badania te przeprowadzono na Politechnice w Eindhoven w grupie badawczej prof. Henka Schellena. Na rys. 43 przedstawiono zdjęcie układu pomiarowego.
80
Rys. 43. Układ pomiarowy wykorzystany podczas badań in plane ESPI. Przekrój próbki miał powierzchnię 1 ܿ݉ଶ a zmianę wymiarową obserwowano w kierunku radialnym.
Badania przeprowadzono dwukrotnie na tej samej próbce wyciętej z drewna lipowego. Pierwszy pomiar dotyczył obserwacji próbki podczas rozciągania w uniwersalnej maszynie testującej. Na rys. 44 przedstawiono zależność odkształcenia od siły. Wielkość odkształcenia była kontrolowana przez ekstensometr. Czas jednokrotnego rozciągnięcia próbki wynosił 2 s.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Od k s z ta łc e n ie [ % ] Siła [kN]
81 Na rys. 45 przedstawiono pole odkształceń podczas rozciągania próbki. Na dwuwymiarowej mapie można zobaczyć lokalny rozkład odkształcenia; z kolei krzywa przedstawia odkształcenie uśrednione dla każdej poziomej linii.
Rys. 45. Dwuwymiarowa mapa przedstawiająca rozkład odkształcenia w kierunku pionowym (w jakim rozciągano próbkę). Kolor czerwony oznacza miejsca w których odkształcenie jest największe, natomiast niebieski miejsca w których jest najmniejsze. W środku przedstawiono średnie odkształcenie dla każdej poziomej linii. Po prawej stronie przedstawiono zdjęcie RTG badanego obszaru pokazujące rozmieszczenie pierścieni przyrostów rocznych w badanej próbce drewna, które powodują powstawanie lokalnych gradientów odkształceń.
Następnie przeprowadzono pomiary dla tej samej próbki podczas skokowej zmiany wilgotności względnej z 80% do 20%. Przed pomiarem próbka była stabilizowana w komorze w wilgotności względnej 80% przez 24 godziny. Rys. 46 przedstawia schemat czasowy przeprowadzonego pomiaru. Całkowita zmiana wymiarowa próbki była oczywiście największa na początku procesu schnięcia i skurczu, malejąc w miarę dochodzenia próbki do nowej równowagi wilgotnościowej.
82
Rys. 46. Schemat czasowy przedstawiający kolejność eksperymentów podczas pomiaru odpowiedzi drewna na zmianę wilgotności względnej. Kolory odpowiadają kolorom krzywych przedstawionych na rys. 47. Przedstawiona krzywa zmiany wymiarowej jest poglądowa.
Na rys. 47 przedstawiono rozkłady odkształcenia prostopadłe do kierunku radialnego dla następujących po sobie pomiarów. Każdy z pomiarów został zrobiony w tym samym miejscu, w którym przeprowadzono pomiar podczas mechanicznego rozciągania próbki w maszynie UTM.
0 2 4 6 8 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 Od k s z ta łc e n ie [ % ] Y [mm]
Rys. 47. Zestawienie lokalnych odkształceń w funkcji położenia Y (odległości od dolnego końca obszaru pomiarowego) dla kolejnych pomiarów przeprowadzonych podczas zmiany wilgotności względnej z naniesionym błędem pochodzącym od uśrednienia.
83 Na rys. 48 przedstawiono te same krzywe po znormalizowaniu ich do krzywej, która miała największe średnie odkształcenie globalne. Można zauważyć, że pokrywają się one ze sobą w dużej mierze co świadczy o tym, że względny rozkład odkształcenia był taki sam podczas całego pomiaru trwającego 15 godzin, stąd stosunki odpowiedzi wymiarowej drewna późnego i wczesnego są takie same dla całego zakresu wilgotności względnej. 0 2 4 6 8 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 Od k s z ta łc e n ie [ % ] Y [mm]
Rys. 48. Zestawienie przeskalowanych odkształceń w funkcji położenia Y (odległości od dolnego końca obszaru pomiarowego) dla pomiarów przeprowadzonych podczas zmiany wilgotności względnej.
Na rys. 49 zestawiono krzywe rozkładu odkształcenia wywołanego mechanicznie (test rozciągający) oraz przez zmianę wilgotności względnej (test wilgotnościowy). Krzywa odpowiadająca testowi rozciągającemu została przeskalowana tak, że średnie odkształcenia w obu testach są równe i wynoszą 0,35 %. Zestawienie to wskazuje, że niezależnie od sposobu wywołania odkształcenia globalnego, maksymalne odkształcenie lokalne jest takie samo w granicach błędu.
Przeprowadzone doświadczenia pozwalają na sformułowanie szeregu istotnych wniosków:
• Suma odkształceń lokalnych w obu pomiarach jest równa odkształceniu globalnemu próbki.
• Stwierdzono znakomitą korelację pomiędzy rozkładem odkształcenia, a pierścieniową strukturą drewna.
84 • Maksymalne i minimalne odkształcenia lokalne są identyczne w granicach błędu
w testach rozciągającym i wilgotnościowym dla drewna lipowego.
2 4 6 8 0,2 0,3 0,4 0,5 Od k s z ta łc e n ie [ % ] Y [mm] Test wilgotnoścdiowy Test rozciągający
Rys. 49. Zestawione odkształcenie w funkcji położenia Y (odległości od dolnego końca obszaru pomiarowego) dla pomiaru przeprowadzonego podczas zmiany wilgotności z pomiarem przeprowadzonym podczas rozciągania próbki.