Faanyag műszaki vizsgálata

Faanyag műszaki vizsgálatának jelentősége

A fásszárú ipari ültetvényekben megtermelt faanyag elsődleges célja az ipari felhasználás, a hazai iparifa kínálat javítása, és a hozzáadott érték növelése. A vizsgált klónok elsődleges felhasználási célja az OSB, HD, MDF, rétegelt lemez, furnér, és csomagolóanyag gyártása. A faanyag ezen termékek előállításánál való felhasználhatósága elsősorban a mechanikai, műszaki tulajdonságainak a függvénye.

A kutatási idő keretein belül sajnos csak 5 éves egyedekből tudunk mintát venni, és bevizsgálni, azonban ezen ipari ültetvények vágáskora 5-20 év között lehet, és értelem szerűen a költséghatékonyság és a megfelelő dimenzió biztosítása érdekében a gyakorlati alkalmazás során majd 15-20 éves egyedek kerülnek ipari feldolgozásra. 

Így fontos kihangsúlyozni, hogy a jelenleg kapott vizsgálati eredmények csak közelítő jellegűek, nem adják vissza teljes mértékben a majdan ténylegesen ipari felhasználásra kerülő faanyag tulajdonságait. 

A faanyag fizikai-mechanikai tulajdonságai, teherbírása, így felhasználhatósága is több tényező együttes hatásának eredménye. Az évgyűrűszerkezet, az ebből fakadó inhomogén felépítés, az ortogonális anizotrópia, a porózus tulajdonság, az adott fafajra jellemző, eltérő sejtszerkezet, a faanyag nedvességtartalma, az esetlegesen előforduló fahibák mind-mind nagy jelentőséggel, befolyásoló szereppel bírnak, amit nem szabad figyelmen kívül hagyni. 

A faanyag műszaki tulajdonságainak jellemzésére a következő fizikai jellemzők vizsgálata történhet meg:

• Sűrűség – MSZ 6786-3:1988 (Ezt a faanyag térfogattömegének vizsgálatánál már meghatároztuk)
• Húzószilárdság
• Hajlítószilárdság – MSZ 6786-5:1976
• Nyomószilárdság – MSZ 6786-8:1977
• Keménység (Brinell-Mörath) A keménység vizsgálat a bütü keménység meghatározására terjedt ki.
• Nyírószilárdság – MSZ 6786-6:1977
• Hajlító rugalmassági modulusz (MOE) – MSZ 6786-15:1984 

Vizsgálatok elméleti háttere:

Húzószilárdság meghatározása

Húzószilárdságon a fának a húzással szemben kifejtett ellenállását értjük. A faiparban inkább technológiai, mintsem szerkezeti jelentőséggel bíró mechanikai tulajdonság, furnérgyártásban, forgácslapok gyártásánál jut nagyobb szerephez. A terhelés irányultsága meghatározó: a fa rostokkal párhuzamosan jóval ellenállóbb húzásra, mint rostokra merőlegesen. Ez főként anatómiai tényezőkre vezethető vissza: a mikrofibrillák lefutása a sejtfal S2 rétegében, vagyis a rostlefutási szög (MFA), az évgyűrűszerkezet, valamint a faanyagok rostos felépítése. Gyakoribb az anyag rostokkal párhuzamosan történő vizsgálata.

A húzószilárdság értékét a legnagyobb mért terhelés és a próbatest keresztmetszeti területének hányadosa adja:

?=?_???/? (MPa)

ahol:

• σ – húzószilárdság (MPa)
• F_max – legnagyobb központos húzóerő (N)
• A – húzásra igénybevett keresztmetszet területe (mm²)

A maximálisan elért húzóerő mértékén túl következtethetünk a faanyag minőségére abból is, hogy próbatest milyen törésképet mutat a vizsgálat után.

Hajlítószilárdság meghatározása

A bútoriparban illetve az építőiparban kiemelkedő szerepű szilárdságtípus. Faanyagnál hárompontos terhelési séma esetén értékét a Navier-egyenlet Tanaka által korrigált formájával számítjuk:

?=?_???/? (MPa)

ahol:

• σ – nyomószilárdság (MPa)
• F_max – legnagyobb terhelőerő (N)
• A – nyomásra igénybevett keresztmetszet területe (mm²)

A vizsgálatra vonatkozó szabvány (ISO13061-3).

Nyomószilárdság keménység, meghatározása

A fának a rostokkal párhuzamosan vagy azokra merőleges irányban történő terheléssel szemben kifejtett ellenállását nevezzük nyomószilárdságnak. Mivel faszerkezetekben és számos fatermékekben is gyakran fellépnek nyomóigénybevételek, e mechanikai tulajdonság jelentősége sem elhanyagolható.

A nyomószilárdság mértékét a legnagyobb terhelő erő és a nyomással terhelt felület hányadosa adja:

?=?_???/? (MPa)

ahol:

• σ – nyomószilárdság (MPa)
• F_max – legnagyobb terhelőerő (N)
• A – nyomásra igénybevett keresztmetszet területe (mm²)

Vizsgálatok során a rostokkal párhuzamos irányú nyomószilárdság vizsgálata az ISO13061-17 szabványban leírtaknak megfelelően alkalmazandó.

Brinell-Mörath keménység meghatározása

Keménység alatt gyakorlati értelemben az anyagnak azt az ellenállását nevezzük, amelyet az anyag a szerszám behatolása ellen kifejt. Brinell a keménységet a golyót terhelő erő és az acélgolyó által benyomott felület hányadosaként fejezte ki, a vizsgálathoz 10 mm átmérőjű golyót használt, mint nyomótestet. Mörath módosítási javaslatára, az MSZ6786/11-82 szabvány szerint az igen kemény fafajokat 100 N, a középkemény fákat 500 N, a nagyon puha fákat pedig 100 N terhelésnek teszik ki.

A benyomódási mélység az alábbi képlettel számítható:

ℎ=(?−√?²−?²)/2 (mm)

ahol:

• h – benyomódás mélysége (mm)
• d – golyó benyomódásából keletkező gömbsüveg átmérője (mm)
• D – golyó átmérője (mm)

Ez alapján a Brinell-féle keménység:

?_?=?/??ℎ=2?/(??(?−√?²−?²))*(N/mm²)

ahol:

• H_B – Brinell-féle keménység (N/mm²)
• F – terhelőerő (N)
• D – golyó átmérője (mm)
• h – benyomódás mélysége (mm)

Faanyag műszaki vizsgálatának kivitelezése

A mérésekhez szükséges mintatestek előállításához minden klón esetében 3-3 törzset vágtunk ki, amelyeknél 1-2 m magasság közötti részből vettük ki a mintatesteket. A mintatestek az ISO13061-6 szerint kerültek kialakításra, azok méretei 20x20x300mm. A vizsgálatokat faanyagvizsgáló laborban végeztettük el.

Megállapítások a vizsgálati eredmények alapján

A fa szakítóvizsgálata végezhető rostirányban ill. rostokra merőleges irányban is. A rostokkal párhuzamos szakítószilárdság rendre nagyobb, mint a merőleges. A húzószilárdság nő a testsűrűség növekedésével és csökken a nedvességtartalom növekedésével. A hajlítószilárdság a faanyag leggyakoribb minősítő vizsgálata, mivel a fából készült szerkezetek leginkább hajlításra vannak igénybevéve. A faanyag törési képe utal a szilárdságra. A hosszú, szálkás törés várhatóan jó, a lépcsős vagy tompa törési kép pedig gyenge minőségre utal. A nyírószilárdságot szintén vizsgálni kell rostirányban és a rostokra merőlegesen. Meghatározására egy- és kétoldalas próbatestek használhatók.

A vizsgálat során mért paraméterek az egyes klónok között érdemi eltérést nem mutattak, a mérések átlag értékei az alábbiak: 

• Húzószilárdság: 5 N/mm²
• Hajlítószilárdság: 57 N/mm²
• Nyomószilárdság: 27,5 N/mm²
• Brinell-Mörath keménység: bütü: 28,3 N/mm²; oldal 9,7 N/mm²