The possibilities of using the scratch method to analyze the structural state of larch wood are considered. The relevance of this work is due to the fact that during the drying of wood, internal stresses and uneven redistribution of deformations lead to the formation of defects, primarily cracks. Since direct determination of the stress state of wood is a difficult task, the use of indirect approaches sensitive to the local heterogeneity of the material is of interest. The paper presents a schematic diagram of the scratch test and examines a representative scratching-force versus indenter displacement curve. It is shown that the shape of such a curve reflects the features of the local mechanical response of the wood surface layer.
larch wood, scratch method, scratching force, local wood properties, structural heterogeneity, surface layer
Введение
Сушка древесины сопровождается изменением влажности по сечению материала, развитием усушки и появлением внутренних напряжений [1, 2]. При неблагоприятном сочетании этих факторов возникают коробление, поверхностные и внутренние трещины, снижается сортность и ухудшается качество продукции. Для лиственницы подобные явления особенно характерны, поскольку эта порода отличается выраженной анизотропией и заметной неоднородностью строения. Различия между ранней и поздней древесиной, а также неодинаковые свойства отдельных участков годичного слоя приводят к тому, что при сушке материал работает неравномерно [3, 4]. Оценка состояния древесины в таких условиях возможна разными способами. Однако прямые методы изучения внутренних напряжений требуют специальной подготовки образцов и сложной трактовки полученных данных. По этой причине интерес представляют подходы, позволяющие судить о состоянии материала косвенно, по особенностям его локального механического отклика [5]. Один из таких подходов – скретч-испытание, при котором индентор перемещается по поверхности образца, а в ходе движения регистрируется сила царапания. Для древесины скретч-метод важен прежде всего тем, что он позволяет видеть не только усредненную реакцию материала, но и ее изменчивость по длине следа [6, 7]. Поскольку древесина является природным анизотропным материалом, локальные различия сопротивления деформированию и разрушению оказываются информативными сами по себе. В этом случае скретч-кривая может рассматриваться как отражение неоднородности поверхностного слоя, которая в дальнейшем способна влиять на перераспределение деформаций при сушке.
Цель настоящей работы – показать возможности использования скретч-параметров как косвенного индикатора структурной неоднородности древесины лиственницы и обсудить, каким образом форма зависимости силы царапания от перемещения индентора может быть связана с особенностями состояния материала.
Материалы и постановка опыта
Объектом исследования служила древесина лиственницы. Для получения экспериментальных образцов использовали заболонную часть древесины лиственницы сибирской (Larix sibirica) в возрасте 66 лет. Место заготовки: 56.355158, 102.149931 НУМ 429, Падунский лесхоз (Иркутская обл.), дата заготовки – апрель 2023 г. Размеры исходных образцов: длина 150 мм, ширина 20 мм, высота 40 мм. Для статьи выбран методический ракурс, поэтому основной акцент сделан не на сопоставлении большого числа серий, а на анализе самого подхода и интерпретации характерной экспериментальной зависимости.
Испытания проводили при перемещении индентора по поверхности образца на участке заданной длины. В ходе движения регистрировали силу царапания. При анализе полученной зависимости учитывали несколько признаков: начальный участок формирования контакта, общий уровень силы, характер изменения сопротивления по длине следа, а также наличие локальных максимумов и минимумов. Такой набор признаков позволяет обсуждать не только среднее сопротивление древесины царапанию, но и неоднородность этого сопротивления.
Для древесины лиственницы подобный анализ особенно важен, так как данный материал отличается выраженной изменчивостью локальных свойств даже в пределах сравнительно небольшого участка поверхности. Поэтому характер кривой представляет интерес сам по себе, без обязательного перехода к количественной оценке напряженного состояния.
Скретч-метод и его особенности применительно к древесине
Скретч-испытание основано на перемещении индентора по поверхности материала при заданных условиях нагружения. В процессе движения на поверхности образца формируется борозда, а регистрируемая сила изменяется в зависимости от сопротивления материала локальному деформированию и разрушению. Для металлов, покрытий и полимеров этот подход применяется достаточно давно. В случае древесины его значение связано прежде всего с тем, что материал сам по себе неоднороден и его свойства существенно зависят от направления, плотности, влажности и состояния поверхностного слоя.
Для древесины нельзя ожидать идеально гладкой зависимости 
, где 
– сила царапания, а 
– перемещение индентора. Напротив, по мере движения индентора он последовательно взаимодействует с участками, различающимися по плотности, жесткости и сопротивлению локальному разрушению. Поэтому на кривой обычно присутствуют не только общий тренд, но и локальные колебания. Именно эта особенность делает метод полезным при качественной оценке структуры материала.
Схема, приведенная на рисунке 1, отражает общий принцип испытания. Обозначения Fn и Fl соответствуют нормальной и латеральной составляющим силы, возникающей при движении индентора по поверхности образца. Индентор перемещается по поверхности древесины, и в каждый момент времени регистрируется сила, необходимая для его движения. В результате формируется график P(L), по которому можно судить о характере локального механического отклика поверхностного слоя.
На рисунке 2 приведен график зависимости силы царапания P от перемещения индентора L для натуральной древесины лиственницы. На полученной зависимости можно выделить несколько характерных участков. В начальной части графика обычно наблюдается рост силы, связанный с вхождением индентора в режим устойчивого контакта с поверхностью и формированием борозды царапания. После этого дальнейшее изменение кривой определяется уже сопротивлением материала локальному деформированию и разрушению. Если бы древесина представляла собой однородную среду, зависимость имела бы более плавный и предсказуемый характер. Однако в реальном образце на фоне общего хода кривой возникают локальные подъемы и спады силы, обусловленные прохождением индентора
Рисунок 1 – Схема установки для скретч-испытания древесины: 1 – базовая платформа; 2 – подвижная каретка; 3 – рельсовые направляющие; 4 – шаговый двигатель с шарико-винтовой передачей, обеспечивающий перемещение каретки вдоль оси x; 5 – стойка с шаговым двигателем для перемещения датчика силы с индентором вдоль оси z; 6 – двухкоординатный датчик силы; 7 – индентор; 8 – образец (поперечный спил древесины, радиальное направление которого совпадает с осью x); 9 – контроллер; 10 – персональный компьютер
Рисунок 2 – Характерная зависимость силы царапания P от перемещения индентора L для древесины лиственницы
через зоны ранней и поздней древесины, которые отличаются своими характеристиками. Именно поэтому механический отклик по длине следа оказывается неравномерным. При анализе подобных графиков значение имеет не только величина отдельных колебаний, но и общий тип зависимости: плавный, резко изменяющийся, волнообразный или близкий к монотонному. Форма кривой в данном случае отражает не просто уровень сопротивления царапанию, а изменение этого сопротивления на исследуемом образце.
С практической точки зрения такая зависимость позволяет сделать несколько важных наблюдений. Прежде всего она показывает, что поверхность древесины сопротивляется локальному воздействию не одинаково по всей длине хода индентора. Кроме того, график дает представление о степени выраженности локальной неоднородности поверхностного слоя. Наконец, по характеру кривой можно судить о том, насколько стабильно или, напротив, контрастно ведет себя древесина при локальном механическом нагружении. Для древесины, как природного анизотропного материала, это особенно важно, поскольку даже в пределах сравнительно небольшого участка поверхности свойства могут заметно изменяться. Следует подчеркнуть, что подобная интерпретация не означает прямого определения внутренних напряжений. Скретч-метод в данном случае фиксирует локальную механическую реакцию материала на перемещение индентора. Тем не менее для древесины, склонной к неравномерной усушке и дефектообразованию, такие сведения представляют интерес. Если уже на уровне поверхностного слоя наблюдается заметная изменчивость сопротивления локальному разрушению, это свидетельствует о структурной неоднородности материала, которая в дальнейшем может влиять на перераспределение деформаций при сушке.
Именно в этом состоит основное достоинство скретч-метода применительно к древесине. Даже один характерный график позволяет наглядно увидеть, что поверхностный слой реагирует на локальное воздействие неодинаково. В данном случае скретч-испытание выступает как средство качественной оценки состояния древесины, а форма кривой становится источником информации о стабильности отклика, выраженности локальных колебаний и общем характере сопротивления поверхности царапанию.
Отдельного внимания заслуживает тот факт, что скретч-анализ ориентирован именно на поверхностный слой древесины, который в технологическом отношении имеет особое значение. Поверхностные зоны первыми реагируют на изменение влажности и температуры, и именно здесь нередко проявляются начальные признаки дефектообразования. Поэтому даже качественная оценка локального механического отклика поверхности может быть полезной при анализе структурного состояния древесины. Вместе с тем возможности метода следует оценивать трезво. По одной только скретч-кривой нельзя количественно определить внутренние напряжения. Более корректно рассматривать такие данные как дополнительный материал для характеристики структурной неоднородности древесины и обсуждения предпосылок к неравномерному перераспределению деформаций при сушке. В этом смысле скретч-метод целесообразно использовать не как замену прямым способам исследования, а как удобный и наглядный инструмент качественного анализа состояния материала.
Выводы
- Скретч-метод позволяет регистрировать локальный механический отклик поверхностного слоя древесины лиственницы в виде зависимости силы царапания от перемещения индентора и тем самым дает возможность качественно оценивать особенности структурного состояния поверхности.
- Форма кривой зависимости силы царапания P(L), включая общий характер ее изменения и локальные колебания силы, может рассматриваться как косвенный показатель неоднородности древесины и использоваться как дополнительный материал при анализе предпосылок к неравномерному перераспределению деформаций при сушке.
1. Yin, Q. Drying stress and strain of wood: a review / Q. Yin, H.-H. Liu // Applied Sciences. – 2021. – Vol. 11, No. 11. – Art. No. 5023. – DOIhttps://doi.org/10.3390/app11115023.
2. Review on wood deformation and cracking during moisture loss / Z. Fu, J. Chen, Y. Zhang [et al.] // Polymers. – 2023. – Vol. 15, No. 15. – Art. No. 3295. – DOIhttps://doi.org/10.3390/polym15153295.
3. Gipotezy teorii vnutrennih napryazheniy v drevesine / A. M. Hvoryh, M. E. Dimitrov, V. A. Shamaev, I. N. Medvedev, A. V. Russu // Energoresursosberegayuschie i ekologicheski bezopasnye tehnologii lesopromyshlennogo kompleksa – 2025 : materialy Mezhdunarodnoy nauchnoy konferencii, posvyaschennoy 95-letiyu VGLTU imeni G.F. Morozova i 80-letiyu Pobedy v Velikoy Otechestvennoy voyne, Voronezh, 27-28 marta 2025 g. / otv. red. T. L. Ischenko ; VGLTU. – Voronezh, 2025. – S. 327-332. – DOIhttps://doi.org/10.58168/E-SESTTI2025_327-332.
4. Russu, A. V. Vnutrennie napryazheniya natural'noy drevesiny listvennicy / A. V. Russu, V. A. Shamaev, I. N. Medvedev / Derevoobrabotka: tehnologii, oborudovanie, menedzhment XXI veka : trudy XVIII mezhdunarodnogo evraziyskogo simpoziuma / pod nauch. red. V. G. Novoselova ; Ural'skiy gosudarstvennyy lesotehnicheskiy universitet. – Ekaterinburg, 2023. – S. 58-61.
5. Clair, B. Evidence that release of internal stress contributes to drying strains of wood / B. Clair // Holzforschung. – 2012. – Vol. 66, No. 3. – P. 349-353. – DOIhttps://doi.org/10.1515/hf.2011.159.
6. Scratch resistance of PEG-impregnated green wood: a method for evaluation of swollen wood properties / S. Fortino, J. Metsäjoki, H. Ronkainen, I. Bjurhager, S. Heinemann, L. I. Salminen // Wood Science and Technology. – 2020. – Vol. 54. – P. 715-735. – DOIhttps://doi.org/10.1007/s00226-020-01179-0.
7. Analysis of elastic and plastic behaviour in untreated pine wood under scratch test loads combining X-ray computed tomography and finite element simulations / H. Ronkainen, T. Harjupatana, A. Miettinen, V. Balobanov, M. Venäläinen, A. Harju, V. Möttönen, S. Fortino // Journal of Materials Science. – 2026. – Vol. 61, No. 6. – P. 4345-4373. – DOIhttps://doi.org/10.1007/s10853-025-12141-5.
