Mode I fracture behaviour of Norway spruce and silver birch in the radial-tangential and tangential-radial crack orientations

Suhteessa painoonsa puu on hyvin lujaa, mutta vain syyn suunnassa. Puussa on aina säröjä, jotka alentavat jo ennestään alhaista vetolujuutta kohtisuoraan syyn suuntaa vastaan. Lisäksi säröjen kärkiin syntyy jännityshuippuja. Rakenteita suunniteltaessa säröjen aiheuttama murtuminen voidaan välttää soveltamalla murtumismekaniikkaa, mutta tällöin puun murtokäyttäytyminen on tunnettava. Puussa särön kärjen läheisyyteen kehittyy prosessivyöhyke. Tutkimalla prosessivyöhykettä materiaalin makroskooppinen sitkeys voidaan yhdistää sen mikrorakenteeseen. Prosessivyöhykkeestä tiedetään kuitenkin suhteellisen vähän. Lisäksi kosteuspitoisuuden ja lämpötilan vaikutukset käsittelemättömän ja lämpökäsitellyn puun murtokäyttäytymiseen pitäisi ymmärtää paremmin. Väitöskirjatyön päätavoitteena oli tutkia puun solurakenteen, lämpötilan ja kosteuspitoisuuden vaikutuksia koivun, kuusen ja lämpökäsitellyn kuusen murtokäyttäytymiseen radiaali-tangentiaali (RT) ja tangentiaali-radiaali (TR) -suunnissa. Työssä havaittiin, että sekä kosteuspitoisuus että lämpötila muuttavat sekä koivun että kuusen murtokäyttäytymistä. Kaikissa koestusolosuhteissa molempien mitattujen murtumismekaanisten parametrien arvot olivat RT-suunnassa suuremmat kuin TR-suunnassa. Kohonnut lämpötila ja kosteuspitoisuus eivät vaikuttaneet murtotapaan lukuun ottamatta kuusta RT-suunnassa. Lämpökäsittely muutti kuusen murtokäyttäytymistä. Materiaali muuttuu sitä hauraammaksi, mitä korkeampi käsittelylämpötila oli. Lämpökäsittely muutti kuusen murtokäyttäytymistä enemmän RT- kuin TR-suunnassa. Lämpökäsittelyn seurauksena murtotapa muuttui TR-suunnassa, mutta RT-suunnassa lämpökäsitellyn kuusen murtotapa erosi käsittelemättömästä kuusesta vain kosteuspitoisuuden ja lämpötilan ollessa korkeita. Kun siirtymiä särön kärjen läheisyydessä analysoitiin, havaittiin että sekä kosteuspitoisuus että solurakenne vaikuttivat prosessialueen kokoon. Sekä kuusen että koivun kohdalla RT-suunnassa 'fictitious crack' -malli (FCM) yliarvioi prosessialueen koon, kun taas lineaariseen murtumismekaniikkaan perustuva malli aliarvioi prosessialueen koon. Särön kärjen läheisyydessä olevia siirtymiä yksityiskohtaisemmin analysoitaessa havaittiin, että suuret siirtymät aiheutuivat mikrosäröjen synnystä ilmakuivassa koivussa ja kuusessa RT-suunnassa. Tuoreessa puussa mikrosäröjä oli vähemmän. Näiden havaintojen perusteella mikrosäröjen syntyä voidaan pitää pääasiallisena sitkistävänä mekanismina kuusessa ja koivussa RT-suunnassa. Väitöstutkimus tarjoaa uutta tietoa koivun, kuusen ja lämpökäsitellyn kuusen murtokäyttäytymisestä, sekä siitä, miten lämpötila ja kosteuspitoisuus vaikuttavat siihen.