木工基础知识——木材篇
发布时间: 2013-09-23 18:53:53
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木工基础知识——木材篇
写在前面的话：有很多喜欢木工的朋友都希望我能发些对初学者有用的基础知识，无奈一直琐事缠身，觉得很对不住大家，今天终于下定决心做一个关于木工知识的专题，希望能对大家有用。
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本贴只针对于木材，每天都会尽量不定时更新，以后会有不同专题。
关于木材
一、物理特性
木材是由树木中沿着主干、分支以及树枝方向生长的各种细胞组成的，而这些细胞基本上都是由纤维素构成的，它们通过一种叫木质素的物质粘在一起。
你可以将一块木头想象成用胶水粘在一起的一束秸杆。这些粘在一起的秸杆很难被拦腰折断，将它们彼此分开相对容易些。这就是为什么木材更容易沿着纹理而不是横向于纹理开裂。
从一棵树的横截面能看到其不同的生长特征。
最外面的是树皮，其中最靠外的树皮可以保护树林免遭动物和自然环境的破坏和磨损；而靠里的树皮则负责将树叶通过光合作用产生的营养物质运输到一层名为“形成层”的很薄的活细胞中。
所有树木的生长都发生在形成层。形成层的细胞朝外生长形成新树皮，朝里生长就变成了新木材。每年形成层都会朝里长生一个新的边材外圈，它的主要作用是将水分从树根运送到树的上部。随着细胞不断生长，边材的最里层会渐渐推动运输水分的能力，慢慢变硬成为心材，也就是树干中部颜色较深的部分。而树干的中心部分叫作髓心。
在大多数气候条件下，树林在春天的生长速度比夏天要快。在同一个年轮内，这一现象具体体现在密度和颜色的变化上。每个年轮靠里面的部分叫作春材，在春天树木生长旺盛时形成，它们的细胞比夏天生长出来的夏材要大，而且颜色也不一样。
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（1月26日）
木材的特性之一：水和木材
由于木材的细胞壁由类海绵物质组成，它们能够迅速吸收水汽。即使是一块“干”的木材，比如餐桌的表面，也会根据屋内的湿度吸收或者释放水分。虽然细胞壁会根据周围的温度收缩或者膨胀，但这种变化只体现在木材的厚度上，对长度没什么影响。这就是为什么随着湿度的增加，桌面会变厚而不会变长。
木材在尺寸上的变动致使千百年以来木匠们一直面临着一个必须解决的问题：如何以特殊的技术把木材永久地接合在一起？这些技术统称为“接合技术”，在以后我们会提到。
使木材变干。当那些木材还是活着的树木时，它们含有两种类型的水：自由水和结合水。自由水就是能够通过中空细胞自由流动的水，而结合水是细胞壁吸收的水分。一棵树，其自由水和结合水的总重量能超过木材本身的重量。烘干后用来做家具的木材里面一般没有自由水，结合水含量也只有6%-8%.
要去除所有的自由水和大部分的结合水，不是简单地把木材放在外面自然晾干就可以了，因为木材在这个过程中会收缩，这种自然的收缩会使木材开裂。
试想，一段刚伐下来的原木放在地上，水分从树皮和刚暴露出来的端面处不断蒸发。外圈的木材变干后，自然会收缩变小，但是里面的木材还没有怎么失水，依然保持原有的尺寸。结果，外圈的纤维收缩，绷得越来越紧，最终开裂，导致木材产生从外向里的径向裂纹。同理，端面的水分蒸发引起它的收缩，但它内部潮湿的部分不会收缩，并会给靠外的部分一个保持原状的张力。这样下去会怎么样？结果就是，原木的端面裂开以释放这个张力。
一段刚伐下来的原木如果任其自然干燥，产出无裂痕木板的概率就会降低。解决的方法是将刚伐下来的原木锯成厚木板，然后用油漆或者蜡封住木板的端面。厚木板堆放时应该用小木块间隔开，这些垫块能使木板之间的空气自由流通；同时，应避免阳光直射和极度干燥的环境，这个过程叫作风干。一般情况下，1英寸（2.45cm）厚的板子需要风干1年。
木材公司当然耗不起那么长的时间让木材在仓库里慢慢自然风干，所以他们使用干燥窑快速去除水分。板材用垫块间隔开，分层堆放在干燥窑内。窑内流动着温暖湿润的空气，空气的湿度会逐渐降低，每次调整时空气的湿度都必须保持在比木材的湿度稍微低一点儿的程度。这种逐步降低湿度的干燥方法叫作窑干。如果操作正确的话，这样是不会使木材开裂的。
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（1月27日）
木材特性之二：长纹理和端面纹理
为了理解长纹理和端面纹理的含义，我们再一次运用那个把木板比作一束用胶水粘起来的秸杆的比喻。木板的表面，相当于我们能看到的外围的秸杆，呈现的是“长纹理”（或者叫“边纹理”）。木板的两端，相当于我们能看到的秸杆开放的横截面，呈现的是“端面端面纹理”。
理解长纹理和端面纹理的不同，在我们胶合木材的时候非常重要。将两块木板边对边胶合在一起（长纹理胶合）可以看作用人造胶水代替木质素把木板中的“秸杆”重新粘起来，因此是非常牢固的。要知道，现代的胶水可比木质素粘得紧。而端面纹理就显得不那么可靠了，那些多孔的易吸水的细胞会吸收胶合处的胶水，这样就自然没有什么黏着性可言了。
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木材的特性之三：径向形变和切向形变
当木材收缩或者膨胀时，它在每个方向上形变的程度是不一样的。如图：
{*木材会随着湿度的增大而膨胀，随着湿度的减小而收缩。但每个方向上的形变程度是不一样的。切向形变（或多或少地平等于年轮）大于径向形变（垂直于年轮），纵向形变（沿着纹理）一般最小，基本可以忽略不计。}
在硬木（如樱桃木、枫木等）中，一般垂直于年轮的形变（径向形变）程度大概是平等于年轮的形变（切向形变）程度的一半。认识到这一点很重要。一个圆榫会随着内部水分的改变而变成椭圆形，一块弦切的板子有可能变成杯形。
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（1月29日）
木材的特性之四：杯形形变、弓形形变和扭曲
在形状上，木材有三种形变：杯形形变、弓形形变和扭曲。
杯形形变是指在宽度方向的曲线形变，而弓形形变是沿着长度方向的曲线形变，至于扭曲则是沿着长度方向的螺旋状形变。
除了湿度的变化，木材的“记忆能力”和内应力也是木材发生形变的重要原因。木材具有“记忆能力”，一块经过烘蒸变弯的木板，即使已经干透了，当周围的湿度增加时，它内部的纤维仍然会努力恢复它们原来的状态。这就像一块干巴巴、皱巴巴的清洁海绵被丢进洗碗水后，会恢复成原来那种平整、方正的形状。当弯曲的纤维重新吸水膨胀时，它们将促使木材变回原来的笔直模样。好的曲木家具应该通过各种工艺来锁定它的每一个弯曲部分，以抵抗木材本身的“记忆能力”。
内应力是由树木具体的生长情况或木材变干的方式决定的。当你在台锯上沿着板材的长度方向锯切（直切）木板时，锯出来的两边有时彼此并不平行：它们要么往一起挤，夹住锯片，要么向两边分开。导致这种情况的原因可能是，当从板子上裁去一些木料之后，木材内部的生长应力变得不均衡，它需要通过形变来达到受力平衡。当然，烘干不当或者木材内部湿度不均匀也会造成这种现象。
之所以会发生扭曲，是因为许多树在生长时本身就有一点儿螺旋式生长的倾向。被加工成平板的木材，由于被切掉了部分木料或者内部温度波动，其内部的平衡会发生变化，这时它就倾向于在一定程度上恢复扭曲的状态。
从一块板材的表面切掉一些木料，会导致它产生杯形形变、弓形形变和扭曲，因为原有的应力平衡被打破了。大多数时候，只有当你去掉的木料厚度超过1/8 in（0.32cm）时，这些变化才能被发觉。
如果板子的一面受潮了，这一面就会膨胀，使板子背向受潮面形成杯状弯曲。这种形变可以在把板子内侧也弄湿或者将板子外侧烘干之后消失。
一块硬木板材经过烘干并平整定形后，一般不会发生弓形形变或扭曲。但是，发生杯形形变的危险还是有的。
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（1月30日）
二、木材的类型
木材有许多种类，但总的分为两大类——硬木和软木。通常来说，硬木产自落叶类树木，软木则大多来自松柏科树木。
家具制作者通常更加青睐硬木。它们结实，形变量少，纹理形状多种多样，颜色丰富，光洁度好，切起来更干净，残留在台锯和电刨刀片上的木屑也更少。
而软木，如冷杉、松木、云杉和红杉等，在建筑中用得比较多，比如做框架、修缮用料、家装材料等。一般来讲，硬木的硬度要比软木大，但也有例外，比如有一种南方松木，其密度和硬度就比发球硬木的椴木要大。
硬件木在世界各地均有分布。人们根据颜色、密度、多孔性和纹理等参数来区分不同的种类。有的家具制作者好像更喜欢优雅或者华丽的进口硬木，比如非洲红木、紫芯木、细孔绿心樟木、红木、柚木、桃花心木和黑檀木等。
大多数人之所以选择国产的硬木，是因为它们取材方便、价格合理、易于加工，而且有丰富的颜色、纹理和形状，能满足人们的各种设计需求。当使用进口木材时，你必须考虑它们的可持续性，如果是很难长的树，你还要计算取材的生态成本。
而且，吸入或者接触某些进口硬木的木屑可能引起身体的不适，严重者可能导致产生过敏反应，甚至带来生命危险。
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原木的加工
当一个木工把一根原木放在锯木机上时，他有很多选择。如果需要实心板材，他可以把原木锯成平等于木材圆形表面的切面的弦切板（也叫平切板），也可以锯成垂直于木材表面的径要板，或者与木材表面呈30-60度角的斜切板。
弦切板的标志是其端面纹理中的弧形纹和表面纹理中的火焰纹。径切板的特点是其端面纹理中有相互平行的垂直于表面的条纹以及表面纹理中有平行的直线纹。斜切板与径切板类似，唯一的区别就是其端面纹理中的线条并不垂直于板材表面，而是斜的。
弦切板比径切板和斜切板更容易发生弯曲，因为它的两面要承受同时来自径向和切向两个方向的不平衡的力。然而，径切板和斜切板的加工成本要比弦切板高，且木料的利用率低。鉴于这些原因，在木材场见得最多的还是弦切板。
上图展示了两种不同的加工原木的方法，即弦切和径切。你也许会问，锯弦切板时从一边开始一直平等锯到底岂不是更好？实际上每棵树的中央部分都是不能用的，因为有髓心和密集的节疤。所以，想把用来做家具的原木加工成弦切板的方法是，从四个边分别开始锯原木，以避开原木的中心，具体见图示。
锯原木时还要决定将木板锯到多厚。一般情况下，卖给木材场所的木板厚度是1-2in(2.54-5.08cm)。不过，考虑到木板最终达到所需厚度，在从原木上把它们锯焉时要在厚度上多留一些量。
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2月7日内容
2、薄板
大量的木材需要被切割成均匀的1/8~1/100 In（0.32~0.03CM)厚的薄板，一般商用薄板的 标准厚度为1/36~1/42 in(0.07~0.06CM)，而且现在有越来越薄的趋势。
薄板在 工业上的用途主要是制造合成板和其他板状产品。家具制作者用薄板来制作桌子和橱柜等家具的表面，或者通过层压技术制作弯曲的形状。
薄板可以通过平切或旋转切得到，如图
旋转切得到的薄板多用于建筑施工，它们的表面会有很多不规则的木纹。家具制作者更钟爱平切的薄板，因为它们看起来像弦切实木板或者径切实木板。平切薄板一般按照其被切下的顺序堆砌起来作为一个整体出售，因此家具制作者能利用这些薄板在纹理和颜色上的搭配进行一些设计。
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3、合成板和人造板
世界上的大多数木材都被做成了合成板和人造板。尽管合成板的概念早在数千年前就已被提出，但直到第二次世界大战时期高质量脱水产生并 发展了，它才被付诸实施。合成板由多张薄板层叠而成，且相邻两块薄板的纹理方向彼此垂直。如图：
这样一来，合成板中每一张薄板的长纹理都能起到防止毗邻木板横向收缩的作用，从而维持整块合成板形状的稳定性。合成板的另外一个优点是由于它的纹理比较复杂，它不像实木那样容易开裂。
尽管本书中所有的练习都没有用到合成板，但不得不承认，在大多数情况下，合成板是合理的甚至是理想的木工材料，尤其是在制作家具时。
做家具用的合成板可以通过厚度、质量以及内部的薄板种类来加以区分。零售的用于做橱柜的桦合成板是由外层的 桦木薄板黏附在较厚的白杨木基层上制成的，厚度从1/8~3/4in(0.32~1.91cm)不等，是一种结实可靠的板材。
还有一些合成板，它们厚度不一，外层是较好的硬木薄板，中间的基层是桦木、白杨木或密度板。1/4in(0.64)厚、表面是硬木的合成板来做抽屉的底板和橱柜的背板。薄一点儿的合成板（1/8In）和富有弹性的可弯曲的合成板可以用来做有曲度的形状。
人造板是用胶水把各种木头碎屑和颗粒粘起来定型之后得到的。人造板有很多名字，比如刨花板、密度板、碎料板、纤维板等，它们的用途与合成板差不多。
人造板多种多样，区别在于用来合成的木屑的大小，以有它们被挤压的程度。众多的缺点并不影响它们极高的使用率，它们被广泛地用来做模型甚至是精美的贴面家具，因为它们便宜、稳定、光滑、密度高。
下次内容：买木材
（本文节选自《彼得科恩木工基础》）