第七講 木材干燥的應(yīng)力應(yīng)變

第七講木材干燥應(yīng)力（stress）與應(yīng)變（strain）(P64)木材干燥應(yīng)力產(chǎn)生的原因及分類木材內(nèi)外層干縮不一致引起的應(yīng)力與變形的產(chǎn)生與發(fā)展過(guò)程由木材各向異性引起的變形木材干燥應(yīng)力的消除木材干燥應(yīng)力與變形的測(cè)試方法應(yīng)變理論的新發(fā)展一、木材干燥應(yīng)力產(chǎn)生的原因及分類

1.原因：厚度方向上含水率不均勻木材是彈塑性體、各向異性體

2.分類：含水率應(yīng)力(或彈性應(yīng)力)、殘余應(yīng)力、附加應(yīng)力

含水率應(yīng)力：由于含水率分布不均勻而引起板材斷面上各個(gè)區(qū)域的不均勻干縮所引起的應(yīng)力和變形，含水率均勻（平衡）后，應(yīng)力和變形隨著消失，這種應(yīng)力叫含水率應(yīng)力；這種變形叫含水率變形。

殘余應(yīng)力：木材具有塑性，在含水率應(yīng)力與變形持續(xù)期間，在熱濕作用下，木材的外層或內(nèi)層發(fā)生塑化變形，使得在含水率分布均勻后，塑化變形的部分不能恢復(fù)原來(lái)的尺寸，也不能達(dá)到應(yīng)當(dāng)干縮的尺寸，并且保持著一部分應(yīng)力。這種應(yīng)力叫殘余應(yīng)力，這種變形叫殘余變形。

附加應(yīng)力：木材由于構(gòu)造上的各向異性，弦向干縮與徑向干縮的不同而引起的應(yīng)力。二、木材內(nèi)外層干縮不一致引起的應(yīng)力與

變形的產(chǎn)生與發(fā)展過(guò)程

1.關(guān)于應(yīng)力產(chǎn)生與發(fā)展描述的幾個(gè)假設(shè)：

a.含水率梯度只在厚度方向上存在，即

水分只沿著垂直樹木軸線方向移動(dòng)；

b.同一厚度層面上含水率相同。2.應(yīng)力的產(chǎn)生發(fā)展過(guò)程⑴干燥的第一階段（前期），M表層＜M

FSP，而M內(nèi)層＞MFSP

。此階段含水率的分布和試件收縮如下圖：M=0SMpMfMHMb0b1b2b3b4在干燥的第一階段（前期）：∵M(jìn)表層＜M

FSP，而M內(nèi)層＞MFSP，∴木材的表層收縮，內(nèi)層不收縮；∴表層受到內(nèi)層的擴(kuò)張而產(chǎn)生拉應(yīng)力（Tensilestress）；

內(nèi)層受到表層的壓縮而產(chǎn)生壓應(yīng)力（Compressivestress）?！吣静牡臋M紋抗拉強(qiáng)度最弱，∴當(dāng)表層的張應(yīng)力超過(guò)橫紋抗拉極限強(qiáng)度時(shí)，就產(chǎn)生表裂。在應(yīng)力和熱濕作用下，表層和內(nèi)層均產(chǎn)生塑性變形。表層即使沒(méi)有內(nèi)層的作用，也不能收縮到其自由收縮的位置。而內(nèi)層也一樣，若沒(méi)有表層的作用，也不能恢復(fù)到原始的尺寸。M=0SMpMfMHM

因?yàn)楦稍锍跗谀静臋M斷面上，含水率降到纖維飽和點(diǎn)以下的區(qū)域較薄，相應(yīng)受拉應(yīng)力的區(qū)域較小，而受壓應(yīng)力的區(qū)域較大，且總拉力與總壓力相平衡，所以，內(nèi)部單位面積上的壓應(yīng)力較小，而表層單位面積上的拉應(yīng)力相當(dāng)大，且很快發(fā)展、達(dá)到最大拉應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力大于表層抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，即產(chǎn)生裂紋。這也是干燥初期易產(chǎn)生表裂（Surfacecheck）的主要原因。⑵干燥第二階段(中期)，M表層＜MFSP，

M內(nèi)層＜M

FSP，M表層趨于MEMC。此階段含水率的分布和試件收縮如下圖：M=0SMpMfMHMb0b3在干燥第二階段（中期）：∵表層的含水率向EMC趨近，水分蒸發(fā)速度降低，∴表層的收縮減小?！咴诤侍荻鹊淖饔孟拢瑑?nèi)部的水分向表層移動(dòng)，使內(nèi)部的含水率也降到FSP以下，內(nèi)層也開始收縮，∴內(nèi)外層之間的相互作用減弱。隨著內(nèi)層含水率的降低，收縮加劇，內(nèi)外層之間的作用逐漸減小，直到某一時(shí)刻，內(nèi)外層之間的作用為零，即內(nèi)應(yīng)力為零。但此時(shí)木材總體的含水率仍然高于要求的終含水率，仍然存在含水率梯度，存在濕應(yīng)力。⑶木材干燥的第三階段（后期），M表層已接近MEMC

，M內(nèi)層也向MEMC趨近。此階段木材斷面含水率分布及收縮如圖：b0b2b1b3M=0SMpMfMHM在干燥第三階段（后期）：

表層含水率幾乎與EMC相等，而內(nèi)層含水率也接近EMC。表層的收縮基本結(jié)束，由于含水率的降低以及在前一階段內(nèi)層的作用使得表層的塑性變形在此被固定，即表面硬化（塑化固定），而內(nèi)層卻仍然在收縮。這樣，表層不收縮反而受到內(nèi)層收縮而導(dǎo)致的壓縮，產(chǎn)生了壓應(yīng)力；而內(nèi)層要收縮，卻受到表層的牽制，產(chǎn)生了拉應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)層的拉應(yīng)力超過(guò)橫紋抗拉極限強(qiáng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)裂。內(nèi)裂主要由干燥前期（Theearlystageofdrying）的嚴(yán)重塑化固定引起。

M=0SMpMfMHM外層存在拉伸應(yīng)力，內(nèi)層存在壓縮應(yīng)力內(nèi)層存在拉伸應(yīng)力，外層存在壓縮應(yīng)力木材內(nèi)部不存在應(yīng)力齒向外彎齒向內(nèi)彎齒保持不變表層的拉伸塑化固定越嚴(yán)重，兩齒應(yīng)力試片向內(nèi)彎曲程度越大。

⒊應(yīng)力形成過(guò)程在干燥曲線上的表示干燥曲線及對(duì)應(yīng)的表層應(yīng)力曲線如下圖：MMfMpMc△MMMs01234aσ0σnσB壓應(yīng)力拉應(yīng)力Mc：中心層含水率Ms：表層含水率M：平均吸濕含水率△M：含水率梯度σ0：殘余應(yīng)力σn：總應(yīng)力σB：濕應(yīng)力4.木材干燥應(yīng)力的消除方法是在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)濕處理。根據(jù)處理階段和處理作用的不同，調(diào)濕處理可分為預(yù)熱處理、中間處理、平衡處理和終了處理四種。預(yù)熱處理(初期處理):過(guò)程：首先使介質(zhì)溫度升高到45～55℃，并維持0.5～1h，使干燥室內(nèi)的殼體表面和主要設(shè)備部件及木材表面加熱，避免在后續(xù)的高溫、高濕的工作狀態(tài)下在這些固體表面上產(chǎn)生冷凝水。然后通過(guò)噴蒸，或噴蒸與加熱相結(jié)合，使溫、濕度同時(shí)升高到要求的介質(zhì)狀態(tài)，并保持一定的時(shí)間，讓木材熱透。工藝：溫度：硬闊葉樹材預(yù)熱溫度可高5℃；軟闊葉樹材及厚度60mm以上的針葉樹材，預(yù)熱溫度可高8℃；厚度60mm以下的針葉樹鋸材，預(yù)熱溫度可高10℃。

濕度：一般M初＞25%時(shí)，φ=98～100﹪；M初＜25%，φ=90～92%，或介質(zhì)EMC略高于M初。時(shí)間：應(yīng)使木材中心溫度不低于規(guī)定的介質(zhì)溫度3℃為準(zhǔn)。中間處理工藝：溫度：干球溫度比當(dāng)時(shí)干燥階段的溫度高8～10℃，但干球溫度最高不超過(guò)100℃。

濕度：近似地控制干濕球溫度差為2～3℃。

時(shí)間：因鋸材的樹種、厚度和應(yīng)力的嚴(yán)重程度而異，可參考相關(guān)表，也可近似地憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)：針葉材和軟闊葉材厚板，以及厚度不超過(guò)50mm厚的硬闊葉材，中間處理時(shí)間為1h/1cm厚；厚度超過(guò)60mm的硬闊葉材和落葉松，為1.5～2h/1cm厚，材質(zhì)硬的和厚度大的，處理時(shí)間應(yīng)相對(duì)長(zhǎng)些。樹種材厚，mm25304050607080紅松、樟子松、馬尾松、云南松、云杉、冷杉、杉木、柳杉、鐵杉、陸均松、竹葉松、毛白楊、山楊、沙蘭楊、椴木、石梓、木蓮23～66～9*10～15*平衡處理工藝：溫度：可以比基準(zhǔn)最后階段高5～8℃，但干球溫度最高不超過(guò)100℃。

濕度：按介質(zhì)平衡含水率值比鋸材終含水率低2％來(lái)決定。

時(shí)間：與鋸材初含水率狀況的不均勻程度、干燥室的干燥均勻性、含水率檢驗(yàn)板在材堆中的位置，以及樹種、厚度和干燥質(zhì)量要求等諸多因素有關(guān)，不能硬性規(guī)定，應(yīng)以含水率最高的樣板和室內(nèi)干燥速度較慢的部位的含水率及鋸材沿厚度上的含水率偏差都能達(dá)到要求的終含水率允許偏差的范圍內(nèi)為準(zhǔn)。若不能對(duì)這些部位和樣板進(jìn)行檢測(cè)，可憑經(jīng)驗(yàn)，按每1cm厚度維持2～6h估計(jì)，并在室干結(jié)束后進(jìn)行檢驗(yàn)，以便總結(jié)、修正。一般控制在16～24h。終了處理工藝：溫度：比基準(zhǔn)最后階段高5～8℃，或保持平衡處理時(shí)的溫度。

濕度：按介質(zhì)狀態(tài)的平衡含水率比鋸材終含水率高4％來(lái)決定。

時(shí)間：與樹種、厚度、基準(zhǔn)軟硬程度、有無(wú)進(jìn)行中間處理和平衡處理，以及干燥質(zhì)量要求等因素有關(guān)。可參考表，也可按樹種和厚度近似地估計(jì)：針葉材和軟闊葉材厚度小于60mm時(shí)，處理1h/10mm厚，厚度大于60mm時(shí)，處理1.5h/10mm厚。中等硬度的闊葉材和落葉松薄板，處理1h/10mm厚，中、厚板，處理1.5～3h/10mm厚，鋸材越厚處理時(shí)間越長(zhǎng)。對(duì)于硬闊葉材，處理2～5h/10mm厚，處理時(shí)間隨材質(zhì)的硬度和鋸材的厚度而增加。三、木材干燥應(yīng)力與變形的測(cè)試方法(P137)切片法、薄片法、瓦彎法、應(yīng)力測(cè)定儀法、電測(cè)法、聲發(fā)射法、計(jì)算法、非接觸在線測(cè)定法、激光法、耐高溫高濕傳感器法（耐高溫高濕應(yīng)變片法）等切片法

切片法是在50年代由美國(guó)的J.M.McMillen和原蘇聯(lián)的Уголёв等人提出和應(yīng)用的。

基本原理是在木材彈性范圍內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變成正比：σ＝Eε

具體方法是：在應(yīng)力檢驗(yàn)板上沿纖維方向截取長(zhǎng)度為1～2cm的試驗(yàn)片。按要求沿寬度方向劈成5～10個(gè)薄片。用準(zhǔn)確度0.1的卡尺測(cè)量每個(gè)薄片的長(zhǎng)度（即鋸材寬度）和變形穩(wěn)定后的撓度。然后根據(jù)梳齒變形的程度來(lái)判斷、確定和計(jì)算鋸材中是否存在應(yīng)力、應(yīng)力的類型和大小。

應(yīng)力切片的制作（1）劃線（2）切片后（3）變形撓度測(cè)量

統(tǒng)一規(guī)定切片的厚度為7mm

彈性應(yīng)力指標(biāo)

殘余應(yīng)力指標(biāo)：應(yīng)力試片切取后，室溫下置于通風(fēng)處氣干24h以上，或在70～100℃的恒溫箱內(nèi)烘干2～3h，使其含水率分布均衡，然后再按上述方法測(cè)其應(yīng)力指數(shù)。

薄片法

薄片法也是在50年代由美國(guó)的J.M.McMillen等人提出和應(yīng)用的。

具體方法是：在被干鋸材上沿纖維方向截取長(zhǎng)度為1～2cm的試驗(yàn)片。然后再將此試驗(yàn)片沿著厚度方向鋸成5～10塊薄片，并測(cè)定每塊薄片的長(zhǎng)度。按照鋸割前后薄片長(zhǎng)度的增縮情況確定木材內(nèi)部應(yīng)力的類型和變形量。應(yīng)變測(cè)定儀法1959年蘇聯(lián)學(xué)者B.H.烏戈列夫提出了利用相對(duì)形變測(cè)定木材干燥應(yīng)力的方法。具體方法是：a.在應(yīng)力檢驗(yàn)板上沿著纖維方向依次截取一定長(zhǎng)度的相對(duì)變形和彈性模量試驗(yàn)片各一塊，根據(jù)試驗(yàn)片的厚度將其分成若干層；b.用相對(duì)形變裝置分別測(cè)定相對(duì)變形試驗(yàn)片中各層試片的初始長(zhǎng)度。然后按照所劃分的層數(shù)和每層高度，將試驗(yàn)片鋸割或劈開，用模具將鋸割或劈開的各層試片夾直，再次測(cè)量變形后各層試片的長(zhǎng)度；c.按照所劃分的層數(shù)和每層高度，將彈性模量試驗(yàn)片鋸割，用彈性模量測(cè)定裝置分別對(duì)各層試片進(jìn)行彈性模量測(cè)試；d.采用下面公式對(duì)各層試片測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。

瓦彎法

瓦彎法是70年代初由日本學(xué)者西尾茂提出的。它根據(jù)試驗(yàn)片在干燥過(guò)程中撓度的變化情況判斷木材內(nèi)部承受應(yīng)力的狀態(tài)。具體方法是：從被干木材中沿著纖維方向截取長(zhǎng)度為3cm的試驗(yàn)片，然后在其厚度方向上一分為二。除了鋸割前的板面以外，對(duì)其余各面進(jìn)行密封處理。按照試驗(yàn)片的撓曲度推測(cè)木材內(nèi)部應(yīng)力的變化情況。瓦彎法的優(yōu)點(diǎn)是不要求特殊的裝置，因而便于在干燥現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)力變化情況。其缺點(diǎn)是試驗(yàn)片在干燥過(guò)程中的翹曲撓度及其內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)際情況有一定的差異。聲發(fā)射(AE，AcousticEmission)法

早在1964年，許多學(xué)者就開始探討利用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)干燥過(guò)程中木材應(yīng)力變化的可能性。然而，直到1980年才開始進(jìn)行這項(xiàng)研究工作。AE法的基本原理是根據(jù)測(cè)量干燥時(shí)木材釋放的應(yīng)變能而產(chǎn)生的彈性波的大小和頻率來(lái)判斷木材干燥應(yīng)力的狀況，從而確定干燥缺陷(裂紋)的變化程度。具體方法是：將若干個(gè)諧振壓電式傳感器貼在被干木材表面，由傳感器接收的彈性波經(jīng)過(guò)濾波后輸入監(jiān)測(cè)儀表或微機(jī)。根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射次數(shù)或頻率分析確定干燥應(yīng)力狀況。國(guó)外已將AE檢測(cè)應(yīng)用于木材抗彎強(qiáng)度的無(wú)損傷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、刀具磨損自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)及木材加工質(zhì)量自動(dòng)控制系統(tǒng)等。由于木材種類、尺寸及干燥環(huán)境對(duì)AE信號(hào)都會(huì)產(chǎn)生影響，到目前為止聲發(fā)射法還不成熟，研究工作還在繼續(xù)。五、應(yīng)變理論的新發(fā)展新的應(yīng)變理論認(rèn)為，木材干燥時(shí)的總應(yīng)變由干縮應(yīng)變、彈性