第七讲 木材干燥的应力应变

第七讲木材干燥应力（stress）与应变（strain）(P64)木材干燥应力产生的原因及分类木材内外层干缩不一致引起的应力与变形的产生与发展过程由木材各向异性引起的变形木材干燥应力的消除木材干燥应力与变形的测试方法应变理论的新发展一、木材干燥应力产生的原因及分类1.原因：厚度方向上含水率不均匀木材是弹塑性体、各向异性体2.分类：含水率应力(或弹性应力)、残余应力、附加应力含水率应力：由于含水率分布不均匀而引起板材断面上各个区域的不均匀干缩所引起的应力和变形，含水率均匀（平衡）后，应力和变形随着消失，这种应力叫含水率应力；这种变形叫含水率变形。残余应力：木材具有塑性，在含水率应力与变形持续期间，在热湿作用下，木材的外层或内层发生塑化变形，使得在含水率分布均匀后，塑化变形的部分不能恢复原来的尺寸，也不能达到应当干缩的尺寸，并且保持着一部分应力。这种应力叫残余应力，这种变形叫残余变形。附加应力：木材由于构造上的各向异性，弦向干缩与径向干缩的不同而引起的应力。二、木材内外层干缩不一致引起的应力与变形的产生与发展过程1.关于应力产生与发展描述的几个假设：a.含水率梯度只在厚度方向上存在，即水分只沿着垂直树木轴线方向移动；b.同一厚度层面上含水率相同。2.应力的产生发展过程•⑴干燥的第一阶段（前期），M表层＜MFSP，而M内层＞MFSP。此阶段含水率的分布和试件收缩如下图：M=0SMpMfMHMb0b1b2b3b4•在干燥的第一阶段（前期）：∵M表层＜MFSP，而M内层＞MFSP，∴木材的表层收缩，内层不收缩；∴表层受到内层的扩张而产生拉应力（Tensilestress）；内层受到表层的压缩而产生压应力（Compressivestress）。•∵木材的横纹抗拉强度最弱，∴当表层的张应力超过横纹抗拉极限强度时，就产生表裂。•在应力和热湿作用下，表层和内层均产生塑性变形。表层即使没有内层的作用，也不能收缩到其自由收缩的位置。而内层也一样，若没有表层的作用，也不能恢复到原始的尺寸。M=0SMpMfMHM因为干燥初期木材横断面上，含水率降到纤维饱和点以下的区域较薄，相应受拉应力的区域较小，而受压应力的区域较大，且总拉力与总压力相平衡，所以，内部单位面积上的压应力较小，而表层单位面积上的拉应力相当大，且很快发展、达到最大拉应力，当该应力大于表层抗拉强度极限时，即产生裂纹。这也是干燥初期易产生表裂（Surfacecheck）的主要原因。⑵干燥第二阶段(中期)，M表层＜MFSP，M内层＜MFSP，M表层趋于MEMC。•此阶段含水率的分布和试件收缩如下图：M=0SMpMfMHMb0b3•在干燥第二阶段（中期）：∵表层的含水率向EMC趋近，水分蒸发速度降低，∴表层的收缩减小。∵在含水率梯度的作用下，内部的水分向表层移动，使内部的含水率也降到FSP以下，内层也开始收缩，∴内外层之间的相互作用减弱。•随着内层含水率的降低，收缩加剧，内外层之间的作用逐渐减小，直到某一时刻，内外层之间的作用为零，即内应力为零。•但此时木材总体的含水率仍然高于要求的终含水率，仍然存在含水率梯度，存在湿应力。⑶木材干燥的第三阶段（后期），M表层已接近MEMC，M内层也向MEMC趋近。此阶段木材断面含水率分布及收缩如图：b0b2b1b3M=0SMpMfMHM•在干燥第三阶段（后期）：表层含水率几乎与EMC相等，而内层含水率也接近EMC。•表层的收缩基本结束，由于含水率的降低以及在前一阶段内层的作用使得表层的塑性变形在此被固定，即表面硬化（塑化固定），而内层却仍然在收缩。•这样，表层不收缩反而受到内层收缩而导致的压缩，产生了压应力；而内层要收缩，却受到表层的牵制，产生了拉应力。•当内层的拉应力超过横纹抗拉极限强度时，会产生内裂。•内裂主要由干燥前期（Theearlystageofdrying）的严重塑化固定引起。M=0SMpMfMHM外层存在拉伸应力，内层存在压缩应力内层存在拉伸应力，外层存在压缩应力木材内部不存在应力齿向外弯齿向内弯齿保持不变表层的拉伸塑化固定越严重，两齿应力试片向内弯曲程度越大。⒊应力形成过程在干燥曲线上的表示•干燥曲线及对应的表层应力曲线如下图：MMfMpMc△MMMs01234aσ0σnσB压应力拉应力Mc：中心层含水率Ms：表层含水率M：平均吸湿含水率△M：含水率梯度σ0：残余应力σn：总应力σB：湿应力4.木材干燥应力的消除方法是在适当的时候进行适当的调湿处理。根据处理阶段和处理作用的不同，调湿处理可分为预热处理、中间处理、平衡处理和终了处理四种。预热处理(初期处理):过程：首先使介质温度升高到45～55℃，并维持0.5～1h，使干燥室内的壳体表面和主要设备部件及木材表面加热，避免在后续的高温、高湿的工作状态下在这些固体表面上产生冷凝水。然后通过喷蒸，或喷蒸与加热相结合，使温、湿度同时升高到要求的介质状态，并保持一定的时间，让木材热透。工艺：温度：硬阔叶树材预热温度可高5℃；软阔叶树材及厚度60mm以上的针叶树材，预热温度可高8℃；厚度60mm以下的针叶树锯材，预热温度可高10℃。湿度：一般M初＞25%时，φ=98～100﹪；M初＜25%，φ=90～92%，或介质EMC略高于M初。时间：应使木材中心温度不低于规定的介质温度3℃为准。中间处理工艺：温度：干球温度比当时干燥阶段的温度高8～10℃，但干球温度最高不超过100℃。湿度：近似地控制干湿球温度差为2～3℃。时间：因锯材的树种、厚度和应力的严重程度而异，可参考相关表，也可近似地凭经验估计：针叶材和软阔叶材厚板，以及厚度不超过50mm厚的硬阔叶材，中间处理时间为1h/1cm厚；厚度超过60mm的硬阔叶材和落叶松，为1.5～2h/1cm厚，材质硬的和厚度大的，处理时间应相对长些。树种材厚，mm25304050607080红松、樟子松、马尾松、云南松、云杉、冷杉、杉木、柳杉、铁杉、陆均松、竹叶松、毛白杨、山杨、沙兰杨、椴木、石梓、木莲23～66～9*10～15*平衡处理工艺：温度：可以比基准最后阶段高5～8℃，但干球温度最高不超过100℃。湿度：按介质平衡含水率值比锯材终含水率低2％来决定。时间：与锯材初含水率状况的不均匀程度、干燥室的干燥均匀性、含水率检验板在材堆中的位置，以及树种、厚度和干燥质量要求等诸多因素有关，不能硬性规定，应以含水率最高的样板和室内干燥速度较慢的部位的含水率及锯材沿厚度上的含水率偏差都能达到要求的终含水率允许偏差的范围内为准。若不能对这些部位和样板进行检测，可凭经验，按每1cm厚度维持2～6h估计，并在室干结束后进行检验，以便总结、修正。一般控制在16～24h。终了处理工艺：温度：比基准最后阶段高5～8℃，或保持平衡处理时的温度。湿度：按介质状态的平衡含水率比锯材终含水率高4％来决定。时间：与树种、厚度、基准软硬程度、有无进行中间处理和平衡处理，以及干燥质量要求等因素有关。可参考表，也可按树种和厚度近似地估计：针叶材和软阔叶材厚度小于60mm时，处理1h/10mm厚，厚度大于60mm时，处理1.5h/10mm厚。中等硬度的阔叶材和落叶松薄板，处理1h/10mm厚，中、厚板，处理1.5～3h/10mm厚，锯材越厚处理时间越长。对于硬阔叶材，处理2～5h/10mm厚，处理时间随材质的硬度和锯材的厚度而增加。三、木材干燥应力与变形的测试方法(P137)切片法、薄片法、瓦弯法、应力测定仪法、电测法、声发射法、计算法、非接触在线测定法、激光法、耐高温高湿传感器法（耐高温高湿应变片法）等切片法切片法是在50年代由美国的J.M.McMillen和原苏联的Уголёв等人提出和应用的。基本原理是在木材弹性范围内应力和应变成正比：σ＝Eε具体方法是：在应力检验板上沿纤维方向截取长度为1～2cm的试验片。按要求沿宽度方向劈成5～10个薄片。用准确度0.1的卡尺测量每个薄片的长度（即锯材宽度）和变形稳定后的挠度。然后根据梳齿变形的程度来判断、确定和计算锯材中是否存在应力、应力的类型和大小。图6.13应力切片的制作与分析（1）划线（2）切片后（3）变形挠度测量图6.13应力切片的制作与分析（1）划线（2）切片后（3）变形挠度测量应力切片的制作（1）划线（2）切片后（3）变形挠度测量统一规定切片的厚度为7mm%100Lfy弹性应力指标残余应力指标：应力试片切取后，室温下置于通风处气干24h以上，或在70～100℃的恒温箱内烘干2～3h，使其含水率分布均衡，然后再按上述方法测其应力指数。薄片法薄片法也是在50年代由美国的J.M.McMillen等人提出和应用的。具体方法是：在被干锯材上沿纤维方向截取长度为1～2cm的试验片。然后再将此试验片沿着厚度方向锯成5～10块薄片，并测定每块薄片的长度。按照锯割前后薄片长度的增缩情况确定木材内部应力的类型和变形量。应变测定仪法1959年苏联学者B.H.乌戈列夫提出了利用相对形变测定木材干燥应力的方法。具体方法是：a.在应力检验板上沿着纤维方向依次截取一定长度的相对变形和弹性模量试验片各一块，根据试验片的厚度将其分成若干层；b.用相对形变装置分别测定相对变形试验片中各层试片的初始长度。然后按照所划分的层数和每层高度，将试验片锯割或劈开，用模具将锯割或劈开的各层试片夹直，再次测量变形后各层试片的长度；c.按照所划分的层数和每层高度，将弹性模量试验片锯割，用弹性模量测定装置分别对各层试片进行弹性模量测试；d.采用下面公式对各层试片测试结果进行计算。021/)(lllfbhplE3364/11E瓦弯法瓦弯法是70年代初由日本学者西尾茂提出的。它根据试验片在干燥过程中挠度的变化情况判断木材内部承受应力的状态。具体方法是：从被干木材中沿着纤维方向截取长度为3cm的试验片，然后在其厚度方向上一分为二。除了锯割前的板面以外，对其余各面进行密封处理。按照试验片的挠曲度推测木材内部应力的变化情况。瓦弯法的优点是不要求特殊的装置，因而便于在干燥现场检测应力变化情况。其缺点是试验片在干燥过程中的翘曲挠度及其内部的应力状态与实际情况有一定的差异。声发射(AE，AcousticEmission)法早在1964年，许多学者就开始探讨利用声发射技术监测干燥过程中木材应力变化的可能性。然而，直到1980年才开始进行这项研究工作。AE法的基本原理是根据测量干燥时木材释放的应变能而产生的弹性波的大小和频率来判断木材干燥应力的状况，从而确定干燥缺陷(裂纹)的变化程度。具体方法是：将若干个谐振压电式传感器贴在被干木材表面，由传感器接收的弹性波经过滤波后输入监测仪表或微机。根据单位时间内声发射次数或频率分析确定干燥应力状况。国外已将AE检测应用于木材抗弯强度的无损伤自动检测系统、刀具磨损自动检测系统及木材加工质量自动控制系统等。由于木材种类、尺寸及干燥环境对AE信号都会产生影响，到目前为止声发射法还不成熟，研究工作还在继续。五、应变理论的新发展新的应变理论认为，木材干燥时的总应变由干缩应变、弹性应变、黏弹性蠕变应变和机械吸附蠕变应变组成。干缩应变是与木材含水率有关的木材固有特性；弹性应变；黏弹性蠕变应变与干燥时间有关，随着时间的延续而增加，是可恢复的应变（应力消除后，随着时间的延长该应变缓慢恢复）；机械吸附蠕变应变是永久的残余应变，其与木材含水率及温度有关。新的应变理论也采用切片法来测定木材干燥时的应变：a先测定刨光的湿材应力板宽度，即试条初始长度L0；b干燥过程中定时取出应力板，截应力试片，画分层线，测定锯开前各层长度L1；c沿线将各层锯开，测定锯开后各层长度L2；d将锯开的试条放在室内气干，至含水率稳定后，测长度L3；e试条基本（自由）干缩长度L4，是干燥前在同一块样板上截取薄试片，缓慢气干后，再缓慢烘至全干的长度。是无约束的干缩，也是最大干缩。试条的长度变化如图。总应变MCEST010LLLS021LLLE032LLLC043LLLM胡克弹性体牛顿阻尼器马克斯韦模型MaxwellBod