木材干燥的應力應變

木材干燥的應力應變第1頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月一、木材干燥應力產生的原因及分類

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：含水率應力(或彈性應力)、殘余應力、附加應力

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

殘余應力：木材具有塑性，在含水率應力與變形持續(xù)期間，在熱濕作用下，木材的外層或內層發(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原來的尺寸，也不能達到應當干縮的尺寸，并且保持著一部分應力。這種應力叫殘余應力，這種變形叫殘余變形。

附加應力：木材由于構造上的各向異性，弦向干縮與徑向干縮的不同而引起的應力。第2頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月二、木材內外層干縮不一致引起的應力與變形的產生與發(fā)展過程

1.關于應力產生與發(fā)展描述的幾個假設：

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；

b.同一厚度層面上含水率相同。第3頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月2.應力的產生發(fā)展過程⑴干燥的第一階段（前期），M表層＜M

FSP，而M內層＞MFSP。此階段含水率的分布和試件收縮如下圖：M=0SMpMfMHMb0b1b2b3b4第4頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月在干燥的第一階段（前期）：∵M表層＜M

FSP，而M內層＞MFSP，∴木材的表層收縮，內層不收縮；∴表層受到內層的擴張而產生拉應力（Tensilestress）；內層受到表層的壓縮而產生壓應力（Compressivestress）?！吣静牡臋M紋抗拉強度最弱，∴當表層的張應力超過橫紋抗拉極限強度時，就產生表裂。在應力和熱濕作用下，表層和內層均產生塑性變形。表層即使沒有內層的作用，也不能收縮到其自由收縮的位置。而內層也一樣，若沒有表層的作用，也不能恢復到原始的尺寸。M=0SMpMfMHM第5頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月因為干燥初期木材橫斷面上，含水率降到纖維飽和點以下的區(qū)域較薄，相應受拉應力的區(qū)域較小，而受壓應力的區(qū)域較大，且總拉力與總壓力相平衡，所以，內部單位面積上的壓應力較小，而表層單位面積上的拉應力相當大，且很快發(fā)展、達到最大拉應力，當該應力大于表層抗拉強度極限時，即產生裂紋。這也是干燥初期易產生表裂（Surfacecheck）的主要原因。第6頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵干燥第二階段(中期)，M表層＜MFSP，

M內層＜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第7頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月在干燥第二階段（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?，內部的水分向表層移動，使內部的含水率也降到FSP以下，內層也開始收縮，∴內外層之間的相互作用減弱。隨著內層含水率的降低，收縮加劇，內外層之間的作用逐漸減小，直到某一時刻，內外層之間的作用為零，即內應力為零。但此時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，存在濕應力。第8頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶木材干燥的第三階段（后期），M表層已接近MEMC，M內層也向MEMC趨近。此階段木材斷面含水率分布及收縮如圖：b0b2b1b3M=0SMpMfMHM第9頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月在干燥第三階段（后期）：表層含水率幾乎與EMC相等，而內層含水率也接近EMC。表層的收縮基本結束，由于含水率的降低以及在前一階段內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），而內層卻仍然在收縮。這樣，表層不收縮反而受到內層收縮而導致的壓縮，產生了壓應力；而內層要收縮，卻受到表層的牽制，產生了拉應力。當內層的拉應力超過橫紋抗拉極限強度時，會產生內裂。內裂主要由干燥前期（Theearlystageofdrying）的嚴重塑化固定引起。

M=0SMpMfMHM第10頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月第11頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月外層存在拉伸應力，內層存在壓縮應力內層存在拉伸應力，外層存在壓縮應力木材內部不存在應力齒向外彎齒向內彎齒保持不變第12頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月表層的拉伸塑化固定越嚴重，兩齒應力試片向內彎曲程度越大。

第13頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月⒊應力形成過程在干燥曲線上的表示干燥曲線及對應的表層應力曲線如下圖：MMfMpMc△MMMs01234aσ0σnσB壓應力拉應力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：殘余應力σn：總應力σB：濕應力第15頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月4.木材干燥應力的消除方法是在適當?shù)臅r候進行適當?shù)恼{濕處理。根據(jù)處理階段和處理作用的不同，調濕處理可分為預熱處理、中間處理、平衡處理和終了處理四種。預熱處理(初期處理):過程：首先使介質溫度升高到45～55℃，并維持0.5～1h，使干燥室內的殼體表面和主要設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生冷凝水。然后通過噴蒸，或噴蒸與加熱相結合，使溫、濕度同時升高到要求的介質狀態(tài)，并保持一定的時間，讓木材熱透。工藝：溫度：硬闊葉樹材預熱溫度可高5℃；軟闊葉樹材及厚度60mm以上的針葉樹材，預熱溫度可高8℃；厚度60mm以下的針葉樹鋸材，預熱溫度可高10℃。濕度：一般M初＞25%時，φ=98～100﹪；M初＜25%，φ=90～92%，或介質EMC略高于M初。時間：應使木材中心溫度不低于規(guī)定的介質溫度3℃為準。第16頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月中間處理工藝：溫度：干球溫度比當時干燥階段的溫度高8～10℃，但干球溫度最高不超過100℃。

濕度：近似地控制干濕球溫度差為2～3℃。時間：因鋸材的樹種、厚度和應力的嚴重程度而異，可參考相關表，也可近似地憑經驗估計：針葉材和軟闊葉材厚板，以及厚度不超過50mm厚的硬闊葉材，中間處理時間為1h/1cm厚；厚度超過60mm的硬闊葉材和落葉松，為1.5～2h/1cm厚，材質硬的和厚度大的，處理時間應相對長些。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*第17頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月平衡處理工藝：溫度：可以比基準最后階段高5～8℃，但干球溫度最高不超過100℃。

濕度：按介質平衡含水率值比鋸材終含水率低2％來決定。時間：與鋸材初含水率狀況的不均勻程度、干燥室的干燥均勻性、含水率檢驗板在材堆中的位置，以及樹種、厚度和干燥質量要求等諸多因素有關，不能硬性規(guī)定，應以含水率最高的樣板和室內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到要求的終含水率允許偏差的范圍內為準。若不能對這些部位和樣板進行檢測，可憑經驗，按每1cm厚度維持2～6h估計，并在室干結束后進行檢驗，以便總結、修正。一般控制在16～24h。第18頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月終了處理工藝：溫度：比基準最后階段高5～8℃，或保持平衡處理時的溫度。

濕度：按介質狀態(tài)的平衡含水率比鋸材終含水率高4％來決定。

時間：與樹種、厚度、基準軟硬程度、有無進行中間處理和平衡處理，以及干燥質量要求等因素有關?？蓞⒖急恚部砂礃浞N和厚度近似地估計：針葉材和軟闊葉材厚度小于60mm時，處理1h/10mm厚，厚度大于60mm時，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，鋸材越厚處理時間越長。對于硬闊葉材，處理2～5h/10mm厚，處理時間隨材質的硬度和鋸材的厚度而增加。第19頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月三、木材干燥應力與變形的測試方法(P137)切片法、薄片法、瓦彎法、應力測定儀法、電測法、聲發(fā)射法、計算法、非接觸在線測定法、激光法、耐高溫高濕傳感器法（耐高溫高濕應變片法）等切片法

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

基本原理是在木材彈性范圍內應力和應變成正比：σ＝Eε

具體方法是：在應力檢驗板上沿纖維方向截取長度為1～2cm的試驗片。按要求沿寬度方向劈成5～10個薄片。用準確度0.1的卡尺測量每個薄片的長度（即鋸材寬度）和變形穩(wěn)定后的撓度。然后根據(jù)梳齒變形的程度來判斷、確定和計算鋸材中是否存在應力、應力的類型和大小。第20頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月

應力切片的制作（1）劃線（2）切片后（3）變形撓度測量

統(tǒng)一規(guī)定切片的厚度為7mm

彈性應力指標

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

第21頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月薄片法

薄片法也是在50年代由美國的J.M.McMillen等人提出和應用的。

具體方法是：在被干鋸材上沿纖維方向截取長度為1～2cm的試驗片。然后再將此試驗片沿著厚度方向鋸成5～10塊薄片，并測定每塊薄片的長度。按照鋸割前后薄片長度的增縮情況確定木材內部應力的類型和變形量。第22頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月應變測定儀法1959年蘇聯(lián)學者B.H.烏戈列夫提出了利用相對形變測定木材干燥應力的方法。具體方法是：a.在應力檢驗板上沿著纖維方向依次截取一定長度的相對變形和彈性模量試驗片各一塊，根據(jù)試驗片的厚度將其分成若干層；b.用相對形變裝置分別測定相對變形試驗片中各層試片的初始長度。然后按照所劃分的層數(shù)和每層高度，將試驗片鋸割或劈開，用模具將鋸割或劈開的各層試片夾直，再次測量變形后各層試片的長度；c.按照所劃分的層數(shù)和每層高度，將彈性模量試驗片鋸割，用彈性模量測定裝置分別對各層試片進行彈性模量測試；d.采用下面公式對各層試片測試結果進行計算。

第23頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月瓦彎法

瓦彎法是70年代初由日本學者西尾茂提出的。它根據(jù)試驗片在干燥過程中撓度的變化情況判斷木材內部承受應力的狀態(tài)。具體方法是：從被干木材中沿著纖維方向截取長度為3cm的試驗片，然后在其厚度方向上一分為二。除了鋸割前的板面以外，對其余各面進行密封處理。按照試驗片的撓曲度推測木材內部應力的變化情況。瓦彎法的優(yōu)點是不要求特殊的裝置，因而便于在干燥現(xiàn)場檢測應力變化情況。其缺點是試驗片在干燥過程中的翹曲撓度及其內部的應力狀態(tài)與實際情況有一定的差異。第24頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月聲發(fā)射(AE，AcousticEmission)法

早在1964年，許多學者就開始探討利用聲發(fā)射技術監(jiān)測干燥過程中木材應力變化的可能性。然而，直到1980年才開始進行這項研究工作。AE法的基本原理是根據(jù)測量干燥時木材釋放的應變能而產生的彈性波的大小和頻率來判斷木材干燥應力的狀況，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過濾波后輸入監(jiān)