木材干燥过程中的应力与变形

本文作者：富顺干燥总经理王贵富

　　木材干燥过程中，其任何部分的含水率降到纤维饱和点以下时，就将产生正常干缩。由于其横断面上含水率分布的不均和构造上的各向异性，从而导致相互间内应力的产生，从而使木材产生变形与应变。按传统观点应变分为两种：一种是弹性应变，受短时间的应力作用而产生，且在比例极限范围内，当应力消除后，此应变消失。此应变亦被习惯性称谓湿应变，对应的应力叫湿应力；另一种是残余应变，应力超过了比例极限，或虽在此范围内但作用时间很长而产生，应力消除后应变并不消失，这种永久性的应变称谓残余应变，也叫塑化固定。

　　木材干燥过程中，影响干燥质量的既有弹性应力，又有残余应力；干燥过程结束，且木材厚度上的含水率分布均匀后，弹性应变已经消失，此后继续影响干燥质量的是残余应力。

　　1．木材厚度上含水率不均引起的应力与变形

　　干燥过程中，不考虑木材干缩的各向异性，并假定仅在木材厚度上发生水分移动，则厚度上含水率分布、应力与变形的变化可按四个阶段分析：

　　（1）干燥初始尚未产生应力的阶段。此阶段中尽管表层含水率低，厚度上含水率分布不均，但都在纤维饱和点之上，不产生干缩，因而不产生应力。

　　（2）干燥初期，应力外拉内压阶段。干燥过程开始后，木材表面自由水先蒸发，经过一段较短时间（取决于干燥介质的温度和相对湿度）后，表层含水率降到纤维饱和点之下，断面上含水率梯度增大、且出现“湿线”，“湿线”以外区域降到纤维饱和点以下，以内区域仍高于纤维饱和点。随着干燥的进行，“湿线”不断向内移动。

　　木材表层因含水率在纤维饱和点以下，所以要产生干缩，但内部各层含水率高于纤维饱和点、尺寸不变，因而牵制表层的干缩，故表层因该牵制受拉应力，内部则同时受压应力。又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的主要原因。

　　由于木材是弹性-塑性体，当表层拉应力超过其比例极限时，就会产生塑性变形，或拉应力虽没超过比例极限，但受力时间长会产生蠕变，从而产生塑化固定。

　　随着干燥过程的进行，“湿线”不断内移，即表层以内的一些区域也逐渐降到纤维饱和点之下，受拉应力的区域逐渐扩大，而内部在纤维饱和点以上的受压应力作用的区域则逐渐减小。因此，表层单位面积上的拉应力逐渐减小，而内部单位面积上的压应力逐渐增大，并达到最大值，但内层压应力发展较慢。

　　（3）干燥中期，内外应力暂时平衡阶段。该阶段表层由于严重的拉伸塑化固定，产生受限干缩，表层的梳齿长度比自由干缩应该达到的尺寸长。由于其属自由干缩或因压缩塑性变形而使其尺寸逐渐接近并暂时等于外层尺寸，这时木材中的内外层的应力暂时平衡。

　　（4）干燥后期，应力外压内拉阶段。该阶段“湿线”继续内移，木材横断面上含水率梯度减缓，由于表层塑化固定已停止了干缩，因而硬化的表层及纤维饱和点之上的心层牵制了中间层的收缩，使中间层产生拉应力、表层及心层产生压应力，表层和中间层发生了应力转变。继续干燥，“湿线”消失，即木材各部位含水率都降到纤维饱和点之下，此时内部各层都在表层牵制下产生受限干缩，因而都受拉应力，表层迅速达到最大压应力，内部拉应力亦相继达到最大值。当该拉应力大于内部抗拉强度极限时，即产生裂纹。这也是干燥后期易产生内裂的原因。由此可知，内裂主要由干燥前期的严重塑化固定引起。

　　2．木材径弦向干缩不一致引起的应力与变形

　　根据木材弦向干缩系数约是径向的2倍的特性，分析三种木材的干缩、应力与变形情况。

　　（1）径切板

　　板面均是径切面，板厚都为弦向，干缩均匀，不会引起附加的应力和变形。

　　（2）弦切板

　　外板面（靠近树皮的面）接近弦向，其干缩量大于接近径向的内板面（靠近髓心的面），因此，干燥时其力向外板面翘曲，但实际干燥生产中，板材都堆积成材堆，并在其顶部置压块以防止木材翘曲变形，由于材堆及压块的重量，对板材产生附加的压力以抑制其翘曲，因而板材的外板面就产生附加拉应力，而内板面产生附加压应力。这种应力与含水率梯度无关。外板面的附加拉应力与含水率不均匀引起的表面拉应力相叠加，很容易引起外板面的表裂。

　　（3）带髓心的方材

　　其四个表面接近弦切面，其干缩量比直径方向的大，干燥时四个表面的干缩受到内部直径方向木材的抑制，结果在表层区域产生附加的拉应力，中心区域产生附加的压应力。这种应力同样与含水率梯度无关。这种附加的表层拉应力与干燥初期含水率梯度引起的拉应力相叠加，很易引起表裂和径裂。所以带髓心的方材，干燥时很容易产生缺陷。（原载于《中国红木古典家具》杂志2011年第三期，作者：王贵富）