4.4. Внутренние напряжения в древесине при сушке

Внутренние напряжения – это напряжения, которые не связаны с воздействием на тело внешних нагрузок, а обусловлены неоднородными деформациями, воздействующими под действием тех или иных причин внутри этого тела.

Первопричиной возникновения внутренних напряжений в древесине при ее сушке является неравномерное распределение влажности и связанная с ним неравномерная усушка по объему материала.

Рассмотрим, как возникают и развиваются в древесине внутренние напряжения. Для упрощения введем следующие допущения: считаем усушку древесины в тангенциальном и радиальном направлениях одинаковой; перемещение влаги в материале происходит только по его толщине; размеры сортимента (доски) изменяются только по его ширине; расположение годичных слоев по сечению сортимента, которое может быть весьма разнообразным, не учитываем.

На рис. 4.9, а показаны наиболее характерные кривые распределения влажности по толщине высушиваемого сортимента, соответствующие различным моментам процесса. В начальный момент, пока влажность по всему объему сортимента выше предела насыщения W_п.н, усушки нет и напряжения отсутствуют. Они появляются в момент 1, когда влажность поверхности опускается ниже W_п.н (кривая 1). Поверхностные слои стремятся усохнуть, т.е. сократить свой размер. Но этому стремлению препятствуют внутренние слои, усушка которых еще не началась, что создает в древесине напряженное состояние.

Если вырезать из высушиваемого сортимента торцовую пластину, так называемую секцию, и разделить ее на ряд слоев по толщине по схеме рис.4.9, б, то, сопоставляя размеры целой секции и ее слоев, можно установить, какой знак имеют напряжения в различных зонах по толщине сортимента. Моменту 1 соответствует форма разделенной на слои секции, показанная на рис 4.9, б. Освобожденные от связи между собой слои секции принимают размеры, соответствующие их фактической влажности: внутренние слои – первоначальный размер по ширине в₀, а поверхностные – более короткий номинальный размер в_н из-за образования в них усадки величиной У_п¹. Целая же, неразделенная на слои секция (как и сортимент) имеет действительный размер по ширине в_д, который больше размера поверхностных слоев, но меньше размера внутренних слоев в свободном их состоянии. Поверхностные слои сортимента, следовательно, испытывают растягивающие напряжения, а внутренние слои – сжимающие напряжения.

Рис. 4.9. Схемы к развитию деформаций и напряжений при сушке

На начальном этапе процесса напряжения приблизительно пропорциональны свободной усушке поверхностных слоев, а последняя в свою очередь определяется перепадом гигроскопической влажности ( =W_п.н - W_п), т.е. разностью между пределом насыщения клеточных стенок и поверхностной влажностью материала.

Если бы древесина была идеально упругим материалом со стабильным не зависящим от влажности модулем упругости, то внутренние напряжения, появившиеся в ней в первой стадии процесса, в дальнейшем постепенно уменьшались бы по мере уменьшения перепада влажности и наконец исчезли бы при окончательном выравнивании влажности и размеры внутренних и наружных слоев оказались бы одинаковыми. Но древесина является упруго-пластическим материалом. С самого начала возникновения внутренних напряжений в древесине появляются наравне с упругими также и остаточные деформации. Возникновение остаточных деформаций характерно для древесины, длительно находящейся под напряжением, даже при ее стабильно влажностном состоянии. Но, кроме того, при высыхании напряженной древесины упругие деформации в ней перерождаются в остаточные в связи с тем, что при понижении влажности существенно понижается модуль ее упругости.

В начальной стадии процесса, когда влажная нагретая древесина обладает повышенной податливостью, в поверхностных слоях под влиянием действующих в них растягивающих напряжений возникают остаточные деформации удлинения, а во внутренних слоях, наоборот, остаточные деформации укорочения. Поэтому в конце процесса (момент 3) усадка в поверхностных слоях У_п (где действовали растягивающие напряжения) будет меньше, чем усадка внутри сортимента У_ц (где действовали сжимающие напряжения). Секция, разрезанная на слои будет иметь форму, показанную на рис. 4.9, д из которой видно, что номинальный (свободный) размер поверхностных слоев будет больше свободного размера внутренних слоев, и в древесине появятся сжимающие напряжения на поверхности и растягивающие внутри. Таким образом, в процессе сушки происходит смена знака напряжений.

Состояние древесины, отвечающее форме секции по рис. 4.9, г, характерно для некоторого промежуточного момента 2 (кривая распределения влажности 2). В этот момент напряжения в древесине исчезают, а затем, к концу сушки, возрастают, изменив свой знак. Причина этого – развитие в древесине остаточных деформаций.

Внутренние напряжения, возникающие без приложения внешних нагрузок, всегда уравновешиваются в пределах данного тела. Чтобы их обнаружить, необходимо нарушить это равновесие, разделив образец на части. Каждая такая часть будет стремиться к новому равновесному состоянию, что возможно только за счет ее деформации. В секции, разрезанной на тонкие слои (см. рис. 4.9, б, д) деформации проявляются преимущественно в виде удлинения и укорочения слоев. В секции, распиленной или расколотой, например, пополам, имеют место преимущественно деформации изгиба. В начале процесса (момент 1) секция деформируется согласно рис. 4.9, в, в конце процесса (момент 3) – согласно рис. 4.9, д.