Внутренними напряжениями условно принято называть такие напряжения, которые не связаны с воздействием на тело (стержень, брус, плиту) внешних нагрузок, а обусловлены неоднородными деформациями, возникающими под действием тех или иных причин внутри этого тела.

Появление внутренних напряжений в древесине при ее сушке вызвано неравномерной усушкой по толщине сортимента, которая, в свою очередь, и обусловлена неравномерным распределением влажности.

При неправильном проведении сушки внутренние напряжения могут достигать и нередко достигают предела прочности древесины, что приводит к нарушению ее целостности (рас­трескиванию).

Четкое понимание причин образования и механизма развития внутренних напряжений в древесине при сушке совершенно обязательно для операторов-сушильщиков и инженерно-технического персонала деревообрабатывающих предприятий.

Прежде всего необходимо остановиться на некоторых особенностях деформирования древесины, от которых зависит характер развития внутренних напряжений.

Как известно, приложение к какому-либо телу нагрузки и возникновение в нем напряжений вызывает деформацию тела, т.е. изменение его размеров. Рассматривая вопрос упрощенно, можно разделить деформации на упругие и остаточные. Упругие деформации полностью исчезают после снятия нагрузки и прекращения действия напряжений, а остаточные сохраняются и после этого.

Допустим, что к образцу, имеющему в свободном состоянии размер (в) приложена сжимающая нагрузка Р. В напряженном состоянии образец принял размер (в1), получив деформацию укорочения (e)=(в1) — (в2). Выдержав образец некоторое время под нагрузкой, разгрузим его; Если после этого образец примет первоначальный размер (в1) значит, деформация была полностью упругой, что характерно для идеально упругого материала. Если же после разгрузки размер образца не изменится и останется равным (в2) значит, деформация была полностью остаточной, характерной для идеально пластичного тела. Древесина относится к упруго-пластическим материалам, и которых под действием напряжений одновременно развиваются как упругие, так и остаточные деформации. При разгрузке образца из такого материала восстанавливается упругая часть деформации (еу). Образец приобретает размер (в3), который меньше первоначального размера (в1) на величину остаточной деформации (е0).

Если древесина в нагруженном состоянии подвергалась сушке и влажность образца опустилась ниже 30%, то размер его после разгрузки (в4) будет меньше первоначального (в1) на величину, складывающуюся из остаточной деформации (е0) и усушки У. Такое суммарное изменение, размера, обусловленное как усушкой, так и остаточными деформациями, принято называть, в отличие от свободной усушки, усадкой древесины. Очевидно, если древесина сохнет под действием сжимающих напряжений, ее усадка больше свободной усушки на величину остаточной деформации укорочения. Если же древесина сохнет под действием, растягивающих напряжений, усадка меньше усушки на величину деформации удлинения.

Величина остаточных деформаций древесины зависит от продолжительности действия напряжений и в значительной мере от состояния (влажности и температуры) материала. В сухой древесине (с влажностью ниже 12—15%) остаточные деформации очень малы. С повышением влажности доля остаточной составляющей в общей деформации заметно возрастает. Наибольшей величины эта доля достигает в древесине, имеющей повышенную температуру и влажность, равную или выше предела насыщения клеточных стенок.

Важно отметить, что остаточные деформации высыхающей под нагрузкой древесины значительно больше, чем древесины, выдерживающейся под такой же нагрузкой при стабильной влажности. Объясняется это «перерождением» упругих деформаций в остаточные вследствие увеличения в процессе сушки жесткости находящейся под нагрузкой древесины.

Возникновение и развитие в древесине внутренних напряжений при сушке происходит схематически следующим образом.

Первопричиной возникновения внутренних напряжений, как указывалось, является неравномерное распределение влажности и связанная с ним неравномерная усушка по объему материала. Вначале, пока влажность по всему объему досок выше или равна пределу насыщения (кривые 0, 1), усушки нет и напряжения отсутствуют. Они появляются, когда влажность поверхности опускается ниже этого предела. Поверхностные слои стремятся усохнуть, т. е. сократить свой размер. Но этому стремлению препятствуют внутренние слои, усушка в которых еще не началась, что и создает в древесине напряженное состояние.

Если вырезать из высушиваемой доски торцовую пластинку и распилить ее на ряд слоев по толщине (такую пластинку называют секцией деформации) то, сопоставляя размеры целой секции и ее слоев, можно установить, какой знак имеют напряжения в различных зонах по толщине доски. Моменту времени 2 соответствует форма секции деформаций, описывается в несколько утрированном виде. Освобожденные от связи между собой слои секции принимают размеры, соответствующие их влажности: центральные слои — размер, равный начальной ширине доски, а поверхностные — более короткий размер. Целая же, не распиленная на слои секция (как и доска) имеет действительный размер по ширине в который больше размера поверхностных слоев, но меньше размера центральных слоев в свободном их состоянии. Поверхностные слои доски, следовательно, испытывают напряжения растяжения, а центральные слои — напряжения сжатия.

Выясним теперь, в каком состоянии будут находиться поверхностные и центральные слои доски в конце сушки, в момент времени. Будем для простоты полагать, что в этот момент влажность древесины стала по толщине равномерной. Если бы внутренние напряжения, действовавшие в первой стадии процесса, вызвали только упругие деформации, то все слои приобрели бы одинаковую усушку, секция деформаций в конце сушки имела бы форму, соответствующую и напряжения в древесине исчезли бы. На самом же деле в начале процесса в древесине (когда она еще влажная), кроме упругих, возникают и существенные остаточные деформации. Поэтому к концу сушки усадка древесины в поверхностных слоях (где действовали растягивающие напряжения), будет меньше свободной усушки, а в центральных (где действовали сжимающие напряжения), наоборот, больше. Секция деформаций будет иметь форму из которой видно, что в древесине в конце сушки появятся сжимающие напряжения на поверхности и растягивающие в центре. Состояние же, отвечающее форме секции, характерно для некоторого промежуточного момента процесса.

Очень важная особенность внутренних напряжений, т.е. напряжений, возникающих без приложения внешней нагрузки, состоит в том, что они строго уравновешены по объему тела. Обязательное условие, которому должны удовлетворять эти эпюры и которое вытекает из уравновешенности напряжений,— равенство площадей, характеризующих сумму растягивающих и сжимающих напряжений, т.е. площадей, расположенных выше и ниже нулевой линии.

По характеру этого изменения процесс сушки делится на четыре этапа: очень кратковременный нулевой этап (0—1), когда напряжения отсутствуют; первый этап (1—2), на протяжении которого действуют возрастающие до определенного максимума растягивающие напряжения на поверхности и сжимающие в центре; второй этап (2—3), когда эти напряжения снижаются от достигнутого максимума до нуля, и, наконец, третий этап (3—4), на котором в древесине развиваются напряжения противоположного знака. Эти напряжения, остающиеся в древесине после окончания сушки, называют остаточными напряжениями.

Рассмотренная картина возникновения и развития внутренних напряжений по сравнению с действительностью упрощена. Мы пренебрегали усушкой кромок, полагая, что размеры доски, изменяются только по ее ширине, не учитывали расположения годичных колец по сечению доски (которое может быть весьма разнообразным) и пренебрегали неоднородностью усушки и тангенциальном и радиальном направлениях. Поэтому секции деформаций и эпюры напряжений в действительности не столь правильны и симметричны, как показано на схемах, однако общего характера реальных закономерностей принятые допущения не искажают.

В направлении поперек волокон (а именно в этом направлении действуют внутренние напряжения при сушке) прочность древесины сравнительно невелика и при растяжении значительно меньше, чем при сжатии. Опасность разрушения древесины возникает поэтому в тех слоях, в которых действуют растягивающие напряжения: на первом этапе в поверхностных, а на последнем — во внутренних зонах доски по ее толщине.

Конвективная (атмосферная и камерная) сушка древесины обязательно сопровождается внутренними напряжениями, ибо она невозможна без перепада влажности по толщине материала. Величина напряжений в процессе сушки, однако, может поддерживаться в определенных пределах за счет надлежащей последовательности изменения параметров среды, т. е. применения правильного режима сушки. Правильным же является такой режим, который предусматривает высокую степень насыщения сушильного агента в начале сушки с понижением ее к концу процесса. (Конкретный уровень степени насыщения и температуры определяется назначением и характеристикой пиломатериалов.)

Образовавшиеся в древесине в процессе сушки остаточные напряжения могут быть уменьшены или почти полностью сняты специальной обработкой древесины.

Необходимость снятия остаточных напряжений возникает в тех случаях, когда сухая древесина подвергается точной механической обработке. Поскольку внутренние напряжения уравновешены по объему сортимента, удаление при обработке (фугованием, фрезерованием и т. п.) какой-то части этого объема или разделение его на части нарушает равновесие напряжений и вызывает изменение формы (коробление) обрабатываемого сортимента или его частей.

Для снятия остаточных напряжений в конце сушки проводят влаготеплообработку, при которой поверхностные слои сортимента увлажняются с одновременным поддержанием его температуры на повышенном уровне. Увлажнение поверхностных слоев делает их податливыми, и поскольку в конце сушки и них действуют сжимающие напряжения, они приобретают остаточные деформации укорочения. Эти деформации компенсируют остаточные деформации удлинения, полученные и первой половине сушки, в результате чего усадка поверхностных и центральных слоев выравнивается, а остаточные напряжения частично или полностью снимаются.

В настоящее время влаготеплообработку проводят насыщенным водяным паром. В камере за счет этого создаются и в течение нескольких часов поддерживаются высокая температура и повышенная степень насыщения воздуха влагой, обеспечивающие увлажнение и пластификацию поверхности древесины.

Сравнительно недавно установлено, что влаготеплообработку можно производить кратковременной (несколько минут) выдержкой древесины в ванне с нагретой водой. Промышленного распространения этот способ, однако, пока еще не получил.