方洪渊焊接结构学3-6.ppt

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1、第3章焊接应力与变形3-1内应力的产生3.1.1内应力及产生原因按分布范围分为：第一类内应力（宏观，工程中主要研究对象）第二类内应力（晶粒尺寸）第三类内应力（晶格尺寸）内应力按产生原因分类：温度应力及残余应力㈠温度应力（热应力）产生条件：受热不均匀温度均匀结果：应力残留或消失举例过程：加热-承受压应力-屈服（250℃）-应力降低、压应变继续增加；750℃开始冷却拉应力应变上升-室温-残余应力和相变应力。图3-1加热和冷却产生内应力的实验及温度曲线（二）残余应力产生原因：不均匀加热产生条件：局部区域产生塑性变形或相变3.1.2热应变和相变应变εT=α·(T1-T0)=α·⊿Tα=α（T）温度

2、场变化引起热应变和相变应变，造成应力和变形图3-2奥氏体钢和珠光体钢的热膨胀曲线a）无相变奥氏体钢b）有相变珠光体钢加热与冷却时的屈服强度滞后现象图3-3HY-80高强钢屈服强度与温度的关系以及屈服之后现象3.2焊接应力与变形的形成过程自由变形、外观变形和内部变形自由变形：⊿LT=α·L0(T1-T0)εT=⊿LT/L0=α·(T1-T0)外观变形：⊿Leεe=⊿Le/L0内部变形：⊿L=－(⊿LT－⊿Le)ε=⊿L/L0内应力σ=E·ε=E(εe－εT)3.2.1简单杆件的应力与变形图3-4金属杆件的受热变形a）自由变形量b）外观变形量杆件的温度、变形与内应力演变规律T1温度下∣ε1∣﹤ε

3、s，则只存在弹性变形；T2温度下∣ε2∣﹥εs，则只存在塑性变形，∣εp∣=∣εe-εT∣-εs；图3-5低碳钢的应力-应变曲线对于低碳钢，假定杆件中的应力σ达到σs后就不再升高—即将低碳钢视为理想弹塑性体3.2.2不均匀温度场作用下的应力与变形研究的前提条件：平面假设原理㈠长板条中心加热（对称加热）图3-6长板条中心加热示意图截取板条的单位长度研究温度低，无塑性变形,应力平衡：图3-7长板条中心加热时的变形温度高，产生塑性变形，残余应力：当加热温度高，板中心将发生塑性变形，如果已知塑性区压缩变形的分布规律为:则残余应力为：残余应力和变形的平衡条件可表达为：㈡长板条单侧加热（非对称加热）b)

4、和c)两种情况为不平衡力矩，不能发生图3-8板条一侧不对称受热时的应力和变形板条截面上应力及力矩平衡方程内应力σ=E·ε=E(εe－εT)图3-9板条单边加热到不同温度时的应力与变形长板条单侧加热内应力平衡及力矩平衡分几种情况考虑：1）加热温度低，无塑性变形时σ=E·ε=E(εe－εT)εT=α·(T1-T0)由于此时截面发生转动，即εe不再是常数，而是x的线性函数，即：求解可得到εe0和εeB，并进而可求出εe和σ。此外还可以求出板条的平均变形率εem：板条在该截面内的曲率C：结论：在这种情况下，内部变形小于金属屈服极限的变形率，则温度恢复后，板条中即不存在残余应力，也不存在残余变形。2）

5、加热温度较高，使板条在靠近高温一侧的（B-Xs）局部范围内产生塑性变形3)当加热温度很高，造成板边（B-x2）一段内的σs=0，即变形抗力为零（见图3-9(c)）。此时，在（B-x2）一段内，由于温度很高，使变形抗力为零，在此区域内发生完全塑性变形，而应力σ=0。在（x2-x1）范围内，塑性变形抗力从x2处的σ=0线性变化到x1处的σ=σs=Eεs，在此区域内可将应力表示为σ=σs(T)=Eεs。在（x1~xs）范围内，发生塑性变形，塑性变形抗力为σs，即σ=σs，并且有ε=εs。在（xs~0）范围内为弹性变形区。采用与前述相同的处理办法，可得：可以求出xs、εe0、εeB等参数，并进而求

6、出εe和σ。结论：当ε﹥εs时产生残余应力和残余变形（如图2－7）；当ε﹤εs时不产生残余应力和残余变形；3.2.3焊接引起的应力与变形焊接时发生焊接应力和变形的原因是焊件受到不均匀加热，同时因加热引起的热变形和组织变形（相变）受到焊件本身刚度的约束。焊接过程中所发生的应力和变形被称为暂态或瞬态的应力变形，而在焊接完毕和试件完全冷却后残留的应力和变形，称之为残余或剩余的应力变形。焊接残余应力和残余变形会在某种程度上影响焊接结构的承载能力和服役寿命。1.引起焊接应力与变形的机理及影响因素图3-10引起焊接应力与变形的主要因素及其内在联系焊接温度场特点：a.变化范围大；b.温度梯度大温度场特点

7、会导致两方面问题：（1）高温下金属性能发生显著变化；（2）平面假设的准确性降低，相变、物理和力学参数变化，进一步影响应力应变分布规律。图3-11几种典型金属材料的屈服强度随温度变化图3-12平板中心焊接时的内应力分布平面假设近似成立的条件：焊接速度快、材料导热性差（低碳钢、低合金钢）图3-13薄板焊接时的温度场2.焊接应力与变形的演变过程(*****）图3-14薄板中心堆焊时横截面上的纵向应力变形演变