焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的機(jī)理.ppt

,焊接培訓(xùn)教材,焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的機(jī)理,張明錄,目錄,焊接應(yīng)力與變形的概念,焊接應(yīng)力和殘余應(yīng)力,溫度場作用下的應(yīng)力和變形,焊接引起的變形和應(yīng)力,材料的熱脹冷縮材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線系統(tǒng)平衡,一.焊接應(yīng)力與變形的概念,合力等于零，即F=0；合力矩等于零，即M=0,1.自由變形、外觀變形和內(nèi)部變形,(1)自由變形,當(dāng)金屬物體溫度發(fā)生變化，或發(fā)生了相變，其尺寸和形狀就要發(fā)生變化，如果這種變化沒有受到外界的阻礙而自由的進(jìn)行。,自由變形量：,自由變形率：,(2)外觀變形,外觀變形量：Le,外觀變形率：,當(dāng)金屬物在溫度變化過程中受到阻礙，不能完全的自由變形，把能表現(xiàn)出來的這部分變形，稱為外觀變形,當(dāng)金屬物在溫度變化過程中受到阻礙，把未表現(xiàn)出來的那部分變形，稱為內(nèi)部變形。,內(nèi)部變形量：,內(nèi)部變形率：,(3)內(nèi)部變形,外觀變形在數(shù)值上等于自由變形與內(nèi)部變形的代數(shù)和。它的應(yīng)變表達(dá)式為：eT它的等價(jià)形式為：eT,這兩個(gè)公式一定要牢記！,三種變形的分析結(jié)論：,以上情況是內(nèi)部變形率的絕對(duì)值小于金屬屈服時(shí)的變形率，即或，則桿件中的壓應(yīng)力。當(dāng)桿件溫度從T1恢復(fù)到T0時(shí)，桿件將恢復(fù)到原來長度L0，也不存在任何形式的應(yīng)力。,若溫度繼續(xù)升高，桿件中由于阻礙而產(chǎn)生的內(nèi)部變形量大于金屬屈服時(shí)的變形量。即：,？,則在這種情況下該如何？,綜上可知，壓縮塑性變形會(huì)使得金屬材料在環(huán)境載荷消失后收縮變短，收縮變形量約等于壓縮而產(chǎn)生的壓縮塑性變形量。同理可知，拉伸塑性變形也將會(huì)使得金屬材料在環(huán)境載荷消失后延伸變長，伸長變形量約等于已產(chǎn)生的拉伸塑性變形量。,提示：小試件均勻加熱過程的變形一旦受到拘束等效于外力作用，就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部變形，同樣會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。計(jì)算方法：在彈性范圍內(nèi)EE（eT）超出彈性范圍則有s,材料力學(xué)中，當(dāng)物體在外力作用下處于平衡狀態(tài)時(shí)，可以說該物體處于受力平衡狀態(tài)。內(nèi)應(yīng)力定義：沒有外力的條件下平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力。,二.焊接應(yīng)力和殘余應(yīng)力,1.應(yīng)力的分類（1）,宏觀應(yīng)力：在整個(gè)焊接范圍平衡的應(yīng)力微觀應(yīng)力：在晶粒范圍內(nèi)相互平衡的應(yīng)力超微觀應(yīng)力：在晶格范圍平衡的應(yīng)力,單向應(yīng)力：應(yīng)力沿構(gòu)件的一個(gè)方向作用雙向應(yīng)力：應(yīng)力沿構(gòu)件的兩個(gè)方向作用三向應(yīng)力：應(yīng)力沿構(gòu)件的三個(gè)方向作用,1）按應(yīng)力的分布范圍,2）按結(jié)構(gòu)中的空間位置,3）按應(yīng)力與焊縫的相對(duì)位置,縱向應(yīng)力：應(yīng)力作用方向與焊縫平行橫向應(yīng)力：應(yīng)力作用方向與焊縫垂直,瞬時(shí)應(yīng)力：焊接過程出現(xiàn)的應(yīng)力殘余應(yīng)力：焊后留下的應(yīng)力,4）按應(yīng)力產(chǎn)生、作用的時(shí)間,1.應(yīng)力的分類（2）,溫度應(yīng)力：由于焊件不均勻加熱引起的應(yīng)力。拘束應(yīng)力：由于焊件熱變形收到拘束引起的應(yīng)力。組織應(yīng)力：由于接頭金屬組織轉(zhuǎn)變時(shí)提及變化受阻。,5）根據(jù)應(yīng)力形成原因,1.應(yīng)力的分類（3）,(1)溫度應(yīng)力,產(chǎn)生條件：受熱不均勻溫度均勻結(jié)果：應(yīng)力殘留或消失(如果溫度應(yīng)力不高，即低于材料的屈服極限，亦即溫度應(yīng)力在彈性范圍內(nèi)時(shí)，在框架中不產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)框架的溫度均勻化后，熱應(yīng)力隨之消失)。,舉例：框架結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力平衡特點(diǎn),溫度應(yīng)力：由于構(gòu)件受熱不均勻引起的內(nèi)應(yīng)力。,(2)殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力：溫度恢復(fù)到原始狀態(tài)均勻后殘存在物體內(nèi)部的應(yīng)力。產(chǎn)生原因：不均勻加熱產(chǎn)生條件：局部區(qū)域產(chǎn)生塑性變形或相變舉例：金屬框架,因此：任何原因引起的伸長變形受阻時(shí)，則該伸長部分受壓應(yīng)力，阻礙構(gòu)件伸長的其它部分則受拉應(yīng)力。任何原因引起的收縮變形受阻時(shí)，則收縮部分受拉應(yīng)力，而阻礙收縮的構(gòu)件的其它部分則受壓應(yīng)力。,加熱膨脹受拘束產(chǎn)生溫度應(yīng)力（壓應(yīng)力）壓縮屈服變形冷卻收宿受拘束產(chǎn)生殘余應(yīng)力（拉應(yīng)力）拉伸屈服變形,金屬框架的溫度應(yīng)力與殘余應(yīng)力,(3)相變應(yīng)力,材料在凝固冷卻過程中，由于組織轉(zhuǎn)變，帶來體積尺寸變化，產(chǎn)生的應(yīng)力。,相變應(yīng)力：,組織轉(zhuǎn)變,產(chǎn)生原因：,三.溫度場作用下的應(yīng)力和變形,金屬在焊接過程中，其物理性能和力學(xué)性能都會(huì)發(fā)生復(fù)雜的變化，為了分析問題方便，對(duì)金屬材料焊接應(yīng)力與變形作以下假定：平截面假定：假定構(gòu)件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。,金屬性質(zhì)不變的假定：假定在焊接過程中材料的某些熱物理性質(zhì)不隨溫度而變化。焊接溫度場假定：假定焊接溫度場不隨時(shí)間而改變。,在500以下，屈服點(diǎn)與常溫相同，不隨溫度而變化；500600之間，屈服點(diǎn)迅速下降；600以上時(shí)呈全塑性狀態(tài)，即屈服點(diǎn)為零。,低碳鋼的屈服點(diǎn)與溫度的關(guān)系,屈服點(diǎn)與溫度之間的關(guān)系,1.在長板條中心對(duì)稱加熱,溫度場：對(duì)端面中心對(duì)稱的不均溫度場T=f(x),變形分析：取單位長度分析其變形與應(yīng)力,假設(shè)：T0=0，則T=T,由平面假設(shè)，變形時(shí)截面保持平面溫度場對(duì)稱，端面只作平移，e為常數(shù),可見：板條中心0，受壓；板條兩側(cè)0，受壓,內(nèi)應(yīng)力與變形的計(jì)算,當(dāng)溫度較低，無塑性變形，即,矩形面積=曲線下的面積,力的平衡相當(dāng)于拉、壓應(yīng)力區(qū)面積的平衡,即為T=f(x)時(shí)的外觀應(yīng)變,可求得各點(diǎn)應(yīng)力的大小，應(yīng)力分布分為三個(gè)區(qū)域：兩側(cè)受拉，中間受壓,冷卻后，應(yīng)力和應(yīng)變消失；即無殘余應(yīng)力和殘余變形,當(dāng)溫度較高，板件中產(chǎn)生塑性變形，即：,產(chǎn)生壓縮塑性變形，,冷卻后，應(yīng)力和應(yīng)變不能完全消失(存在壓縮塑性變形),實(shí)際上，殘余外觀變形：e,理論上，中心凹陷量,殘余應(yīng)力,對(duì)稱溫度場：變形僅為端面平移；e;e力的平衡條件：，實(shí)質(zhì)是圖形中面積的平衡應(yīng)力：加熱時(shí)，中間壓，兩側(cè)拉；冷卻后，中間拉，兩側(cè)壓殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，加熱時(shí)存在塑性變形熱量集中的熱源，C小，殘余變形小的大小取決于C的大小，所以熱量集中的熱源小,結(jié)論：,2.在長板條邊緣非對(duì)稱加熱,溫度場：典型的非對(duì)稱溫度場,這兩種情況為不平衡力矩，不能發(fā)生,內(nèi)應(yīng)力平衡條件為：,截面有轉(zhuǎn)動(dòng)，所以e非常數(shù)，是x的線性函數(shù),板條平均伸長率為：,板條曲率為：,結(jié)論：當(dāng)s時(shí)產(chǎn)生殘余應(yīng)力和殘余變形；當(dāng)s時(shí)不產(chǎn)生殘余應(yīng)力和殘余變形；,1）對(duì)構(gòu)件進(jìn)行不均勻加熱，在加熱過程中，只要溫度高于材料屈服點(diǎn)的溫度，構(gòu)件就會(huì)產(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻后，構(gòu)件必然有殘余應(yīng)力和殘余變形。2）通常，焊接過程中焊件的變形方向與焊后焊件的變形方向相反。,由上述討論可知：,3）焊接加熱時(shí)，焊縫及其附近區(qū)域?qū)a(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻時(shí)壓縮塑性變形區(qū)要收縮。4）焊接過程中及焊接結(jié)束后，焊件中的應(yīng)力分布是不均勻的。5）焊接結(jié)束后，焊縫及其附近區(qū)域的殘余應(yīng)力通常是拉應(yīng)力。,由上述討論可知：,四.焊接引起的變形和應(yīng)力,1.焊接過程的特殊性,(1)高溫下金屬的性能發(fā)生顯著變化例如：低碳鋼不同溫度下的屈服強(qiáng)度可能出現(xiàn)的相變將引起許多物理和力學(xué)參量的變化(2)焊接溫度場是一個(gè)空間分布極不均勻的溫度場與前面分析的沿長度同時(shí)加熱的模型有較大差別，平面的準(zhǔn)確性受到影響。平面的適用條件：焊接速度快；材料導(dǎo)熱慢,2.受拘束體在熱循環(huán)