焊接應力與變形產生的機理.ppt

,焊接培訓教材,焊接應力與變形產生的機理,張明錄,目錄,焊接應力與變形的概念,焊接應力和殘余應力,溫度場作用下的應力和變形,焊接引起的變形和應力,材料的熱脹冷縮材料的應力應變曲線系統(tǒng)平衡,一.焊接應力與變形的概念,合力等于零，即F=0；合力矩等于零，即M=0,1.自由變形、外觀變形和內部變形,(1)自由變形,當金屬物體溫度發(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，稱為內部變形。,內部變形量：,內部變形率：,(3)內部變形,外觀變形在數(shù)值上等于自由變形與內部變形的代數(shù)和。它的應變表達式為：eT它的等價形式為：eT,這兩個公式一定要牢記！,三種變形的分析結論：,以上情況是內部變形率的絕對值小于金屬屈服時的變形率，即或，則桿件中的壓應力。當桿件溫度從T1恢復到T0時，桿件將恢復到原來長度L0，也不存在任何形式的應力。,若溫度繼續(xù)升高，桿件中由于阻礙而產生的內部變形量大于金屬屈服時的變形量。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生的壓縮塑性變形量。同理可知，拉伸塑性變形也將會使得金屬材料在環(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，就會產生內部變形，同樣會產生應力。計算方法：在彈性范圍內EE（eT）超出彈性范圍則有s,材料力學中，當物體在外力作用下處于平衡狀態(tài)時，可以說該物體處于受力平衡狀態(tài)。內應力定義：沒有外力的條件下平衡于物體內部的應力。,二.焊接應力和殘余應力,1.應力的分類（1）,宏觀應力：在整個焊接范圍平衡的應力微觀應力：在晶粒范圍內相互平衡的應力超微觀應力：在晶格范圍平衡的應力,單向應力：應力沿構件的一個方向作用雙向應力：應力沿構件的兩個方向作用三向應力：應力沿構件的三個方向作用,1）按應力的分布范圍,2）按結構中的空間位置,3）按應力與焊縫的相對位置,縱向應力：應力作用方向與焊縫平行橫向應力：應力作用方向與焊縫垂直,瞬時應力：焊接過程出現(xiàn)的應力殘余應力：焊后留下的應力,4）按應力產生、作用的時間,1.應力的分類（2）,溫度應力：由于焊件不均勻加熱引起的應力。拘束應力：由于焊件熱變形收到拘束引起的應力。組織應力：由于接頭金屬組織轉變時提及變化受阻。,5）根據(jù)應力形成原因,1.應力的分類（3）,(1)溫度應力,產生條件：受熱不均勻溫度均勻結果：應力殘留或消失(如果溫度應力不高，即低于材料的屈服極限，亦即溫度應力在彈性范圍內時，在框架中不產生塑性變形，當框架的溫度均勻化后，熱應力隨之消失)。,舉例：框架結構的溫度應力平衡特點,溫度應力：由于構件受熱不均勻引起的內應力。,(2)殘余應力,殘余應力：溫度恢復到原始狀態(tài)均勻后殘存在物體內部的應力。產生原因：不均勻加熱產生條件：局部區(qū)域產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，則該伸長部分受壓應力，阻礙構件伸長的其它部分則受拉應力。任何原因引起的收縮變形受阻時，則收縮部分受拉應力，而阻礙收縮的構件的其它部分則受壓應力。,加熱膨脹受拘束產生溫度應力（壓應力）壓縮屈服變形冷卻收宿受拘束產生殘余應力（拉應力）拉伸屈服變形,金屬框架的溫度應力與殘余應力,(3)相變應力,材料在凝固冷卻過程中，由于組織轉變，帶來體積尺寸變化，產生的應力。,相變應力：,組織轉變,產生原因：,三.溫度場作用下的應力和變形,金屬在焊接過程中，其物理性能和力學性能都會發(fā)生復雜的變化，為了分析問題方便，對金屬材料焊接應力與變形作以下假定：平截面假定：假定構件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。,金屬性質不變的假定：假定在焊接過程中材料的某些熱物理性質不隨溫度而變化。焊接溫度場假定：假定焊接溫度場不隨時間而改變。,在500以下，屈服點與常溫相同，不隨溫度而變化；500600之間，屈服點迅速下降；600以上時呈全塑性狀態(tài)，即屈服點為零。,低碳鋼的屈服點與溫度的關系,屈服點與溫度之間的關系,1.在長板條中心對稱加熱,溫度場：對端面中心對稱的不均溫度場T=f(x),變形分析：取單位長度分析其變形與應力,假設：T0=0，則T=T,由平面假設，變形時截面保持平面溫度場對稱，端面只作平移，e為常數(shù),可見：板條中心0，受壓；板條兩側0，受壓,內應力與變形的計算,當溫度較低，無塑性變形，即,矩形面積=曲線下的面積,力的平衡相當于拉、壓應力區(qū)面積的平衡,即為T=f(x)時的外觀應變,可求得各點應力的大小，應力分布分為三個區(qū)域：兩側受拉，中間受壓,冷卻后，應力和應變消失；即無殘余應力和殘余變形,當溫度較高，板件中產生塑性變形，即：,產生壓縮塑性變形，,冷卻后，應力和應變不能完全消失(存在壓縮塑性變形),實際上，殘余外觀變形：e,理論上，中心凹陷量,殘余應力,對稱溫度場：變形僅為端面平移；e;e力的平衡條件：，實質是圖形中面積的平衡應力：加熱時，中間壓，兩側拉；冷卻后，中間拉，兩側壓殘余應力的產生，加熱時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,結論：,2.在長板條邊緣非對稱加熱,溫度場：典型的非對稱溫度場,這兩種情況為不平衡力矩，不能發(fā)生,內應力平衡條件為：,截面有轉動，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：,結論：當s時產生殘余應力和殘余變形；當s時不產生殘余應力和殘余變形；,1）對構件進行不均勻加熱，在加熱過程中，只要溫度高于材料屈服點的溫度，構件就會產生壓縮塑性變形，冷卻后，構件必然有殘余應力和殘余變形。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，焊縫及其附近區(qū)域將產生壓縮塑性變形，冷卻時壓縮塑性變形區(qū)要收縮。4）焊接過程中及焊接結束后，焊件中的應力分布是不均勻的。5）焊接結束后，焊縫及其附近區(qū)域的殘余應力通常是拉應力。,由上述討論可知：,四.焊接引起的變形和應力,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度可能出現(xiàn)的相變將引起許多物理和力學參量的變化(2)焊接溫度場是一個空間分布極不均勻的溫度場與前面分析的沿長度同時加熱的模型有較大差別，平面的準確性受到影響。平面的適用條件：焊接速度快；材料導熱慢,2.受拘束體在熱循環(huán)