焊接应力与变形产生的机理-PPT.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,焊接培训教材,焊接应力,与,变形产生的机理,一,二,三,四,目录,焊接应力与变形,的概念,焊接应力和,残余应力,温度场作用下,的应力和变形,焊接引起的变形和,应力,材料的热胀冷缩,材料的应力应变曲线,系统平衡,一,.,焊接应力与变形的概念,合力等于零，即,F,=0,；,合力矩等于零，即,M,=0,1,.,自由变形、外观变形和内部变形,(1),自由变形,当,金属物体温度发生变化，或发生了相变，其尺寸和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的阻碍而自由的进行。,自由变形量：,自由变形率：,(2),外观变形,外观变形量：,L,e,外观变形率：,当,金属物在温度变化过程中受到阻碍，不能完全的自由变形，把能表现出来的这部分变形，称为外观变形,当,金属物在温度变化过程中受到阻碍，把未表现出来的那部分变形，称为内部变形。,内部变形量：,内部变形率：,(3),内部变形,外观变形在数值上等于自由变形与内部 变形的代数和。,它的应变表达式为：,e,T,它的等价形式为：,e,T,这两个公式一定要牢记！,三种变形的分析结论：,以上情况是内部变形率的绝对值小于金属屈服时的变形率，即 或，则杆件中的压应力 。当杆件温度从,T,1,恢复到,T,0,时，杆件将恢复到原来长度,L,0,，也不存在任何形式的应力。,若温度继续升高，杆件中由于阻碍而产生的内部变形量大于金属屈服时的,变形量。,即：,？,则在这种情况下该如何？,综上可知，压缩塑性变形会使得金属材料在环境载荷消失后收缩变短，收缩变形量约等于压缩而产生的压缩塑性变形量。同理可知，拉伸塑性变形也将会使得金属材料在环境载荷消失后延伸变长，伸长变形量约等于已产生的拉伸塑性变形量。,提示：小试件均匀加热过程的变形一旦受到拘束,等效于外力作用，就会产生内部变形，同样会产生应力。,计算方法：,在弹性范围内,E,E,（,e,T,）,超出弹性范围,则有,s,材料力学中，当物体在,外力作用下处于平衡状态时，,可以说该物体处于,受力平衡状态。,内应力定义：,没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。,二,.,焊接应力和,残余应力,1,.,应力的分类,（,1,）,宏观应力：在整个焊接范围平衡的应力,微观应力：在晶粒范围内相互平衡的应力,超微观应力：在晶格范围平衡的应力,单向应力：应力沿构件的一个方向作用,双向应力：应力沿构件的两个方向作用,三向应力：应力沿构件的三个方向作用,1,）按应力,的分布范围,2,）按结构,中的空间位置,3,）按应力,与,焊缝,的相对位置,纵向应力：应力作用方向与焊缝平行,横向应力：应力作用方向与焊缝垂直,瞬时应力：焊接过程出现的应力,残余应力：焊后留下的应力,4,）按应力产生、,作用的时间,1,.,应力的分类,（,2,）,温度应力：由于焊件不均匀加热引起的,应力。,拘束应力：由于焊件热变形收到拘束引起的,应力,。,组织应力：由于接头金属组织转变时提及变化,受阻。,5,）根据,应力形成,原因,1,.,应力的分类,（,3,）,(1),温度应力,产生条件：,受热不均匀,温度均匀结果：,应力残留或消失,(,如果温度应力不高，即低于材料的屈服极限，亦即温度应力在弹性范围内时，在框架中不产生塑性变形，当框架的温度均匀化后，热应力随之消失,),。,举例：框架结构的温度应力平衡特点,温度应力：,由于构件受热不均匀引起的内应力。,(2),残余应力,残余应力：,温度恢复到原始状态均匀后残存在物体内部的应力。,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,举例：,金属框架,因此：任何原因引起的伸长变形受阻时，则该伸长部分受压应力，阻碍构件伸长的其它部分则受拉应力。,任何原因引起的收缩变形受阻时，则收缩部分受拉应力，而阻碍收缩的构件的其它部分则受压应力。,加热膨胀受拘束产生温度应力（压应力）压缩屈服变形,冷却收宿受拘束产生残余应力（拉应力）拉伸屈服变形,金属框架的温度应力与残余应力,(3),相变应力,材料在凝固冷却过程中，由于组织转变，带来体积尺寸变化，产生的应力。,相变应力：,组织转变,产生原因：,三,.,温度场,作用下的应力和,变形,金属在焊接过程中，其物理性能和力学性能都会发生复杂的变化，为了分析问题方便，对金属材料焊接应力与变形作以下假定：,平截面假定,：,假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。,金属,性质不变的假定：,假定在焊接过程中材料的某些热物理性质不随温度而变化。,焊接,温度场假定：,假定焊接温度场不随时间而改变。,在,500以下，,屈服点与常温相同，不随温度而变化；,500 600之间，,屈服点迅速下降；,600以上,时呈全塑性状态，即屈服点为零。,低碳钢的屈服点与温度的关系,屈服点与温度之间的关系,1,.,在长板条中心对称加热,温度场：,对端面中心对称的不均温度场,T,=,f,(,x),变形分析：取单位长度分析其变形与应力,假设：,T,0,=0,，则,T=T,由平面假设，变形时截面保持平面,温度场对称，端面只作平移，,e,为常数,可见：板条中心,0,，受压；板条两侧,0,，受压,内应力与变形的计算,当温度较低，无塑性变形，即,矩形面积,=,曲线下的面积,力的平衡相当于拉、压应力区面积的平衡,即为,T,=,f,(x),时的外观应变,可求得各点应力的大小，,应力分布分为三个区域：两侧受拉，中间受压,冷却后，应力和应变消失；即无残余应力和残余变形,当温度较高，板件中产生塑性变形，,即：,产生压缩塑性变形，,冷却后，应力和应变不能完全消失,(,存在压缩塑性变形,),实际上，,残余外观变形,：,e,理论上，中心凹陷量,残余应力,对称温度场：,变形仅为端面平移；,e,;,e,力的平衡条件：，实质是图形中面积的平衡,应力：,加热时，中间压，两侧拉；冷却后，中间拉，两侧压,残余应力的产生，,加热时存在塑性变形,热量集中的热源，,C,小，残余变形小 的大小取决于,C,的大小，所以热量集中的热源 小,结论：,2.,在长板条边缘非对称加热,温度场：,典型的非对称温度场,这两种情况为不平衡力矩，不能发生,内应力平衡条件为：,截面有转动，所以,e,非常数，是,x,的线性函数,板条平均伸长率为：,板条曲率为：,结论：,当,s,时产生残余应力和残余变形；,当,s,时不产生残余应力和残余变形；,1）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形，冷却后，构件必然有残余应力和残余变形。,2）通常，焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反,。,由上述讨论可知,：,3,）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。,4）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布是不均匀的,。,5,）焊接,结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力。,由上述讨论可知,：,热循环,拘束度,焊接热循环中产生的残余应力和变形 主要取决于,四,.,焊接,引起的变形和应力,1.,焊接过程的,特殊性,(1),高温下金属的性能发生显著变化,例如：低碳钢不同温度下的屈服强度,可能出现的相变将引起许多物理和力学参量的变化,(2),焊接温度场是一个空间分布极不均匀的温度场,与前面分析的沿长度同时加热的模型有较大差别，,平面的,准确性受到影响。,平面的,适用条件：焊接速度快；材料导热慢,2.,受拘束体在热循环中的应力与应变的演变过程,(1),取一单位长度的低碳钢棒，其两端被固定不能伸缩，将该棒均匀加热，然后冷却。,弹性状态，,无残余应力,(2),有塑性变形,及残余应力,(3),残余应力等于材料屈服极限,3.,焊接应力与应变的演变过程,4.,焊接热应变循环,近缝区的两种情况,a),无相变；,b),有相变,谢 谢,