《焊接应力与变形产生的机理ppt课件.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《焊接应力与变形产生的机理ppt课件.pptx（45页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、,焊接培训教材,焊接应力与变形产生的机理,张明录,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：Le,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
2、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T1恢复到T0时，杆件将恢复到原来长度L0，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
3、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
4、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，
5、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
6、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
7、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：T0=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
8、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
9、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：,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,
