应力、变形及裂纹讲解
产生焊接裂纹焊接应力和变形的原因
产生焊接裂纹焊接应力和变形的原因产生焊接裂纹的原因主要是焊接应力和变形。
在焊接过程中，由于热量的作用和材料的收缩，会产生应力和变形。
这些应力和变形如果超过了材料的承载能力，就会导致焊接裂纹的产生。
焊接应力是指在焊接过程中，由于热量的输入和材料的收缩，使得焊接接头产生的内部应力。
这些应力会导致接头周围的材料受到拉伸或压缩，当拉伸或压缩的应力超过材料的强度限制时，就会产生裂纹。
焊接应力的大小取决于焊接过程中的热量输入、材料的热膨胀系数、焊接接头的形状和尺寸等因素。
焊接变形是指在焊接过程中，由于热量的输入和材料的收缩，使得焊接接头产生的形状和尺寸的变化。
焊接变形通常包括收缩变形和热变形两种形式。
收缩变形是指焊接接头在冷却过程中由于材料的收缩而发生的变形，主要表现为接头的收缩和变形。
热变形是指焊接接头在焊接过程中由于热量的输入而发生的变形，主要表现为接头的膨胀和变形。
焊接变形会导致接头的形状和尺寸与设计要求不符，从而影响接头的性能和使用寿命。
焊接裂纹的产生与焊接应力和变形密切相关。
当焊接应力和变形超过材料的承载能力时，就会导致焊接接头产生裂纹。
焊接裂纹的形成通常有以下几个原因：1. 焊接过程中的热应力：焊接过程中，由于热量的输入和材料的收缩，会产生热应力。
热应力会使接头周围的材料受到拉伸或压缩，当拉伸或压缩的应力超过材料的强度限制时，就会产生裂纹。
2. 焊接材料的选择不当：焊接材料的选择不当也是导致焊接裂纹的一个重要原因。
如果选择的焊接材料与基材的热膨胀系数差异较大，就会在焊接过程中产生较大的应力和变形，从而导致裂纹的产生。
3. 焊接接头的设计不合理：焊接接头的设计不合理也会导致焊接裂纹的产生。
如果接头的形状和尺寸设计不当，就会在焊接过程中产生较大的应力和变形，从而导致裂纹的产生。
因此，在设计接头时应考虑到焊接应力和变形的影响，合理选择接头的形状和尺寸。
为了减少焊接裂纹的产生，可以采取以下措施：1. 控制焊接参数：合理控制焊接参数，如焊接电流、焊接速度、预热温度等，可以减少焊接过程中的热应力和变形，从而降低焊接裂纹的产生风险。
第4章 焊 接 焊接是通过加热或加压和加热,使分... - ...
9-2 选择题
1．熔化焊过程中必须采取保护措施。如果保护不好，空气侵入到液态金 属中，就会带来许多不利影响。例如，氧会使焊缝金属（ ）、（ ） 且产生（ ）；氮会使焊缝金属（ ），产生（ ）；而氢会引起焊缝 金属产生（ ）和（ ）。 A．气孔；B．冷裂纹；C．热裂纹；D．强度下降；E．塑性和韧性下降。 1．焊接时往往都要对被焊工件进行加热。熔化焊加热的目的是（ 压力焊加热的目的是（ ）；钎焊加热的目的是（ ）； ）。
6.0 2.3~3.6 27.0 25.0
§1-4 焊接应力、变形及裂纹
• 一、焊接应力
对工件进行不均匀的局部的加热是产生焊接应力和变形的根本原因。 焊接应力的结论：焊缝及附近区域产生拉应力，而两边区域产生压应力。
• 二、焊接变形及防止
• 1、焊接变形的基本形式
1、收缩变形， 2、角变形， 3、弯曲变形， 4、扭曲变形， 5、波浪变形
§2-3 气体保护焊
• 二、二氧化碳气体保护焊
• • • • CO2气体保护焊的特点 1、合金元素烧损， 2、焊接低碳钢和低合金钢等， 3、焊接低碳钢时常采用 H08MnSiA焊丝 • 4、焊接低合金钢时常采用 H08Mn2SiA焊丝。 • 5、焊接成本低，约是手工电弧 焊和埋弧自动焊成本的40％左右。
§1-3 焊接接头的金属组织及性能
• 二、焊接热影响区
焊缝附近金属因焊接热作用 而使组织和性能发生变化的 区域称为焊接热影响区。 • 随着距离金属熔池的远近不 同，所受的热作用和升高的 温度不同。因此，焊缝附近 区域的金属相当于受到了不 同规范的热处理，使组织和 性能发生了变化。现以低碳 钢为例说明热影响区的组织 和性能的变化。
第一章 金属熔焊工艺基础
• §1-1 焊接电弧
焊接应力与变形
七、控制焊接变形的措施
1.设计措施 （1）选用合理的焊缝尺寸 焊缝尺寸增加焊接变形也随之加大。但过小的 焊缝尺寸，将会降低结构的承载能力，并使接头的冷却速度加快，产生一系列 的焊接缺陷，如裂纹、热影响区硬度增高等。因此在满足结构的承载能力和保 证焊接质量的前提下，根据板厚选取工艺上可能的最小焊缝尺寸。 （2）尽可能地减少焊缝的数量 适当选择板的厚度，可减少肋板的数量， 从而可以减少焊缝和焊后变形校正量。对自重要求不严格的结构，这样做即使 重量稍大，仍是比较经济的。 对于薄板结构，则可以用压型结构来代替肋板结构，以减少焊缝数量，防 止焊接变形。 （3）合理安排焊缝位置 焊缝对称于构件截面的中心轴，或使焊缝接近中 心轴，可减少弯曲变形；焊缝不要密集，尽可能避免交叉焊缝。如焊接钢制压 力容器组装时，相邻筒节的纵焊缝距离或封头焊缝的端点与相邻筒节纵焊缝距 离应大于三倍的壁厚，且不得小于100mm。
四、消除焊接残余应力的方法（2
（3）中间消除应力退火 对于大厚度，刚性较大的焊件，为了避免在焊接过 程中由于应力过大而产生裂纹，往往在中间加一次或多次消除应力退火热处理 。 （4）机械拉伸（加载）法 产生焊接残余应力的根本原因是，焊件在焊后产 生了压缩残余变形，因此焊后对构件进行加载拉伸，产生拉伸塑性变形，它的 方向和压缩残余变形相反，结果使压缩残余变形减小，残余应力因此也相应地 减少。 （5）低温处理法 用一定宽度的多焰焊炬在压缩残余应力区连续加热，并随 之以喷水冷却，喷水管与焊炬以同一速度运动，这样就使原压缩应力区的应力 与加热后冷却时产生的拉应力互相抵消一部分，从而产生新的应力平衡，大大 地减少了残余应力。 机械拉伸消除应力法，对一些锅炉及压力容器的受压元件及焊接容器特别有 意义，因为锅炉受压元件及容器焊后通常要进行水压试验，水压试验的压力均 大于锅炉受压元件及容器的使用压力，所以在进行水压试验的同时也对材料进 行了一次机械拉伸，从而通过水压试验，消除了部分焊接残余应力。水压试验 时，水的温度应高于材料的脆性断裂临界温度。
应力变形及裂纹PPT课件
应力、变形及裂纹
1
主要问题
内应力产生的原因 残余应力的种类及其分布 减少或消除应力的途径 变形的种类及其影响因素 减少或消除变形的方法 裂纹的种类及其形成机理
2
内应力
内应力的定义 ➢由于收缩和膨胀受到阻碍而产生的平衡于
物体内部的应力 内应力的种类 ➢热应力 ➢相变应力 ➢机械应力
15
防止或减少变形的方法
结构设计 ➢局部加厚、设置拉肋等方法
16
17
工艺方面 ➢反变形法 ➢刚性固定法 ➢预留收缩量 ➢合理的工艺 ➢校正法 ✓机械校正 ✓火焰校正 ✓综合校正
18
19
20
21
裂纹
裂纹的定义 ➢ 在应力和致脆因素的共同作用下，使材料的原子
结合遭到破坏，在形成新界面时产生的缝隙。 裂纹形成的条件 ➢ 材料的塑性变形能力不足以承受ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ时应力所产生
腐蚀裂纹 23
各种裂纹的形成机理及其特征
热裂纹 ➢在高温阶段发生的开裂现象 特征 ➢表面呈氧化色、外形曲折而不规则、沿晶
断裂特征
24
凝固裂纹的形成机理
25
26
液化裂纹
➢ 与晶界的液化现象有关，液化现象与偏析造成的 共晶反应有关。
➢ 沿晶断裂、断口中会看到局部有树枝状突起。
27
影响热裂纹的因素 ➢冶金因素 ✓化学成分 ✓凝固组织
定义 ➢完全冷却后残留在工件内的力 类型 ➢纵向残余应力 ➢横向残余应力
7
8
减少残余应力的途径
合理的结构设计 ➢铸件的壁厚差要尽量减少 ➢厚薄壁连接处要圆滑过渡 ➢厚壁部分的砂层要减薄，或放置冷铁 ➢合理设置浇冒口
9
选择合理的工艺及采取必要的措施 ➢ 选择弹性模量和收缩系数小的铸型材料 ➢ 提高铸型的预热温度 ➢ 采用较细的面砂和涂料 ➢ 控制铸型和型芯的紧实度、加木屑、焦炭 ➢ 控制铸件在型内的冷却时间
3.3.2 铸件的变形、裂纹
铸件的变形、裂纹副教授：陈云铸件的变形、裂纹变形裂纹残余热应力的存在，使铸件处在一种非稳定状态，将自发地通过铸件的变形来缓解其应力，以回到稳定的平衡状态。
当铸造内应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹(热裂纹与冷裂纹）。
一、铸件的变形具有残余应力的铸件是不稳定的，它将自发地通过变形来减缓其内应力，以便趋于稳定状态。
只有原来受拉伸部分产生压缩变形、受压缩部分产生拉伸变形，才能使残余内应力减小或消除。
厚部、心部受拉应力，出现内凹变形；薄部、表面受压应力，出现外凸变形车床床身的导轨部分厚，侧壁部分薄，铸造后导轨产生拉应力，侧壁产生压应力，往往发生导轨面下凹变形。
将一刚生产出来的圆柱体铸件，作如下加工：1、将铸件外表面车掉一层；2、将铸件心部钻一通孔；3、将铸件侧面切去一部分；问：在这三种情况下铸件会发生什么变化？防止变形的方法与防止铸造应力的方法基本相同。
此外，工艺上还可采取某些措施，如反变形法；对某些重要的易变形铸件，可采取提早落砂，落砂后立即将铸件放入炉内焖火的办法消除机械应力。
二、铸件的裂纹当铸造应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹，裂纹是严重的铸造缺陷，必须设法防止。
按裂纹形成的温度范围可分为热裂纹和冷裂纹两种。
1、热裂纹热裂纹是在凝固末期高温下形成的裂纹。
其形状特征是缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。
铝合金6061圆铸锭 100X热裂纹在金相分析上的形状表现为锯齿状裂开，裂纹弯曲、分叉或呈网状、圆弧状，断口位置处裂纹凹凸不平。
热裂纹一般分布在应力集中部位(尖角或断面突变处)或热节处。
防止热裂纹的方法：使铸件结构合理，减小浇、冒口对铸件收缩的机械阻碍，内浇口设置应符合同时凝固原则。
此外减少合金中有害杂质硫、磷含量，可提高合金高温强度，特别是硫增加合金的热脆性，使热裂倾向大大提高。
2、冷裂纹冷裂纹是铸件处于弹性状态即在较低温下形成的裂纹。
其形状特征是裂纹细小、连续直线状，有时缝内呈轻微氧化色。
第四节_焊接应力及变形介绍
返回
返回2-2a
返回图2-2b
返回 图2-3
焊接残余变形及预防、矫正措施
一、焊接残余变形的分类
焊接残余变形是焊接后残存于结构中的变形。大致可分下列七类： （一）纵向收缩变形：构件焊后在焊缝方向发生收缩如图2—20中的ΔL。 （二）横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝方向发生收缩，如图2—20中的
ΔB。
(四)减应力法（在结构适当部位加热使之伸长） 加热区的伸长带动焊接部位，使它产生一个与焊缝收缩方 向相反的变形。在冷却时，加热区的收缩和焊缝的收缩方 向相同，使焊缝能自由地收缩，从而降低内应力。其过程 见图2—133。利用这个原理可以焊接一些刚性比较大的焊 缝，获得降低内应力的效果。 例如图2-134a所示的大皮带轮或齿轮的某一轮幅需要焊缝， 为了减少内应力，则在需焊缝的轮幅两侧轮缘上进行加热， 使轮幅向外产生变形。 图2-134b，焊缝在轮缘上，则应在焊经两侧的轮幅上进行 加热，使轮缘焊缝产生反变形，然后进行焊接，都可取得 良好的降低焊接应力的效果。
二、变形：自由变形、外观变形和内部变形
物体在某些外界条件(如应力、温度等)的影响下，形状和尺寸可 能发生变化，这种变化都有一定的规律性。 （一）自由变形：当某一金属物体的温度有了改变，或发生了相变， 它的尺寸和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的任 何阻碍而自由地进行，这种变形称之为自由变形。 以图2—2中的一种金属杆件为例：T0---T1，L0---L1 （二）外观变形和内部变形 1、外观变形：当金属物体在温度变化过程中受到阻碍，使它不 能完全自由地变形，只能够部分地表现出来(见图2—2b)，我 们 把能够表现出来的这部分变形，称之为外观变形 2、内部变形：未表现出来的那部分变形，我们称之为内部变形。 (压缩变形) 返回
第二章铸造成形讲解
•薄壁处受压力，厚壁处受拉力
•变形
防止变形的措施
• 设计铸件时尽可能壁厚均匀，形状对称。 • 采取同时凝固。 • 设计“反变形”量。
•时效处理：有内应力的铸件在加工前置于 露天半年以上，或550~650ºC去应力退火。
3、铸件的裂纹与防止
• 热裂 热裂是铸件在高温下产生的裂纹。 其形状特征是：裂纹短，缝隙宽，形状 曲折，缝内呈氧化色。
• 2、铸造合金的收缩 • 3、缩孔与缩松
铸件的凝固方式之一
• 逐层凝固
– 纯金属和共晶 成份的合金， 结晶温度是一 固定值。凝固 过程由表面向 中心逐步进行
温度
固 表层
液 中心
铸件的凝固方式之二
• 糊状凝固
– 结晶温度范围 很宽的合金， 从铸件的表面 至心部都是固 液两相混存。
铸件的凝固方式之三
铸造 碳钢 0.35 1610
白口 铸铁 3.00 1400
灰口 铸铁 3.50 1400
液态 收缩 1.6
2.4
3.5
凝固 固态 总收缩 收缩 收缩 （%）
3
7.8 12.46
12~ 4.2 5.4~6.3
12.9 6.9~ 0.1 3.3~4.2 7.8
铸件中的缩孔与缩松
• 缩孔和缩松的形成 液态合金在冷凝过 程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减 的容积的得不到补足，则在铸件最后凝 固的部位形成一些孔洞
1、合金的流动性 2、浇注条件 3、铸型填充能力
充型能力不强，则易产生浇不足（short run） 、 冷隔（short run）…等。
合金的充型能力之一
合金的流动性
• 合金的流动性是指熔融合金的流动能力。– 流动性好，充型能力强，便于浇出轮廓清 晰、薄而复杂的铸件。
焊接应力与变形产生的原因及对策
焊接应力与变形产生的原因及对策
焊接过程中，由于焊接热量的作用，会引起材料的膨胀和收缩，从而产生应力和变形。
这些应力和变形会影响焊接件的尺寸精度、强度和耐久性，甚至导致焊接件出现裂纹和变形失效。
造成焊接应力和变形的原因主要有以下几个方面：
1. 热应力：焊接过程中，由于焊接热量的作用，使得焊接区域的温度急剧升高，从而引起材料的扩张和收缩。
这种温度差异会产生热应力，导致焊接件发生变形和应力。
2. 冷却应力：焊接完成后，焊接件会迅速冷却，冷却速度过快会导致焊接件表面和内部温度梯度过大，产生冷却应力，进而引起应力和变形。
3. 材料不匹配：焊接材料的热膨胀系数、熔点、硬度等物理性质不同，容易导致焊接区域产生应力和变形。
4. 焊接结构设计不合理：焊接结构设计不合理，如焊接位置不当、焊接接头不够强壮等，容易导致应力集中和变形。
针对焊接应力和变形的问题，可以采取以下对策：
1. 控制焊接热量：采用合适的焊接参数，控制焊接热源的大小和位置，以减少焊接区域的温度梯度，从而降低应力和变形。
2. 加强冷却措施：在焊接完成后，采取适当的冷却措施，如缓慢冷却、局部加热等，以减少焊接件的冷却速度，从而降低冷却应力。
3. 选择合适的焊接材料：选择合适的焊接材料，如选择热膨胀
系数和熔点相似的材料，可以减少焊接区域的应力和变形。
4. 优化焊接结构设计：优化焊接结构设计，加强焊接部位的加强设计，采用适当的焊接方式和焊接技术，可以减少应力集中和变形。
总之，采取合适的对策，可以有效地控制焊接应力和变形，提高焊接件的质量和性能。
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2019/6/8
材料成形原理-焊接-XIONG JG
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焊接变形的矫正（straightening）
机械矫正 火焰矫正
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3-3 裂纹
裂纹是一种可能造成制造产品或结构失效的 突发性破坏的材料缺陷，往往是一种最危险 而又常见的缺陷。
工件冷却后仍保留在工件内部的应力称为残余应力 （residual stress）。 加热冷却或受力过程中存在的应力称为瞬时应力 （instantaneous stress)。亦即动态应力。
另外，固态相变也有膨胀或收缩现象，局部的相变 因此也能造成内应力。
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第三章 应力、变形及裂纹
Stress, distortion and cracking
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MFP – Dr XIONG JG
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形成
材料成形(铸造、焊接时)的温度改变，导致“热胀 冷缩”，而且非均匀的温度变化（如局部的加热、 冷却）导致金属内部不均匀的“热胀冷缩”从而产 生应力。称为内应力（internal stress)。
机械拉伸法
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3-2.焊接变形
残余应力的存在必然导致原工件形状的 少量改变，也称为残余变形（工件冷却下 来后遗留一下来的变形）。
整体变形
局部变形
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纵向横向收缩变形
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3.3.2 焊接冷裂纹 cold cracking
材料焊接冷却到室温附近产生的一种裂纹， 它是焊接缺陷中最普遍而又极危险的一 种。
主要讨论其中主要的一种：延迟裂纹 （delayed cracking）或称之为氢致裂纹 （hydrogen-induced cracking, HIC）
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（1）冷裂纹的基本特征
1）产生冷裂纹的材料：中、高碳钢及合金钢、钛及钛合金，BCC材料有 淬硬M相变材料。
纵向残余应力分布
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板边堆焊焊接残余应力形成
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3.减少焊接残余应力的措施 工艺措施、 结构设计
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3.2残余应力的消除 热处理、机械振动法、机械加载
焊接热裂纹的形成原因：
焊接热裂纹是一种高温沿晶断裂而形成的裂纹。 焊缝凝固过程中，在枝晶间存在低熔共晶的薄层，此 时材料的塑性变形能力很低，在冷却过程中不可避免 的产生收缩应变，当收缩应变大于材料此时的塑性应 变的能力时，即产生焊接热裂纹。
焊缝在凝固过程中所出现的晶间塑性应变能力的 应变区间叫做脆性温度区，不同材料有不同的脆性温 度区，温度区越大，产生热裂纹的危险性越大。
2
3-1 内应力
1、内应力的形成
（1）热应力（thermal stress） 不均匀加热冷却过程产生的应力称为热 应力。 （因材料的弹-塑性）
杆中心加热，产生内应力（瞬时应力） 当加热变形在弹性范围内，冷却后，残 余应力=0 当加热变形超过弹性范围外（塑性）， 冷却后，残余应变，残余应力
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种类：按形成机理分。主要有热、冷、再热 （reheat）、应力腐蚀（stress-corrosion） 裂纹和层状撕裂（lamellar tearing）
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3.3.1 焊接热裂纹（hot cracking）
主要指凝固裂纹(solidification cracking)
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挠 曲 变 形
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角变形
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波浪变形（失稳变形）
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影响因素及防止措施
影响因素： 材料热物理性能：膨胀系数、导热性 工艺因素：焊接热输入、焊接顺序
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(2)形成机理
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(3) 焊接热裂纹的影响因素 a.硫的偏析 b.焊缝的组织 c.焊缝冷却的速度 （层间温度、热输
入量）
d.焊缝的形状 （成形系数） e.拘束度
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加热时
3
焊件内应力
在不均匀温度场的作用下，被加热到较高温度的区域的 金属受到压缩应力，当此应力达到材料在该温度下的屈服限 时，局部区域内受到压缩塑性变形，由于塑性变形不可逆， 此区域的材料在冷却之后即产生收缩，而周围未受热的金属 会限制它的收缩，于是在压缩塑性变形的区域内产生拉应力， 而周围区域产生压应力。这种内部应力在温度均匀后残存在 物体内部，固称为残余应力。
残余应力是在没有外力的条件下，平衡于内部的应力。 由焊接引起的残余应力称为焊接残余应力。
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板 中 心 堆 焊 焊 接 残 余 应 力 形 成
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铸件的内应力
冷却过程中各部分冷却速度不一致 造成的.
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相变应力（transformation stress）
固态相变金属因各区域发生相变的类 型不同、时间不同或程度不同，由于不同 相组织的比容不同而导致的内应力。
低碳钢
合金钢
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2.焊接残余应力的分布
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（1）特征
1）仅发生于WM或铸件中 2）一次结晶（原奥氏体）晶界分布的晶间裂
纹
3）断口形貌（fracture appearance） a. 高温特征：液膜（liquid film）表面，元素分析表明有S、P等富集