焊接应力与变形

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3.2 焊接应力与变形机理分析
3.2.1 焊接应力与变形的基本概念
提要：这里通过对小试件均匀线性加热与冷却过程热循环中 的热变形与热应力循环 的分析，使我们深刻理解焊接应 力与变形的产生过程及残余应力与变形的产生机理。
方法：利用应力、应变循环图直观分析。
基本概念：自由变形，外观变形，内部变形。
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（3）当温升 T ＞ ＞ TS时， 内部变形|ε | ＞ ＞ εs ； 这时，材料内部产生的塑性变形一旦达到：
|εp | ＞ εs 的状态，那么，冷却终了时，试件中不但 会产生达到σs 的拉应力，还会产生新的拉伸塑性变形ε’p ！
这就是所谓的热塑性变形循环！
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即在绝对刚性拘束下， 只要温度升高100℃， 低碳钢小试件便达到屈 服状态！
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3.2.4 典型拘束状态的表征
• 绝对自由拘束： εe ≡ ε T ，ε≡ 0 • 绝对刚性拘束： ε≡ －ε T ，εe ≡ 0 • 弹性拘束： εe ≠ε T ， ε≠ 0
——上述几种拘束状态的表征，在以后的应力分析中会 经常提到！
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收缩变形——纵向、横向
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角变形
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波浪变形——失稳变形
弯曲变形
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扭曲变形
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错边变形
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（3）焊接变形的几点说明
a. 区别伪波浪变形与真正波浪变形的本质不同； b. 注意焊接错边与装配错边的本质不同； c. 注意分析各种变形的产生原因及相互关系。 解释与提示： 伪波浪变形的本质是：角变形的连续 表象； 真正波浪变形本质是：薄板受压失稳 行为；
不一致形成温度差，导致体积膨胀与收缩不同而产生的内应力 附加应力：刀具表面和内部组织结构不均匀以及工具内部弹性变形
不一致形成的内应力。 当以上三种应力之和大于材料的破断抗力时，则形成淬火裂纹。
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（3）内应力分类
① 按分布范围分：
• 宏观内应力：平衡范围整个结构 第一类内应力 √ • 微观内应力：平衡范围晶粒之间 第二类内应力 • 超微观内应力：平衡范围晶格之间 第三类内应力
（3） TP与TS
• TP ——指金属在升温过程中达到σs为0时所对 对应临 界温度。
• TS——指金属在升温过程中，内部应力达到σs时所对 对应临界温度。
• 举例：对于低碳钢TP＝600℃； • TS的讨论：
——分析低碳钢小试件在不同拘束条件的TS ＝？℃
2021/2Leabharlann 432低碳钢在绝对刚性拘束时的TS
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(1) TMAX ≤ TS 的最高温度状态
T
＋
|εmax |≤ εs
－
εT εe
实际状态 平面变形
假想状态
各自独立
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冷却终了：
由于TMAX ≤ TS ，故内部变形ε≤ εs ； 单元体内部没有塑性变形，即εp ＝0； 单元体内每个小窄条处于完全弹性状态。 因此，加热循环结束后，单元体没有任何残余变形，最
基本符号： △ L T
△Le
△L
应变表示： ε T
εe
ε
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三种基本变形的定义
自由变形 —在温度变化时试件的变形不受任何限制，能够充分表现
出来的变形 外观变形 —由于某种拘束作用的限制，使得试件的热变形不能充分
表现出来，把其中表现出来的部分变形称为外观变形 内部变形 —未表现出来的那部分就称为内部变形
终恢复到原始状态。所以，单元体内部也没有任何残余应 力！
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拘束条件不同时，同样加热到400℃，冷却后有什 么变化？
在任意时刻， T e
杆件的内部应变 T e 0 杆件内应力为0。
T,
T
T
t
t
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3.2.5 刚性拘束板条残余变形与残余应力 （1）当温升T≤ TS时，内部变形ε≤ εs ；
材料内部没有塑性变形，即εp ＝0； 材料处于完全弹性状态。
约3%的膨胀
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热胀冷缩 不均匀
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例:高速钢
莱氏体钢，含有大量合金元素
过冷奥氏体转变为淬火马氏体，由于前者比容小，后者比容大，钢 从收缩状态逆转为膨胀状态，
组织应力：金属内外层相变引起的比容变化不同时性产生的内应力 热应 力：大型刀具的表面和中心以及厚薄不同处因加热和冷却速度
② 按应力变化与时间的关系分：
• 瞬时应力：应力随时间变化 √ • 残余应力：应力不随时间变化 √
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③ 按产生原因分为:
热应力(又称温度应力)—由于焊件经受了不协调的热变形所致。 相变应力—由于焊缝区不均匀的相变，引起焊缝及热影响区金属的
比容变化所致。 拘束应力—由于工件自身或外加夹具的拘束作用产生的内应力。 凝缩应力—因焊缝区液态金属冷凝收缩引起的内应力。 氢致集中应力—因焊缝区的扩散氢在晶界或显微缺陷处聚集而形成
② 按焊接变形的形貌分为： 纵向收缩ᅀL—工件在焊缝方向的尺寸缩短行为； 横向收缩ᅀB—在垂直焊缝方向的尺寸缩短行为； 角变形β —工件的平面围绕焊缝轴线产生的角位移； 波浪变形—薄板工件在板平面上产生的凸凹不平； 弯曲变形—工件轴线产生的挠曲变形； 扭曲变形—工件整体产生的螺旋变形； 焊接错边—工件的坡口两侧母材产生局部不平。
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（2）产生原因
① 不均匀塑性变形：冷轧、冷弯
② 不均匀温度场：焊接
③ 不均匀相变：如奥氏体－马氏体转变
钢中膨胀系数由大到小的顺序为：
奥氏体>铁素体>珠光体>上、下贝氏体>马氏体；
比容变化相反：
马氏体>铁素体>珠光体>奥氏体>碳化物
→奥氏体－马氏体转变→体积？ ④ 不均匀化学反应
ε＝εe －εT
这两个公式一定要牢记！
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3.2.2 试件内部的应力
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 σ＝ E ·ε ＝ E（ εe － ε T ） 超出弹性范围 则有 σ＝ σs
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3.1 内应力与变形的基本知识
Welding Stress and Deformation
3.1.1 焊接应力的基本知识
（1）内应力的概念
内应力定义— 指在无外力作用下平衡于物体内部的应力。 内应力特点— 拉压共存；拉压平衡；在应力分 布图上至少有3块面 积。 内应力别名— 初始应力，锁定应力，固有应力、反作用应力等。 内应力举例—铸件，焊接件，铆接件等都存在内应力
受
铆钉
拉
区
工件
x
x
受 压
内应力
区
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中心区域受拉 两边区域受压
x y
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内应力是一种普遍存在的现象
内应力作用的可能结果：
① 菜板为什么会裂？ ② 熟好的西瓜为什么容易裂开？ ③ 腹部有未愈合伤口的人为什么不敢直腰？ ④ 钢筋混凝土预制构件中有无内应力？ ⑤ 铸件、焊件为什么会开裂？
t2 t3 t4
t5
s s
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非刚性约束
T
p
T
t1 t2
t3 t4 t5
t6
s
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3.2.6 长板条中心加热试件分析
• 分析前提——平面变形假设 表述：试件上处在同一平面的点，在整个热变形过程中始 终保持在同一平面上！
• 加热条件：长板条中心加热 1) TMAX ≤ TS 2) TMAX ＞ TS
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三种基本变形的图解
△LT
L0
△Le △L
可见， △L=| △ L T － △Le|
又有, △L= △Le － △ L T 即, △Le = △ L T + △L
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考虑到拉压关系 应力分析的重要公式
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三种变形的应变形式
• 只要将公式 △Le = △ L T + △L
（4）刚性拘束板条
① Tmax<100℃
T,ε
T
εT
t1
1
σ
t2 t t
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②内部应变小于屈服应变，Tmax<200
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T
p
T
t1 t2
t3 t4
s
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③200<Tmax<500
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T p
T
t1
t2
t3
t4 t5
s
s
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④500<Tmax<600
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3.2.3 材料屈服限的变化 （1）低碳钢应力应变曲线示意图
σ
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ε
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（2） 材料屈服限的变化
• 提示：材料的机械性能随温度的变化而变化，当温度变化 幅度较大时，其性能变化幅度也是十分惊人的！
• 低碳钢屈服限随加热温度的变化关系
σ