残余应力的成因及分布规律
厚板焊接接头残余应力分布
厚板焊接接头残余应力分布一、前言焊接是制造业中常用的一种连接技术，但是焊接过程中会产生残余应力，如果不及时处理，会对焊接结构的安全性和稳定性产生影响。
本文将介绍厚板焊接接头残余应力分布的相关知识。
二、残余应力的定义和产生原因1. 残余应力的定义残余应力是指在物体内部存在的没有外部载荷作用下仍然存在的应力。
它是由于物体内部存在着不均匀的热变形以及冷却过程中由于温度梯度引起的收缩变形等原因所引起。
2. 残余应力产生原因在焊接过程中，由于高温下金属材料热膨胀系数不同，且冷却速度快，使得各处受到不同大小、方向和位置的约束，从而导致了残余应力。
三、厚板焊接接头残余应力分布特点1. 焊道处残余应力最大在厚板焊接接头中，由于焊道处受到了最大热输入和冷却速度最快等多重因素影响，所以其残余应力最大。
2. 焊接热影响区内残余应力较大焊接热影响区是指焊接过程中受到高温热输入的区域，这个区域内的材料发生了相应的变形，因此其残余应力较大。
3. 焊缝两侧残余应力差异较大在厚板焊接接头中，由于各处受到不同大小、方向和位置的约束，导致了焊缝两侧残余应力差异较大。
四、厚板焊接接头残余应力分布计算方法1. 数值模拟法数值模拟法是通过计算机软件进行仿真分析，模拟出焊接过程中各处的温度场和变形场，并进而计算出残余应力分布情况。
这种方法可以在不同条件下进行多次仿真分析，并对比结果，找出最优方案。
2. 实验测量法实验测量法是通过实验手段对焊接结构进行测试，并通过测试数据计算出残余应力分布情况。
这种方法可以直观地观察到实际情况，并且可以验证数值模拟结果的准确性。
五、厚板焊接接头残余应力分布的影响因素1. 焊接参数焊接参数是指焊接过程中的电流、电压、焊接速度等参数。
这些参数的不同组合会对焊接过程中的温度场和变形场产生不同的影响，从而影响残余应力分布情况。
2. 材料性质材料性质包括材料的热膨胀系数、热导率、比热容等。
这些性质的不同会导致在焊接过程中材料发生不同的变形，从而影响残余应力分布情况。
渗碳淬硬层残余应力的分布特征
渗碳淬硬层残余应力的分布特征渗碳淬硬层是通过在钢表面加热处理过程中将碳元素放入钢表面来提高钢的硬度和耐磨性的一种工艺。
在渗碳淬硬层形成的过程中，由于钢材经历了高温加热和快速冷却的过程，会产生残余应力。
这些残余应力会对渗碳淬硬层的性能和稳定性产生影响。
下面将介绍渗碳淬硬层残余应力的分布特征。
一、渗碳淬硬层残余应力的产生机制1.渗碳过程中产生的应力：渗碳处理过程中，由于将碳元素放入钢表面，钢表面会出现膨胀，而心部温度较低，不能膨胀，导致产生应力。
2.快速冷却引起的应力：在渗碳淬火过程中，由于淬火速度很快，钢材表面和心部温度存在梯度差，导致钢材表面形成残余应力。
1.层状分布特征：渗碳淬硬层的残余应力分布呈现出层状结构。
表面区域的应力较大，而心部区域的应力较小。
这是由于渗碳过程中碳元素的运动和钢材表面的变形造成的。
2.厚度变化引起的应力分布：渗碳淬硬层的残余应力与渗碳层的厚度有关。
通常情况下，渗碳层的厚度越大，残余应力越大。
这是由于渗碳过程中膨胀引起的应力增大造成的。
3.表面质量对残余应力的影响：渗碳淬硬层的残余应力与表面质量密切相关。
表面质量越好，残余应力越小。
这是因为渗碳过程中，渗碳剂的粒度大小、使用情况等会影响到渗层的质量，进而影响到残余应力的分布。
4.温度梯度对应力的影响：温度梯度是渗碳淬硬过程中产生残余应力的主要因素之一、渗碳淬火过程中，由于表面和心部的温度梯度差异，会导致残余应力的产生。
温度梯度越大，残余应力越大。
三、渗碳淬硬层残余应力的控制方法为了控制渗碳淬硬层的残余应力，可以考虑以下方法：1.控制渗碳温度和时间：渗碳温度和时间的控制对渗碳淬硬层的残余应力有重要影响。
合理选择渗碳温度和时间，可以减小残余应力。
2.控制淬火速度：淬火速度对渗碳淬硬层的残余应力有显著影响。
合理选择淬火速度，可以减小残余应力。
3.提高硬化工艺控制精度：提高硬化工艺的控制精度，可以减小残余应力的产生。
4.优化渗碳剂和处理工艺：优化渗碳剂和处理工艺，可以改善渗碳淬硬层的质量，从而减小残余应力的产生。
焊接残余应力的分布及控制措施
焊接残余应力的分布及控制措施山东电力建设第二工程公司周元庆摘要：分析焊接残余应力的分布、焊接残余应力对焊接结构的影响，提出减小焊接残余应力的控制措施。
关键词：焊接残余应力、分布、影响、控制措施电建行业中，我们大量应用到焊接技术，其中主要包括钢结构焊接、管道焊接等。
焊接过程会产生焊接残余应力，焊接残余应力会降低承载能力、引起焊接裂纹，甚至脆断、在腐蚀介质中，产生应力腐蚀裂纹以及引起变形等，因此，需要采用合理的方法进行控制。
一、焊接残余应力的分布：1、纵向应力бx ：我们把焊缝方向的应力称为纵向应力。
бx在焊件横截面上的分布规律为：焊缝及其附近区域为残余拉应力，一般可达材料的屈服强度，随着离焊缝距离的增加，拉应力急剧下降并转为压应力；бx 在焊件纵截面上的分布规律为：在焊件纵截面端头，бx=0，越靠近纵截面的中间，бx越大，逐渐趋近于бs。
2、横向应力бy：垂直于焊缝方向的应力成为横向应力。
横向应力较纵向应力来讲比较复杂，它可分为两个组成部分，其中一个是由于焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩所引起的横向应力бy′，另一个是由焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩的不同时性所引起的横向应力бy ″。
бy=бy′+бy″。
3、厚板中的残余应力：厚板焊接结构中除了存在着纵向应力和横向应力外，还存在着较大的厚度方向的应力。
4、在拘束状态下焊接的内应力：构件在受拘束状态下焊接时所产生的应力称为拘束状态下焊接的内应力。
这种应力对结构的影响比较大，在设计和施工时应注意采取措施消除或减少。
5、封闭焊缝所引起的内应力：在容器、船舶等板壳结构中，经常会遇到焊接接管、人孔接头和镶块等的焊缝构成一个封闭回路，称之为封闭焊缝。
封闭焊缝时在较大拘束下焊接的，因此内应力比在自由状态时大。
结构的刚度越大，拘束度越大，内应力也越大。
二、焊接残余应力对焊接结构的影响1、对静载强度的影响：如果材料具有足够的塑性，焊接残余应力的存在并不影响结构的静载强度，但是如果是脆性材料制造的焊接结构，由于材料不能进行塑性变形，随着外力的增加，构件不可能产生应力均匀化，所以在加载过程中应力峰值不断增加。
圆柱齿轮加工工艺中的加工表面残余应力分布
圆柱齿轮加工工艺中的加工表面残余应力分布圆柱齿轮是机械传动中常用的一种元件，其性能的优劣与表面残余应力密切相关。
本文将探讨圆柱齿轮加工工艺中的加工表面残余应力分布情况，并分析其影响因素及对齿轮性能的影响。
一、加工表面残余应力的形成在圆柱齿轮加工过程中，由于切削力及热源的作用，工件表面产生塑性变形和温度变化，从而导致加工表面残余应力的形成。
具体而言，加工过程中的切削力会使工件表面产生塑性变形，而高温源（如切削热）则会引起工件表面的温度升高。
这些因素共同作用下，导致了加工表面残余应力的产生。
二、加工表面残余应力的分布形式圆柱齿轮加工表面残余应力的分布形式是不均匀的，一般可以分为径向和周向两个方向。
在径向方向上，齿轮的表面残余应力呈现出放射状分布，即离齿轮中心越远，残余应力越小。
而在周向方向上，齿轮的表面残余应力呈现出环形分布，即接近齿槽处的表面残余应力较大，而齿槽之间的表面残余应力较小。
三、影响加工表面残余应力的因素1. 切削参数：切削速度、进给速度、切削深度等切削参数的选择和调整都会对加工表面残余应力产生影响。
一般情况下，切削速度越高，加工表面残余应力越小；进给速度越大，加工表面残余应力越大；切削深度的增加也会使加工表面残余应力增大。
2. 热源：加工过程中的热源主要来自切削热和摩擦热。
切削热的大小与切削速度、切削力以及刀具材料等因素相关，而摩擦热则与接触面的摩擦系数、转速等因素有关。
热源的变化将直接影响加工表面残余应力的分布情况。
3. 材料性质：工件材料的硬度、韧性以及导热性等性质也会对加工表面残余应力产生影响。
一般而言，材料的硬度越高、韧性越低，加工表面残余应力越大。
四、加工表面残余应力对齿轮性能的影响加工表面残余应力对齿轮的性能具有重要的影响。
首先，加工表面残余应力会导致齿轮的尺寸变化及形状变形，从而影响齿轮的装配精度和工作传动性能。
其次，齿轮在工作时会承受着较大的载荷，加工表面残余应力会减少齿轮的疲劳寿命，增加其断裂风险。
残余应力的成因及分布规律
残余应力的成因及分布规律
残余应力是构件还未承受荷载而早已存在于构件截面上的初应力。
产生残余应力的主要原因是由外界条件引起了不均匀的塑性变形，有两种常见情况导致不均匀塑性变形：一是非均匀温度场的高温热循环作用，如焊接后未作特殊处理或采取火焰切割下料等；二是钢材的冷加工，冷加工会使构件产生不均匀塑性变形，因而产生残余应力。
残余应力的大小、分布与截面几何形状、几何尺寸、构件制造方法和加工过程等密切相关。
残余应力的分布特点是截面上的应力满足静力平衡条件。
图3-8所示为几种工字形截面沿构件纵向的残余应力分布，图中压应力为负值，拉应力为正值。
图3-8(a)为轧制普通工字钢，这种截面的腹板厚度远小于其冀缘厚度。
热轧后腹板中间部位先冷却，翼缘后冷却，又由于翼缘宽度较窄，因而在冷却过程中翼缘的收缩受到比其先冷却的腹板部分的约束而在翼缘中产生残余拉应力，在先冷却的腹板部分产生残余压应力。
图3-8(b)为轧制H型钢，其翼缘宽度较大，热轧后冷却过程中，翼缘两端由于其暴露于空气中的面积较翼缘与腹板交接部分为多而冷却较快，腹板中间部位则因厚度较薄而冷却较快，翼缘与腹板交接部位冷却收缩变形受到较其先冷却部分的约束而出现残余拉应力，先冷却部分则出现残余压应力。
图3-8(c)为翼缘为轧制边的焊接工字形截面，焊接处由于热量的高度集中，冷却后焊缝附近的腹板和翼缘板上均产生残余拉应力。
冀缘板两端与腹板中间部分则为残余压应力。
图3-8(d)为翼缘是火焰切割边的工字形截面，翼缘钢板两端有残余拉应力，而中间部分为残余压应力。
用这种钢板制作翼缘板的焊接工字形截面在焊缝冷却后，翼缘板中将产生相反的残余应力。
焊接残余应力
不同焊接顺序对横向应力σ’’y的影响
\\ y
\\ y
σs
从中间向两端焊
从两端向中间焊
不同焊接顺序对横向应力的影响
3) 总的σy
y
' y
'' y
大小受σs的限制
4)横向应力在板宽方向上的分布
横向应力沿板宽上的分布
焊缝中心应力幅值大，两侧应力幅值小，边缘处应力值为零。
环焊缝纵向应力与圆筒半径及焊 接塑性变形区宽度的关系
◇取决于圆筒的半径R、壁 厚δ、塑变区的宽度bp
2. 横向残余应力的分布σy
σ’y 由焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩引起的 σy= +(叠加)
σ’’y由焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩的不 同时性所引起的
1)σ’y分析：
➢两块平板对焊件，其纵向应力的分布是焊缝及其附近 的塑性变形区为拉应力，两侧为压应力。
一.焊接残余应力的分布
纵向应力σx：沿焊缝方向上的应力
横向应力σy：垂直于焊缝方向上的应力
σz： 厚度方向上的应力
1.纵向残余应力的分布
1) 纵向残余应力在纵向上的分布
总结： 板条中部区， 焊缝纵向残余应力 基本保持不变。在 板条的端部存在一 个内应力的过渡区， 纵向残余应力逐渐 降至零。
原因：板条两端的边界条件与中间部分不同，拘束度和热循 环特性不尽相同，使两端的纵向残余应力出现过渡区。
＋
420MPa
厚板V形坡口多层焊时沿厚度上的应力分布
4. 拘束状态下焊接的内应力
σ=σy+σf
结论：σ由拘束产生的反作用力σf与自由状态下焊接产生的横 向残余应力σy之和。
残余应力的产生与消除
残余应力的产生、释放与测量一、残余应力的产生产生残余应力的原因归结为三类：一是不均匀的塑性变形;二是不均匀的温度变化；三是不均匀的相变。
根据产生残余应力机理的不同，可将其分为热应力和组织应力，车轴热处理后的残余应力是热应力与组织应力的综合作用结果。
由于构件内、外部温度不均，引起材料的收缩与膨胀而产生的应力称为“热应力”。
热应力是由于快速冷却时工件截面温差造成的，淬火冷却速度与工件截面尺寸共同决定了热应力的大小。
在相同冷却介质的情况下，淬火加热温度越高、截面尺寸越大、钢材热导率和线膨胀系数越大，均能导致淬火件内外温差增大，热应力越大。
而加工过程中，由工件内外组织转变的时刻不同多引起的内应力成为“组织应力”。
淬火时，表层材料先于内部开始马氏体的相变，并引起体积膨胀，由于表层的体积膨胀受到未转变的心部的牵制，于是在试样表层产生压应力，心部产生拉应力。
随着冷却的进行，心部体积膨胀有收到表层的阻碍。
随着心部马氏体相变的体积效应逐渐增大，在某个瞬间组织应力状态暂时为零后，式样的组织应力发生反向，最终形成表层为拉应力而心部为压应力的应力状态。
组织应力大小与钢的含碳量、淬火件尺寸、在马氏体转变温度范围内的冷却速度、钢的导热性及淬透性、加热温度、保温时间等因素有关。
二、残余应力的释放针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对其使用性能不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布，这就是残余应力的调整问题。
通常调整残余应力的方法有：①自然时效把工件置于室外，经气候、温度的反复变化，在反复温度应力作用下，使残余应力松弛、尺寸精度获得稳定。
一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应力仅下降2%～10%，但工件的松弛刚度得到了较大地提高，因而工件的尺寸稳定性很好。
但由于时效时间过长，一般不采用。
②热时效热时效是传统的时效方法，利用热处理中的退火技术，将工件加热到500～650℃进行较长时间的保温后再缓慢冷却至室温。
焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结
焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结摘要：焊接应力是焊接构件产生裂纹和变形的主要因素，对焊接质量影响较大。
因此，理解和掌握焊接残余应力的产生原因及控制方法，就显的非常重要。
本文对焊接残余应力的产生对结构的影响、焊接残余应力的预防及焊接残余应力的消除方法，进行了全面的归纳和总结，为学生能更好地理解和掌握焊接残余应力的相关知识，起到了一定的帮助作用关键词：焊接应力产生原因控制方法焊件在焊接过程中，由于受到了不均匀的局部加热和冷却，使焊件产生了不均匀的体积膨胀和收缩，导致焊件内部产生了焊接残余应力，而焊接残余应力又是产生裂纹和变形的主要因素。
因此，为让学生能够真正理解和掌握焊接残余应力产生的原因、焊接残余应力对焊件产生的影响及如何减少和消除焊接残余应力等内容，帮助学生为今后从事焊接工作打下良好的理论基础。
下面就焊接残余应力的相关知识，进行归纳和总结。
一、焊接残余应力的产生1、焊件在焊接过程中，其焊缝高温区的膨胀受到了周边低温区的限制与挤压，使高温区域产生局部压缩塑性变形，当焊件在冷却过程中，受到局部压缩产生塑性变形的金属由于不能自由收缩，而受到低温区的拉伸，这时，焊件中就产生了一个与焊件加热时产生的应力方向相反的应力，即焊接残余应力，又称温度应力。
2、焊缝在高温向低温的冷却过程中，焊缝金属会发生二次相变，这种二次相变，会引起金属材料组织的变化，从而产生体积的变化，在焊接接头区域产生了应力，又称相变应力。
3、在焊接过程中，如对焊件采用刚性固定，那么，焊接后焊件变形减少，但应力却增加。
反之，要使焊件残余应力减少，其变形量就要有一定的增加。
但焊接应力与变形在一定条件下，都将影响到焊件的质量。
所以，应力和变形要合理控制好。
4、焊接材料的屈服强度、导热系数、线膨胀系数、密度、比热容、焊件的形状与尺寸、焊接方法和焊接工艺等因素，对焊接残余应力的分布和大小都将产生较大的影响。
二、焊接残余应力对焊件结构产生的影响1、对焊件结构刚度产生的影响当焊件某个区域所受的应力达到屈服点时，这一区域部分的金属材料就会产生局部塑性变形，无法再承受外载荷，从而导致焊接结构的有效截面减少，使焊接结构的刚度降低。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
残余应力的成因及分布规律
残余应力是构件还未承受荷载而早已存在于构件截面上的初应力。
产生残余应力的主要原因是由外界条件引起了不均匀的塑性变形，有两种常见情况导致不均匀塑性变形：一是非均匀温度场的高温热循环作用，如焊接后未作特殊处理或采取火焰切割下料等；二是钢材的冷加工，冷加工会使构件产生不均匀塑性变形，因而产生残余应力。
残余应力的大小、分布与截面几何形状、几何尺寸、构件制造方法和加工过程等密切相关。
残余应力的分布特点是截面上的应力满足静力平衡条件。
图3-8所示为几种工字形截面沿构件纵向的残余应力分布，图中压应力为负值，拉应力为正值。
图3-8(a)为轧制普通工字钢，这种截面的腹板厚度远小于其冀缘厚度。
热轧后腹板中间部位先冷却，翼缘后冷却，又由于翼缘宽度较窄，因而在冷却过程中翼缘的收缩受到比其先冷却的腹板部分的约束而在翼缘中产生残余拉应力，在先冷却的腹板部分产生残余压应力。
图3-8(b)为轧制H型钢，其翼缘宽度较大，热轧后冷却过程中，翼缘两端由于其暴露于空气中的面积较翼缘与腹板交接部分为多而冷却较快，腹板中间部位则因厚度较薄而冷却较快，翼缘与腹板交接部位冷却收缩变形受到较其先冷却部分的约束而出现残余拉应力，先冷却部分则出现残余压应力。
图3-8(c)为翼缘为轧制边的焊接工字形截面，焊接处由于热量的高度集中，冷却后焊缝附近的腹板和翼缘板上均产生残余拉应力。
冀缘板两端与腹板中间部分则为残余压应力。
图3-8(d)为翼缘是火焰切割边的工字形截面，翼缘钢板两端有残余拉应力，而中间部分为残余压应力。
用这种钢板制作翼缘板的焊接工字形截面在焊缝冷却后，翼缘板中将产生相反的残余应力。