【正文】 焊接結(jié)構(gòu) 第二章 焊接變形和應(yīng)力 本章學(xué)習(xí)要點 知識要點 掌握程度 相關(guān)內(nèi)容 焊接變形和應(yīng)力 產(chǎn)生機理 熟悉塑性變形與自由變形、外觀變形和內(nèi)部變形的關(guān)系。掌握焊接內(nèi)應(yīng)力的種類和產(chǎn)生機理。掌握板條中心加熱的變形與應(yīng)力變化過程。了解焊接變形和應(yīng)力演變過程。掌握焊接熱應(yīng)變的規(guī)律 自由變形、外觀變形、內(nèi)部變形，塑性變形；溫度應(yīng)力、殘余應(yīng)力、相變應(yīng)力；長板條中心加熱，長板條邊緣加熱； 焊接過程的特殊性及其假定，焊接變形和應(yīng)力演變過程；焊接熱應(yīng)變循環(huán) 焊接殘余變形 掌握焊接殘余變形的類型、產(chǎn)生原因、影響因素 縱向收縮變形、橫向收縮變形、角變形、 彎曲 變形、錯邊變形和扭曲變形 焊接殘余應(yīng)力 掌握焊接殘余應(yīng)力的類型及其在各種截面上的應(yīng)力分布狀態(tài)。掌握焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響規(guī)律 縱向殘余應(yīng)力、橫向殘余應(yīng)力以及厚度方向殘余應(yīng)力沿焊縫長度、寬度和厚度方向上的基本分布規(guī)律 焊接變形和應(yīng)力 調(diào)控措施 掌握焊接變形與焊接殘余應(yīng)力調(diào)控的基本措施以及兩者之間的關(guān)系 控制焊接變形和應(yīng)力的焊前措施，在焊接過程中控制焊接變形和應(yīng)力的焊中措施，以及焊后調(diào)節(jié)焊接變形和應(yīng)力的焊后措施 焊接變形和應(yīng)力 測量方法 熟悉焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形的測量方法 焊接殘余應(yīng)力測量方法的分類，小孔法和 X射線衍射法測量焊接殘余應(yīng)力的原理及過程 焊接變形與應(yīng)力數(shù)值模擬計算 了解焊接變形及應(yīng)力的數(shù)值計算方法以及基本過程和思路 數(shù)值計算方法的基本方法、基本過程、基本思路 ? ? ? 幾個基本概念 TLTTLLLL ??????? 0000 )( ??ab cdef?拉伸壓縮?? s ? p ? ? 應(yīng)變應(yīng)力合力等于零，即 ΣF = 0； 合力矩等于零，即 ΣM = 0 自由變形、外觀變形和內(nèi)部變形 (1)自由變形 自由變形： 當(dāng)金屬物體溫度發(fā)生變化，或發(fā)生了相變，其尺寸和形狀就要發(fā)生變化，如果這種變化沒有受到外界的阻礙而自由的進行。 自由變形量： 自由變形率： )( 0101 TTLL T ??? ?)( 01011 TTLL TT ???? ??? L T1? L 1? L eL 0L 1T 0T 2T 1T 1T 2T 0? L T2? L s? L39。 p? L eL 2? L39。 T2? L pL39。 0無阻礙(a)(b)(c)(d)(e)(f)? L 21 2無阻礙有阻礙有阻礙L39。 2(2) 外觀變形 外觀變形量： △ Le 外觀變形率： 0LL ee???外觀變形： 當(dāng)金屬物在溫度變化過程中受到阻礙，不能完全的自由變形，把能表現(xiàn)出來的這部分變形，稱為外觀變形 ? L T1? L 1? L eL 0L 1T 0T 2T 1T 1T 2T 0? L T2? L s? L39。 p? L eL 2? L39。 T2? L pL39。 0無阻礙(a)(b)(c)(d)(e)(f)? L 21 2無阻礙有阻礙有阻礙L39。 2(3) 內(nèi)部變形 內(nèi)部變形： 當(dāng)金屬物在溫度變化過程中受到阻礙，把未表現(xiàn)出來的那部分變形，稱為內(nèi)部變形。 內(nèi)部變形量： 內(nèi)部變形率： )( 11 eT LLL ??????)() 101011 eTeTLLLLL ??? ?????????? （? L T1? L 1? L eL 0L 1T 0T 2T 1T 1T 2T 0? L T2? L s? L39。 p? L eL 2? L39。 T2? L pL39。 0無阻礙(a)(b)(c)(d)(e)(f)? L 21 2無阻礙有阻礙有阻礙L39。 2三種變形的分析結(jié)論： ? 外觀變形在數(shù)值上等于自由變形不內(nèi)部變形的代數(shù)和。 ? 它的應(yīng)變表達式為： εe ＝ ε T ＋ ε ? 它的等價形式為： ε＝ εe － ε T 這兩個公式一定要牢記！ ? 以上情況是內(nèi)部變形率的絕對值小于金屬屈服時的變形率，即 或， ， 則桿件中的壓應(yīng)力 。當(dāng)桿件溫度從 T1恢復(fù)到 T0時，桿件將恢復(fù)到原來長度L0，也不存在任何形式的應(yīng)力。 s?? ?1 sLL ??? 1s?? ?1? 若溫度繼續(xù)升高，桿件中由于阻礙而產(chǎn)生的內(nèi)部變形量大于金屬屈服時的變形量，即 則在這種情況下該如何？ seT LLLL ??????? 22? L T 1? L 1? L eL 0L 1T 0T 2T 1T 1T 2T 0? L T 2? L s? L 39。 p? L eL 2? L 39。 T 2? L pL 39。 0無 阻 礙( a )( b )( c )( d )( e )( f )? L 21 2無 阻 礙有 阻 礙有 阻 礙L 39。 2 )(0202 TTLL T ??? ?seT LLLL ??????? 22sTep LLLL ??????? 220202022)()(39。TTLTTLTTLL????????????pp LL ????sTepp ????? ????39。? 綜上可知，壓縮塑性變形會使得金屬材料在環(huán)境載荷消失后收縮變短，收縮變形量約等于壓縮而產(chǎn)生的壓縮塑性變形量。同理可知，拉伸塑性變形也將會使得金屬材料在環(huán)境載荷消失后延伸變長，伸長變形量約等于已產(chǎn)生的拉伸塑性變形量。 ? 提示：小試件均勻加熱過程的變形一旦受到拘束 — 等效于外力作用，就會產(chǎn)生內(nèi)部變形，同樣會產(chǎn)生應(yīng)力。 ? 計算方法： 在彈性范圍內(nèi) ζ＝ E ε ＝ E（ εe － ε T ） 超出彈性范圍 則有 ζ＝ ζs ? 材料力學(xué)中，當(dāng)物體在外力作用下處于平衡狀態(tài)下，可以說該物體處于受力平衡狀態(tài)。 ? 內(nèi)應(yīng)力定義：沒有外力的條件下平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力。 焊接內(nèi)應(yīng)力的種類和產(chǎn)生 內(nèi)應(yīng)力的分類 1）按應(yīng)力的 分布范圍 2）根據(jù)結(jié)構(gòu)中的空間位置 宏觀應(yīng)力：在整個焊接范圍平衡的應(yīng)力 微觀應(yīng)力：在晶粒范圍內(nèi)相互平衡的應(yīng)力 超微觀應(yīng)力：在晶格范圍平衡的應(yīng)力 單向應(yīng)力：應(yīng)力沿構(gòu)件的一個方向作用 雙向應(yīng)力：應(yīng)力沿構(gòu)件的兩個方向作用 三向應(yīng)力：應(yīng)力沿構(gòu)件的三個方向作用 3）根據(jù)應(yīng)力與焊 縫的相對位置 縱向應(yīng)力：應(yīng)力作用方向與焊縫平行 橫向應(yīng)力：應(yīng)力作用方向與焊縫垂直 瞬時應(yīng)力：焊接過程出現(xiàn)的應(yīng)力 殘余應(yīng)力：焊后留下的應(yīng)力 溫度應(yīng)力：由于焊件不均勻加熱引起的應(yīng)力 拘束應(yīng)力：由于焊件熱變形收到拘束引起的應(yīng)力 組織應(yīng)力：由于接頭金屬組織轉(zhuǎn)變時提及變化受阻 5）根據(jù)應(yīng)力 形成原因 4）根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生 、作用的時間 (1)溫度應(yīng)力 ? 溫度應(yīng)力： 由于構(gòu)件受熱不均勻引起的內(nèi)應(yīng)力。 ? 產(chǎn)生條件： 受熱不均勻 ? 溫度均勻結(jié)果： 應(yīng)力殘留或消失 (如果溫度應(yīng)力不高，即低于材料的屈服極限， ，亦即溫度應(yīng)力在彈性范圍內(nèi)時，在框架中不產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)框架的溫度均勻化后，熱應(yīng)力隨之消失。 ) ? 舉例： 框架結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力平衡特點 sT ?? ?(2)殘余應(yīng)力 ? 殘余應(yīng)力： 溫度恢復(fù)到原始狀態(tài)均勻后殘存在物體內(nèi)部的應(yīng)力。 ? 產(chǎn)生原因： 不均勻加熱 ? 產(chǎn)生條件： 局部區(qū)域產(chǎn)生塑性變形或相變 ? 舉例： 金屬框架 因此：①任何原因引起的伸長變形受阻時，則該伸長部分受壓應(yīng)力，阻礙構(gòu)件伸長的其它部分則受拉應(yīng)力。 ②任何原因引起的收縮變形受阻時，則收縮部分受拉應(yīng)力，而阻礙收縮的構(gòu)件的其它部分則受壓應(yīng)力。 加熱－膨脹－受拘束－產(chǎn)生溫度應(yīng)力（壓應(yīng)力）＋壓縮屈服變形 冷卻－收宿－受拘束－產(chǎn)生殘余應(yīng)力（拉應(yīng)力）＋拉伸屈服變形 (3)相變應(yīng)力 ? 相變應(yīng)力： 材料在凝固冷卻過程中，由于組織轉(zhuǎn)變，帶來體積尺寸變化，產(chǎn)生的應(yīng)力。 ? 產(chǎn)生原因： 組織轉(zhuǎn)變 P PM ? 金屬在焊接過程中，其物理性能和力學(xué)性能都會發(fā)生復(fù)雜的變化，為了分析問題方便，對金屬材料焊接應(yīng)力與變形作以下假定： ? ： 假定構(gòu)件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。 ? ： 假定在焊接過程中材料的某些熱物理性質(zhì)不隨溫度而變化。 ? ： 假定焊接溫度場不隨時間而改變。 ? ： ? 在 500℃ 以下，屈服點與常溫相同，不隨溫度而變化； ? 500℃ ~600℃ 之間，屈服點迅速下降； ? 600℃ 以上時呈全塑性狀態(tài)，即屈服點為零。 低碳鋼的屈服點與溫度的關(guān)系 BL1?溫度場： 對端面中心對稱的不均溫度場 T=f(x) 1XTT ?? ??1XTT ?? ??e?B / 2 B / 2變形分析：取單位長度分析其變形與應(yīng)力 假設(shè)： T0=0，則 △ T=T ? ?xfTTT ???? ???? ::e?①由平面假設(shè)，變形時截面保持平面 ②溫度場對稱，端面只作平移， ε e為常數(shù) Te ???? ??:可見：板條中心 ε ＜ 0，受壓；板條兩側(cè) ε ＞ 0，受壓 內(nèi)應(yīng)力與變形的計算 ? 當(dāng)溫度較低，無塑性變形，即 s?? ?m a x))(()( xfEE eTe ????? ??????? ??? ???????????? 2222220)]([)]([BB eeBBBB