第四節(jié)應力與變形

第四節(jié)應力與變形第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三一、應力二、變形第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三一、應力（一）應力的形成（二）熱應力的產(chǎn)生與分布（三）控制應力的措施第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（一）應力的形成溫度變化熱膨脹或收縮熱應力（自身拘束）機械阻礙應力（外部拘束）

固態(tài)相變（伴隨比容變化）受阻受阻相變應力第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（二）熱應力的產(chǎn)生與分布例1、鑄件內(nèi)的應力例2、金屬框架的局部加熱與冷卻例3、平板中心堆焊接頭的應力例4、異種鋼管對接第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三框形鑄件中的動態(tài)應力分析

在高于彈性轉變溫度的階段，兩桿均處于塑性狀態(tài)，兩桿冷卻速度雖然不同，收縮也不一致，但該過程中的應力均可通過塑性變形釋放。

繼續(xù)冷卻，冷卻較快的細桿桿已進入彈性狀態(tài)，而粗桿仍處于塑性狀態(tài)。由于細桿受拉伸，粗桿受壓縮，形成臨時內(nèi)應力，該應力隨之會由于粗桿的微量塑性變形而消失。

冷卻到更低溫度，已被壓短的粗桿也處于彈性狀態(tài)，此時，盡管兩桿長度相同，但所處的溫度不同。粗桿的溫度較高，還會進行較大的收縮；細桿的溫度較低，收縮較小，粗桿的收縮受到細桿的阻礙，故細桿受壓縮，粗桿受拉伸，至室溫形成殘余應力。第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三2、分析下列鑄件內(nèi)的縱向殘余應力：厚壁筋板內(nèi)拉伸應力薄壁筋板內(nèi)壓縮應力中心近軸線部位受拉外部近圓周部位受壓第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三⊕⊕一例2、金屬框架的局部加熱與冷卻

只對框架的中心桿件加熱，兩側的桿件不加熱，中心桿由于溫度上升而伸長，但其伸長受到兩側桿件的阻礙而不能自由進行，故中心桿件受壓縮作用，產(chǎn)生壓應力；兩側桿件在阻礙中心桿伸長的同時，受到了中心桿的反作用，產(chǎn)生拉應力。拉應力與壓應力在框架中互相平衡。

金屬框架加熱過程中的應力

如果加熱溫度不高，加熱過程中的應力值始終低于材料的屈服極限，則框架內(nèi)不會產(chǎn)生塑性變形，當框架的溫度均勻化后，熱應力隨之消失。

如果加熱產(chǎn)生的應力超過材料的屈服極限，則中心桿件將產(chǎn)生壓縮塑性變形；當框架溫度下降時，若中心桿件能自由收縮，則其長度理應比原來短，其縮短量就是壓縮塑性變形量。但實際上，框架兩側的桿件阻礙著中心桿件的收縮，從而使中心桿件受到拉應力的作用，而兩側桿件受到壓應力的作用。這樣在冷卻后的框架中就形成了與加熱過程相反的殘余應力場。金屬框架冷卻后的殘余應力⊕⊕一??⊕第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三

以低碳鋼板條中心堆焊為例，討論焊接加熱與冷卻過程中沿焊縫縱向的焊接瞬時熱應力與焊接殘余應力分布情況。焊縫縱向焊縫橫向加熱過程中的焊接縱向應力焊后殘余應力焊縫及HAZ受拉第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三加熱過程冷卻過程加熱過程中冷卻過程中第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三例4、異種鋼管對接焊

珠光體耐熱鋼與奧氏體不銹鋼鋼管的對接焊，采用鎳基焊絲鎢極氬弧焊。用Ansys有限元計算軟件，模擬出焊接溫度場、應力場的動態(tài)變化：動態(tài)焊接溫度場第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（三）控制應力的措施1．合理設計結構2．合理選擇工藝3．消應力處理第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三1．合理設計結構

在焊接結構中，應避免焊縫交叉和密集，盡量采用對接而避免搭接；在保證結構強度的前提下，盡量減少不必要的焊縫；采用剛度小的結構代替剛度大的結構等（示例）。在鑄造結構中，鑄件的壁厚差要盡量小；厚薄壁連接處要圓滑過渡；鑄件厚壁部分的砂層要減薄，或放置冷鐵；合理設置澆冒口，盡量使鑄件各部分溫度均勻。

第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三2．合理選擇工藝

在焊接中，盡量采用較小的線能量（如采用小直徑焊條和較低的焊接電流），以減小焊件的受熱范圍。采用合理的裝焊順序，盡可能使焊縫能自由收縮，收縮量大的焊縫應先焊。此外，采取預熱措施可降低工件中的溫度梯度，從而減小焊接應力。

澆注鑄件時，應選擇彈性模量和收縮系數(shù)小的材料；提高鑄型的預熱溫度可減小鑄件各部分的溫差；采用較細的面砂和涂料，減小鑄件表面的摩擦力；控制鑄型和型芯的緊實度，加木屑、焦炭等提高鑄型和型芯的退讓性；控制鑄件在型內(nèi)的冷卻時間，避免過早或過遲打箱。第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三3．消應力處理（1）熱處理法整體或局部加熱（Ac1溫度以下）并保溫一段時間，利用蠕變產(chǎn)生的塑性變形使應力消除，再緩慢冷卻。（2）加載法對于壓力容器、船體結構，利用加載所產(chǎn)生的拉伸應力與焊接應力疊加，使拉應力區(qū)（焊縫及近縫區(qū)）的應力值達到屈服強度，迫使材料發(fā)生塑性變形，卸載后構件內(nèi)的應力得以完全或部分消除。（3）振動法以振動的形式給工件施加附加應力,當附加應力與殘余應力疊加后,達到或超過材料的屈服極限時,工件發(fā)生微觀塑性變形,從而降低和均化工件內(nèi)的殘余應力。（4）局部加壓法焊后利用外力（錘擊、碾壓或爆炸力）對焊縫及鄰近部位施加壓力，使之得到延展，以補償或抵消焊接時所產(chǎn)生的壓縮塑性變形，降低焊接殘余應力。第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三二、變形（一）焊接變形的種類（二）控制變形的措施第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（一）焊接變形的種類

板材對接焊件的變形（1）中、厚板的縱向與橫向收縮變形（2）薄板的波浪失穩(wěn)變形焊接工字梁的扭曲變形焊接梁的彎曲變形、T型梁的角變形第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三焊接梁的彎曲變形T型梁的角變形第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三（二）控制變形的措施1．結構設計方面

合理地選擇焊縫的尺寸和形式

2．工藝方面（1）反變形法（2）剛性固定法（3）采用合理的工藝（4）焊接變形的矯正第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三圖11-36箱形梁的不同接頭形式a)b)c)第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三圖11-37箱形梁的焊縫布置a)b)c)第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三圖11-38帶輪鑄件輪緣的變形和加厚示意圖a)b)第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三圖11-40采用反變形法減小焊接變形b)a)第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三圖11-42剛性固定法減小焊接變形a)焊接法蘭盤b)對接縫旁加壓鐵c)對接縫上加馬板a)b)c)第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三焊縫木楔第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期三低應力無變形焊接技術1-水冷墊2-加熱器3－夾具

3第31頁，共36頁，2023年，2月20日，