焊接结构 教学课件 ppt 作者 王文先 王东坡 齐芳娟 主编第2章 焊接变形和应力.ppt

焊接结构;第2章;本章学习要点;本章学习要点;本章学习要点; 由于材料的热胀冷缩和弹塑性变形的特性，在焊接热循环不均匀加热的作用下，焊接接头各部位均引发一定程度的不协调形变，从而使得焊接接头产生了内部应力，即焊接应力，显现出外观变形，即焊接变形。 由此而产生的焊接残余变形和焊接残余应力对焊接结构的力学行为将会产生较大的影响。;主要内容;2.1 焊接变形与应力的产生机理; (2) 材料的应力-应变曲线 ;; (3) 系统平衡条件 对于任何一个独立的力学系统，如果这个系统处于静止平衡状态，则必须满足力学平衡条件： 合力等于零，即 合力矩等于零，即;2.1.1自由变形、外观变形和内部变形; (1) 第一种情况（T0→Tl） 当温度为T0时，金属杆件长度为L0（图2-2a），当温度由T0升至Tl时，如不受阻碍，其长度将由L0增长至L1（图2-2b）, 这段长度增加量称为自由变形量，其大小可用下列公式来表示： 而自由变形率，即单位长度上的自由变形量，用εT1来表示：;;;; (2) 第二种情况（T0→T2） 如果使杆件温度在T1基础上继续升高，达到T2温度 ，在没有阻碍的情况下，自由变形量（图2-2d）为: 在有阻碍的情况下，如果杆件中由于阻碍而产生的内部变形量大于金属屈服时的变形量，即 则在这种情况下，杆件中不但产生达到屈服极限的压应力，同时还产生了压缩塑性变形量 ，其数值为： ; 在这个时刻如果把阻碍物去掉，因为 为压缩塑性变形而不能恢复，杆件的长度则只有 当杆件温度由T2恢复到T0的过程中，杆件将以2线的位置起始收缩（图2-2f），收缩量为： ; 若允许其自由收缩，杆件的最后长度为 ，比原始长度L0缩短 ， 是在认为热膨胀系数a不随温度变化的情况下得出来的，而实际上不同温度下α值是变化的，所以 。;总结： 压缩塑性变形会使得金属材料在环境载荷消失后收缩变短，收缩变形量约等于压缩而产生的压缩塑性变形量。 同理可知，拉伸塑性变形也将会使得金属材料在环境载荷消失后延伸变长，伸长变形量约等于已产生的拉伸塑性变形量。; 定义：内应力是在没有外力的条件下平衡于物体内部的应力，是一个系统内部自身平衡的应力。它满足系统平衡条件，即合力等于零（SF=0），合力矩等于零（SM=0）。 分类：焊接结构中的内应力按其产生原因可分为温度应力、残余应力和相变应力等。; (1) 温度应力 温度应力是由于构件受热不均匀引起的。 以图2-3所示的金属框架为例说明，金属框架由中心杆和两侧杆组成，上下为刚性平行梁。如果只让框架的中心杆受热，而两侧杆的温度保持不变，则中心杆由于温度升高而伸长。 但是这种伸长的趋势受到两侧杆件的阻碍，不能自由地进行，因此中心杆件就受到压缩，产生压应力；而两侧杆在阻碍中心杆膨胀伸长的同时受到中心杆的反作用而产生拉应力，如图2-3a所示。 （图见下一页）;; 对于金属框架这个系统，这种应力是在没有外力作用下出现的，且拉应力与压应力在框架中互相平衡，就构成了内应力。因为这是由于不均匀温度造成的，所以称之为温度应力或热应力，满足SF=0，SM=0的平衡条件。 如果中心杆与两侧杆的温差不大，温度应力低于材料的屈服极限，在框架内只有弹性变形，不产生任何形式的塑性变形（如同图2-2c的情况）。;(2) 残余应力 如果加热温度较高，中心杆产生的压缩变形超过了材料的屈服极限，将出现压缩塑性变形（如同图2-2e的情况）。 实际上框架两侧杆阻碍着中心杆自由收缩，这样，就在框架中形成了—个内应力体系，这种内应力是温度均匀后残存在物体中的，故称之为残余应力，满足SF=0，SM=0的平衡条件，如图2-3b所示。 如果再没有环境载荷的作用，残余应力将长期存在于框架系统内，是永久性应力。 ;(3) 相变应力 钢铁材料在从高温到低温的冷却过程中，伴随有不同的固态组织转变（相变）。各种组织的比容由小到大的顺序为奥氏体A、铁素体F、珠光体P、贝氏体B、马氏体M。 同样以图2-3b的金属框架为例，金属框架同时被加热到高温，如果让两侧杆缓慢冷却生成珠光体P，而让中心杆急速冷却形成马氏体M，由于组织比容不同，造成中心杆与两侧杆的长度不同，则中心杆件受到压应力，而两侧杆受到拉应力。 ;2.1.3.1 在长板条中心对称加热（重点）