第四节 应力与变形

青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》加热与冷却受拘束瞬时应力与应变完全冷却后残余应力与变形第四节应力与应变青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》一、应力二、变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》一、应力（一）应力的形成（二）热应力的产生与分布（三）控制应力的措施青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》（一）应力的形成温度变化热膨胀或收缩热应力（自身拘束）机械阻碍应力（外部拘束）固态相变（伴随比容变化）受阻受阻相变应力青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》（二）热应力的产生与分布例1、铸件内的应力例2、金属框架的局部加热与冷却例3、平板中心堆焊接头的应力例4、异种钢管对接青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》框形铸件中的动态应力分析在高于弹性转变温度的阶段，两杆均处于塑性状态，两杆冷却速度虽然不同，收缩也不一致，但该过程中的应力均可通过塑性变形释放。继续冷却，冷却较快的细杆杆已进入弹性状态，而粗杆仍处于塑性状态。由于细杆受拉伸，粗杆受压缩，形成临时内应力，该应力随之会由于粗杆的微量塑性变形而消失。冷却到更低温度，已被压短的粗杆也处于弹性状态，此时，尽管两杆长度相同，但所处的温度不同。粗杆的温度较高，还会进行较大的收缩；细杆的温度较低，收缩较小，粗杆的收缩受到细杆的阻碍，故细杆受压缩，粗杆受拉伸，至室温形成残余应力。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》2、分析下列铸件内的纵向残余应力：厚壁筋板内拉伸应力薄壁筋板内压缩应力中心近轴线部位受拉外部近圆周部位受压青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》⊕⊕㊀例2、金属框架的局部加热与冷却只对框架的中心杆件加热，两侧的杆件不加热，中心杆由于温度上升而伸长，但其伸长受到两侧杆件的阻碍而不能自由进行，故中心杆件受压缩作用，产生压应力；两侧杆件在阻碍中心杆伸长的同时，受到了中心杆的反作用，产生拉应力。拉应力与压应力在框架中互相平衡。金属框架加热过程中的应力如果加热温度不高，加热过程中的应力值始终低于材料的屈服极限，则框架内不会产生塑性变形，当框架的温度均匀化后，热应力随之消失。如果加热产生的应力超过材料的屈服极限，则中心杆件将产生压缩塑性变形；当框架温度下降时，若中心杆件能自由收缩，则其长度理应比原来短，其缩短量就是压缩塑性变形量。但实际上，框架两侧的杆件阻碍着中心杆件的收缩，从而使中心杆件受到拉应力的作用，而两侧杆件受到压应力的作用。这样在冷却后的框架中就形成了与加热过程相反的残余应力场。金属框架冷却后的残余应力⊕⊕㊀ƟƟ⊕青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》以低碳钢板条中心堆焊为例，讨论焊接加热与冷却过程中沿焊缝纵向的焊接瞬时热应力与焊接残余应力分布情况。焊缝纵向焊缝横向加热过程中的焊接纵向应力焊后残余应力焊缝及HAZ受拉青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》加热过程冷却过程加热过程中冷却过程中青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》例4、异种钢管对接焊珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢钢管的对接焊，采用镍基焊丝钨极氩弧焊。用Ansys有限元计算软件，模拟出焊接温度场、应力场的动态变化：动态焊接温度场青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》（三）控制应力的措施1．合理设计结构2．合理选择工艺3．消应力处理青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》1．合理设计结构在焊接结构中，应避免焊缝交叉和密集，尽量采用对接而避免搭接；在保证结构强度的前提下，尽量减少不必要的焊缝；采用刚度小的结构代替刚度大的结构等（示例）。在铸造结构中，铸件的壁厚差要尽量小；厚薄壁连接处要圆滑过渡；铸件厚壁部分的砂层要减薄，或放置冷铁；合理设置浇冒口，尽量使铸件各部分温度均匀。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》2．合理选择工艺在焊接中，尽量采用较小的线能量（如采用小直径焊条和较低的焊接电流），以减小焊件的受热范围。采用合理的装焊顺序，尽可能使焊缝能自由收缩，收缩量大的焊缝应先焊。此外，采取预热措施可降低工件中的温度梯度，从而减小焊接应力。浇注铸件时，应选择弹性模量和收缩系数小的材料；提高铸型的预热温度可减小铸件各部分的温差；采用较细的面砂和涂料，减小铸件表面的摩擦力；控制铸型和型芯的紧实度，加木屑、焦炭等提高铸型和型芯的退让性；控制铸件在型内的冷却时间，避免过早或过迟打箱。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》3．消应力处理（1）热处理法整体或局部加热（Ac1温度以下）并保温一段时间，利用蠕变产生的塑性变形使应力消除，再缓慢冷却。（2）加载法对于压力容器、船体结构，利用加载所产生的拉伸应力与焊接应力叠加，使拉应力区（焊缝及近缝区）的应力值达到屈服强度，迫使材料发生塑性变形，卸载后构件内的应力得以完全或部分消除。（3）振动法以振动的形式给工件施加附加应力,当附加应力与残余应力叠加后,达到或超过材料的屈服极限时,工件发生微观塑性变形,从而降低和均化工件内的残余应力。（4）局部加压法焊后利用外力（锤击、碾压或爆炸力）对焊缝及邻近部位施加压力，使之得到延展，以补偿或抵消焊接时所产生的压缩塑性变形，降低焊接残余应力。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》二、变形（一）焊接变形的种类（二）控制变形的措施青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》（一）焊接变形的种类板材对接焊件的变形（1）中、厚板的纵向与横向收缩变形（2）薄板的波浪失稳变形焊接工字梁的扭曲变形焊接梁的弯曲变形、T型梁的角变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》焊接梁的弯曲变形T型梁的角变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》（二）控制变形的措施1．结构设计方面合理地选择焊缝的尺寸和形式2．工艺方面（1）反变形法（2）刚性固定法（3）采用合理的工艺（4）焊接变形的矫正青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》图11-36箱形梁的不同接头形式a)b)c)青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》图11-37箱形梁的焊缝布置a)b)c)青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》图11-38带轮铸件轮缘的变形和加厚示意图a)b)青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》图11-40采用反变形法减小焊接变形b)a)青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》图11-42刚性固定法减小焊接变形a)焊接法兰盘b)对接缝旁加压铁c)对接缝上加马板a)b)c)青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》焊缝木楔青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》低应力无变形焊接技术1-水冷垫2-加热器3－夹具3青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》图11-45火焰矫正焊接变形示意图加热区加热区旁弯上拱青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》