对接焊缝残余应力对疲劳裂纹扩展的影响

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焊接残余应力对焊接结构的影响

焊接残余应力对焊接结构的影响发表时间：2016-08-25T15:15:57.683Z 来源：《低碳地产》2015年第8期作者：周燕1 谭志源2 万惠林3 [导读] 阐述了焊接残余应力产生的原因及其影响因素，分析了焊接残余应力对焊接结构的影响。

广东佛山 528255【摘要】阐述了焊接残余应力产生的原因及其影响因素，分析了焊接残余应力对焊接结构的影响，同时，就如何有效消除焊接残余应力进行了深入的探讨，为焊接残余应力提供了参考依据。

【关键词】焊接残余应力；焊接结构；影响钢材在冷却和焊接的过程中，由于收缩、膨胀的速度和程度不同，往往就会在焊接局部结构处形成很不均匀的温度场，从而产生塑性变形现象，而这种塑性变形是具有不可逆转性的。

在焊接完全冷却后，残留在焊件内的残余应力则为焊接残余应力。

焊接残余应力是焊接结构发生脆断的重要原因，焊接部位材料的有效比例极限会随着焊接残余应力的增大而大幅度降低，受压构件的刚度、焊接结构的耐腐蚀能力、抗疲劳能力都会随之而降低，另外，焊接残余应力还是焊接结构开裂、变形等缺陷的主要原因。

本文就焊接残余应力对焊接结构的影响进行探讨。

1 产生的原因及影响因素一般来说，都是由于焊接结构在焊接过程中受热不均匀而导致产生焊接残余应力。

焊接残余应力可分为沿厚度方向的焊接残余应力（图1）、横向焊接残余应力（图2）及纵向焊接残余应力（图3）1．1产生原因而按照发生的来源来分，焊接残余应力可以分为三种类型：一是，比热容变化产生的组织变化而引起的焊接残余应力，尽管不同的钢材具有不同的碳含量，但我们必须要充分考虑到平均冷却速度和相变温度；二是，直接产生的焊接残余应力，这种残余应力是焊接残余应力的关键，主要是由冷却的温度梯度和不均匀加热来决定的；三是，间接产生的残余应力，这种残余应力往往都是在焊接开始之前由于焊件加工所导致的。

如果焊件在焊接开始之前经过了拉拔或者轧刹之后，都会存在这种应力，也会在焊后的变形中产生附加性影响。

浅谈焊接残余应力对结构的影响

浅谈焊接残余应力对结构的影响【摘要】残余应力的存在虽然不会影响结构的静态承载能力，但仍然会引起一些问题，比如结构会由于焊接初始缺陷，导致在低应力下裂纹扩展而导致脆性破坏。

本文选取焊接残余应力为研究对象，分析残余应力下构件或结构的刚度、低温冷脆、疲劳强度，并讨论残余应力给它们带来的影响。

【关键词】残余应力；焊接结构；影响0.引言焊接残余应力简称焊接应力，它是一种无荷载作用下的内应力。

由于焊接的过程是一个不均匀加热和冷却的过程，在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，不均匀的温度场产生不均匀的膨胀，由此就形成了残余应力。

残余应力的存在对结构的刚度、受压构件的承载力、低温冷脆以及疲劳强度均会有一定的影响。

1.焊接残余应力的分类及产生的原因焊接过程是一个对焊件局部加热继而逐渐冷却的过程，焊件由于焊接而产生的内应力我们称之为焊接应力，对于钢结构而言，焊接残余应力和变形是影响结构断裂强度、疲劳强度和结构稳定性的重要因素。

从焊缝的方向，焊接残余应力可以分为三类：1.1沿焊缝长度方向的纵向焊接应力施焊时，焊缝附近温度最高，在焊缝区以外，温度则急剧下降。

由于不均匀温度场的影响，温度高的钢材膨胀大，但受到周围温度较低、膨胀量较小的钢材所限制，产生了热塑性压缩；焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向内收缩，但受到周围钢材限制而产生收缩应力，这是垂直于焊缝方向的纵向拉应力就是纵向焊接应力。

此时，由于焊件不受约束，焊接产生的应力是自相平衡的应力，即由于在焊缝附近出现收缩拉应力，则必然会在距焊缝稍远区段内产生压应力，可以把纵向焊接应力的这种分布规律简称为“热拉冷压”。

1.2垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力横向焊缝产生的原因有两个：一是由于焊缝纵向收缩，使得被焊接的两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形，但实际上焊缝将两块钢板连成整体，不能分开，于是两块钢板的中间会产生横向拉应力，而两端则产生压应力；二是由于先焊的焊缝已经凝固，会阻止后焊焊缝在横向自由膨胀，使其发生横向塑性压缩变形。

残余应力对材料性能影响研究

残余应力对材料性能影响研究残余应力是指材料在加工或热处理过程中产生的内部应力，在材料表面或体内存在的应力状态。

这些应力可能是由于非均匀塑性变形引起的，也可能是由于热膨胀不匹配引起的。

残余应力对材料的性能具有重要影响，本文将就残余应力对材料性能的影响进行研究。

首先，残余应力会影响材料的力学性能。

应力会影响材料的硬度、强度和塑性等力学性能。

过高的残余应力会导致材料的脆性增加，从而降低材料的韧性和延展性。

另外，在材料受到外部载荷时，残余应力会与外部应力叠加，可能导致材料的疲劳寿命降低或产生裂纹扩展的敏感性增加。

其次，残余应力对材料的腐蚀性能也有重要影响。

应力状态会影响材料表面的氧化和电化学反应过程，从而改变材料的耐蚀性能。

过高的残余应力会导致材料表面的缺陷或裂纹，从而加速腐蚀的发生。

此外，残余应力还会影响腐蚀介质在材料表面的扩散速率，从而改变腐蚀的发展速度。

此外，残余应力还会对材料的热性能产生影响。

由于应力的存在，材料在加热或冷却过程中的热膨胀系数可能会发生变化，导致热膨胀不匹配引起的应力累积。

这可能导致材料的热膨胀不均匀，从而引起热裂缝或变形。

因此，在设计高温材料时，需要考虑残余应力对材料的热膨胀性能的影响。

最后，残余应力还会对材料的电子性能产生影响。

应力状态可能改变材料的电子结构和载流子传输性质，从而影响电学性能。

例如，残余应力可能导致材料的载流子浓度发生变化，从而改变其导电性能。

此外，应力还可能引起结晶格的畸变，进而改变材料的能带结构和禁带宽度，影响光电性能。

总的来说，残余应力对材料性能的影响是多方面的。

它可以影响材料的力学性能、腐蚀性能、热性能和电子性能等。

因此，在材料设计和工程应用中，需要考虑残余应力对材料性能的影响，并采取相应的措施进行处理，以提高材料的性能和寿命。

同时，残余应力的测量和分析也是重要的研究方向，可以帮助了解材料加工和热处理过程中应力的分布和演化规律，为材料性能的优化提供指导。

角焊缝和对接焊缝的残余应力

角焊缝和对接焊缝的残余应力角焊缝和对接焊缝是常见的焊接方式，它们在工业制造中起到了重要的作用。

然而，焊接过程中会产生残余应力，这可能对焊接件的性能和寿命产生负面影响。

本文将探讨角焊缝和对接焊缝的残余应力问题，并分析其影响因素和解决方法。

我们来了解一下角焊缝和对接焊缝的定义和特点。

角焊缝是指两个板材或构件的边缘以一定的角度进行焊接的接头，如L型接头、T 型接头等。

对接焊缝是指两个板材或构件的边缘平行或接近平行进行焊接的接头，如平对接接头、搭接接头等。

焊接过程中产生的残余应力是由于焊接金属在冷却过程中发生收缩而产生的。

对于角焊缝来说，由于焊接金属在两个方向上的收缩不一致，使得焊接接头产生了残余应力。

而对于对接焊缝来说，由于焊接金属在接头处的熔化和冷却过程中的收缩，同样也会导致残余应力的产生。

残余应力可能会对焊接件的性能和寿命产生不利影响。

首先，残余应力会导致焊接接头的变形和破裂。

特别是在高温环境下，残余应力会使焊接接头的变形更为严重，甚至导致接头的失效。

其次，残余应力还会降低焊接接头的疲劳寿命。

由于残余应力会使接头的应力集中，从而加剧了疲劳裂纹的产生和扩展。

此外，残余应力还可能引起应力腐蚀开裂和应力腐蚀腐蚀等问题，进一步加剧了焊接接头的损伤和失效。

那么，影响残余应力的因素有哪些呢？首先，焊接过程中的温度梯度是一个重要的因素。

温度梯度越大，残余应力就越大。

因此，在焊接过程中要控制好温度梯度，避免过大的温度差。

其次，焊接材料的热膨胀系数也会影响残余应力的大小。

当焊接材料的热膨胀系数差异较大时，残余应力就会增大。

因此，在焊接过程中要选择合适的焊接材料，尽量使热膨胀系数接近。

此外，焊接过程中的应力集中也会引起残余应力的增加。

因此，在设计焊接接头时要避免应力集中的情况，减小残余应力的产生。

针对角焊缝和对接焊缝的残余应力问题，有一些解决方法可以采用。

首先，可以通过预热的方式来减小残余应力。

预热可以使焊接材料在焊接过程中的温度梯度减小，从而降低残余应力的大小。

残余应力对疲劳裂纹扩展的影响

第11卷第4期湖　北　工　学　院　学　报1996年12月Vol.11No.4　Journa l of Hube i Polytechn ic Un iversity D ec.1996残余应力对疲劳裂纹扩展的影响熊健民　毛为民　余天庆;机械工程系Γ摘　要　分析了残余应力的产生及其对裂纹疲劳扩展的影响1残余压应力的存在提高了疲劳寿命Κ残余拉应力则起相反的作用1文中对残余应力孔的疲劳特性作了具体的研究和分析1关键词　残余应力Μ疲劳裂纹扩展Μ残余应力孔中图法分类号　O346123常幅载荷作用下Κ影响裂纹扩展的主要因素有Π施加载荷的应力比、应力强度因子幅值、加载频率、温度、残余应力等等1变幅载荷作用时超载的影响也很显著[1、2]1在工程实践中Κ常常要遇到对超龄的大型结构;如铁路钢桥Γ进行修复和延长寿命的问题Κ而这些结构又不便于卸下到工厂去进行处理Κ只能在现场进行维修1这些大型构件经过长期的负载工作Κ往往已出现宏观裂纹1在进行彻底更换之前Κ必须采取一定的止裂措施Κ使其裂纹在这段时间内的扩展被抑止Κ以保证必要的安全1采取的止裂手段Κ较简单易行的是提高试件表面的残余压应力Κ即进行各种旨在增加残余压应力的处理1因此Κ具体研究残余应力对疲劳裂纹扩展的影响Κ有一定的实际意义11　残余应力的产生钢材产生残余应力的原因很多Κ诸如金相组织的不均匀Κ各部的组织及成分不同Κ晶粒的向位不同Κ各部的弹性模量E有差异Κ受载时各部材料屈服时间前后不同等等1111　受载情形材料受载后Κ局部的应力达到屈服极限Κ于是出现局部塑性区域Κ塑性区的应力不再继续增大Κ而应力尚低于屈服极限的区域仍具弹性1卸载后塑性区的材料不再恢复Κ仅弹性区的材料恢复1若是试样原来受的是拉伸载荷Κ则弹性区的材料于恢复时要收缩Κ但受到不能再恢复的塑性区材料的制约Κ不得自由收缩Κ因而弹性区的材料产生残余拉应力Κ与此对应Κ塑性区的材料产生残余压应力1若试件原来受压缩载荷Κ则结果相反1112　冷作强化处理试件表层材料经喷丸或滚压等冷作强化处理Κ由于弹丸的冲击或滚子的滚辗Κ使表层材料出现局部屈服1弹坑周围或被滚辗的表面产生塑性变形Κ但芯部材料仍具弹性Κ对表层材料的收稿日期　1996-02-06熊健民　男　1957年生　副教授　武汉　湖北工学院院长办公室　430068变形形成制约1于是Κ在冷作强化的表层材料内产生了残余压应力Κ芯部则产生残余拉应力1113　淬火处理试件在整体淬火过程中Κ一方面由于材料热胀冷缩Κ内部产生热应力Μ另一方面Κ因组织有相变Κ要产生组织应力1热应力与组织应力都是残余应力1被热处理的试件Κ在冷却后期Κ当芯部材料冷却收缩时Κ受到已冷却的表层牵制Κ最终是在表层材料产生残余压应力Κ芯部产生残余拉应力1试件在经过表层淬火处理后Κ最终表层材料受残余压应力Κ芯部呈残余拉应力1114　渗碳处理试件表层材料经渗碳处理后Κ表层材料渗碳层呈残余压应力Κ且比仅淬火的表层材料高1总括地说Κ在受载、各种表面强化处理过程中Κ以及机械加工时Κ若是使试件材料局部地达到屈服状态Κ则在受载、处理措施或机械加工之后Κ该局部材料就会呈现残余应力1若是局部塑性拉伸、感应淬火、渗碳、喷丸、滚压及镀锡;镉或铅Γ等低溶点金属时Κ零件表层材料产生残余压应力Μ若是局部塑性压缩、高速切削、冷拉、局部加热、表层脱碳、镀铬或镍等高溶点金属时Κ则试件表层材料呈残余拉应力12　残余应力下的疲劳行为残余应力对试件的实有应力分布有很大影响1许多人在这方面都做过研究[3～5]Κ其中达成共识的是Π残余压应力使疲劳裂纹的萌生和扩展减缓Κ从而提高了试件的疲劳寿命1图1所示为没有残余应力的试件受弯矩M 作用的情况1图中点划线为材料的疲劳极限Ρr li m 曲线Ψ细实线为由弯矩M 所产生的弯曲应力分布曲线1当弯矩增大时Ψ是表层材料内的弯曲应力Ρbp =Ρb m ax 首先达到或超过疲劳极限值Κ因此表层没有残余压应力的试件是由表层材料最先出现疲劳损伤1图1　无残余应力试件受弯矩作用示意图图2　试件表面强化处理应力分布曲线若是表层经强化处理;如渗碳等ΓΚ则如图2所示Κ在渗碳表层内产生了残余压应力1图中所示虚线为残余应力Ρre 的分布曲线1受弯矩M 作用时Ψ试件内的实有应力Ρ的分布应为残余应力Ρre 和工作弯曲应力Ρb ≅图中细实线Σ之和Ψ其分布如图中粗实线所示Ψ此时实有应力不再是试件表层的为最大[另一方面Ψ由于试件表层经强化ΨΡr li m 亦相应增大Ψ此时即使弯矩增大Ψ也不再是表层的实有应力Ρi 首先达到或超过疲劳极限Κ并出现损伤1换言之Κ危险状态的应力不再位于试件表面Κ这无疑提高了试件的疲劳寿命1对于试件来说Κ表面层材料内所产生的残余压应力能推迟疲劳裂纹的孕育、起始开裂的时间Κ以及能使已有裂纹减缓扩展Κ因而提高了试件的疲劳寿命1至于芯部也许会先出现损伤Κ8湖　北　工　学　院　学　报1996年第4期　但芯部的损伤不容易形成易扩展的宏观裂纹Κ其对疲劳寿命的影响相比较之下是可以忽略的1试件处于交变应力状态下工作Κ当应力作循环变化时Κ试件内的残余应力实际上是起一个分布不均匀的平均应力Ρm 的作用1残余压应力能使疲劳极限增加;如图3所示Γ1因残余压应力的作用Κ使疲劳曲线向上提高Κ并且残余压应力的数值越大Κ疲劳曲线提高也越多1但若是残余拉应力Κ则使疲劳曲线降低Κ疲劳极限减小1残余压应力对疲劳裂纹扩展的影响Κ可以从两方面来进行分析Π1Γ　残余压应力使裂纹的两个面压紧Κ从而使裂纹闭合Μ图3　残余压应力与疲劳极限关系曲线2Γ　降低了裂纹的最大应力强度因子K m ax Κ使裂纹扩展驱动力降低1因此Κ∃K eff =≅1-R c 1ΣK m ax -ΚK r Ψ≅1Σ∃K =Y K t ∃S Πa 1+4.5a r .≅2Σ其中ΠK m ax 可以用L ukas 公式进行计算ΜR c 1=P c 1 P m ax [K r =Y 2Πa ∫a0Ρr ≅x Σa 2-x 2d x Ψ≅3Σ这里ΚK r 是残余应力强度因子[Y 为几何因子[x 为到裂纹尖端的距离[a 为裂纹长度[Ρp ≅x Σ残余应力分布Κ且Ρr ≅x Σ=A 1+A 1x +a 2x 2+a 3x 3+a 4x 4.≅4Σ所以ΚK r =Y 2ΠΠa 1000≅Π2A 0+A 1a +Π4A 2a 2+23A 3a 3+3Π16A 4a 4Σ.≅5Σ 式;3Γ是在认为外力作用在裂纹表面的假定下推导出来的Κ残余应力可以作为一个集中力代入计算Κ它的影响与材料强度和试件的几何约束相近1如果残余应力在裂纹扩展过程中松驰Κ或者忽略两轴或三轴残余应力Κ那么K r 必须乘上一个修正因子ΚΨ再代入∃K eff 中计算Κ正如式;1Γ所示13　残余应力孔的疲劳特性作为一种快速、经济的新工艺Κ残余应力孔使飞机构件具有比原来更大的补偿疲劳强度Κ此法为道格拉斯航空公司的专利[6]1应力孔边的残余压应力Κ可以削弱受载时存在于承载区附近的拉应力1这种方法可用在高应力区以提高疲劳寿命Κ阻止构件的应力腐蚀1加工残余应力孔的方法主要有两种1一种是把轻质碳化钨圆球无旋转地推过试件中预先加工好的孔Κ另一种是用过盈的硬质合金棒穿过孔[7、8]1用断裂力学的方法可以估算孔边的残余应力1设挤压量r =≅D 球或棒-D 孔Σ 2.≅6Σ孔边残余应力分布与r 有关1在孔边主要是残余压应力1随离孔边的距离的增加Κ残余应力渐渐变为残余拉应力Κ并在离孔边一定距离处达到最大1这个残余压应力使发源于孔表面的裂尖应力强度因子降低1经过对挤压的孔和未被挤压的孔进行对比疲劳试验Κ可以发现经过9　第11卷第4期熊健民等　残余应力对疲劳裂纹扩展的影响挤压的孔的表面硬度和残余压应力都得到提高Κ结果是它的疲劳寿命也有了一个明显的提高1图4是球挤压孔的残余应力分布Κ图中给出了三种挤压量的残余应力分布曲线;试件材质为A IS I 1050Γ1图4　球挤压孔的残余应力分布图5　挤压量与疲劳寿命关系挤压量Π△1%Μ□2.8%Μ○3.2%从图4可以很清楚地看到Κ残余压应力的幅值沿离孔的远去逐渐降低Κ直到达到残余拉应力的最大值;在离孔3.5mm 处ΓΚ然后残余拉应力逐渐递减直至为零1图6　裂纹割开的挤压孔图7　割开的挤压孔的残余应力分布图8　割开孔的疲劳寿命挤压量对疲劳寿命也有影响;如图5所示Γ1一般说来Κ疲劳寿命随挤压量的增大而增加1挤压量为3.5%的孔Κ其疲劳寿命至少是未挤压的孔的寿命的2倍1值得注意的是Κ当应力孔被裂纹贯通Κ与试件边界或其它孔相连;如图6ΓΚ它的应力分布就完全改变了Κ几乎全部是残余拉应力Κ图7是张开的应力孔的残余应力分布1被裂纹贯通的应力孔Κ其边缘只存在残余拉应力1相应的Κ其疲劳寿命也大大降低了;如图8Γ14　结论残余压应力对疲劳裂纹的扩展起滞阻作用Κ从而使01湖　北　工　学　院　学　报1996年第4期　疲劳寿命得以提高1残余拉应力的影响则相反1孔挤压可以在孔边产生残余压应力Κ但是当孔被裂纹贯穿后Κ孔边就完全是拉应力1参　考　文　献1　赫仁官Κ李康先1裂纹扩展中的部分止裂现象及其对疲劳寿命的影响1机械强度Κ1993Κ15;2ΓΠ46～492　徐可为Κ张　晖Κ胡奈赛1一次预过载对铝合金喷丸前后缺口疲劳强度的影响1航空学报Κ1993Κ14;6ΓΠ317～3203　冯忠信1表面滚压渗渗碳钢缺口疲劳强度影响的研究1西安交通大学学报Κ1995Κ29;8ΓΠ90～944　Kew ei Xu 1effect of residual stress on fatigue behavi ou r of no tches .Fatigue Κ1994Κ16;ΓΠ337～3435　汤嘉吉1机械零件残余压应力的生成及其对提高疲劳强度的作用1机械Κ1993Κ20;1ΓΠ39～446　Feltner C E and Beardmo re P .Strengthen ing M echan is m s in Fatigue .A ch ievem en t of H igh Fatigue R e 2sistance in M etals and A lloys ΚA STM ST P 467ΚAm erican Society fo r T esting M aterials Κ1970Κ77～1127　L aiM O .Fatigue p roperties of Ho les w ith R esidual Stresses .Engineering F ractu re M echan ics .1993Κ45;5ΓΠ551～5578　张永伟Κ杨庆雄1钉孔挤压强化弹塑性计算中形变理论适用性探讨1航空学报Κ1992Κ13;3ΓΠ227～231Effect of Residual Stress on FatigueCrack PropagationX iong J ianm in M ao W ei m in Yu TiangqingAbstract T he effect of residual stress on crack p rop agati on is investigated in th is p ap er .T he ex istence of residual com p ressiu r stress help s increase fatigue life Κbu t residual ten sile stress cau ses the oppo site resu lt .T he residual stress ho le is also analyzed .Key W ords residual stress Μfatigue crack p rop agati on Μresidual stress ho le;责任编辑　张培炼Γ11　第11卷第4期熊健民等　残余应力对疲劳裂纹扩展的影响。

残余应力对焊接部位疲劳破坏的影响

焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩所引起的残余应力和
拉压应力自平衡力系。焊接结构中的残余应力是在整个焊接快焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩不同时所引起的残余应分布速加热及后续冷却的局部温度变化过程中，由于低温区材料约束力合成而得到的残余应力就是垂直于焊缝方向的残余应力，作用抑制了热源及其临近区域材料的膨胀和收缩，局部区域发生情况也很复杂。特别需要指出的是焊接的顺序应该是从中间向从塑性变形，而最终冷却状态的焊缝接头区域形成自相平衡的拉压两端，而使两方面的残余应力能够抵消一部分。图２为横向残应力系统。焊接残余应力的分布是不均匀的，焊后收缩区域应力余应力示意图。为拉应力并随着收缩趋势的增大而增大，最大值可达到材料的屈２３厚度方向的残余应力．服强度。压应力出现在远离焊缝的区域。残余应力波及面随着当焊接的构件较厚时，了存在纵向残余应力和横向残余应除
变而应变幅值却没有改变，而影响疲劳强度，文将主要阐述从本残余应力对焊接部位疲劳的影响。
图１纵向残余应力示意图
１焊接残余应力的形成
残余应力是一组作用在结构不同部位的独立于外部荷载的
２２横向残余应力．
小时除外）两侧为压应力。如图１所示为纵向残余应力示意图，，纵向残余应力用ｏ表示。ｒ
１焊接接头的形式、）焊接结构的几何状况、错边或角变形，以及局部焊缝几何状况等都会影响应力集中；２焊接缺陷，）一般有两类缺陷：如裂纹、未焊透、未熔合、咬边等面状缺陷；如气孔、夹渣等体积型缺陷；３焊接残余应力，）焊接结构的残余应力使平均应力的大小改

焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响以及消除和调整的措施

焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响以及消除和调整的措施摘要：焊接残余应力和焊接变形是钢结构产生变形和开裂的主要原因。

本文以焊接残余应力和焊接变形为对象，分别讨论了残余应力对钢结构刚度、静力强度、疲劳强度、应力腐蚀等的影响，促使结构发生脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀开裂、低温变脆等以及造成的焊接变形的种类。

应采取措施对焊接残余应力和焊接变形加以消除和调整。

关键词：钢结构焊接残余应力焊接变形钢结构是钢材通过一定的设计方法做成构件，构件再通过一定的连接方式连接成的整体结构承力体系或传力体系。

连接方式及其质量优劣直接影响钢结构的工作性能。

焊接连接是目前钢结构最主要的连接方式。

但在焊接过程中，在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；焊接结构对裂纹很敏感，局部的裂缝一旦发生，就容易扩展到整体。

一、焊接残余应力钢材的焊接是一个不均匀的加热和冷却的过程。

在施焊时，焊缝及其附近区域的温度很高，而临近区域温度则急剧的下降，导致不均匀的温度场。

不均匀的温度场产生不均匀的膨胀，温度低的区域膨胀量小限制了高温度区域钢材的膨胀。

当焊接温度场消失后，构件内部产生应力，这种应力称为焊接残余应力。

（一）焊接残余应力对钢结构的影响1.对钢结构刚度的影响焊接残余应力使构件的有效截面减小，丧失进一步承受外载的能力。

焊接残余应力的存在还会增大结构的变形，降低结构的刚度。

2.对静力强度的影响由于焊接应力的自相平衡，使受压区和受拉区的面积相等。

构件全截面达到屈服强度所承受的外力与无焊接应力的轴心受拉构件全截面达到屈服强度时的应力相等，因此不影响静力强度。

3.对疲劳强度的影响残余应力的存在使应力循环发生偏移。

这种偏移，只改变其平均值，不改变其幅值。

当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。

4.对应力腐蚀开裂的影响应力腐蚀开裂是拉伸残余应力和化学腐蚀作用下产生裂纹的现象，在一定材料和介质的组合下发生。

残余应力对材料性能影响的研究分析

残余应力对材料性能影响的研究分析1. 引言在材料科学与工程领域，残余应力是一个重要的研究课题。

残余应力是指材料在制造和加工过程中产生的内部应力，这些应力可能会对材料的机械性能、疲劳寿命和耐蚀性等性能产生重要的影响。

本文将对残余应力对材料性能的影响进行深入研究和分析。

2. 残余应力的产生机制残余应力的产生主要与材料的制造和加工过程相关。

例如，焊接、淬火、冷加工等过程中，材料受到热量、力量和相变等因素的影响，导致晶格结构的畸变和内部应力的积累。

这些内部应力可以通过切应力、热应力和弹性应力等方式表达。

残余应力的产生机制对于深入理解残余应力对材料性能的影响至关重要。

3. 残余应力对材料性能的影响3.1 机械性能残余应力可以对材料的机械性能产生显著影响。

一方面，残余应力可以增加材料的硬度和强度，提高材料的抗拉、抗压和抗弯性能。

另一方面，残余应力可能会导致材料的应力集中和裂纹扩展，降低材料的延展性和断裂韧性。

因此，合理控制残余应力可以提高材料的机械性能，延长材料的使用寿命。

3.2 耐蚀性残余应力对材料的耐蚀性也有重要影响。

一方面，残余应力可以形成孤立的晶界和相界，使得材料的耐蚀性提高；另一方面，残余应力也可能导致应力腐蚀开裂和应力腐蚀破坏，降低材料的耐蚀性。

因此，残余应力对于材料的耐蚀性是一个相对复杂的问题，需要综合考虑材料的特性和使用环境。

3.3 疲劳寿命残余应力对材料的疲劳寿命有重要影响。

残余应力可以作为一个起始点，加速疲劳裂纹的形成和扩展。

此外，残余应力也可能导致应力集中和应力腐蚀，使得材料的疲劳寿命显著缩短。

因此，合理控制和减小残余应力是延长材料的疲劳寿命的关键。

4. 残余应力的测量方法为了研究和分析残余应力对材料性能的影响，准确测量残余应力是必要的。

目前常用的残余应力测量方法包括X射线衍射法、中子衍射法、应力分析法等。

这些方法可以通过测量材料中的晶格畸变或载荷引起的应变来间接测量残余应力。

选择合适的测量方法，并对测量结果进行准确可靠的分析和解释，对于深入理解残余应力的特性和影响机制具有重要意义。

残余应力在疲劳断裂中的作用

残余应力在疲劳断裂中的作用残余应力在疲劳断裂中的作用残余应力是指在材料受力后释放部分应力，但仍保留一部分应力的状态。

在疲劳断裂中，残余应力起着重要的作用。

首先，疲劳断裂是材料在受到循环加载的情况下发生的断裂。

循环加载会导致材料的疲劳寿命减小，最终导致断裂。

而残余应力会影响材料的疲劳断裂行为。

其次，残余应力可以影响材料的应力集中情况。

当材料受到应力加载时，应力会在材料中产生集中，导致应力集中区域的疲劳寿命降低。

而残余应力可以改变这种应力集中的分布情况，从而改善材料的疲劳性能。

此外，残余应力还可以改变材料的应力分布情况。

在材料断裂前，由于外界加载引起的应力分布并不均匀，可能会导致一些区域的应力过高，从而提前引起疲劳断裂。

而残余应力可以调整应力分布，使得应力更加均匀分布，减少应力集中，从而延缓疲劳断裂的发生。

此外，残余应力还可以影响材料的晶体结构。

材料中的晶体结构是决定材料力学性能的重要因素之一。

而外界加载会改变材料的晶体结构，产生残余应力。

这些残余应力会进一步影响材料的晶体结构，从而影响材料的疲劳断裂行为。

最后，通过适当的残余应力控制，可以改善材料的疲劳寿命。

合理地控制外界加载和残余应力的大小和分布，可以使材料在循环加载下具有更长的疲劳寿命。

这对于一些需要长时间使用并承受循环加载的材料非常重要。

综上所述，残余应力在疲劳断裂中起着重要的作用。

它可以影响材料的应力集中和分布情况，改变材料的晶体结构，并通过合理的控制来改善材料的疲劳寿命。

因此，在材料设计和应用中，需要充分考虑残余应力对疲劳断裂行为的影响，以提高材料的使用寿命和安全性。

试析焊接残余应力对钢结构疲劳性能的影响

试析焊接残余应力对钢结构疲劳性能的影响作者：李彬来源：《科技风》2017年第24期摘要：现阶段，国内外工业设计指标在差异化分析过程与对疲劳影响因素的分析方法上没有一个统一的标准。

特别是针对国内机车车辆领域，焊接承载结构的疲劳分析与工程分析应用还处在发展中阶段，指标化的疲劳设计模式与参数还没有一个硬性的标准，且对焊接结构疲劳的研究不足。

文章将以试析焊接残余应力对钢结构疲劳性能的影响作为切入点，在此基础上予以深入的探究，相关内容如下所述。

关键词：焊接残余应力；钢结构；疲劳性能；影响1 焊接残余应力（Welding residual stress）研究1.1 焊接残余应力分布与形成锻造、铸造、挤压、轧制与焊接等都能够在产品中生成残余应力（Residual stress），而焊接技术所生成的Residual stress较为显著。

Residual stress即为一组作用在结构差异化区域，残余应力具有单独的外部载荷。

焊接结构内，Residual stress出现在焊接快速加热和后续冷却的局部温度变化环节，因为热源与其周围材料的膨胀与收缩会因低温区域的材料所约束，部分区域出现塑性形变，进而在冷却的焊缝接头周围出现自相平衡的拉压应力。

一般状态下，焊缝与周围热影响区存在着一定的拉应力，同时具有一定的强度，通常会超过材料的屈服极值。

1.2.焊接残余应力的疲劳性分析针对弹塑性材料，Welding residual stress对结构静、动态疲劳承载能力的作用存在较大差异。

静态载荷状态，塑性断裂与弹性损失是结构的两类失效因素。

Welding residual stress对弹性断裂承载能力不存在显著的影响，这是因为自平衡力系，Welding residual stress和外在应力的累积能够在残余拉应力中达到屈服极值，不过塑性断裂即承载截面出现全屈服的结果，仅在残余压应力范围内，同时叠加应力参数超过屈服极值才能够造成失效问题。

焊接残余应力对金属结构工程疲劳寿命的影响

焊接残余应力对金属结构工程疲劳寿命的影响引言：焊接是金属结构工程中常用的连接方式之一，然而焊接过程中产生的残余应力却可能对结构的疲劳寿命产生不利影响。

本文将探讨焊接残余应力对金属结构工程疲劳寿命的影响，并介绍一些减轻焊接残余应力的方法。

一、焊接残余应力的形成机制焊接残余应力是指焊接完成后，在焊接接头附近产生的应力。

焊接过程中，高温使金属发生热胀冷缩，而焊接接头周围的材料由于受限于其他部分的约束，无法自由膨胀或收缩，从而产生应力。

焊接残余应力的形成机制主要包括热应力、塑性应力和冷却应力。

二、焊接残余应力对疲劳寿命的影响焊接残余应力对金属结构的疲劳寿命有着重要的影响。

首先，焊接残余应力会降低材料的疲劳强度。

焊接接头附近的残余应力会导致材料的应力水平增加，从而降低了材料的疲劳强度，使其更容易发生疲劳破坏。

其次，焊接残余应力会改变材料的应力分布。

焊接接头附近的残余应力会导致应力集中，使接头处的应力水平更高，从而加速了疲劳破坏的发生。

最后，焊接残余应力还会引起裂纹的产生和扩展。

焊接接头附近的残余应力会导致材料的微小裂纹产生，并随着工作负荷的作用逐渐扩展，最终导致疲劳破坏。

三、减轻焊接残余应力的方法为了减轻焊接残余应力对金属结构疲劳寿命的影响，可以采取以下方法。

首先，合理设计焊接接头的几何形状。

通过优化接头的几何形状，可以减少焊接残余应力的产生。

其次，选择合适的焊接工艺参数。

控制焊接工艺参数，如焊接电流、焊接速度等，可以减小焊接残余应力的大小。

此外，对焊接接头进行热处理也是减轻焊接残余应力的有效方法。

热处理可以通过改变焊接接头的组织结构，减少残余应力的大小。

最后，应注意焊接过程中的预热和后热。

预热可以减少焊接接头的温度梯度，从而减小残余应力的产生；后热可以通过加热焊接接头，使其均匀冷却，减小残余应力的大小。

结论：焊接残余应力对金属结构工程疲劳寿命有着重要的影响。

了解焊接残余应力的形成机制，并采取适当的措施减轻其对疲劳寿命的影响，对于确保金属结构的安全运行具有重要意义。

焊缝余高对焊接接头疲劳强度的影响

焊缝余高对焊接接头疲劳强度的影响焊缝余高是指焊接接头表面的高度差，是焊缝两侧金属材料的垂直距离。

焊接接头的疲劳强度是指在循环加载下能够承受的应力水平。

焊缝余高对焊接接头的疲劳强度有着重要的影响，下面从几个方面进行详细分析。

首先，焊缝余高导致应力集中。

焊缝余高会导致接头表面形成突起或凹陷，这种几何形状会使压应力或拉应力在焊缝附近集中。

当接头在加载循环中受到应力时，焊缝附近的应力集中区域将成为疲劳裂纹的起始部位。

应力集中会加剧疲劳裂纹的形成和扩展，降低接头的疲劳强度。

其次，焊缝余高破坏了接头的表面质量。

焊缝余高会导致焊缝表面不平整，形成凸起或凹陷，这些缺陷会降低接头的表面质量。

焊接接头的表面质量对于其疲劳寿命有着重要的影响。

焊缝余高会导致应力集中和应力集中的变形，使接头更容易出现疲劳裂纹。

同时，焊缝余高还会增加接头的表面粗糙度，使金属表面更容易受到外界环境条件的影响，促进腐蚀和裂纹的形成，从而降低接头的疲劳强度。

其次，焊缝余高增加了接头的应力集中系数。

焊缝余高将导致接头的截面形状变化，从而增大了接头的应力集中系数。

应力集中系数是描述应力集中程度的一个参数，当应力集中系数增大时，接头的疲劳强度将降低。

焊缝余高会增加接头表面的几何形状不连续性，使得应力集中系数增大，这将加速疲劳裂纹的形成和扩展，降低接头的疲劳强度。

最后，焊缝余高会导致焊接接头的断裂形式从平面断裂向点状断裂转变。

焊接接头常常出现疲劳断裂，疲劳断裂通常为平面断裂，也即在平面上扩展的裂纹导致接头断裂。

但焊缝余高会导致焊接接头上出现点状的局部应力集中，这些局部应力集中会加速疲劳裂纹的形成和扩展，使接头的疲劳断裂形式从平面断裂转变为点状断裂，进一步降低接头的疲劳强度。

综上所述，焊缝余高对焊接接头的疲劳强度有着明显的影响。

焊缝余高会导致应力集中、破坏接头表面质量、增加应力集中系数和改变断裂形式，进而降低接头的疲劳强度。

为了提高焊接接头的疲劳强度，应严格控制焊缝余高，保证接头表面的光滑和均匀，减少应力集中的产生。

焊缝余高对焊接接头疲劳强度的影响

焊缝余高对焊接接头疲劳强度的影响焊接接头是工程中常见的连接方式之一，其质量对于工件的使用寿命和安全性具有重要影响。

焊缝余高作为焊接接头的重要参数之一，对焊接接头的疲劳强度有着显著的影响。

本文将对焊缝余高对焊接接头疲劳强度的影响进行探讨和分析。

焊缝余高是指焊接接头中焊缝的高度差。

焊缝是焊接接头的核心部分，它将两个或多个工件紧密连接在一起。

焊缝余高的大小直接影响着焊接接头的强度和稳定性。

一般来说，焊缝余高过大或过小都会对焊接接头的疲劳强度造成不利影响。

焊缝余高过大会导致焊接接头的强度不够，容易发生疲劳裂纹的产生和扩展。

焊缝余高过大会导致焊接接头在受到外力作用时，焊缝附近的应力集中，从而加剧了焊接接头的疲劳损伤。

此外，焊缝余高过大还会使焊接接头的质量不稳定，容易出现焊缝内有气孔、夹渣等缺陷，进一步降低了焊接接头的疲劳强度。

相反，焊缝余高过小也会对焊接接头的疲劳强度产生不利影响。

焊缝余高过小会导致焊接接头的强度不足，难以承受外力的作用。

此外，焊缝余高过小还容易导致焊接接头在受到外力作用时，焊缝附近的应力集中，从而加剧了焊接接头的疲劳损伤。

另外，焊缝余高过小还会导致焊接接头的质量不稳定，容易产生焊缝内有气孔、夹渣等缺陷，进一步降低了焊接接头的疲劳强度。

因此，为了提高焊接接头的疲劳强度，我们需要控制焊缝余高在合理范围内。

合理的焊缝余高应根据具体情况进行选择，一般要满足焊接接头的设计要求和使用要求。

在焊接过程中，应严格按照焊接规范和工艺要求进行操作，确保焊缝余高在允许范围内。

同时，在焊接接头设计中，也应根据实际情况合理选择焊缝形式和尺寸，以提高焊接接头的疲劳强度。

焊缝余高作为焊接接头的重要参数之一，对焊接接头的疲劳强度有着显著的影响。

焊缝余高过大或过小都会对焊接接头的疲劳强度产生不利影响。

因此，在焊接接头的设计和制造中，应合理控制焊缝余高，以提高焊接接头的疲劳强度，确保工件的使用寿命和安全性。

lng管焊接残余应力

lng管焊接残余应力管焊接残余应力是管道焊接过程中产生的一种应力，它会对管道的性能和安全性产生不利的影响。

了解和控制管焊接残余应力对于确保管道的正常运行至关重要。

以下是有关管焊接残余应力的一些参考内容：1. 管道焊接残余应力的产生机制：焊接过程中，由于加热和冷却不均匀，产生了不同的热应变。

这些应变会导致管道内部和外部产生应力，即焊接残余应力。

主要包括热收缩应力和相转变引起的残余应力。

2. 管道焊接残余应力的对管道性能的影响：焊接残余应力会导致管道的变形、裂纹、性能下降等问题。

特别是在高温、高压或循环载荷下，焊接残余应力容易引起管道失效，加速疲劳裂纹的扩展。

3. 管道焊接残余应力的评估方法：评估管道焊接残余应力的方法主要包括数值模拟和实验测量两种。

数值模拟可以通过有限元分析等方法，预测焊缝区域的残余应力分布。

实验测量则可以通过应力松弛试验、X射线衍射法等技术，直接测量焊接残余应力。

4. 管道焊接残余应力的控制措施：为了降低管道焊接残余应力，可以采取一些控制措施。

首先，焊接参数的选择非常重要，如预热温度、焊接速度等需要合理控制。

其次，焊接序列（焊接顺序）的优化也可以减少残余应力。

此外，采用焊后热处理（如回火、退火等）以及合理的焊缝设计等也可以有效减轻焊接残余应力。

5. 管道焊接残余应力的监测和评估：对于已经焊接完成的管道，需要进行焊接残余应力的监测和评估。

常用的方法包括超声波测厚、应力测量仪器、应力松弛试验等。

这些方法可以帮助及时发现和解决焊接残余应力问题，保障管道的安全稳定运行。

通过了解和掌握这些关于管焊接残余应力的参考内容，可以帮助我们更好地理解焊接残余应力的产生机制、对管道性能的影响以及相关的评估和控制方法。

这样可以在实际工程中有效降低管焊接残余应力的危害，提高管道的安全性和可靠性。

无损焊接残余应力 x射线

无损焊接残余应力 x射线一、无损焊接残余应力的介绍无损焊接残余应力是指焊接过程中由于热影响造成的焊接接头附近产生的应力。

焊接过程中，电弧或火焰的高温加热使得被焊接的材料局部膨胀，而冷却后又会产生收缩，导致焊接接头附近产生残余应力。

焊接过程中的残余应力对于焊接接头和焊接件的性能和寿命有着重要的影响。

首先，焊接残余应力会导致焊接接头的变形，使得焊接接头处于不稳定状态，容易产生裂纹和断裂。

其次，焊接残余应力也会影响焊接接头的力学性能，降低焊接接头的承载能力和抗疲劳性能。

最后，焊接残余应力还会影响焊接接头和焊接件的耐腐蚀性能，加速材料的腐蚀和氧化。

二、无损焊接残余应力的测试方法为了有效评估焊接件的残余应力，可以采用多种无损测试方法，其中最常用的是X射线方法。

X射线是一种电磁辐射，其波长较短，能够穿透物质并在后方产生相对强度较高的影像。

通过X射线检测，可以观察到物体内部的缺陷、残余应力等信息。

在焊接残余应力的测试中，常用的X射线测试方法有普通射线法和应力分析法。

1.普通射线法：通过拍摄焊接件的普通X射线照片，利用像差或位移等现象来分析焊接接头的残余应力。

该方法简便，但只能获得定性的结果，对残余应力的大小和分布不能进行准确的定量分析。

2.应力分析法：该方法是通过测量残余应力造成的晶体晶格畸变来评估焊接接头的残余应力。

该方法相对于普通射线法来说，可以获得较为准确的残余应力大小和分布图，但需要对测试结果进行一定的处理和分析。

三、利用X射线检测焊接残余应力的应用1.评估焊接件质量：通过X射线检测焊接件的残余应力，可以评估焊接接头的质量，并及时采取相应措施改善焊接工艺，避免焊接接头的断裂和故障。

2.优化焊接工艺：通过对焊接接头进行X射线检测，可以了解焊接接头的残余应力分布情况，进而优化焊接工艺，降低焊接接头的残余应力，提高焊接接头的性能和寿命。

3.预防裂纹和断裂：焊接接头的残余应力往往是导致裂纹和断裂的主要原因之一。

焊接残余应力对压力容器疲劳裂纹扩展的影响_万秀琴

度 ; a为裂纹深度 (式中 +表示内表面 , - 表示外
表面 ) ; α为圆锥角.
将裂纹扩展处的焊
接
残余应
力
σ r
代入
( 12 )
式中代替 σ,则得到残余应力的应力强度因子 Kr;
同样将该处的外载荷作用下所产生的弯曲应力
第 2期
万秀琴 ,等 :焊接残余应力对压力容器疲劳裂纹扩展的影响
63
摘要 : 给出了焊接残余应力对压力容器疲劳裂纹扩展的影响 ,采用断裂力学理论分析疲劳行为 ,引用了裂纹张开率 U 和有效应力强度因子幅值 △Keff 的概念. 关键词 : 焊接残余应力 ;疲劳裂纹扩展 ;压力容器中图分类号 : TG 115. 28 文献标识码 : B
目前一些大型压力容器的制造多采用焊接成形 ,焊缝常在容器壳体的曲率突变处 ,若不要求整体退火 ,这就必然存在焊接残余应力.
这样一来 , 残余应力场中的应力强度因子幅
值是和非残余应力场中的值是相同的. 只是由于
残余应力的存在而引起的应力比的变化 , 因此要
对其应力强度因子幅值进行修正. 其修正或影响
系数就是它的裂纹张开率 U r. 这时 ( 3) 式为 :
△Keff = △K·U r
(9)
这就是残余应力场中的有效应力强度因子
U
σ
=
m
σ
in
m ax
-
σ op
-
σ m in
(4)
式中 : U 为裂纹张开率 , 它是应力比的函数 ; U =
0.
381R
3 r
+ 0.
411R r2
+ 0.
2R r

焊缝余高对焊接接头疲劳强度的影响

焊缝余高对焊接接头疲劳强度的影响焊缝余高是指焊接接头中焊缝两侧金属表面的高度差。

在焊接过程中，焊缝余高是不可避免的现象，它对焊接接头的疲劳强度有着重要的影响。

焊接接头在使用过程中，常常会受到交变载荷的作用，如振动、冲击等。

这些载荷会引起焊接接头产生应力集中，并且会导致焊缝处发生裂纹或疲劳断裂。

焊缝余高作为焊接接头的一个重要参数，直接影响着焊接接头的疲劳强度。

焊缝余高会导致焊接接头的应力集中。

焊缝余高会使焊接接头的表面不平整，从而使接头在受到载荷时，应力集中在焊缝处，从而增加了焊接接头的应力水平。

应力集中会导致焊接接头的应力集中系数增大，从而降低了接头的疲劳强度。

焊缝余高会导致焊接接头的应力集中系数增大。

焊缝余高会使焊缝两侧的金属表面产生不规则的凸起或凹陷，从而使焊接接头的应力集中系数增大。

应力集中系数是描述焊接接头应力集中程度的一个重要参数，它的增大会使得焊接接头的疲劳强度降低。

焊缝余高还会影响焊接接头的应力分布。

焊缝余高会使焊接接头的应力分布变得不均匀，从而导致焊接接头在受到载荷时，部分区域的应力过大，而其他区域的应力过小。

这种不均匀的应力分布会进一步降低焊接接头的疲劳强度。

针对焊缝余高对焊接接头疲劳强度的影响，可以采取一些措施来减小焊缝余高，从而提高焊接接头的疲劳强度。

首先，可以通过优化焊接工艺参数来减小焊缝余高，如调整焊接电流、焊接速度和焊接角度等。

其次，可以采用适当的焊接材料和填充材料，以减小焊缝余高的出现。

此外，在焊接接头设计中，也可以采用适当的接头形状和尺寸，来减小焊缝余高的影响。

焊缝余高对焊接接头的疲劳强度有着重要的影响。

焊缝余高会导致焊接接头的应力集中、应力集中系数增大和应力分布不均匀，从而降低了焊接接头的疲劳强度。

因此，在焊接接头设计和制造过程中，应该尽量减小焊缝余高的出现，以提高焊接接头的疲劳强度。