40Cr与QCr0.5固态焊中的等效压缩变形与应力应变
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ＨＷＴ 焊 接 （３） ｗ ｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ
40Cr /QCr 0.5 固态焊中的等效压缩变形 与应力应变
韩彩霞 （威海职业学院 机电工程系，山东 威海 ２６４２１０）
摘 要： 对表面经激光淬火的 ４０Ｃｒ 与 ＱＣｒ０．５ 的固态压接的升温、保温过程中存在的等效压缩变形现象及其
产生进行了阐述， 并在试验基础上对伴随等效压缩变形的应力应变进行了分析。结果表明： 等效塑性压缩变形是
变化不大， σ１ 远小于 σｓ， 故 ｄｌ１ 仍为弹性变形。上
述过程将持续至试样温度升至 Ｔｉ， 此时压头约束
应力将增大为 σ０ ｉ， 而试样的 σｓ 随温度的升高降
低至 σｓ ｉ， 当 σｉ＝σｓ ｉ 时试样将在已发生的弹性变形
的基础上开始产生塑性变形。继续加热升至 Ｔｉ＋１＝
Ｔｉ＋ｄＴＩ， 试样也应伸长 ｄｌｉ＋１， 但此时 σｉ＋１＞σｓｉ＋１， 因 而 产
与 ＱＣｒ０．５ 试样待焊端面磨平 后对接!测 其总长 度 Ｌ０!放 入 已 升 到 试 验 温 度 Ｔ 的 炉 内 并 迅 速 施 加一 定 的 预 压 应 力 σ０!加 热 至 试 验 温 度 并 保 温 ７．５ ｍｉｎ 后卸载空冷至室温， 测其长度 Ｌ０＇。在试样 升温、保温过程中， 每隔 １５ ｓ 记录约束压力 Ｐ 的值。
焊件在升温、保温过程中受约束压力作用不能胀大而产生的塑性变形的累积 ， 它提供了形成固相焊接接头所必需
的塑性变形。等效压缩变形使焊件在被约束方向上的尺寸保持恒定， 而约束压力则在试样屈服极限的变化和应力
松 弛 的 综 合 作 用 下 发 生 增 大 、持 平 、快 速 减 小 直 至 缓 慢 减 小 的 变 化 。
上压头
σ０
升温 保温 压接 冷却
Ｌ Ｔ／℃
待焊件 （试样）
下压头
σ０ ｔ／ｓ
图 １ 固态焊接工艺示意图
《热加工工艺》２００６ 年第 ３５ 卷第 １１ 期
７
ＨＷＴ 焊 接 （３） ｗ ｅ ｌ ｄ 生的平行于 σ０ 的伸长变形在压头约束下不能进行， 相当于随时
生塑性压缩变形 ｄｌｉ＋１ 而使试样长度仍为 Ｌ０－ ｄｌ０， 同
时约束应力降低至试样此时的屈服极限
σ ，［４］ ｓｉ＋１
这种
过程将持续至试样达到设 定的焊接温 度 Ｔｗ 及随
后均温过程的结束。若试样材料有固态相变且 Ｔｗ
高于相变温度， 则在预压应力作用下的升温过程
中， 将发生相变诱发塑性变形， 使试样塑性变形量
８
《热加工工艺》２００６ 年第 ３５ 卷第 １１ 期
ＨＷＴ 焊 接 （３） ｗ ｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ
压应力 ／ ＭＰａ ｓσ／ ＭＰａ
１００
１１
９０
２２
３３
８０
４４ ５５
７０
６６ ７７
６０
８８ ９９
５０
４０
３０
２０
１０
０ １００ ２００ ３００ ４００ ５００ ６００
时间 ／ ｓ
图 ３ 不同工艺参数下升温、保温过程中的 σ－ｔ 曲线 １－σ０ ＝２８．３ＭＰａ，Ｔ＝７００℃；２－σ０ ＝５６．６ＭＰａ，Ｔ＝７００℃ ３－σ０ ＝８４．９ＭＰａ，Ｔ＝７００℃；４－σ０ ＝２８．３ＭＰａ，Ｔ＝７５０℃ ５－σ０ ＝５６．６ＭＰａ，Ｔ＝７５０℃；６－σ０ ＝８４．９ＭＰａ，Ｔ＝７５０℃ ７－σ０ ＝２８．３ＭＰａ，Ｔ＝８００℃；８－σ０ ＝５６．６ＭＰａ，Ｔ＝８００℃ ９－σ０ ＝８４．９ＭＰａ，Ｔ＝８００℃
关键词： ４０Ｃｒ； ＱＣｒ０．５； 固态焊接； 塑性压缩变形； 约束应力； 应变
中图分类号： ＴＧ４５３
文献标识码： Ａ
文章编号： １００１－３８１４（ ２００６） １１－０００７－０３
Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｃｏｍｐｒ ｅｓｓｉｖｅ Ｄｅｆｏｒ ｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｒ ｅｓｓ－ｓｔｒ ａｉｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ ４０Ｃｒ ／ＱＣｒ ０．５
２ 有约束试样在升温、保温过程中的 变形和约束压力的变化
２．１ 试样的变形
以 上 分 析表明， 在有约束条件下试样长度
的变化如图 ２ 所示。
Ｌ０
长 度 为 Ｌ０ 的 试 样 在
Ｌ０－ｄｌ０
长度 Ｌ
预压力的作用下发 Ｌ０’
生弹性变形后长度
弹性恢复
卸载 &Ｌ＝Ｌ０－ Ｌ０’
冷却 Ｌ０’
为 Ｌ０－ ｄｌ０， 此值在 随
有一压力对已发生伸长变形的焊件进行压缩变
形， 使其长度总保持不变（ Ｌ） ， 这种变形存在于整
个升温、保温过程中， 其累积变形量提供了形成固
态焊接接头所必须的塑性变形， 这种隐性的压缩
变形与许多压力焊中的压、挤、锻等显性的压缩变
形在接头形成中的作用等同， 故被称为等效压缩
变 形 （Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，
增加。此外， 高于材料再结晶温度时， 试样还会产
生蠕变变形， 也会使塑性变形量略有增大。保温后
取消对试样的约束并使其冷却的过程中， 长度为
Ｌ０－ ｄｌ０ 的试样将恢复剩余的弹性变形， 并发生常 规收缩 ， 直至室温长 度 Ｌ０＇。 可 见 ， 在 有 压 头 约 束 下， 原室温长 度 Ｌ０ 的试样经 升温、保温再 冷却至 室 温， 其长度缩 短为 Ｌ０＇， 即 产 生 了 可 测 量 的 宏 观 塑性变 形 "Ｌ＝ Ｌ０－ Ｌ０＇ 或宏观 压缩应变 ε＝#Ｌ／ Ｌ０， 此即累积的等效压缩变形量及等效压缩应变。显 然， $Ｌ 或 ε可作为描述 ＥＰＣＤ 的参数。
简称 ＥＰＣＤ）。
为进一步说明 ＥＰＣＤ 的产生及特点， 下面对
无压头约束和有压头约束两种条件下的试样在升
温→保温→冷却过程中的塑性变形进行对比。设
圆柱形试样长度为 Ｌ０， 两端未受压头约束时， 由
室温 Ｔ０ 升温至焊接温度 Ｔｗ， 保温后再冷至 Ｔ０， 则
试样长度将 由 Ｌ０ 伸长至最 大值， 然后再 缩 短 至
图 ３ 为几种不同工艺参数下升温、保温过程 中的约束应力－ 时间曲线（ σ－ｔ 曲线） 。可看出， 所 有 σ－ｔ 曲线都类似 ， 可分为上升 、水平、快速 下 降 和缓慢下降四个阶段， 且上升段、水平段持续时间 相对较短。对 σ－ｔ 曲线的这一特征分析如下： 文献 ［４］分析了无预压力的受约束试样在理想的加热、
ＨＡＮ Ｃａｉ－ｘｉａ
（Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ， Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｗｅｉｈａｉ， Ｗｅｉｈａｉ ２６４２１０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｐｌａｓｔｉｃ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ （ＥＰＣＤ） ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｏｌｄｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ ４０Ｃｒ ｔｏ ＱＣｒ０．５ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ｗｈｅｎ ＥＰＣＤ ｈａｐｐｅｎｓ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ＥＰＣＤ ｉｓ ａ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｐｒｏｄｕｃｅｓ ｄｕｅ ｔｏ ｎｏ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｏｌｄｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ． ＥＰＣＤ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｊｏｉｎｔ ｎｅｅｄ． ＥＰＣＤ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ＇ｓ ｌｅｎｇｔｈ ｂｅｃｏｍｅ ｉｎｖａｒｉａｂｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ． Ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｙｉｅｌｄ ｌｉｍｉｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｐｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ： ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ， ｈｏｌｄｉｎｇ， ｆａｓｔ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ， ｓｌｏｗｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ４０Ｃｒ； ＱＣｒ０．５； ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｗｅｌｄｉｎｇ； ｐｌａｓｔｉｃ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ； ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｓｔｒｅｓｓ； ｓｔｒａｉｎ
在对表面经激光预处理的 ４０Ｃｒ 与 ＱＣｒ０．５ 的 固态焊接试验中发现［１，２］， ４０Ｃｒ 钢的待焊面经激光 淬火组织超细化预处理后， 与 ＱＣｒ０．５ 在一定的预 压应 力下， 升温 至压接温度 ， 经 ７．５ｍｉｎ 短 时 保 温 后即可形成接头强度达 ＱＣｒ０．５ 母材强度 ６０％的 固态焊接接头。此结果反映出在此种焊接的升温、 保温过程中， 接头区发生了形成固态焊接接头所 需的塑性变形和原子扩散。这种塑性变形是在预 压应力作用下， 待焊件在升温、保温过程中被加热 但不能自由伸长而产生的。此种压缩变形在许多 固态压力焊， 如超塑焊接［３］、扩散焊接等 的焊接过 程中都存在， 它对固态焊接接头的形成起着十分
加热， 使试样温度由 Ｔ０ 升高至 Ｔ１＝ Ｔ０＋ｄＴ１，则试样
应当伸 长 ｄｌ１， 但在压头 约束下 试 样 不 能 自 由 伸
长， 为此压头的约束应力 σ应增大至 σ１＝σ０＋ｄσ１，
使试样产生 ｄｌ１ 的压缩变形， 以保持试样长度（ Ｌ０－
ｄｌ０） 不变 。由于 Ｔ１ 略高于 Ｔ０， 材 料 的 屈 服 极 限 σｓ
析。
２．２ 约束压应力的变化规律及分析 表 面 经 激 光 淬 火 的 ４０Ｃｒ 钢 与 未 经 处 理 的
ＱＣｒ０．５ 均加工成 #１５ ｍｍ×２５ ｍｍ 试样， 在经改装 的 ＷＪ－１０Ａ 万能试验机上进行试验［２］， 加热用 ３ ｋＷ
电阻炉， 控温 精度为±２℃。试 验方法为 ： 将 ４０Ｃｒ
时间 ｔ
后的升温 、保 温 过 程 图 ２ 有约束时试样长度的变化
中一直保持不变。卸
载后试样发生弹性恢复， 然后开始冷却收缩， 至室
温时长度缩短为 Ｌ０＇， 最终产生了 %Ｌ＝ Ｌ０－ Ｌ０＇ 的等 效压缩变形量。与试样变形相比， 对 ＥＰＣＤ 有重
要影响的约束压应力在此过程中的变化则较为复
杂， 为探讨其变化规律， 本文进行了以下试验及分
冷却（试样表 层、心部无温 差）过 程 中 产 生 的 压 缩 塑性应变 εｐ＝εｔ－ εｅ－ εｓ， 其中 εｓ 为对应于屈服极限 σｓ 的弹性应变， 并用图 ４ 表示了各类应变及约束 压应力随时间的变化， 图中 ０～ｔ２ 为加热， ｔ２ 时刻 解除约束随后开始冷却。在加热过程中由于试样 受 约 束 ， εｅ 始 终 为 零 ， 故 εｐ＝εｔ － εｓ， 且 在 ｔ２ 时 刻 εｐ 达最大值； 解除约束时， 弹性压缩应变恢复， 在随 后的冷却过程中， 试样自由缩短， 至室温时产生了 大小等于 εｐｍａｘ 塑性压缩应变。应力的变化 为： 在 ０～ｔ１ 区 间 ， 试 样 受 热 伸 长 使 约 束 压 力 增 大 ， 在 ｔ１ 时 刻 试 样 所 受 应 力 达 到 σｓ 开 始 产 生 塑 性 变 形 ， ｔ１～ｔ２ 塑性变形逐渐增大， 而约束应力保持不变。 解除约束时， 约束应力随着弹性压缩应变 εｓ 逐渐 减少而最终降为零。
１ 固态焊接中的等效压缩变形
表面经激光预处理的 ４０Ｃｒ 与 ＱＣｒ０．５ 的固态
焊接的工艺过程如图 １ 所示， 将预处理后的 ４０Ｃｒ
与 ＱＣｒ０．５ 的待焊面对接， 施加预压应力 σ０ 后， 焊
件被约束 在上下压 头之间（ 间距 为 Ｌ） ， 然 后 对 焊
件进行加热、保温后取出冷却。在该工艺的升温、
收稿日期： ２００６－０１－２９ 基金项目： 省部共建有色金属新材料国家重点实验室基金项目（２００３） 作者简介： 韩彩霞（１９７１ －）， 女 ，河南新安 人，工程师 ， 工学硕士 ；
电话： １３００１６５２９７１； Ｅ－ ｍａｉｌ： ｃｈｅｎ＿ａｎｍｉｎ＠１６３．ｃｏｍ
重要的作用。因此， 有必要对此种压缩变形现象及 其规律进行研究。
Ｌ０， 不会留下宏观塑性变形， 即 !Ｌ＝ ０。若室温下
长度 Ｌ０ 的试样两端在 σ０ 作用下被约束在图 １ 所
示的上下压头之间， 且 σ０ 远小于试样材料的室温
屈服极限 σｓ０， 则试样将产生 ｄｌ０ 的弹性压缩变形
使其长度为 Ｌ０－ ｄｌ０， ｄｌ０ 的大小与施加的预压 应力
σ０（ 亦可称约束应力） 成正比。此时若对试样开始
40Cr /QCr 0.5 固态焊中的等效压缩变形 与应力应变
韩彩霞 （威海职业学院 机电工程系，山东 威海 ２６４２１０）
摘 要： 对表面经激光淬火的 ４０Ｃｒ 与 ＱＣｒ０．５ 的固态压接的升温、保温过程中存在的等效压缩变形现象及其
产生进行了阐述， 并在试验基础上对伴随等效压缩变形的应力应变进行了分析。结果表明： 等效塑性压缩变形是
变化不大， σ１ 远小于 σｓ， 故 ｄｌ１ 仍为弹性变形。上
述过程将持续至试样温度升至 Ｔｉ， 此时压头约束
应力将增大为 σ０ ｉ， 而试样的 σｓ 随温度的升高降
低至 σｓ ｉ， 当 σｉ＝σｓ ｉ 时试样将在已发生的弹性变形
的基础上开始产生塑性变形。继续加热升至 Ｔｉ＋１＝
Ｔｉ＋ｄＴＩ， 试样也应伸长 ｄｌｉ＋１， 但此时 σｉ＋１＞σｓｉ＋１， 因 而 产
与 ＱＣｒ０．５ 试样待焊端面磨平 后对接!测 其总长 度 Ｌ０!放 入 已 升 到 试 验 温 度 Ｔ 的 炉 内 并 迅 速 施 加一 定 的 预 压 应 力 σ０!加 热 至 试 验 温 度 并 保 温 ７．５ ｍｉｎ 后卸载空冷至室温， 测其长度 Ｌ０＇。在试样 升温、保温过程中， 每隔 １５ ｓ 记录约束压力 Ｐ 的值。
焊件在升温、保温过程中受约束压力作用不能胀大而产生的塑性变形的累积 ， 它提供了形成固相焊接接头所必需
的塑性变形。等效压缩变形使焊件在被约束方向上的尺寸保持恒定， 而约束压力则在试样屈服极限的变化和应力
松 弛 的 综 合 作 用 下 发 生 增 大 、持 平 、快 速 减 小 直 至 缓 慢 减 小 的 变 化 。
上压头
σ０
升温 保温 压接 冷却
Ｌ Ｔ／℃
待焊件 （试样）
下压头
σ０ ｔ／ｓ
图 １ 固态焊接工艺示意图
《热加工工艺》２００６ 年第 ３５ 卷第 １１ 期
７
ＨＷＴ 焊 接 （３） ｗ ｅ ｌ ｄ 生的平行于 σ０ 的伸长变形在压头约束下不能进行， 相当于随时
生塑性压缩变形 ｄｌｉ＋１ 而使试样长度仍为 Ｌ０－ ｄｌ０， 同
时约束应力降低至试样此时的屈服极限
σ ，［４］ ｓｉ＋１
这种
过程将持续至试样达到设 定的焊接温 度 Ｔｗ 及随
后均温过程的结束。若试样材料有固态相变且 Ｔｗ
高于相变温度， 则在预压应力作用下的升温过程
中， 将发生相变诱发塑性变形， 使试样塑性变形量
８
《热加工工艺》２００６ 年第 ３５ 卷第 １１ 期
ＨＷＴ 焊 接 （３） ｗ ｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ
压应力 ／ ＭＰａ ｓσ／ ＭＰａ
１００
１１
９０
２２
３３
８０
４４ ５５
７０
６６ ７７
６０
８８ ９９
５０
４０
３０
２０
１０
０ １００ ２００ ３００ ４００ ５００ ６００
时间 ／ ｓ
图 ３ 不同工艺参数下升温、保温过程中的 σ－ｔ 曲线 １－σ０ ＝２８．３ＭＰａ，Ｔ＝７００℃；２－σ０ ＝５６．６ＭＰａ，Ｔ＝７００℃ ３－σ０ ＝８４．９ＭＰａ，Ｔ＝７００℃；４－σ０ ＝２８．３ＭＰａ，Ｔ＝７５０℃ ５－σ０ ＝５６．６ＭＰａ，Ｔ＝７５０℃；６－σ０ ＝８４．９ＭＰａ，Ｔ＝７５０℃ ７－σ０ ＝２８．３ＭＰａ，Ｔ＝８００℃；８－σ０ ＝５６．６ＭＰａ，Ｔ＝８００℃ ９－σ０ ＝８４．９ＭＰａ，Ｔ＝８００℃
关键词： ４０Ｃｒ； ＱＣｒ０．５； 固态焊接； 塑性压缩变形； 约束应力； 应变
中图分类号： ＴＧ４５３
文献标识码： Ａ
文章编号： １００１－３８１４（ ２００６） １１－０００７－０３
Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｃｏｍｐｒ ｅｓｓｉｖｅ Ｄｅｆｏｒ ｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｒ ｅｓｓ－ｓｔｒ ａｉｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ ４０Ｃｒ ／ＱＣｒ ０．５
２ 有约束试样在升温、保温过程中的 变形和约束压力的变化
２．１ 试样的变形
以 上 分 析表明， 在有约束条件下试样长度
的变化如图 ２ 所示。
Ｌ０
长 度 为 Ｌ０ 的 试 样 在
Ｌ０－ｄｌ０
长度 Ｌ
预压力的作用下发 Ｌ０’
生弹性变形后长度
弹性恢复
卸载 &Ｌ＝Ｌ０－ Ｌ０’
冷却 Ｌ０’
为 Ｌ０－ ｄｌ０， 此值在 随
有一压力对已发生伸长变形的焊件进行压缩变
形， 使其长度总保持不变（ Ｌ） ， 这种变形存在于整
个升温、保温过程中， 其累积变形量提供了形成固
态焊接接头所必须的塑性变形， 这种隐性的压缩
变形与许多压力焊中的压、挤、锻等显性的压缩变
形在接头形成中的作用等同， 故被称为等效压缩
变 形 （Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，
增加。此外， 高于材料再结晶温度时， 试样还会产
生蠕变变形， 也会使塑性变形量略有增大。保温后
取消对试样的约束并使其冷却的过程中， 长度为
Ｌ０－ ｄｌ０ 的试样将恢复剩余的弹性变形， 并发生常 规收缩 ， 直至室温长 度 Ｌ０＇。 可 见 ， 在 有 压 头 约 束 下， 原室温长 度 Ｌ０ 的试样经 升温、保温再 冷却至 室 温， 其长度缩 短为 Ｌ０＇， 即 产 生 了 可 测 量 的 宏 观 塑性变 形 "Ｌ＝ Ｌ０－ Ｌ０＇ 或宏观 压缩应变 ε＝#Ｌ／ Ｌ０， 此即累积的等效压缩变形量及等效压缩应变。显 然， $Ｌ 或 ε可作为描述 ＥＰＣＤ 的参数。
简称 ＥＰＣＤ）。
为进一步说明 ＥＰＣＤ 的产生及特点， 下面对
无压头约束和有压头约束两种条件下的试样在升
温→保温→冷却过程中的塑性变形进行对比。设
圆柱形试样长度为 Ｌ０， 两端未受压头约束时， 由
室温 Ｔ０ 升温至焊接温度 Ｔｗ， 保温后再冷至 Ｔ０， 则
试样长度将 由 Ｌ０ 伸长至最 大值， 然后再 缩 短 至
图 ３ 为几种不同工艺参数下升温、保温过程 中的约束应力－ 时间曲线（ σ－ｔ 曲线） 。可看出， 所 有 σ－ｔ 曲线都类似 ， 可分为上升 、水平、快速 下 降 和缓慢下降四个阶段， 且上升段、水平段持续时间 相对较短。对 σ－ｔ 曲线的这一特征分析如下： 文献 ［４］分析了无预压力的受约束试样在理想的加热、
ＨＡＮ Ｃａｉ－ｘｉａ
（Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ， Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｗｅｉｈａｉ， Ｗｅｉｈａｉ ２６４２１０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｐｌａｓｔｉｃ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ （ＥＰＣＤ） ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｏｌｄｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ ４０Ｃｒ ｔｏ ＱＣｒ０．５ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ｗｈｅｎ ＥＰＣＤ ｈａｐｐｅｎｓ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ＥＰＣＤ ｉｓ ａ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｐｒｏｄｕｃｅｓ ｄｕｅ ｔｏ ｎｏ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｏｌｄｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ． ＥＰＣＤ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｊｏｉｎｔ ｎｅｅｄ． ＥＰＣＤ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ＇ｓ ｌｅｎｇｔｈ ｂｅｃｏｍｅ ｉｎｖａｒｉａｂｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ． Ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｙｉｅｌｄ ｌｉｍｉｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｐｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ： ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ， ｈｏｌｄｉｎｇ， ｆａｓｔ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ， ｓｌｏｗｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ４０Ｃｒ； ＱＣｒ０．５； ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｗｅｌｄｉｎｇ； ｐｌａｓｔｉｃ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ； ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｓｔｒｅｓｓ； ｓｔｒａｉｎ
在对表面经激光预处理的 ４０Ｃｒ 与 ＱＣｒ０．５ 的 固态焊接试验中发现［１，２］， ４０Ｃｒ 钢的待焊面经激光 淬火组织超细化预处理后， 与 ＱＣｒ０．５ 在一定的预 压应 力下， 升温 至压接温度 ， 经 ７．５ｍｉｎ 短 时 保 温 后即可形成接头强度达 ＱＣｒ０．５ 母材强度 ６０％的 固态焊接接头。此结果反映出在此种焊接的升温、 保温过程中， 接头区发生了形成固态焊接接头所 需的塑性变形和原子扩散。这种塑性变形是在预 压应力作用下， 待焊件在升温、保温过程中被加热 但不能自由伸长而产生的。此种压缩变形在许多 固态压力焊， 如超塑焊接［３］、扩散焊接等 的焊接过 程中都存在， 它对固态焊接接头的形成起着十分
加热， 使试样温度由 Ｔ０ 升高至 Ｔ１＝ Ｔ０＋ｄＴ１，则试样
应当伸 长 ｄｌ１， 但在压头 约束下 试 样 不 能 自 由 伸
长， 为此压头的约束应力 σ应增大至 σ１＝σ０＋ｄσ１，
使试样产生 ｄｌ１ 的压缩变形， 以保持试样长度（ Ｌ０－
ｄｌ０） 不变 。由于 Ｔ１ 略高于 Ｔ０， 材 料 的 屈 服 极 限 σｓ
析。
２．２ 约束压应力的变化规律及分析 表 面 经 激 光 淬 火 的 ４０Ｃｒ 钢 与 未 经 处 理 的
ＱＣｒ０．５ 均加工成 #１５ ｍｍ×２５ ｍｍ 试样， 在经改装 的 ＷＪ－１０Ａ 万能试验机上进行试验［２］， 加热用 ３ ｋＷ
电阻炉， 控温 精度为±２℃。试 验方法为 ： 将 ４０Ｃｒ
时间 ｔ
后的升温 、保 温 过 程 图 ２ 有约束时试样长度的变化
中一直保持不变。卸
载后试样发生弹性恢复， 然后开始冷却收缩， 至室
温时长度缩短为 Ｌ０＇， 最终产生了 %Ｌ＝ Ｌ０－ Ｌ０＇ 的等 效压缩变形量。与试样变形相比， 对 ＥＰＣＤ 有重
要影响的约束压应力在此过程中的变化则较为复
杂， 为探讨其变化规律， 本文进行了以下试验及分
冷却（试样表 层、心部无温 差）过 程 中 产 生 的 压 缩 塑性应变 εｐ＝εｔ－ εｅ－ εｓ， 其中 εｓ 为对应于屈服极限 σｓ 的弹性应变， 并用图 ４ 表示了各类应变及约束 压应力随时间的变化， 图中 ０～ｔ２ 为加热， ｔ２ 时刻 解除约束随后开始冷却。在加热过程中由于试样 受 约 束 ， εｅ 始 终 为 零 ， 故 εｐ＝εｔ － εｓ， 且 在 ｔ２ 时 刻 εｐ 达最大值； 解除约束时， 弹性压缩应变恢复， 在随 后的冷却过程中， 试样自由缩短， 至室温时产生了 大小等于 εｐｍａｘ 塑性压缩应变。应力的变化 为： 在 ０～ｔ１ 区 间 ， 试 样 受 热 伸 长 使 约 束 压 力 增 大 ， 在 ｔ１ 时 刻 试 样 所 受 应 力 达 到 σｓ 开 始 产 生 塑 性 变 形 ， ｔ１～ｔ２ 塑性变形逐渐增大， 而约束应力保持不变。 解除约束时， 约束应力随着弹性压缩应变 εｓ 逐渐 减少而最终降为零。
１ 固态焊接中的等效压缩变形
表面经激光预处理的 ４０Ｃｒ 与 ＱＣｒ０．５ 的固态
焊接的工艺过程如图 １ 所示， 将预处理后的 ４０Ｃｒ
与 ＱＣｒ０．５ 的待焊面对接， 施加预压应力 σ０ 后， 焊
件被约束 在上下压 头之间（ 间距 为 Ｌ） ， 然 后 对 焊
件进行加热、保温后取出冷却。在该工艺的升温、
收稿日期： ２００６－０１－２９ 基金项目： 省部共建有色金属新材料国家重点实验室基金项目（２００３） 作者简介： 韩彩霞（１９７１ －）， 女 ，河南新安 人，工程师 ， 工学硕士 ；
电话： １３００１６５２９７１； Ｅ－ ｍａｉｌ： ｃｈｅｎ＿ａｎｍｉｎ＠１６３．ｃｏｍ
重要的作用。因此， 有必要对此种压缩变形现象及 其规律进行研究。
Ｌ０， 不会留下宏观塑性变形， 即 !Ｌ＝ ０。若室温下
长度 Ｌ０ 的试样两端在 σ０ 作用下被约束在图 １ 所
示的上下压头之间， 且 σ０ 远小于试样材料的室温
屈服极限 σｓ０， 则试样将产生 ｄｌ０ 的弹性压缩变形
使其长度为 Ｌ０－ ｄｌ０， ｄｌ０ 的大小与施加的预压 应力
σ０（ 亦可称约束应力） 成正比。此时若对试样开始