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》
加热过程中的焊接纵向应力
以低碳钢板条中心
堆焊为例，讨论焊接
焊缝纵向
加热与冷却过程中沿
焊缝横向
焊缝纵向的焊接瞬时 热应力与焊接残余应 力分布情况。
焊缝及 HAZ受拉 焊后残余应力
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一、应力 二、变形
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一、 应
（一）应力的形成
力
（二）热应力的产生与分布 （三）控制应力的措施
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3．消应力处理
（ ）振动法 , 当附 （3 1 ）热处理法 以振动的形式给工件施加附加应力 整体或局部加热（Ac1温度以下）并保温一 工件发生微观塑性变形 , 从而降低和均化工件内的残余应 （2）加载法 对于压力容器、船体结构，利用加载所产生的
例4、异种钢管对接
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冷却到更低温度，已被压短的粗杆也处于弹性状态，此 继续冷却，冷却较快的细杆杆已进入弹性状态， 在高于弹性转变温度的阶段，两杆均处于塑性 时，尽管两杆长度相同，但所处的温度不同。粗杆的温度 而粗杆仍处于塑性状态。由于细杆受拉伸，粗杆受 状态，两杆冷却速度虽然不同，收缩也不一致，
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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 浇注铸件时，应选择弹性模量和收缩系数小的材 径焊条和较低的焊接电流），以减小焊件的受热 料；提高铸型的预热温度可减小铸件各部分的温差； 范围。采用合理的装焊顺序，尽可能使焊缝能自 采用较细的面砂和涂料，减小铸件表面的摩擦力； 由收缩，收缩量大的焊缝应先焊。此外，采取预 控制铸型和型芯的紧实度，加木屑、焦炭等提高铸 热措施可降低工件中的温度梯度，从而减小焊接 型和型芯的退让性；控制铸件在型内的冷却时间， 应力。 避免过早或过迟打箱。
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加热过程中
加热 过程
冷却过程中
冷却 过程
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例4、异种钢管对接焊
珠光体耐热钢与奥
氏体不锈钢钢Baidu Nhomakorabea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
（一）应力的形成
热膨胀 或收缩
受阻
热应力（自身拘束） 机械阻 （外部拘束） 碍应力
受阻
温度 变化
固态相变
相变应力
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（伴随比容变化）
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（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
较高，还会进行较大的收缩；细杆的温度较低，收缩较小， 压缩，形成临时内应力，该应力随之会由于粗杆的 但该过程中的应力均可通过塑性变形释放。 粗杆的收缩受到细杆的阻碍，故细杆受压缩，粗杆受拉伸， 微量塑性变形而消失。 至室 温形成残余应力。
框形铸件中的动态应力分析
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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。
拉伸应力与焊接应力叠加，使拉应力区（焊缝及近缝区）的 力。
应力值达到屈服强度，迫使材料发生塑性变形，卸载后构件 （4 ）局部加压法 焊后利用外力（锤击、碾压或爆炸力） 内的应力得以完全或部分消除。 对焊缝及邻近部位施加压力，使之得到延展，以补偿或抵
段时间，利用蠕变产生的塑性变形使应力消除，再缓慢冷却。 加应力与残余应力叠加后 , 达到或超过材料的屈服极限时,
场、应力场的动态变
化：动态焊接温度场
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（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
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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
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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 但实际上，框架两侧的杆件 如果加热产生的应力超过 如果加热温度不高，加热 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 阻碍着中心杆件的收缩，从 材料的屈服极限，则中心杆 过程中的应力值始终低于 的阻碍而不能自由进行，故中心杆 而使中心杆件受到拉应力的 件受压缩作用，产生压应力； 件将产生压缩塑性变形；当 ㊀ ⊕ 材料的屈服极限，则框架 Ɵ 两侧杆件在阻碍中心杆伸长的同 Ɵ ⊕ ⊕ ⊕ 作用，而两侧杆件受到压应 框架温度下降时，若中心杆 时，受到了中心杆的反作用，产生 内不会产生塑性变形，当 拉应力。 件能自由收缩，则其长度理 力的作用。这样在冷却后的 拉应力与压应力在框架中互相平衡。 框架的温度均匀化后，热 应比原来短，其缩短量就是 框架中就形成了与加热过程 应力随之消失。 压缩塑性变形量。 金属框架冷却后的残余应力 金属框架加热过程中的应力 相反的残余应力场。