内应力及其产生原因华侨大学

内应力及其产生原因
华侨大学
内应力及其产生原因






概念：所谓内应力是指在没有外力的条件下平衡与物体内部的 应力。在各种类型的工程结构中，内应力是普遍存在的。 内应力按分布范围的不同可以分为三类： 第一类内应力，又称为宏观内应力，其平衡范围很大，可以和 物体的尺度相比较； 第二类内应力，又称为微观内应力，其平衡范围比前者要小得 多，仅相当于晶粒的尺度； 第三类内应力，又称为超微观内应力，其平衡范围更小，其大 小可与晶格尺度来比量。 从焊接所导致的结构内应力来看，所涉及的主要是第一类内应 力，即宏观内应力。
内应力及其产生原因

如果材料在受热过程中发生相变，并且相变造成材料的比体积 发生变化，因而也会造成体积变化，即产生变形。这种相变所 带来的体积变化会产生新的内应力，这种内应力即为相变应力。 当温度恢复到初始的均匀状态后，如果相变产物仍然保留，则 相变应力也将保留，并形成残余应力，即相变残余应力。
Leabharlann Baidu
图2-1 加热和冷却产生内应力的实验装置及温 度应力曲线
内应力及其产生原因

如果钢棒受热产生的热应力的大小低于材料的屈服强生塑性变 形，则冷却后热应力将随之消失。如果钢棒受热使其温度超过 250℃，此时产生的热应力就会超过钢棒材料的屈服强度，钢 棒就开始产生压缩塑性变形。随后加热温度继续升高，压缩 塑性变形量会不断增加，而材料的屈服强度会不断降低，因而 钢棒内的压应力也会不断减小。当钢棒温度达到750℃时，由 于材料的屈服强度下降为零，所以热应力也降为零，在此升温 过程中的应力变化曲线如图 2-1b中的曲线Ⅰ所示，此时热膨 胀量全部转变为钢棒的压缩塑性变形。随后使钢棒降温，则钢 棒的冷却收缩同样受到刚性台的制约，因而产生拉伸塑性变形 并产生拉应力，降温时的应力变化曲线如图 2-1b 中的曲线Ⅱ 所示。而此时刚性台则受到压应力的作用，这样在系统中又形 成了新的内应力，此应力是在温度均匀后残存在杆件中的，因 此称之为残余应力。
内应力及其产生原因


“热胀冷缩”是自然界中普遍存在的一种物理现象。物体受热 后会膨胀，冷却后会收缩，也就是说，温度的变化会使物体产 生变形。如果物体的这种“胀”、“缩”变形是自由的，即变 形不受约束，则说明变形是温度。如果这种变形受到约束，就 会在物体内部产生应力，这种应力称为温度应力或热应力。 热应力是由于构件不均匀受热所引起的。如图 2-1a 所示，将 ωc=0.04% 的钢棒固定在刚性台上，如果加热钢棒使其受热 膨胀，由于钢棒受到刚性台的制约，膨胀不能自由进行，此时， 钢棒就受到压应力，而刚性台就受到拉应力。这种应力是在没 有外力作用的情况下出现的，并且拉应力和压应力在系统内部 平衡，就构成了内应力。此内应力的产生是由于不均匀加热造 成的，因而是热应力。