焊接应力与变形产生的机理
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自由变形率：
T 1
LT 1
(a) L0 (b) L1 LT1
T0
T1 无阻碍
L0
(T1 T0 )
(c) Le L1 (d)
T1 有阻碍
T2 无阻碍
(2) 外观变形
当金属物在温度变化过程中受到阻碍，不能完全的
自由变形，把能表现出来的这部分变形，称为外观变形 外观变形量：△Le
力。
组织应力：由于接头金属组织转变时提及变化 受阻。
(1)温度应力
温度应力：由于构件受热不均匀引起的内应力。 产生条件：受热不均匀 温度均匀结果：应力残留或消失(如
果温度应力不高，即低于材料的屈服
极限， T s ，亦即温度应力在弹性 范围内时，在框架中不产生塑性变形， 当框架的温度均匀化后，热应力随之 消失)。 举例：框架结构的温度应力平衡特点
L p Le LT 2 Ls
T2 无阻碍
L'T 2 L0 (T0 T2 )
T2 有阻碍
(e) Le (f) L'0 L'p 1 2 L'2 Ls Lp L2
L0 (T2 T0 ) LT 2
T0பைடு நூலகம்L'T2
L p L p
这两个公式一定要牢记！
• 以上情况是内部变形率的绝对值小于金属屈服 时的变形率，即 或，L1 Ls ， 则杆件 中的压应力 1 s 。当杆件温度从T1恢复到T0 时，杆件将恢复到原来长度L0，也不存在任何 形式的应力。
1 s
若温度继续升高，杆件中由于阻碍而产生的内
则有 σ＝ σs
二. 焊接应力和残余应力
材料力学中，当物体在外力作用下处于平衡 状态时，可以说该物体处于受力平衡状态。 内应力定义： 没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。
1.应力的分类（1）
1）按应力的分布范围
宏观应力：在整个焊接范围平衡的应力
微观应力：在晶粒范围内相互平衡的应力 超微观应力：在晶格范围平衡的应力 2）按结构中的空间位置 单向应力：应力沿构件的一个方向作用 双向应力：应力沿构件的两个方向作用 三向应力：应力沿构件的三个方向作用
• 系统平衡
合力等于零，即ΣF = 0； 合力矩等于零，即ΣM = 0
p
应变
s
1. 自由变形、外观变形和内部变形 (1)自由变形
当金属物体温度发生变化，或发生了相变，其尺寸
和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的阻
碍而自由的进行。 自由变形量：
LT 1 L0(T1 T0 )
(a) L0
T0
外观变形率：
(b) L1 LT1
T1 无阻碍
e
Le
(c) Le L1 (d) L2 LT2
L0
(e)
T1 有阻碍
T2 无阻碍
T2 有阻碍
(3) 内部变形
当金属物在温度变化过程中受到阻碍，把未表现出
来的那部分变形，称为内部变形。 内部变形量：
(a)
L1 (LT 1 Le )
(b)
L0
T0
T1 无阻碍 L1 LT1 T1 有阻碍 Le L1 T2 无阻碍 L2 LT2 T2 有阻碍 Le Ls Lp
内部变形率：
1
L1
L0
（LT 1 Le )
L0
(T 1 e )
(d)
(c)
(e)
三种变形的分析结论：
外观变形在数值上等于自由变形与内部 变形的代数和。 它的应变表达式为： εe ＝ ε T ＋ε 它的等价形式为： ε ＝ εe － ε T
'p p e T s
综上可知，压缩塑性变形会使得金属材料 在环境载荷消失后收缩变短，收缩变形量约等 于压缩而产生的压缩塑性变形量。同理可知， 拉伸塑性变形也将会使得金属材料在环境载荷 消失后延伸变长，伸长变形量约等于已产生的
拉伸塑性变形量。
• 提示：小试件均匀加热过程的变形一旦受到拘 束—等效于外力作用，就会产生内部变形，同样 会产生应力。 • 计算方法： 在弹性范围内 σ＝ E · ε ＝ E（ εe － ε T ） 超出弹性范围
金属框架的温度应力与残余应力
加热－膨胀－受拘束－产生温度应力（压应力）＋压缩屈服变形
冷却－收宿－受拘束－产生残余应力（拉应力）＋拉伸屈服变形
(3)相变应力 相变应力： 材料在凝固冷却过程
中，由于组织转变，带来
体积尺寸变化，产生的应
P M P
力。
产生原因：
组织转变
三.温度场作用下的应力和变形
金属在焊接过程中，其物理性能和力学性能都
会发生复杂的变化，为了分析问题方便，对金
属材料焊接应力与变形作以下假定：
◇平截面假定：假定构件在焊前所取的截面，
1.应力的分类（2）
3）按应力与焊缝的相对位置 纵向应力：应力作用方向与焊缝平行 横向应力：应力作用方向与焊缝垂直 4）按应力产生、作用的时间
瞬时应力：焊接过程出现的应力
残余应力：焊后留下的应力
1.应力的分类（3）
5）根据应力形成原因 温度应力：由于焊件不均匀加热引起的应力。 拘束应力：由于焊件热变形收到拘束引起的应
(2)残余应力 • 残余应力：温度恢复到原始状 态均匀后残存在物体内部的应 力。 • 产生原因：不均匀加热 • 产生条件：局部区域产生塑性 变形或相变 • 举例：金属框架
因此：①任何原因引起的伸长变形受阻时，则该伸长部 分受压应力，阻碍构件伸长的其它部分则受拉应力。 ②任何原因引起的收缩变形受阻时，则收缩部分受拉应 力，而阻碍收缩的构件的其它部分则受压应力。
焊接应力与变形产生的机理
焊接培训教材
张明录
目录
一 二 三 四
焊接应力与变形的概念 焊接应力和残余应力
温度场作用下的应力和变形 焊接引起的变形和应力
一.焊接应力与变形的概念
• 材料的热胀冷缩
L L L0 L0 (T T0 ) L0 T
• 材料的应力应变曲线
应 力 b a d c 压缩 e f 拉伸
部变形量大于金属屈服时的变形量。
即： L2 LT 2 Le Ls
则在这种情况下该如何？
(a) L0 (b) L1 LT1
T0
LT 2 L0(T2 T0 )
L2 LT 2 Le Ls
T1 无阻碍
(c) Le L1 (d) L2 LT2
T1 有阻碍
T 1
LT 1
(a) L0 (b) L1 LT1
T0
T1 无阻碍
L0
(T1 T0 )
(c) Le L1 (d)
T1 有阻碍
T2 无阻碍
(2) 外观变形
当金属物在温度变化过程中受到阻碍，不能完全的
自由变形，把能表现出来的这部分变形，称为外观变形 外观变形量：△Le
力。
组织应力：由于接头金属组织转变时提及变化 受阻。
(1)温度应力
温度应力：由于构件受热不均匀引起的内应力。 产生条件：受热不均匀 温度均匀结果：应力残留或消失(如
果温度应力不高，即低于材料的屈服
极限， T s ，亦即温度应力在弹性 范围内时，在框架中不产生塑性变形， 当框架的温度均匀化后，热应力随之 消失)。 举例：框架结构的温度应力平衡特点
L p Le LT 2 Ls
T2 无阻碍
L'T 2 L0 (T0 T2 )
T2 有阻碍
(e) Le (f) L'0 L'p 1 2 L'2 Ls Lp L2
L0 (T2 T0 ) LT 2
T0பைடு நூலகம்L'T2
L p L p
这两个公式一定要牢记！
• 以上情况是内部变形率的绝对值小于金属屈服 时的变形率，即 或，L1 Ls ， 则杆件 中的压应力 1 s 。当杆件温度从T1恢复到T0 时，杆件将恢复到原来长度L0，也不存在任何 形式的应力。
1 s
若温度继续升高，杆件中由于阻碍而产生的内
则有 σ＝ σs
二. 焊接应力和残余应力
材料力学中，当物体在外力作用下处于平衡 状态时，可以说该物体处于受力平衡状态。 内应力定义： 没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。
1.应力的分类（1）
1）按应力的分布范围
宏观应力：在整个焊接范围平衡的应力
微观应力：在晶粒范围内相互平衡的应力 超微观应力：在晶格范围平衡的应力 2）按结构中的空间位置 单向应力：应力沿构件的一个方向作用 双向应力：应力沿构件的两个方向作用 三向应力：应力沿构件的三个方向作用
• 系统平衡
合力等于零，即ΣF = 0； 合力矩等于零，即ΣM = 0
p
应变
s
1. 自由变形、外观变形和内部变形 (1)自由变形
当金属物体温度发生变化，或发生了相变，其尺寸
和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的阻
碍而自由的进行。 自由变形量：
LT 1 L0(T1 T0 )
(a) L0
T0
外观变形率：
(b) L1 LT1
T1 无阻碍
e
Le
(c) Le L1 (d) L2 LT2
L0
(e)
T1 有阻碍
T2 无阻碍
T2 有阻碍
(3) 内部变形
当金属物在温度变化过程中受到阻碍，把未表现出
来的那部分变形，称为内部变形。 内部变形量：
(a)
L1 (LT 1 Le )
(b)
L0
T0
T1 无阻碍 L1 LT1 T1 有阻碍 Le L1 T2 无阻碍 L2 LT2 T2 有阻碍 Le Ls Lp
内部变形率：
1
L1
L0
（LT 1 Le )
L0
(T 1 e )
(d)
(c)
(e)
三种变形的分析结论：
外观变形在数值上等于自由变形与内部 变形的代数和。 它的应变表达式为： εe ＝ ε T ＋ε 它的等价形式为： ε ＝ εe － ε T
'p p e T s
综上可知，压缩塑性变形会使得金属材料 在环境载荷消失后收缩变短，收缩变形量约等 于压缩而产生的压缩塑性变形量。同理可知， 拉伸塑性变形也将会使得金属材料在环境载荷 消失后延伸变长，伸长变形量约等于已产生的
拉伸塑性变形量。
• 提示：小试件均匀加热过程的变形一旦受到拘 束—等效于外力作用，就会产生内部变形，同样 会产生应力。 • 计算方法： 在弹性范围内 σ＝ E · ε ＝ E（ εe － ε T ） 超出弹性范围
金属框架的温度应力与残余应力
加热－膨胀－受拘束－产生温度应力（压应力）＋压缩屈服变形
冷却－收宿－受拘束－产生残余应力（拉应力）＋拉伸屈服变形
(3)相变应力 相变应力： 材料在凝固冷却过程
中，由于组织转变，带来
体积尺寸变化，产生的应
P M P
力。
产生原因：
组织转变
三.温度场作用下的应力和变形
金属在焊接过程中，其物理性能和力学性能都
会发生复杂的变化，为了分析问题方便，对金
属材料焊接应力与变形作以下假定：
◇平截面假定：假定构件在焊前所取的截面，
1.应力的分类（2）
3）按应力与焊缝的相对位置 纵向应力：应力作用方向与焊缝平行 横向应力：应力作用方向与焊缝垂直 4）按应力产生、作用的时间
瞬时应力：焊接过程出现的应力
残余应力：焊后留下的应力
1.应力的分类（3）
5）根据应力形成原因 温度应力：由于焊件不均匀加热引起的应力。 拘束应力：由于焊件热变形收到拘束引起的应
(2)残余应力 • 残余应力：温度恢复到原始状 态均匀后残存在物体内部的应 力。 • 产生原因：不均匀加热 • 产生条件：局部区域产生塑性 变形或相变 • 举例：金属框架
因此：①任何原因引起的伸长变形受阻时，则该伸长部 分受压应力，阻碍构件伸长的其它部分则受拉应力。 ②任何原因引起的收缩变形受阻时，则收缩部分受拉应 力，而阻碍收缩的构件的其它部分则受压应力。
焊接应力与变形产生的机理
焊接培训教材
张明录
目录
一 二 三 四
焊接应力与变形的概念 焊接应力和残余应力
温度场作用下的应力和变形 焊接引起的变形和应力
一.焊接应力与变形的概念
• 材料的热胀冷缩
L L L0 L0 (T T0 ) L0 T
• 材料的应力应变曲线
应 力 b a d c 压缩 e f 拉伸
部变形量大于金属屈服时的变形量。
即： L2 LT 2 Le Ls
则在这种情况下该如何？
(a) L0 (b) L1 LT1
T0
LT 2 L0(T2 T0 )
L2 LT 2 Le Ls
T1 无阻碍
(c) Le L1 (d) L2 LT2
T1 有阻碍