残余应力的成因及分布规律

残余应力的成因及分布规律

残余应力是构件还未承受荷载而早已存在于构件截面上的初应力。产生残余应力的主要原因是由外界条件引起了不均匀的塑性变形，有两种常见情况导致不均匀塑性变形：一是非均匀温度场的高温热循环作用，如焊接后未作特殊处理或采取火焰切割下料等；二是钢材的冷加工，冷加工会使构件产生不均匀塑性变形，因而产生残余应力。残余应力的大小、分布与截面几何形状、几何尺寸、构件制造方法和加工过程等密切相关。残余应力的分布特点是截面上的应力满足静力平衡条件。

图3-8所示为几种工字形截面沿构件纵向的残余应力分布，图中压应力为负值，拉应力为正值。图3-8(a)为轧制普通工字钢，这种截面的腹板厚度远小于其冀缘厚度。热轧后腹板中间部位先冷却，翼缘后冷却，又由于翼缘宽度较窄，因而在冷却过程中翼缘的收缩受到比其先冷却的腹板部分的约束而在翼缘中产生残余拉应力，在先冷却的腹板部分产生残余压应力。图3-8(b)为轧制H型钢，其翼缘宽度较大，热轧后冷却过程中，翼缘两端由于其暴露于空气中的面积较翼缘与腹板交接部分为多而冷却较快，腹板中间部位则因厚度较薄而冷却较快，翼缘与腹板交接部位冷却收缩变形受到较其先冷却部分的约束而出现残余拉应力，先冷却部分则出现残余压应力。图3-8(c)为翼缘为轧制边的焊接工字形截面，焊接处由于热量的高度集中，冷却后焊缝附近的腹板和翼缘板上均产生残余拉应力。冀缘板两端与腹板中间部分则为残余压应力。图3-8(d)为翼缘是火焰切割边的工字形截面，翼缘钢板两端有残余拉应力，而中间部分为残余压应力。用这种钢板制作翼缘板的焊接工字形截面在焊缝冷却后，翼缘板中将产生相反的残余应力。