残余应力

（3）塑性变形产生的必要条件是切应力的存在：材料在单轴应力的作 max 用下， / 2 最大切应力，在三轴等值拉应力(x y z )作 max 用下，切应力 0 ，在这种情况下就不可能产生塑性变形， 因此三轴拉伸内应力将阻碍塑性变形的产生，对承载能力不利。
（二）内应力对疲劳强度的影响（见第五章） （三）内应力对机械加工精度的影响 机械切削加工把一部分材料从工件上切去，如果工件中存在 着内应力，那么把一部分材料切去的同时，把原先在那里的内应 力也一起去掉，从而破坏了原来工件中内应力的平衡使工件产生 变形。加工精度也就受到了影响。 例1：如在焊接丁字形零件上(见图2—121a）加工一个平面，会 引起工件的挠曲变形。但这种变形由于工件在加工过程中受到夹 持，不能充分地表现出来，只有在加工完毕后松开夹具时变形才 能充分地表现出来。这样，它就破坏了己加工平面的精度。 例2：焊接齿轮箱的轴孔(见图2—121b)，加工第二个轴孔所引起 的变形将影响第一个已加工过的轴孔的精度。 保证加工精度的最彻底的办法是先消除焊接内应力然后再进行机 械加工。
2、圆筒上环形焊缝引起的纵向应力σx分布：与平板不同。 (对圆筒来讲就是切向应力) （1）当圆筒直径与厚度之比较大时, σx的分布和平扳上的情况 相似，见图2—100。 对低碳钢来说σx达到σs （2）当圆筒直径与厚度之比较小时，就有所降低。 原因:由于圆筒环焊缝的半径在焊后缩小，焊缝在长度上的收缩 比平板上的焊缝具有更大的自由度。因此纵向应力比平板小。 应力值的大小取决于圆筒的半径R、壁厚以及塑性变形区的宽度 bp。后者与焊接线能量和材质有关。 当壁厚不变，R↓-- σx ↓； bp ↓ -- σx ↑（？）
（二）横向应力σy 垂直于焊缝的横向应力的分布情况比较复杂。 σy：一个是由于焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩所引起的σy/ 另一个是由焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩的不同时性所引 起的 σy平板条对接起来的构件，其纵向应力的分布是焊缝及其附近的 塑性变形区为拉应力，两侧为压应力。（图2—102 a）
二、焊接残余应力的影响 静载强度，疲劳强度，加工精度，杆件的稳定性，刚度，应力腐蚀开裂 （一）内应力对静载强度的影响 （1）如果材料具有足够的塑性，当应力的峰值达到σs ，该区域中的 应力就不再增加，而产生塑性变形。其余区域应力未达到σs
则随着外力的增加应力还继续增加，整个截面上的应力逐渐均匀 化，直到构件截面上的全部应力都达到，应力就全面均匀化了。
③直通焊的尾部是拉应力，中段是压应力，起焊段由于必须满足平衡条件的 原因仍为拉应力，应力分布情况与图2—l04a相似 ④用分段退焊和分段跳焊法。σy/ /的分布将出现多次交替的拉应力和压应力 区。值得注意的是分段跳焊法的σy/ /峰值较其他焊接顺序高。
（3）σy=σy/ +σy/
/
横向应力在与焊缝平行的各截而上的分布大体与焊缝截面上相似，但是离开 焊缝的距离越大，应力仅就越低到边缘上σy＝0，离开焊缝σy就迅速衰减。 （图2—106）
只要材料有足够的延性，能进行塑性变形，内应力的存在并不影 响构件的承载能力。也就是说对强度没有影响。图2-118 （2）脆性材料由于材料不能进行塑性变形，随着外力的增加，在构件 上不可能产生应力均匀化，应力峰值不断增加，一直到达材料的 强度极限σb，发生局部破坏，而最后导致整个构件断裂。
图2—119。
(四)在拘束状态下焊接的内应力：反作用内应力
1、 图2-110金属框架，它的中心构件上有一条对接焊缝，这 条焊缝的横向收缩受到框架的限制，在框架中心部分引起拉应 力σf，这种应力并不在该截面中平衡，而平衡于整个框架截 面上，这种应力称为反作用内应力。除此以外，这条焊缝还引 起与自由状态下焊接相似的横向内应力σy 。焊接接头的实际 横向内应力应该是这两项内应力的综合。 2、如果框架中心构件上的焊缝是纵向的（图2-111），则由焊 缝引起的纵向收缩受到限制，将产生纵向反作用内应力σf ； 与此同时，焊缝还将引起纵向应力σx ，最终的纵向内应力将 是两者的综合。当然这种综合不是简单的叠加，因为最大应力 受到屈服极限σs的限制。
（2）横向收缩不均匀引起的σy/
/
σy/ /的分布与焊接方向、分段方法以及焊接顺序有关。
①当从中间向两端焊时，中心部位先焊的先收缩，两端部分后焊，后收缩， 则两端焊缝的横向收缩受到中心部分的限制。因此，的分布是中心部分为压 应力，两瑞部分为拉应力(图2—104a)。
②从两端向中心部分焊接，较小中心部分为拉应力，两端部分为压应力(图 2—l04b)。
②如果沿焊缝中心将构件一分为二则两块板条都相当于一侧有一条焊缝， 它们将分别向外侧弯曲，如图2—l02b。必须在两端部分加上压力，中 心部分加上拉力，才能使两板条恢复到原来的位臵。
③焊缝上必然存在着两端部分为压应力，中心部分为拉应力的横向内 应力σy/ (图2—102b、c)。压应力的最大值比拉应力大得多。 ④焊缝长度对σy/的影响见图2—103。由图中可以看出，对长焊缝来 说，中心部分的拉应力将有所降低逐渐趋近于零。

(四)内应力对受压杆件稳定性的影响
内应力的存在使 cr ↓，杆件失稳。
(五)对刚度的影响 应力使刚度降低 (六)内应力对应力腐蚀开裂的影响 应力腐蚀开裂(简称应力腐蚀)是拉应力和腐蚀共同作用下产生裂纹的一种现 象。 例如低碳钢在NaoH溶液，NH4NO3溶液，干燥的NH3和H2S等介质中 18—8奥氏体钢在MgC12溶液和氯化物和水汽等介质中承受拉力可能出现裂纹 应力腐蚀过程的三个阶段: 第一阶段 局部腐蚀造成小腐蚀坑和其它形式的应力集中，以后又逐渐发展成 为微小裂纹 第二阶段 在腐蚀作用下，金属从裂纹尖端面不断地被腐蚀掉，而在应力作用 下又不断地产生新的表面，这些表面又进一步被腐蚀。这样在应力和腐蚀的 交替共同作用下裂纹逐渐扩展。 第三阶段 当裂纹扩展到一临界值，裂纹就在应力作用下以极快的速度扩展造 成脆性断裂。 ※最后这个阶段在有些结构上并不一定能发生，例如容器，当裂纹扩展到一 定程度容器就可能先发生泄漏，此时裂纹可能停止扩展。
（三）厚扳中的残余应力 大厚度的焊接结构中，厚度方向的应力才比较大，残余应力σx、σy、σz 1、厚度为240mm的低碳钢电渣焊缝内应力分布如图2—I07。 （1）σz是拉应力，从图中可以看出，在厚度中心部位，其数值可达180N／ mm2，其数值向表面逐渐下降到零。 σx, σy的数值亦以厚度中心为最 大，向两表面逐渐降低，在表面是压应力。 （2）σy的分布情况与电渣焊的工艺特征有密切关系。在电渣焊时，焊缝的正 面和背面装有铜冷却滑块。因此靠近焊缝表面冷却较快，而中心部位冷却 较慢。后者的收缩就受到周围金属的限制，因此中心部分为较高的拉应力 2、低碳钢多层焊接时，在厚度上的内应力。（80mm厚）（图2-108） σx、σy 分布，表面为较高的拉应力。 σz的数值较小，有可能为压应力，亦有可能为拉应力。 注意：横向应力的分布在对接焊缝的根部的数值极高，大大超过材料的σs 原因：多层焊时，每焊一层都使焊接接头产生一次角变形，在根部引起一次 拉伸塑性变形。多次塑性变形的积累，使这部分金属产生应变硬化，应力不 断上升，在严重的情况下，甚至可达金属的强度极限σb，导致焊缝根部开裂。 如果焊接接头的角变形受到阻碍，则有可能在根部产生压应力。
§2—3
一、焊接残余应力的分布
焊接残余应力
常规焊接结构中，δ＜15—20mm，厚度方向上的应 力很小，残余应力σx、 σy 。 大厚度的焊接结构中，厚度方向的应力才比较大， 残余应力σx 、 σy 、 σz 。
(—)纵向应力
在低碳钢结构中，焊缝及其附近区域中的纵向应力 是拉应力，数值一般达到材料的屈服极限。这点在前面 已经分析过，分析的对象是长板条和细长构件，现在进 一步研究σx沿整条焊缝上的分布。
(六)相变应力
当金属发生相变时，其比容将有一个突变。例如对碳钢来 说，当奥氏体转变为铁素体或马氏体时，其比容将增大。相反 方向的转变比容将减小。
1、加热时，低碳钢的相变温度在Ac1～Ac3之间。冷却时，相变 温度稍低。但在一般的焊接冷却速度下仍高于低碳钢的 Tp(600℃)。如果相变在金属的塑性温度Tp(即金属已经丧失弹 性，屈服极限为零时的温度)以上发生，则比容的改变并不影 响焊后残余应力的分布。图2—114a。 2、高强度钢在加热时的相变温度仍高于Tp，但在冷却时，相 变温度却远低于Tp (见图2—114b)，在这种情况下，相变将影 响残余应力的分布。 当奥氏体转变成马氏体时，比容增大，不但可能抵消焊接时的 部分压缩塑性变形，减少残余拉应力，甚至可能出现较大的压 应力。
结论：由于反作用应力是拉应力，且分布范围大，对结构的 影响较大在设计和施工时应注意采取措施消除或减少。
(五)封闭焊缝所引起的内应力 在容器、船舶等板壳结构中，经常会遇到如图2—112所示的焊 接接管、人孔接头和镶块之类的情况。 这些环绕着接管，镶块等的焊缝构成一个封闭回路，称之为封闭焊 缝。封闭焊缝是在较大拘束下焊接的，因此内应力比自由状态时大。 1、径向内应力σr（σy）为拉应力。图2-113 2、切向应力σθ（σx），在焊缝附近最大，为拉应力，由焊缝向 外侧逐渐降低为压应力，由焊缝向中心， σθ则到达一均匀值。 小结： （1）镶块直径d和圆盘外径D之比值d ／D 越小，拘束度越大，镶 块 中的内应力也越大。 （2）结构的刚度越大，拘束度越大，内应力也越大。 （当然，不仅应该考虑到整个结构的刚度，同时也要考虑镶入部件 本身的刚度。接管由于本身的刚度较小，其内应力一般比镶块的 小。）
1、平板对接的纵向应力分布 图2—97为中心有一条焊缝的长板条，在板条中段的分布σx情况是和前面的 分析一致的，但在长板条的两端，情况就不相同。 （1）端面O—O 自由边界，在它的表面没有应力， σx ＝0。 （2）截面I—I和II—II，其内应力的分布也不同于中段，焊缝上σx的小于σs 。 随着截面离开端面的距离的增加σx逐渐趋近于σs值，图中用垂直于板条平面 的距离来表示焊缝上σx的大小。 （3）在板条的端部存在一个内应力的过渡区，在这个过渡区域里，σx比较低， 越接近端面,σx越低，到端面处σx ＝0，在板条的中段有一个内应力的稳定 区。 （4）但当板条比较短时，就不存在稳定区，焊缝上的纵向应力σx小于σs，板 条越短，σx就越低 图2—98是不同焊缝长度(板条长度)时，焊缝上的分布情况。 图2—99焊缝长度与焊缝中σx的数值。 注：钛材焊缝中的纵向应力较低，一般仅为0.5～0.8(母材的屈服极限)。 铝材焊缝中的纵向应力亦较低，仅为0.6～0.8 原因：对钛来说，则与它的膨胀系数和弹性模数较低有关，两者的乘积a．E 仅为低碳钢的1／3左右。对铝来说，可能是由于它的导热系数较高的原因， 使热场的等温线接近于正圆形，与沿焊缝同时加热的模型相差悬殊，因而平 截面变形假设与实际出入较大。在焊接过程中材料受热膨胀，实际上受到的 限制比平截面假设时要小，因此压缩塑性变形降低，残余应力因而降低。
焊接应力不稳定： （1）低碳钢A3 室温存放时间↑--残余应力↓如果原始应力较小， 则降低 的百分比相应减少。随着存放温度↑，存放时间↑—应力降低的百分比↑。 （2）30CrMnSi，25CrMnSi，12Cr5Mo，20CrMnSiN1等高强度合金结构钢:在焊 后产生残余奥氏体。这种奥氏体在室温存放过程中不断转化为马氏体。内应 力因马氏体的膨胀而降低。其降低百分比远远超过低碳钢。 （3）35号钢和4Crl3等钢材:焊后在室温和稍高温度下存放发生内应力增加的 相反现象。这是焊后产生的淬火马氏体逐渐转化为回火马氏体过程中体积有 所缩小所引起的。 ※由于上述合金钢和中碳钢焊后产生不稳定组织，因此内应力不稳定，构件 的尺寸也不稳定。故为了保证构件的尺寸的高精度焊后必须进行热处理。低 碳钢焊后虽具有比较稳定的组织，尺寸稳定性相对来说比较高，但长期存放 中因蠕变和应力松弛，尺寸仍然有少量变化，因此对精度要求高的构件仍应 先做消除应力处理。然后再进行机械加工。