材料成形基本原理第2版课件作者刘全坤主编第十一章节第四节应力与变形.ppt

第四节 应力与应变 加热 与冷却 一、应力 二、变形 一、 应 力 （一）应力的形成 （二）热应力的产生与分布 （三）控制应力的措施 （一）应力的形成 温度 变化 （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 例4、异种钢管对接 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 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的阻碍而不能自由进行，故中心杆件受压缩作用，产生压应力； 两侧杆件在阻碍中心杆伸长的同时，受到了中心杆的反作用，产生拉应力。 拉应力与压应力在框架中互相平衡。 以低碳钢板条中心堆焊为例，讨论焊接加热与冷却过程中沿焊缝纵向的焊接瞬时热应力与焊接残余应力分布情况。 例4、异种钢管对接焊 珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢钢管的对接焊，采用镍基焊丝钨极氩弧焊。用Ansys有限元计算软件，模拟出焊接温度场、应力场的动态变化：动态焊接温度场 （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 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。 2．合理选择工艺 在焊接中，尽量采用较小的线能量（如采用小直径焊条和较低的焊接电流），以减小焊件的受热范围。采用合理的装焊顺序，尽可能使焊缝能自由收缩，收缩量大的焊缝应先焊。此外，采取预热措施可降低工件中的温度梯度，从而减小焊接应力。 3．消应力处理 （1）热处理法 整体或局部加热（Ac1温度以下）并保温一段时间，利用蠕变产生的塑性变形使应力消除，再缓慢冷却。 （2）加载法 对于压力容器、船体结构，利用加载所产生的拉伸应力与焊接应力叠加，使拉应力区（焊缝及近缝区）的应力值达到屈服强度，迫使材料发生塑性变形，卸载后构件内的应力得以完全或部分消除。 二、变形 （一）焊接变形的种类 （二）控制变形的措施 （一）焊接变形的种类 板材对接焊件的变形 （1）中、厚板的纵向与横向收缩变形 （2）薄板的波浪失稳变形 焊接 工 字梁的扭曲变形 焊接梁的弯曲变形、T型梁的角变形 （二）控制变形的措施 1．结构设计方面 合理地选择焊缝的尺寸和形式 2．工艺方面 （1）反变形法 （2）刚性固定法 （3）采用合理的工艺 （4）焊接变形的矫正 低应力无变形焊接技术 1-水冷垫 2-加热器 3－夹具 尚辅网 / 合肥工业大学材料科学与工程学院制作 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》 受拘束 瞬时应力与应变 完全冷却后 残余应力与变形 热膨胀 或收缩 热应力（自身拘束） 机械阻碍应力 （外部拘束） 固态相变 （伴随比容变化） 受阻 受阻 相变应力 框形铸件中的动态应力分析 在高于弹性转变温度的阶段，两杆均处于塑性状态，两杆冷却速度虽然不同，收缩也不一致，但该过程中的应力均可通过塑性变形释放。 继续冷却，冷却较快的细杆杆已进入弹性状态，而粗杆仍处于塑性状态。由于细杆受拉伸，粗杆受压缩，形成临时内应力，该应力随之会由于粗杆的微量塑性变形而消失。 冷却到更低温度，已被压短的粗杆也处于弹性状态，此时，尽管两杆长度相同，但所处的温度不同。粗杆的温度较高，还会进行较大的收缩；细杆的温度较低，收缩较小，粗杆的收缩受到细杆的阻碍，故细杆受压缩，粗杆受拉伸，至室 温形成残余应力。 中心近轴线部位受拉 外部近圆周部位受压 ⊕ ⊕ 一 金属框架加热过程中的应力 如果加热温度不高，加热过程中的应力值始终低于材料的屈服极限，则框架内不会产生塑性变形，当框架的温度均匀化后，热应力随之消失。 如果加热产生的应力超过材料的屈服极限，则中心杆件将产生压缩塑性变形；当框架温度下降时，若中心杆件能自由收缩，则其长度理应比原来短，其缩短量就是压缩塑性变形量。 但实际上，框架两侧的杆件阻碍着中心杆件的收缩，从而使中心杆件受到拉应力的作用，而两侧杆件受到压应力的作用。这样在冷却后的框架中就形成了与加热过程相反的残余应力场。 金属框架冷却后的残余应力 ⊕ ⊕ 一 ? ? ⊕ 焊缝纵向 焊缝横向 加热过程中的焊接纵向应力 焊后残余应力 焊缝及HAZ受拉 加热过程 冷却过程 加热过程中 冷却