材料成形原理第3版 吴树森材料成形原理(第3版)第9章
49页1、第九章 焊接缺陷的产生机理及防止措施,主编:吴树森,柳玉起 (华中科技大学材料学院),机械工业出版社,-1 内应力,1、内应力的形成 (1)热应力(thermal stress) 不均匀加热冷却过程产生的应力称为热应力。 (因材料的弹-塑性) 杆中心加热,产生内应力(瞬时应力) 当加热变形在弹性范围内,冷却后,残余应力=0 当加热变形超过弹性范围外(塑性),冷却后,残余应变,残余应力,加热时,焊件内应力 在不均匀温度场的作用下,被加热到较高温度的区域的金属受到压缩应力,当此应力达到材料在该温度下的屈服限时,局部区域内受到压缩塑性变形,由于塑性变形不可逆,此区域的材料在冷却之后即产生收缩,而周围未受热的金属会限制它的收缩,于是在压缩塑性变形的区域内产生拉应力,而周围区域产生压应力。这种内部应力在温度均匀后残存在物体内部,固称为残余应力。 残余应力是在没有外力的条件下,平衡于内部的应力。 由焊接引起的残余应力称为焊接残余应力。,板中心堆焊焊接残余应力形成,相变应力(transformation stress),固态相变金属因各区域发生相变的类型不同、时间不同或程度不同,由于不同相组织的比容
2、不同而导致的内应力。 低碳钢 合金钢,2.焊接残余应力的分布 纵向残余应力分布,板边堆焊焊接残余应力形成,3.减少焊接残余应力的措施 工艺措施、 结构设计,残余应力的消除 热处理、机械振动法、机械加载,机械拉伸法,-2.焊接变形,残余应力的存在必然导致原工件形状的少量改变,也称为残余变形(工件冷却下来后遗留一下来的变形)。 整体变形 局部变形,纵向横向收缩变形,挠曲变形,角变形,波浪变形(失稳变形),影响因素及防止措施,影响因素: 材料热物理性能:膨胀系数、导热性 工艺因素:焊接热输入、焊接顺序 防止方法: 结构设计; 工艺:反变形、刚性固定、预留收缩量、等,焊接变形的矫正(straightening),机械矫正 火焰矫正,-3 裂纹,裂纹是一种可能造成制造产品或结构失效的突发性破坏的材料缺陷,往往是一种最危险而又常见的缺陷。 种类:按形成机理分。主要有热、冷、再热(reheat)、应力腐蚀(stress-corrosion)裂纹和层状撕裂(lamellar tearing),焊接热裂纹(hot cracking) 主要指凝固裂纹(solidification cracking) 焊接
3、热裂纹的形成原因: 焊接热裂纹是一种高温沿晶断裂而形成的裂纹。焊缝凝固过程中,在枝晶间存在低熔共晶的薄层,此时材料的塑性变形能力很低,在冷却过程中不可避免的产生收缩应变,当收缩应变大于材料此时的塑性应变的能力时,即产生焊接热裂纹。 焊缝在凝固过程中所出现的晶间塑性应变能力的应变区间叫做脆性温度区,不同材料有不同的脆性温度区,温度区越大,产生热裂纹的危险性越大。,(1)特征,1)仅发生于WM或铸件中 2)一次结晶(原奥氏体)晶界分布的晶间裂纹 3)断口形貌(fracture appearance) a. 高温特征:液膜(liquid film)表面,液态分离时自由凝固表面特征,有时有氧化 b. 偏析特征 微区元素分析表明有S、P等富集,(2)形成机理,(3) 焊接热裂纹的影响因素 a.硫的偏析 b.焊缝的组织 c.焊缝冷却的速度 (层间温度、热输入量) d.焊缝的形状 (成形系数) e.拘束度,焊接冷裂纹 cold cracking,材料焊接冷却到室温附近产生的一种裂纹,它是焊接缺陷中最普遍而又极危险的一种。 主要讨论其中主要的一种:延迟裂纹(delayed cracking)或称之为氢
4、致裂纹(hydrogen-induced cracking, HIC),(1)冷裂纹的基本特征,1)产生冷裂纹的材料:中、高碳钢及合金钢、钛及钛合金,BCC材料有淬硬M相变材料。 其它FCC金属材料如Al、Ni、Cu、奥氏体钢一般没有。 2)产生部位:多数在HAZ粗晶区;也有少量在多层焊焊缝的中上部;易在焊趾(toe )和焊根(root );焊道下(under-bead ) 3)发生时间:具有延迟特性,焊后数分钟至数日后出现(危险性大!); 4)发生温度: TMs; 5)裂纹形貌:端部尖锐,断口无氧化、液膜特征;裂纹呈沿晶(intergranular)和穿晶(transgranular)混合扩展;,(2)形成机理,冷裂纹形成的三大因素:淬硬(M)组织 氢 拘束应力 前两项是冶金条件(内因),后一项是力学条件(外因)。,1)马氏体淬硬组织:,焊后冷却形成的M越多,M中含碳量越高,淬硬倾向越大,冷裂倾向越强。 a. M淬硬组织的脆性,尤其是其对氢脆的敏感性。 b. M组织高内应力条件:M硬度高,相变温度低,组织应力高 c. M淬硬组织缺陷多:晶格缺陷、位错,2)氢的作用,氢是导致冷裂纹特别
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