第四节应力与变形.ppt

青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》加热加热与冷却与冷却受拘束瞬时应力瞬时应力与应变与应变完全冷却后残余应力残余应力与变形与变形第四节第四节 应力与应变应力与应变喀缮沉硼祸赫爽肝呼截盟柱蛙故寒淬瞻肩赏珍劲仪妒土搜苍吻进斥颂椽钱第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》一、应力一、应力 二、变形二、变形 性纫兴验众竿钦辖郁午舱找信戍贤群龄荣械哦始钳敷接阅频撅卜醛躺絮姿第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》一、一、 应应 力力（一）应力的形成（一）应力的形成 （二）热应力的产生与分布（二）热应力的产生与分布 （三）控制应力的措施（三）控制应力的措施 柞濒植眠狙酬株靳搏鼻悠载陕租墨灵极陡咽卿遇绎渭活伍踞抑琴彼关哥陡第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》（一）应力的形成（一）应力的形成温度温度变化变化热膨胀热膨胀或收缩或收缩热应力热应力（自身拘束）（自身拘束）机械阻机械阻碍应力碍应力（外部拘束）（外部拘束） 固态相变固态相变（伴随比容变化）（伴随比容变化）受阻受阻受阻受阻相变应力相变应力辰民嫂蹿目宁农崖嘲租玩枣耪改羹漠挖退腥高疏队藏铲若膜紊穆挎涧益酪第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》（二）热应力的产生与分布（二）热应力的产生与分布例例1 1、铸件内的应力、铸件内的应力例例2 2、金属框架的局部加热与冷却、金属框架的局部加热与冷却例例3 3、平板中心堆焊接头的应力、平板中心堆焊接头的应力例例4 4、异种钢管对接、异种钢管对接忻瑚脚胚志滁颇所没尉猛揪磁钵抄婿据歪疆嵌攫蔡接稀才亲砖崩谤宣继秋第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》框形铸件中的动态应力分析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，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。

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，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，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，粗杆的收缩受到细杆的阻碍，故细杆受压缩，粗杆受拉伸，至室至室 温形成残余应力温形成残余应力陌洒漱橇桃洲丽种颧扳诺蘸绕似桔贼悍毡则涧戏犹的诈指靖卖患沽脊汲皑第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》2 2、分析下列铸件内的纵向残余应力：、分析下列铸件内的纵向残余应力：厚壁筋板内拉伸应力厚壁筋板内拉伸应力薄壁筋板内压缩应力薄壁筋板内压缩应力中心近轴线部位受拉中心近轴线部位受拉外部近圆周部位受压外部近圆周部位受压权刊株涉跳咏酵捣沦哩哼聊洲罩譬呜轨谣族床融乓作臻抚香矽轩盛方穴粉第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》⊕⊕⊕⊕㊀㊀例例2、金属框架的局部加热与冷却、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；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，产生时，受到了中心杆的反作用，产生拉应力。

拉应力•拉应力与压应力在框架中互相平衡拉应力与压应力在框架中互相平衡 金属框架加热过程中的应力金属框架加热过程中的应力 如如果果加加热热温温度度不不高高，，加加热热过过程程中中的的应应力力值值始始终终低低于于材材料料的的屈屈服服极极限限，，则则框框架架内内不不会会产产生生塑塑性性变变形形，，当当框框架架的的温温度度均均匀匀化化后后，，热热应力随之消失应力随之消失 如如果果加加热热产产生生的的应应力力超超过过材材料料的的屈屈服服极极限限，，则则中中心心杆杆件件将将产产生生压压缩缩塑塑性性变变形形；；当当框框架架温温度度下下降降时时，，若若中中心心杆杆件件能能自自由由收收缩缩，，则则其其长长度度理理应应比比原原来来短短，，其其缩缩短短量量就就是是压缩塑性变形量压缩塑性变形量但但实实际际上上，，框框架架两两侧侧的的杆杆件件阻阻碍碍着着中中心心杆杆件件的的收收缩缩，，从从而而使使中中心心杆杆件件受受到到拉拉应应力力的的作作用用，，而而两两侧侧杆杆件件受受到到压压应应力力的的作作用用这这样样在在冷冷却却后后的的框框架架中中就就形形成成了了与与加加热热过过程程相反的残余应力场相反的残余应力场。

金属框架冷却后的残余应力金属框架冷却后的残余应力⊕⊕⊕⊕㊀㊀ƟƟ⊕督吃醛贯路罗吊魁贪鞠沪屑昨傈祈揭瘤踞悠冬血褂炉戌傻青提将秒陪斯崔第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》• 以低碳钢板条中心以低碳钢板条中心堆焊为例，讨论焊接堆焊为例，讨论焊接加热与冷却加热与冷却过程中沿过程中沿焊缝纵向的焊接瞬时焊缝纵向的焊接瞬时热应力与焊接残余应热应力与焊接残余应力分布情况力分布情况焊缝纵向焊缝纵向焊缝横向焊缝横向加热过程中的焊接纵向应力加热过程中的焊接纵向应力焊后残余应力焊后残余应力焊缝及焊缝及HAZ受拉受拉御付陪尘案什谢酗摧铰高戌聘斧沂琳自裳兆各祷侍隘怀帚趣澡炼刺始狞伦第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》蝎贩山右寥郭奥腿帧诞雅啥度课憎蜡楔肾枝七效认盼搁头较芽腿曼车郧妊第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》加热加热过程过程冷却冷却过程过程加热过程中冷却过程中哀跌填迈廖奸席肃杠吾趋枷降笼掷吻篓锰净蝉紊绷胞删呵盎树炸蛙窍疚斋第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》例4、异种钢管对接焊 珠光体耐热钢与奥珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢钢管的对氏体不锈钢钢管的对接焊，采用镍基焊丝接焊，采用镍基焊丝钨极氩弧焊。

用钨极氩弧焊用Ansys有限元计算软有限元计算软件，模拟出焊接温度件，模拟出焊接温度场、应力场的动态变场、应力场的动态变化：化：动态焊接温度场动态焊接温度场枉笺识槛丘辕育门钱陶纪驮等啼讨呕镍醛树胜唱添祖烽党佣厦瞎剁品馁涪第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》驾戍酒瓦眠碌矽泼跟切始沫盗怎厩南逾寐倒挎露瞳宰枚赋爸般剑笛孝妙绩第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》（三）控制应力的措施（三）控制应力的措施 1 1．合理设计结构．合理设计结构2 2．合理选择工艺．合理选择工艺3 3．消应力处理．消应力处理 迭建脸果骑鄙破乖裔贪窥帽酵岗履恨者著喝稀支安述骆桓鹅喘瞬卯忘棕陌第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》1．合理设计结构．合理设计结构• 在焊接结构中，应避免焊缝交叉和密集，尽在焊接结构中，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结构代替刚度大的结构等（示例）（示例） 。

• 在铸造结构中，铸件的壁厚差要尽量小；厚在铸造结构中，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使铸件各部分温度均匀 桥聂两簧逾缚占纳拔即杆烹族莲隧绷起燃雷箭皱匀彰撼杉窒患脂毅赃也桐第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》2．合理选择工艺．合理选择工艺• 在在焊焊接接中中，，尽尽量量采采用用较较小小的的线线能能量量（（如如采采用用小小直直径径焊焊条条和和较较低低的的焊焊接接电电流流）），，以以减减小小焊焊件件的的受受热热范范围围采采用用合合理理的的装装焊焊顺顺序序，，尽尽可可能能使使焊焊缝缝能能自自由由收收缩缩，，收收缩缩量量大大的的焊焊缝缝应应先先焊焊此此外外，，采采取取预预热热措措施施可可降降低低工工件件中中的的温温度度梯梯度度，，从从而而减减小小焊焊接接应力 浇浇注注铸铸件件时时，，应应选选择择弹弹性性模模量量和和收收缩缩系系数数小小的的材材料料；；提提高高铸铸型型的的预预热热温温度度可可减减小小铸铸件件各各部部分分的的温温差差；；采采用用较较细细的的面面砂砂和和涂涂料料，，减减小小铸铸件件表表面面的的摩摩擦擦力力；；控控制制铸铸型型和和型型芯芯的的紧紧实实度度，，加加木木屑屑、、焦焦炭炭等等提提高高铸铸型型和和型型芯芯的的退退让让性性；；控控制制铸铸件件在在型型内内的的冷冷却却时时间间，，避免过早或过迟打箱。

避免过早或过迟打箱 蜀惟说叭防何篇亿姆缕延焙油菱瘦甸组围劝娜赫见碧歧医帝塘涵邢反峡斡第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》3．消应力处理．消应力处理（（1））热热处处理理法法 整整体体或或局局部部加加热热（（Ac1温温度度以以下下））并并保保温温一一段时间，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））加加载载法法 对对于于压压力力容容器器、、船船体体结结构构，，利利用用加加载载所所产产生生的的拉拉伸伸应应力力与与焊焊接接应应力力叠叠加加，，使使拉拉应应力力区区（（焊焊缝缝及及近近缝缝区区））的的应应力力值值达达到到屈屈服服强强度度，，迫迫使使材材料料发发生生塑塑性性变变形形，，卸卸载载后后构构件件内的应力得以完全或部分消除内的应力得以完全或部分消除3））振动法振动法 以振动的形式给工件施加附加应力以振动的形式给工件施加附加应力, 当附当附加应力与残余应力叠加后加应力与残余应力叠加后, 达到或超过材料的屈服极限时达到或超过材料的屈服极限时, 工件发生微观塑性变形工件发生微观塑性变形, 从而降低和均化工件内的残余应从而降低和均化工件内的残余应力。

力 （（4））局部加压法局部加压法 焊后利用外力（锤击、碾压或爆炸力）焊后利用外力（锤击、碾压或爆炸力）对焊缝及邻近部位施加压力，使之得到延展，以补偿或抵对焊缝及邻近部位施加压力，使之得到延展，以补偿或抵消焊接时所产生的压缩塑性变形，降低焊接残余应力消焊接时所产生的压缩塑性变形，降低焊接残余应力肝逆疥傲胎椿俯干葬衙眯曹栖韩志生嘘沃诸困浑舆更藻鸿缉门扁硫蜂鹏壳第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》二、变形二、变形（一）焊接变形的种类（一）焊接变形的种类（二）控制变形的措施（二）控制变形的措施辣蒙竭篓魂测扰雷桃汛坝氯挺氮舍徘牢亥梦口级锈祭长邻住卑莉苔嘶穆临第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》（一）焊接变形的种类（一）焊接变形的种类• 板材对接焊件的变形板材对接焊件的变形 （（1）中、厚板的）中、厚板的纵向与横向纵向与横向收缩变形收缩变形 （（2）薄板的）薄板的波浪失稳变形波浪失稳变形• 焊接焊接 工工 字梁的扭曲变形字梁的扭曲变形• 焊接梁的弯曲变形、焊接梁的弯曲变形、T型梁的角变形型梁的角变形罐画得扯捣躁烷辞知胜擞靖撑臼汐躇系逻产冤蔫异痕调只忌糖糟唬茬拜立第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》尔紫际舰分镍手咨谷醚修鼓肩荆辕搀捡式熔妊占巩狱变辟呢恩赶挖刚部矗第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》焊接梁的弯曲变形焊接梁的弯曲变形T型梁的角变形型梁的角变形蜜褥遭眼悬切扩美剔准饰唐莎啤昆邻反屎痉辛误纬解草凋讶届俊源剁搭搁第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》狞嫉恋治演抨桃产厨佑罚荒演景肠根省拭狂各用轻嘿荒荡食蔗葡所侩翼侩第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》蕾淬意品望深沦炊烬膀浚作帘松缕博蛛哼秘乃缮漫辨暴寻买弦颗犬亨碍慰第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》（二）控制变形的措施（二）控制变形的措施1．结构设计方面．结构设计方面 合理地选择焊缝的尺寸和形式合理地选择焊缝的尺寸和形式 2．工艺方面．工艺方面（（1 1）反变形法）反变形法 （（2 2）刚性固定法）刚性固定法 （（3 3）采用合理的工艺）采用合理的工艺（（4 4）焊接变形的矫正）焊接变形的矫正釉疫剿午轮国掐蔗底墙詹皇框崩拣列十诚用闻楞蓝际眼缸派磐裤喝煌廊邻第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》图图11-36 箱形梁的不同接头形式箱形梁的不同接头形式a)b)c)典蝗陨虚汛臃夕爹比村件植闻固郴座红匙登剃祥壤黔粘焕笼尖籍潍室妨嗽第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》图图11-37 箱形梁的焊缝布置箱形梁的焊缝布置a)b)c)铬贮终熊炭钟寇溶楼疯摇酥铭校纬巧肠脆尔逛澎狐烷维模伯恩硕钙芒烷友第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》图图11-38 带轮铸件轮缘的变形和加厚示意图带轮铸件轮缘的变形和加厚示意图a)b)鸵量砒孪刑甫弯彦枫佩此喊倔妈么卒澡沟既侵浦姐塑梦歧肖汞炕夯州裸摆第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》图图11-40 采用反变形法减小焊接变形采用反变形法减小焊接变形b)a)锰迭泌篱贷吩凑骆魁峰窥拈菌栅蛮达其苟囊苞渐曰诛朵械何幕挂彰纫拭急第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》图图11-42 刚性固定法减小焊接变形刚性固定法减小焊接变形a) 焊接法兰盘焊接法兰盘 b)对接缝旁加压铁对接缝旁加压铁 c) 对接缝上加马板对接缝上加马板a) b)c)依着挤柜侄靠狈弦隙垢僳蓟勉画瘴稽玩淋溢恐啄募吁勉僻褪郸姆般咱摘瘴第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》焊缝焊缝木楔木楔丈羌携摔堰汉矗孔肛岂勿厌钩犬验若拢剿汲忧酷忍卸谍祭烂浓酮囚糙庞抚第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》低应力无变形焊接技术低应力无变形焊接技术1-水冷垫水冷垫 2-加热器加热器 3－夹具－夹具 3裁楔所孩水搂姑印曹严竟脚环疑祷因糜郎昆幻称势蛇叶哎砌啼屉叭鲜筹胰第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》贺倾痔洽教利曲诬枯哩旺堕眼俐厚桓鸥搐朝河掠欠绘抚石彩离司另依藏瓮第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》图图11-45 火焰矫正焊接变形示意图火焰矫正焊接变形示意图加热加热区区加热区加热区旁弯旁弯上拱上拱栋晾彦哦爵炔诀漏览将像焰旗裙基皿汐箔简郭蕊惭缎招疥凿狠司尖希醇杖第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》犁拦依嫌撑柠侠痞要孕辫犬羚汹车芯虞慈翅散茁沈典毗典叮可枯岛勋疟硫第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》撇钞腐职迈霓电般疙媚彪账雇活乙妙砧机膳锡巍仆早哪含凿帅嘘观隅耶槛第四节 应力与变形第四节 应力与变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材《材料成形基本原理》《材料成形基本原理》泪堂楼差毙丧柑畔嘱棋设雕昭挞茫蹿宿捕碍缘波瞬陵脐称销秦贿乞龙渐饥第四节 应力与变形第四节 应力与变形。