材料成形基本原理第四節(jié)--應(yīng)力與變形課件

1、加熱與冷卻受拘束瞬時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變完全冷卻后殘余應(yīng)力與變形第四節(jié) 應(yīng)力與應(yīng)變一、應(yīng)力 二、變形 一、 應(yīng) 力（一）應(yīng)力的形成 （二）熱應(yīng)力的產(chǎn)生與分布 （三）控制應(yīng)力的措施 （一）應(yīng)力的形成溫度變化熱膨脹或收縮熱應(yīng)力（自身拘束）機(jī)械阻礙應(yīng)力（外部拘束） 固態(tài)相變（伴隨比容變化）受阻受阻相變應(yīng)力（二）熱應(yīng)力的產(chǎn)生與分布例1、鑄件內(nèi)的應(yīng)力例2、金屬框架的局部加熱與冷卻例3、平板中心堆焊接頭的應(yīng)力例4、異種鋼管對(duì)接框形鑄件中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析 在高于彈性轉(zhuǎn)變溫度的階段，兩桿均處于塑性狀態(tài)，兩桿冷卻速度雖然不同，收縮也不一致，但該過程中的應(yīng)力均可通過塑性變形釋放。 繼續(xù)冷卻，冷卻較快的細(xì)桿已進(jìn)入彈性狀態(tài)，而粗

2、桿仍處于塑性狀態(tài)。由于細(xì)桿受拉伸，粗桿受壓縮，形成臨時(shí)內(nèi)應(yīng)力，該應(yīng)力隨之會(huì)由于粗桿的微量塑性變形而消失。 冷卻到更低溫度，已被壓短的粗桿也處于彈性狀態(tài)，此時(shí)，盡管兩桿長(zhǎng)度相同，但所處的溫度不同。粗桿的溫度較高，還會(huì)進(jìn)行較大的收縮；細(xì)桿的溫度較低，收縮較小，粗桿的收縮受到細(xì)桿的阻礙，故細(xì)桿受壓縮，粗桿受拉伸，至室 溫形成殘余應(yīng)力。2、分析下列鑄件內(nèi)的縱向殘余應(yīng)力：厚壁筋板內(nèi)拉伸應(yīng)力薄壁筋板內(nèi)壓縮應(yīng)力中心近軸線部位受拉外部近圓周部位受壓例2、金屬框架的局部加熱與冷卻 只對(duì)框架的中心桿件加熱，兩側(cè)的桿件不加熱，中心桿由于溫度上升而伸長(zhǎng)，但其伸長(zhǎng)受到兩側(cè)桿件的阻礙而不能自由進(jìn)行，故中心桿件受壓縮作用，

3、產(chǎn)生壓應(yīng)力； 兩側(cè)桿件在阻礙中心桿伸長(zhǎng)的同時(shí)，受到了中心桿的反作用，產(chǎn)生拉應(yīng)力。拉應(yīng)力與壓應(yīng)力在框架中互相平衡。 金屬框架加熱過程中的應(yīng)力 如果加熱溫度不高，加熱過程中的應(yīng)力值始終低于材料的屈服極限，則框架內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)框架的溫度均勻化后，熱應(yīng)力隨之消失。 如果加熱產(chǎn)生的應(yīng)力超過材料的屈服極限，則中心桿件將產(chǎn)生壓縮塑性變形；當(dāng)框架溫度下降時(shí)，若中心桿件能自由收縮，則其長(zhǎng)度理應(yīng)比原來短，其縮短量就是壓縮塑性變形量。但實(shí)際上，框架兩側(cè)的桿件阻礙著中心桿件的收縮，從而使中心桿件受到拉應(yīng)力的作用，而兩側(cè)桿件受到壓應(yīng)力的作用。這樣在冷卻后的框架中就形成了與加熱過程相反的殘余應(yīng)力場(chǎng)。金屬框架冷卻后

4、的殘余應(yīng)力 以低碳鋼板條中心堆焊為例，討論焊接加熱與冷卻過程中沿焊縫縱向的焊接瞬時(shí)熱應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力分布情況。焊縫縱向焊縫橫向加熱過程中的焊接縱向應(yīng)力焊后殘余應(yīng)力焊縫及HAZ受拉加熱過程冷卻過程加熱過程中冷卻過程中例4、異種鋼管對(duì)接焊 珠光體耐熱鋼與奧氏體不銹鋼鋼管的對(duì)接焊，采用鎳基焊絲鎢極氬弧焊。用Ansys有限元計(jì)算軟件，模擬出焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化： 動(dòng)態(tài)焊接溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)周向應(yīng)力（三）控制應(yīng)力的措施 1合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)2合理選擇工藝3消應(yīng)力處理 1合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 在焊接結(jié)構(gòu)中，應(yīng)避免焊縫交叉和密集，盡量采用對(duì)接而避免搭接；在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，盡量減少不必要的焊縫；采用剛度小的結(jié)構(gòu)代替

5、剛度大的結(jié)構(gòu)等（示例） 。 在鑄造結(jié)構(gòu)中，鑄件的壁厚差要盡量小；厚薄壁連接處要圓滑過渡；鑄件厚壁部分的砂層要減薄，或放置冷鐵；合理設(shè)置澆冒口，盡量使鑄件各部分溫度均勻。 2合理選擇工藝 在焊接中，盡量采用較小的線能量（如采用小直徑焊條和較低的焊接電流），以減小焊件的受熱范圍。采用合理的裝焊順序和焊接方向，盡可能使焊縫能自由收縮，收縮量大的焊縫應(yīng)先焊。此外，采取預(yù)熱措施可降低工件中的溫度梯度，從而減小焊接應(yīng)力。 澆注鑄件時(shí)，應(yīng)選擇彈性模量和收縮系數(shù)小的材料；提高鑄型的預(yù)熱溫度可減小鑄件各部分的溫差；采用較細(xì)的面砂和涂料，減小鑄件表面的摩擦力；控制鑄型和型芯的緊實(shí)度，加木屑、焦炭等提高鑄型和型芯的

6、退讓性；控制鑄件在型內(nèi)的冷卻時(shí)間，避免過早或過遲打箱。 3消應(yīng)力處理（1）熱處理法 整體或局部加熱（Ac1溫度以下）并保溫一段時(shí)間，利用蠕變產(chǎn)生的塑性變形使應(yīng)力消除，再緩慢冷卻。（2）加載法 對(duì)于壓力容器、船體結(jié)構(gòu)，利用加載所產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力與焊接應(yīng)力疊加，使拉應(yīng)力區(qū)（焊縫及近縫區(qū)）的應(yīng)力值達(dá)到屈服強(qiáng)度，迫使材料發(fā)生塑性變形，卸載后構(gòu)件內(nèi)的應(yīng)力得以完全或部分消除。（3）振動(dòng)法 以振動(dòng)的形式給工件施加附加應(yīng)力, 當(dāng)附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后, 達(dá)到或超過材料的屈服極限時(shí), 工件發(fā)生微觀塑性變形, 從而降低和均化工件內(nèi)的殘余應(yīng)力。 （4）局部加壓法 焊后利用外力（錘擊、碾壓或爆炸力）對(duì)焊縫及鄰近部位施

7、加壓力，使之得到延展，以補(bǔ)償或抵消焊接時(shí)所產(chǎn)生的壓縮塑性變形，降低焊接殘余應(yīng)力。振動(dòng)法消除焊件的殘余應(yīng)力振動(dòng)法消除機(jī)床底座的鑄造應(yīng)力二、變形（一）焊接變形的種類（二）控制變形的措施（一）焊接變形的種類 板材對(duì)接焊件的變形 （1）中、厚板的縱向與橫向收縮變形 （2）薄板的波浪失穩(wěn)變形 焊接 工 字梁的扭曲變形 焊接梁的彎曲變形、T型梁的角變形焊接梁的彎曲變形T型梁的角變形（二）控制變形的措施1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面 合理地選擇焊縫的尺寸和形式 2工藝方面（1）反變形法 （2）剛性固定法 （3）采用合理的工藝（4）焊接變形的矯正圖11-36 箱形梁的不同接頭形式a)b)c)圖11-37 箱形梁的焊縫布置a)b)c)圖11-38 帶輪鑄件輪緣的變形和加厚示意圖a)b)圖11-40 采用反變形法減小焊接變形b)a)圖11