方洪渊焊接结构学3-6

第3章焊接应力与变形,3-1内应力的产生3.1.1内应力及产生原因按分布范围分为：第一类内应力（宏观，工程中主要研究对象）第二类内应力（晶粒尺寸）第三类内应力（晶格尺寸）,内应力按产生原因分类：温度应力及残余应力,温度应力（热应力）产生条件：受热不均匀温度均匀结果：应力残留或消失,举例过程：加热-承受压应力-屈服（250）-应力降低、压应变继续增加；750开始冷却拉应力应变上升-室温-残余应力和相变应力。,图3-1加热和冷却产生内应力的实验及温度曲线,（二）残余应力,产生原因：不均匀加热产生条件：局部区域产生塑性变形或相变,3.1.2热应变和相变应变,T=(T1-T0)=T=（T）温度场变化引起热应变和相变应变，造成应力和变形,图3-2奥氏体钢和珠光体钢的热膨胀曲线a）无相变奥氏体钢b）有相变珠光体钢,加热与冷却时的屈服强度滞后现象,图3-3HY-80高强钢屈服强度与温度的关系以及屈服之后现象,3.2焊接应力与变形的形成过程,自由变形、外观变形和内部变形自由变形：LT=L0(T1-T0)T=LT/L0=(T1-T0)外观变形：Lee=Le/L0内部变形：L=(LTLe)=L/L0内应力=E=E(eT),3.2.1简单杆件的应力与变形,图3-4金属杆件的受热变形a）自由变形量b）外观变形量,杆件的温度、变形与内应力演变规律,T1温度下1s，则只存在弹性变形；T2温度下2s，则只存在塑性变形，p=e-T-s；,图3-5低碳钢的应力-应变曲线,对于低碳钢，假定杆件中的应力达到s后就不再升高即将低碳钢视为理想弹塑性体,3.2.2不均匀温度场作用下的应力与变形,研究的前提条件：平面假设原理长板条中心加热（对称加热）,图3-6长板条中心加热示意图,截取板条的单位长度研究,温度低，无塑性变形,应力平衡：,图3-7长板条中心加热时的变形,温度高，产生塑性变形，残余应力：,当加热温度高，板中心将发生塑性变形，如果已知塑性区压缩变形的分布规律为:,则残余应力为：,残余应力和变形的平衡条件可表达为：,长板条单侧加热（非对称加热）,b)和c)两种情况为不平衡力矩，不能发生,图3-8板条一侧不对称受热时的应力和变形,板条截面上应力及力矩平衡方程,内应力=E=E(eT),图3-9板条单边加热到不同温度时的应力与变形,长板条单侧加热内应力平衡及力矩平衡分几种情况考虑：,1）加热温度低，无塑性变形时=E=E(eT)T=(T1-T0),由于此时截面发生转动，即e不再是常数，而是x的线性函数，即：,求解可得到e0和eB，并进而可求出e和。此外还可以求出板条的平均变形率em：,板条在该截面内的曲率C：,结论：在这种情况下，内部变形小于金属屈服极限的变形率，则温度恢复后，板条中即不存在残余应力，也不存在残余变形。,2）加热温度较高，使板条在靠近高温一侧的（B-Xs）局部范围内产生塑性变形,3)当加热温度很高，造成板边（B-x2）一段内的s=0，即变形抗力为零（见图3-9(c)）。此时，在（B-x2）一段内，由于温度很高，使变形抗力为零，在此区域内发生完全塑性变形，而应力=0。在（x2-x1）范围内，塑性变形抗力从x2处的=0线性变化到x1处的=s=Es，在此区域内可将应力表示为=s(T)=Es。在（x1xs）范围内，发生塑性变形，塑性变形抗力为s，即=s，并且有=s。在（xs0）范围内为弹性变形区。采用与前述相同的处理办法，可得：,可以求出xs、e0、eB等参数，并进而求出e和。,结论：当s时产生残余应力和残余变形（如图27）；当s时不产生残余应力和残余变形；,3.2.3焊接引起的应力与变形,焊接时发生焊接应力和变形的原因是焊件受到不均匀加热，同时因加热引起的热变形和组织变形（相变）受到焊件本身刚度的约束。焊接过程中所发生的应力和变形被称为暂态或瞬态的应力变形，而在焊接完毕和试件完全冷却后残留的应力和变形，称之为残余或剩余的应力变形。焊接残余应力和残余变形会在某种程度上影响焊接结构的承载能力和服役寿命。,1.引起焊接应力与变形的机理及影响因素,图3-10引起焊接应力与变形的主要因素及其内在联系,焊接温度场特点：a.变化范围大；b.温度梯度大温度场特点会导致两方面问题：（1）高温下金属性能发生显著变化；（2）平面假设的准确性降低，相变、物理和力学参数变化，进一步影响应力应变分布规律。,图3-11几种典型金属材料的屈服强度随温度变化,图3-12平板中心焊接时的内应力分布,平面假设近似成立的条件：焊接速度快、材料导热性差（低碳钢、低合金钢）,图3-13薄板焊接时的温度场,2.焊接应力与变形的演变过程(*）,图3-14薄板中心堆焊时横截面上的纵向应力变形演变过程,3.焊接热应变循环,图3-15低碳钢焊接近缝区的热循环与热应变循环示意图,a)离焊缝较远、最高温度低于相变温度b)离焊缝较近、最高温度高于相变温度,4.在热循环过程中，材料性能的变化(焊接热裂纹形成条件),金属降温通过TB时是否发生开裂，取决于三个因素：拉伸应变随温度的变化率（即通过TU点的射线的斜率）的大小、脆性温度区间TB的大小和金属处在这个区间内时所具有的最小延性min。,图3-16金属在高温时的延性和断裂,在焊接冷却过程中，特别是在200300范围内的塑性变形会消耗金属的一部分延性，对金属在室温和低温下的延性有较大的影响，使其发生延性耗竭。这种现象在低碳钢，特别是沸腾钢中表现得更为明显，这被称之为热应变脆化。,3.3焊接残余应力这一节讨论焊接残余应力的分布、影响、测量及调控。3.3.1焊接残余应力的分布,一般焊接结构制造所用材料的厚度相对于长和宽都很小，在板厚小于20mm的薄板和中厚板制造的焊接结构中，厚度方向上的焊接应力很小，残余应力基本上是双轴的，即为平面应力状态。只有在大型结构厚截面焊缝中，在厚度方向上才有较大的残余应力。应力通常表示方法：将沿焊缝方向上的残余应力称为纵向应力，以x表示；将垂直于焊缝方向上的残余应力称为横向应力，以y表示；对厚度方向上的残余应力以z表示。,1、纵向残余应力的分布x,图3-17平板对接时焊缝上纵向应力沿焊缝长度方向上的分布（*此图对于低碳钢适用，焊缝足够长）,*焊缝长度较短时，xs焊缝越短纵向应力x的数值就越小。（对于低碳钢适用）,图3-18不同焊缝长度x值的变化,不同尺寸、不同截面上纵向残余应力x的分布（对于低碳钢适用）,不同材料上纵向残余应力在横截面上的分布,图3-19焊缝纵向应力沿板材横向上的分布a)低碳钢b)铝合金,一般情况下铝合金与钛合金焊件上xs，其原因是：,铝合金和钛合金的x分布规律与低碳钢基本相似，但焊缝中心的纵向应力值比较低。对于铝合金来说，由于其导热系数比较高，使其温度场近似于正圆形，与沿焊缝长度同时加热的模型相差悬殊，造成了与平面变形假设的出入比较大。在焊接过程中，铝合金受热膨胀，实际受到的限制比平面假设时的要小，因此压缩塑性变形量降低，残余应力也因而降低，一般x只能达到0.50.8s。对于钛合金来说，由于其膨胀系数和弹性模量都比较低，大约只有低碳钢的1/3，所以造成其x比较低，只能达到0.50.8s。,圆筒环焊缝上的纵向（圆筒的周向）应力分布,图3-20圆筒环焊缝纵向残余应力的分布,环焊缝纵向应力与圆筒尺寸及焊接塑性变形区宽度的关系,图3-21环焊缝纵向应力与圆筒半径及焊接塑性变形区宽度的关系,2横向残余应力的分布,图3-22由纵向收缩所引起的横向应力的分布,（1）纵向收缩的影响-y,焊缝较长时，中心部分拉应力y有所下降,图3-23不同长度焊缝上的横向应力的比较,（2）横向收缩的影响-y,图3-24不同焊接方向对横向应力分布的影响,图3-25横向应力沿板宽方向的分布,几种情况下横向残余应力的分布规律y=y+y,3.厚板中的残余应力,图3-26厚板V形坡口对接焊缝的三个方向残余应力的分布,a)横向残余应力y,b)厚度方向残余应力z,c)纵向残余应力x,y的作用：由于每焊一层就产生一次弯曲作用（如图中坡口两侧箭头所示），多次拉伸塑性变形的积累造成焊缝根部应变硬化，使应力不断升高。严重时，甚至会因塑性耗竭而导致焊缝根部开裂。,图3-27厚板V形坡口多层焊时沿厚度上的应力分布,a)z在厚度上的分布b)x在厚度上的分布c)y在厚度上的分布,图3-28厚板对层焊时横向残余应力分布的分析模型,图3-29厚板窄间隙多层焊残余应力分布的有限元计算结果,图3-3025mm厚低碳钢板多层对接焊的残余应力沿板厚方向的分布实测结果,4.拘束状态下焊接的内应力,图3-31拘束条件下焊接的内应力,4.封闭焊缝引起的内应力,图3-32容器接管焊缝,图3-33圆盘镶块封闭焊缝所引起的焊接残余应力分布,6.相变应力,图3-34钢材加热和冷却时的膨胀和收缩曲线,过程：铁素体-奥氏体-铁素体或马氏体,图3-35高强钢焊接相变应力对纵向残余应力分布的影响a)焊缝金属为奥氏体钢b)焊缝成分与母材相近,相变对残余应力场的影响,相变应力分布特点,图3-36横向相变应力my的分布a)由mx引起的my沿纵向的分布b)由mz引起的my在厚度上的分布,3.3.2焊接残余应力的影响,内应力对静载强度的影响内应力对刚度的影响内应力对杆件受压稳定性的影响内应力对构件精度和尺寸稳定性的影响内应力对应力腐蚀开裂的影响内应力对疲劳强度的影响,1.内应力对静载强度的影响,图3-37外载荷作用下塑性材料构件中应力的变化a)塑性材料b)脆性材料,分三种情况讨论:1)塑性(韧性)材料;2)脆性材料;3)材料处于三轴(拉)应力状态;,图3-38单轴和三轴应力状态,三轴应力状态举例:厚大件上的缺口效应,图3-39缺口根部应力分布示意图,2.内应力对刚度的影响,图3-40残余应力对刚度的影响,图3-41焊接梁工作时的刚度分析,3.内应力对杆件受压稳定性的影响,图3-42受压焊接杆件工作应力的分布a)受压前b)受压后,结论：受压可能使临界失稳应力下降,图3-43带气割边及带盖板的焊接杆件的内应力分布,图3-44焊接箱形杆件的内应力分布,4.内应力对构件精度和尺寸稳定性的影响,图3-46机械加工引起的内应力释放和变形,5.内应力对应力腐蚀开裂的影响,图3-47不锈钢的应力腐蚀开裂曲线,3.4焊接残余变形3.4.1焊接残余变形的分类,（1）纵向收缩变形（2）横向收缩变形,图3-48纵向和横向收缩变形,（3）挠曲变形:挠曲可以由纵向收缩、横向收缩、角变形引起,图3-49挠曲变形a）由纵向收缩引起的挠曲变形b）由横向收缩引起的挠曲变形,（4）角变形表现为焊后构件的平面围绕焊缝产生角位移,图3-50角变形,（5）波浪变形（6）错边变形,图3-51波浪变形,图3-52错边变形a）长度方向的错边b）厚度方向的错边,（7）螺旋形变形,图3-53螺旋形变形,焊接变形带来的影响：影响外形和承载能力,图3-54角变形引起的不圆度,图3-55不等厚板搭接接头的角变形,3.4.2纵向收缩变形及其引起的挠曲变形,图3-56焊接缩短变形的分布,可以将变形区的产生设想成在焊缝部位存在一个收缩力，这一收缩力作用在原始无应力的构件上，使构件产生压缩变形。收缩力的大小可以表示为：,1.纵向收缩力模型,纵向收缩力简化计算,图3-57板边无约束的带有中心纵向焊缝的板条的简化应力分布,假设焊缝横截面上作用有达到了材料屈服极限的拉应力tr=s，拉应力tr的作用宽度近似等于塑性区的宽度Bp，见图3-57。根据平衡条件，压缩应力c为：,可以求出假设的收缩力Pf为：,比较图3-57，还可以得出：,即收缩力由整个截面来承受。,只有在（纵向）刚性支撑（或无限宽弹性）板条的情况下，才有：,2.纵向收缩,图3-59收缩力作用下的纵向收缩变形,缩短变形区的存在相当于构件受到收缩力Ff的作用，使构件产生纵向收缩L，如图3-59，其数值为：,3.纵向收缩引起的挠曲变形,图3-60焊缝在结构中的位置不对称所引起的焊接变形,弯矩M的作用使构件终端的横截面发生转角和挠度f。转角可如下计算：,构件的挠度f可由下式获得：,举例：工字梁挠曲变形控制,图3-61工字形梁的几种组焊顺序,可以判断出，fT与fI的方向相反。但是，尽管eTfI，两者不能相互抵消，焊后仍有较大的挠曲变形。,解决方案：焊前先将腹板和翼板点固成工字形截面，施焊时按照图3-61b）中括号内的顺序进行，则是构件在焊接过程中的惯性矩基本不变，因而偏心矩也相同这样就可以使两对角焊缝所引起的挠曲变形可以相互抵消，保持构件基本平直。*需注意角变形的控制,3.4.3横向收缩变形及其引起的挠曲变形,1.横向收缩力模型,图3-62与焊缝垂直的残余应力B,图3-63横向焊缝拉伸试样的反向加载图a）应变长度较长b）应变长度较短,以力-位移曲线的倾角表征的夹紧板刚度R，被称为作用在焊缝上的拘束强度：,板内单位长度的反作用应力（为板厚），或焊缝内的反作用应力（a为焊缝厚度），可结合（3-50）式来确定。考虑到在时，有，结果有：,图3-64横向焊缝拉伸试样拘束强度R的形状因子与厚度比的关系,2.横向收缩变形,图3-65平板表面火焰加热产生变形的动态过程,由于B=T0B，则,图3-66横向收缩与线能量和板厚的关系,板厚为6、10、15、20mm的低碳钢板进行表面堆焊，其横向收缩与线能量及板厚的近似关系可以表达为：,横向收缩变形的规律,图3-67横向收缩在焊缝长度方向上的分布,横向收缩变形的规律-T形接头,图3-68T形接头的a/与横向收缩的关系曲线,对接焊有无间隙时的横向收缩不同,图3-69平板对接焊时的横向收缩变形过程a）留有坡口间隙b）不留间隙,纵向变形对横向收缩的影响,图3-70平板对接焊的纵向膨胀所引起的横向变形,多层焊时的横向收缩,图3-71对接接头的横向收缩a）不同坡口不同焊接方法b）不同角度的V型坡口c）不同角度的X型坡口d）200mm厚不锈钢板双U型坡口,3.横向收缩引起的挠曲变形,图3-72筋板焊缝横向收缩所引起的挠曲变形,4.角变形,图3-73表面堆焊或对接时熔深H和板厚之比对角变形的影响示意图,图3-74不同焊接速度下，角变形与单位长度热输入及焊缝厚度或板厚的关系,要求：熟悉角变形特点、规律，能够解释原因。,图3-75角变形在焊缝长度上的分布,3.4.5薄壁焊接构件的翘曲（波浪变形）,图3-80薄板受压失稳,产生条件：受压失稳,波浪变形举例：,图3-81周围有框架的薄板结构的残余应力和波浪变形,图3-82舱口的波浪变形,纵向收缩力引起平板焊件的翘曲,图3-84带有中心纵缝的板条的翘曲,平面上的封闭环焊缝导致失稳变形,图3-86平面封闭环焊缝引起的马鞍形变形（计算结果）,角变形产生的波浪变形,图3-87角变形引起的波浪变形,6.焊接错边和扭曲变形(螺旋形变形),图3-88焊接过程中对接边的热输入不平衡导致错边,图3-89封头与筒身环焊缝对接边错边的产生过程,扭曲变形(螺旋形变形)举例,图3-91工字形梁的扭曲变形a）焊前b）焊后,图3-92由纵向焊接错边引起的箱形构件的扭曲变形,3.5焊接残余应力与变形的测量和调控3.5.1焊接过程中应变、位移及焊接变形的测量,图3-93焊缝横向和纵向应变的测量,图3-95焊缝位移的测量a），b）横向和纵向位移的测量c），d）焊缝的偏移,图3-96变形测量a)在测量板上测量弯曲变形b)拉线测量c)用直角尺测量角收缩d)，e)挠度的连续测量f)收缩测量g)倾斜测量,3.5.2焊接残余应力的测量焊接残余应力的破坏性测量,（1）单轴焊接残余应力的测量1）切条法,（2）双轴焊接残余应力的测量,图3-99用于对接焊缝板的切块法,钻孔法、盲孔法、套孔法,（3）三轴焊接残余应力的测量套取芯棒法,图3-103内孔壁展开尺寸及应变片粘贴位置a）内孔壁或纸筒b）应变片粘贴位置,2.焊接残余应力的非破坏性测量,（1）X射线衍射法,图3-104X射线反射法残余应力测量,（2）中子衍射法,图3-105中子衍射残余应力测定,其它无损测试应力技术,超声波测试法压痕测试法电磁测试法,3.利用相似关系测试应力的原理,对于很大的构件，用缩小尺寸的模型进行焊接试验可以降低试验成本。相反，当研究很小的薄壁构件时，也可以用放大的模型进行试验，这样做是为了更好的安排试验。在模型几何相似并用同样材料制造的条件下，两种情况所面对的问题都是在焊接过程中及焊后的力、位移、应力和应变的相似关系。,3.5.3焊接残余应力与变形的调整与控制,1.调控焊接应力与变形的焊前措施,（1）合理地选择焊缝的形状和尺寸,图3-106焊接箱形梁的不同形式,应遵循的原则是：尽可能使焊缝长度最短；尽可能使板厚小；尽可能使焊脚尺寸小；断续焊缝和连续焊缝相比，优先采用断续焊缝；角焊缝与对接焊缝相比，优先采用角焊缝以及复杂结构最好采用分部组合焊接。,(2)尽量避免焊缝的密集与交叉非常重要,图3-107避免焊缝交叉的措施与最优焊接顺序,图3-108轴承的加固形式,(3)采用压形板来提高平板的刚性和稳定性，也可以减小焊接量和减小变形,图3-109两种隔舱板的形式a）压形板b）拼焊板,(4)改变接头设计,图3-110减小联系焊缝的变形,a）用断续角焊缝焊接面板与槽钢顶面时变形相对严重b）用塞焊连接则变形较小,（5）预变形法（反变形法）,图3-111几种反变形的措施,预变形法举例二,图3-112薄壳结构支座焊接的反变形,图3-113减小T型接头的角变形,2.焊后调控焊接残余应力与变形的措施,（1）机械方法,图3-114用压力机校正工字梁的挠曲变形,图3-115锤击法调节中厚板多层焊时的残余应力在厚度（z向）上的分布,锤击法的优点是节省能源、降低成本、提高效率，缺点是劳动强度大，并且工件表面质量差。,a)焊后状态b）只锤击最后一道焊缝c）逐层锤击,3-116碾压矫形,对于薄板并具有规则的焊缝时，可采用碾压的方法,对于形状不规则的焊缝，可以采用逐点挤压法,图3-117点状加压形成的残余应力,图3-118在焊缝端部缺口处进行点状加压后形成的残余应力,过载拉伸法,图3-119机械加载降低内应力,机械振动法,图3-120振动循环次数与消除应力的效果初始应力分布b)试件截面c)经过6.2106次循环后的内应力分布d)经不同循环次数作用后内应力峰值的变化,（2）加热方法,一方面材料的屈服极限会因温度的升高而降低,另一方面，高温时材料的蠕变速度加快，蠕变引起应力松弛。,图3-121钢的弹性模量和屈服极限与温度的关系,表3-2不同材料消除焊接残余应力的回火温度,局部加热消除应力,图3-123局部热处理的加热区宽度a)环焊缝b)长构件对接焊缝,翘曲变形的矫正方法举例,图3-125薄板结构点状加热矫形,温差拉伸法,图3-128温差拉伸法,角变形规律的工程应用-火焰成形,图3-124气体火焰局部加热矫形,图3-126火焰成形的三种方法,图3-127火焰成形的典型实例,3.随焊调控焊接应力与变形的措施,（1）刚性固定法,图3-129刚性固定法焊接法兰盘,图3-130采用焊接夹具防止波浪变形,图3-131防止薄板波浪变形的辅助措施a）采用压铁b）用角钢临时增加近缝区刚性,（2）减小焊缝的热输入,图3-132防止非对称截面挠曲变形的焊接,直接水冷（图3-133a）采用铜冷却块（图3-133b）来限制焊接热场,图3-133通过加强冷却来减小焊接变形的方法a）直接水冷b）采用铜冷却块,（3）合理安排装配焊接的顺序,图3-134带盖板的双槽钢焊接梁的焊接顺序,方案一,方案二,方案三,（4）预拉伸法(预置应力法),图3-135施加预拉伸载荷的几种方案,图3-136常温下预拉伸的纵向应力场a）平板b）筒体,（5）焊时温差拉伸法,图3-137温差拉伸专用夹具,随焊温差拉伸的效果,图3-138Tp为150时的焊接温度场,图3-139温差拉伸作用下的焊缝纵向残余应力,（6）随焊激冷（又称为逆焊接加热处理）,图3-140随焊激冷法的原理,图3-141几种随焊激冷方案,图3-142柔性随焊激冷器,图3-143常规焊与随焊激冷焊接的温度场,（7）随焊碾压,图3-144随焊碾压防止热裂的原理,（8）随焊锤击,图3-145随焊锤击实施方案1-焊枪2-汽锤3-固定平台4-锤头5-工件,图3-146两种随焊锤击方式a)强化焊趾b)强化焊缝,随焊锤击方法的主要缺点是焊缝的表面质量不佳，存在明显的锤痕。,随焊锤击技术不仅可以减小变形，降低残余应力，防止焊接热裂纹，而且可以使焊缝的力学性能得到改善。,随焊锤击法的作用效果,图3-147常规焊与随焊锤击处理后残余应力的对比,（9）随焊冲击碾压,图3-148平直焊缝随焊冲击碾压装置的照片,图3-149随焊冲击碾压装置结构图,图3-150冲击碾压作用下的剪切塑性应变的分布,第四章焊接接头4.1焊接接头的一般性能4.1.1焊接接头的基本概念,图4-1熔化焊焊接接头的组织对接接头断面图b）搭接接头断面图1焊缝金属2熔合区3热影响区4母材,焊接接头的不均匀性力学、材质,图4-2影响焊接接头性能的主要因素示意图,4.1.2焊接接头的不均匀性及其力学行为,1.热影响区的力学性能,（1）热影响区强度和延性的变化,加热温度在1200以上区域,加热温度在1200Ac3范围,加热温度在900700区域,加热温度低于700的区域,图4-3热影响区强度与延性分布示意图,（2）热影响区韧性的变化,图4-4热影响区韧性分布示意图,低韧性的区段有两个：,1200以上的粗晶区到熔合区部分,低碳钢的脆化区常在近缝区的400200之间，高强钢的脆化区往往在靠近A1A3的相变点之间。,（3）热影响区的热塑变脆化,图4-5经过热应变后刻槽尖端硬度升高（韧性降低）,2.焊缝金属的力学性能单层焊与多层焊,图4-6单层焊与多层焊的接头组织a）单层焊时的柱状晶组织b）多层焊第二层对第一层柱状晶的细化,2.焊缝金属的力学性能线能量的影响,（1）用较低的线能量进行单层焊时，由于冷却速率大，焊缝金属的组织细化，焊缝金属变硬，强度升高。,（2）增加焊接热输入，提高层间预热温度对高强钢施焊，由于焊前增加预热，冷却减慢，焊缝金属的组织较粗大，焊缝金属的强度与韧性有明显下降。,图4-7高强钢焊缝金属强度与线能量关系,图4-8脆性转变温度与线能量关系,3.低强焊缝金属接头的力学性能,焊接接头力学性能与母材和焊缝二者之间的强度如何匹配有关。焊缝金属强度比母材强度高的称为高组配接头，比母材强度低的称为低组配接头。,图4-9对接接头不同组配的应力与应变关系W焊缝金属曲线B母材的曲线J接头的曲线,低组配接头实验举例：当把软夹层接头的软层宽度减少到一定程度，接头的强度随着软层宽度的降低而提高，逐渐接近于母材金属的强度，形成一个超过金属焊缝强度很多的接头。,图4-10低强焊缝金属接头强度试验结果低强度材料：b=440MPa，s=268MPa高强度材料：b=733MPa，s=461MPa,低组配接头强化机理：软夹层接头的强度随相对厚度降低而上升的原因,图4-11厚板低组配焊缝金属的应力状态,低组配接头强度简化计算,对接宽板时，若已知焊缝金属与母材的抗拉强度比Sr：,和相对厚度Xh(Xh=H/h)，可从下面近似公式求得接头的抗拉强度,的近似值。,式中：当Xhm,则Xeq=Xh；当Xhm,则Xeq=0.5(Xh+m)，其中,4.1.3焊缝及接头的基本形式、分类及表示方法（自学内容）,图4-13对接焊缝的典型坡口形式,图4-14角焊缝截面形状及其设计断面a)平角焊缝b)凹角焊缝c)凸角焊缝d)不等腰角焊缝,图4-15焊接接头的基本形式a）对接接头b）搭接接头c）丁字接头d）角接头,图4-18塞焊（电铆焊）接头,图4-17开槽焊搭接接头,图4-16斜焊缝对接接头,图4-19锯齿缝搭接接头,图4-20常见形（十字）接头,图4-21形接头的承载能力,图4-22角接接头形式,4.2焊接接头的工作应力分布和工作性能4.2.1应力集中的概念,所谓应力集中，是指接头局部区域的最大应力值（max）比平均应力值（av）高的现象。而应力集中的大小，常以应力集中系数KT表示：,max截面中最大应力值；,av截面中平均应力值,一般可用实验方法确定KT值，亦可用解析法求得。,图4-24对接接头的应力分布,焊接接头工作应力的分布的不均匀性,1.焊缝中存在工艺缺陷,2.焊缝外形不合理,3.焊接接头设计不合理,4.2.2电弧焊接头的工作应力分布和工作性能,1.对接接头应力集中小,图4-25余高和过渡半径与应力集中系数的关系,结论：对接接头是最好的接头形式，不但静载可靠，而且疲劳强度也较高。,2.形（十字）接头,图4-26a是未开坡口形（十字）接头中正面焊缝的应力分布状况。由于整个厚度没有焊透，焊缝跟部应力集中很大。,图4-26b是开坡口并焊透的形（十字）接头，这种接头的应力集中程度大大降低。,图4-26形（十字）接头的应力分布,工作焊缝与联系焊缝的KT变化规律不同,图4-27角焊缝的形状、尺寸与应力集中的关系,工作焊缝：KT随角减小而减小，也随焊脚尺寸K的增大而减小。但联系焊缝在B点的KT随焊脚尺寸K的增大而增大。,图4-28T形（十字）接头联系焊缝的应力集中,图4-29角焊缝焊趾角度与应力集中的关系,在尺寸和外形相同的情况下，工作焊缝的应力集中大于联系焊缝的应力集中，应力集中系数KT随角焊缝的角增大而增大。,防止出现层状撕裂的措施,图4-30工作焊缝与联系焊缝图4-31插入成形件的十字接头a）工作焊缝b）联系焊缝,3.搭接接头,搭接角焊缝分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜向角焊缝三种,图4-32搭接接头角焊缝,（1）正面角焊缝的工作应力分布,图4-33正面搭接角焊缝的应力分布,图4-34正面搭接接头的弯曲变形,（2）侧面角焊缝的工作应力分布,图4-36侧面搭接焊缝变形分布示意图,图4-37侧面搭接接头中的切力分布,图4-38不同长度侧面角焊缝的应力分布,（3）联合角焊缝的工作应力分布,图4-39侧面角焊缝与联合角焊缝搭接接头的应力分布a）侧面角焊缝搭接b）联合角焊缝搭接,（4）盖板接头中的工作应力分布,图4-40加盖板接头的应力分布a）侧面角焊缝b）联合角焊缝,（5）斜向角焊缝,图4-41斜向角焊缝搭接接头,图4-42斜向角焊缝搭接强度与角的关系,当材料具有足够的塑性时，结构在静载破坏之前就有显著的塑性变形，应力集中对其强度无影响。,图4-43侧面搭接接头的工作应力均匀化,4.2.3接触焊接头的工作应力分布和工作性能,图4-44点焊接头基本形式a）单排点焊接头b）多排点焊接头c）加双盖板点焊接头,1.点焊接头,图4-45单排点焊的偏心弯曲,图4-46焊点区在母材厚度上的工作应力分布,点焊搭接接头的应力集中比弧焊搭接接头更为严重,单排搭接点焊的接头中除受切应力外，还承受由偏心力引起的拉应力,多排点焊接头中各点承受的载荷的不均匀性,图4-47多排点焊接头上各焊点的受力情况,图4-48承载能力与焊点排数关系P一列焊点的总载荷量Pmax一个焊点的最大承载能力n焊点排数,结论：焊点排数多于3排是不合理的，因为多于三排后，再增加焊点排数并不能明显增加承载能力。,图4-49焊点间距与接头强度关系A1mm+1mm已焊1点B1mm+1mm已焊2点,从降低应力集中的观点，缩小焊点间距有利。但焊点间距过分减小，焊接分流必将增大，反而引起焊点强度降低。,图4-50焊点受拉力时的应力分布,焊接头承受如图4-50所示拉应力时，焊点周围产生的应力集中更为严重。在这种情况下，接头的抗拉强度明显低于抗剪强度，所以在一般使用中，应尽量避免点焊接头承受这种载荷。,综上所述，点焊接头的工作应力分布很不均匀，应力集中系数KT很高。然而，实验证明，如果金属材料延性较好，接头设计合理，点焊接头仍有较高的静载强度。但是，动载强度确实很低。,2.缝焊接头,缝焊接头的焊缝实质上是由点焊的许多焊点局部重叠构成的。缝焊多用于薄板容器的焊接中，当材料的可焊性好，其接头静载强度可达到母材金属的强度。缝焊接头的工作应力分布比点焊均匀，静载强度和动载强度都比明显高于点焊接头。,4.2.4铆焊联合结构与铆焊联合接头,1.铆焊联合结构铆接与焊接相比，虽有许多缺点，但铆接也有焊接所不能代替的特点：1）铆接接头比焊接接头刚度小，在承受冲击载荷时，能吸收较大的能量，有缓冲作用。当铆接结构受力发生变形时，可以减少因接头刚度大而引起的局部高值应力。2）铆接接头的应力集中系数比某些焊接接头（如搭接接头等）的应力集中系数低，对疲劳强度有利。3）铆接接头在结构中形成的内应力比焊接结构的内应力低，而焊接接头的内应力峰值往往达到材料的屈服极限。4）铆接结构有良好的止裂性能。如果在铆接结构中发生了局部断裂，裂纹扩展到铆接接头时就可能不再继续扩展。如果同样局部断裂发生在焊接结构上，则裂纹可以穿过焊缝扩展到其它部位，最终将会导致结构整体破坏。5）铆接结构易于在工地条件下连接，便于较好的安装，从而保证产品质量。,2.铆焊联合接头铆焊联合接头是指在同一个接头上既有铆钉又有焊缝的连接形式，如图4-51所示。上述分析得知，铆接接头的刚度比焊接接头小得多，如图4-52所示。它说明同样强度的两种接头，焊接的刚度比铆接的大得多。当铆焊接头承受载荷时，铆钉只承受很少的一部分载荷，而大部分载荷由焊缝承担。所以要求铆钉和焊缝同时承担同样大小的载荷来工作是不可能的。因此，这是一种不合理的接头形式。,图4-51铆焊联合接头,图4-52铆接与焊接的刚度对比,4.3焊接接头静载强度计算,4.3.1工作焊缝与联系焊缝,图4-53工作焊缝和联系焊缝a)与b)工作焊缝c)与d)联系焊缝,焊缝与被连接的元件是串联的，它承担着传递全部载荷的作用，即焊缝一旦断裂，结构就立即失效，这种焊缝称为工作焊缝，其应力称为工作应力。,焊缝与被连接的元件是并联的，它仅传递很小的载荷，主要起元件之间相互联系的作用，焊缝一旦断裂，结构不会立即失效，这种焊缝称为联系焊缝，其应力称为联系应力。,4.3.2强度计算的基本公式及简化计算的基本做法,1.强度计算的基本公式焊接接头的强度计算和其他结构的强度计算相同，均需要计算在一定载荷作用下产生的应力值。目前，焊接接头的静载强度计算方法仍然采用许用应力法。而接头的强度计算实际上是计算焊缝的强度，焊缝强度条件的计算方法从根本上说与材料力学中计算方法是相同的，只是计算对象为焊缝金属。因此，强度计算时的许用应力值均为焊缝的许用应力。焊接接头静载强度计算的基本公式一般可表达为：或式中：、为焊缝中平均工作应力；、为焊缝的许用应力。,2.简化计算的基本做法,在静载条件下为了计算方便，通常作如下的假设：1）残余应力对于接头的静载强度没有影响；2）焊趾处和余高等处的应力集中，对于接头的静载强度没有影响；3）接头的工作应力是均布的，以平均应力计算；4）正面角焊缝与侧面角焊缝的强度没有差别；5）焊脚尺寸的大小对于角焊缝的强度没有影响；6）角焊缝都是在切应力的作用下被破坏，故按切应力计算强度；7）角焊缝的断破面（计算断面）在角焊缝截面的最小高度上，其值等于内接三角形高度a（图4-14），称之为计算高度。直角等腰角焊缝的计算高度：,8）余高和少量的熔深对于接头的静载强度没有影响，但是，在采用熔深较大的埋弧自动焊和CO2保护焊时，应予于考虑，其角焊缝计算断面厚度a如图4-54所示。,当K8mm，可取a=K，当K8mm，可取p=3mm。,图4-54深熔焊的角焊缝,第五章焊接结构的脆性断裂,5.1脆断事故和研究脆断的意义,表5-2焊接结构断裂的典型事例,使用,表5-2焊接结构断裂的典型事例,脆断事故举例：黑龙江某地,图5-1某糖蜜罐的脆断a)布局俯视图b)开裂局部,脆性断裂的几个特点,无论是中、低强度钢，还是高强度材料都有可能发生脆性断裂，具有以下几个特点：(1)脆断一般都在应力不高于结构的设计应力和没有显著的塑性变形的情况下发生，不易事先发现和预防，因此往往造成人身伤亡和财产的巨大损失，所以通常称这类破坏为低应力脆断；(2)塑性材料也发生脆性断裂；(3)脆断总是由构件内部存在宏观尺寸（0.1mm以上）的裂纹源扩展引起。这种宏观裂纹源可能是在制造过程或使用过程中产生的；(4)裂纹源一旦超过某个临界尺寸，裂纹将以极高速扩展，并瞬时扩展到结构整体，直到断裂，具有突然破坏的性质；(5)中、低强度钢的脆断事故，一般发生在较低的温度，而高强度材料没有明显的温度效应。,5.2金属材料的断裂及其影响因素,5.2.1金属材料断裂的形态特征,延性宏观特征：延性断裂的断口一般呈纤维状，色泽灰暗，边缘有剪切唇，断口附近有宏观的塑性变形。杯锥状断口是一种常见的延性断口。,延性断裂的微观特征形态是韧窝，韧窝的实质是材料微区塑性变形成空洞聚集和长大导致材料断裂所留下的圆形或椭圆形凹坑。,图5-2韧性断裂的韧窝花样（TC4钛合金）,SEMa)500SEMb)1000,按照断裂前塑性变形大小，将断裂分为延性断裂（亦称为塑性断裂和韧性断裂）和脆性断裂两种。,通常脆性断裂系指沿一定结晶面的劈裂的解理断裂（包括半解理断裂）及晶界（沿晶）断裂,解理断裂的宏观断口平整，一般与主应力垂直，没有可以觉察到的塑性变形，断口有金属光泽。,晶界脆性断裂即是沿晶粒边界发生的分离，是由于某种原因，例如各种析出相、夹杂物和元素偏析，出现第二相粒子，甚至出现脆性薄层，加上环境（如应力腐蚀）、温度（如热损伤等）和机械（如三向应力状态）等外来因素，导致沿晶界的破断。晶界脆性断裂的断口宏观形态特征呈颗粒状或粗瓷状，色泽较灰暗（但比较韧性断口要光亮）。断裂前没有可以觉察到的塑性变形，断口一般与主应力垂直，表面平齐，边缘有剪切唇。晶界脆性断裂的断口微观形态特征是明显的多面体，没有明显塑性变形，呈现不同程度的晶粒多面体，外形如岩石状花样或冰糖冰块状花样。,图5-3解理断裂断口a）宏观断口人字形花样b）微观断口河流花样,5.2.2影响金属脆断的主要因素,最重要的影响因素是温度、应力状态和加载速度,1.应力状态的影响,图5-4力学状态图,三轴拉伸时：,如按第二强度理论：,单轴拉伸时:,2.温度的影响,图5-5温度对tT和SOT的影响,图5-4力学状态图,3.加载速度的影响,图5-6加载速度对tT和SOT的影响,提高加载速度能促使材料脆性破坏，其作用相当于降低温度。,图5-7延性-脆性转变温度与应变速率的关系,4.材料状态的影响,1、厚度的影响厚度对脆性破坏的不利影响,（1）厚板在缺口处容易形成三轴拉应力,（2）冶金因素，生产薄板时压延量、轧制温度会影响组织致密性。,2、晶粒度影响对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒越细，其转变温度越低。,3、化学成分的影响钢中的C、N、O、H、S、P增加钢的脆性。另一些元素如Mn、Ni、Cr、V，如果加入量适当则有助于减少钢的脆性。,5.3材料断裂的评定方法,结构的抗脆性破坏性能是不能用光滑试件的试验来反映的，而只有具有缺口的试件试验才能反映材料和结构抗脆性破坏的能力。在大量低强度钢的试验基础上提出了缺口韧性指标。由于许多材料的缺口韧性和温度的关系密切，所以常常称为转变温度评定方法。,高强度材料（这些材料往往不表现出明显的转变温度现象）的使用要求一种更高定量的手段来评定这些材料的抗断性。近年来随着科学技术发展，已经广泛应用断裂力学方法来评定材料结构的脆性破坏。根据材料的强度级别，分别以临界应力强度因子KIC、裂纹尖端临界张开位移c（crackopeningdisplacement即COD）、临界J积分JIC等作为断裂判据。,5.3.1转变温度方法,这种方法是用转变温度作为标准来评定钢材的脆性一韧性行为的，即把由某种方法测出的某种转变温度与结构的使用温度联系起来。这种方法的基础是建立在实验和使用经验上。因此不论在实验室里，还是在实际工程中都积累了丰富的数据而且试验方法比较简单。尽管近年来断裂力学已取得很大进展，但目前还不能完全取代它。,采用许多种试验方法（例如静弯试验，冲击实验，落锤试验和部分大型试验）都能确定材料的脆性一韧性转变温度特性，但应当说明，对一种材料用不同方法得到的转变温度特性并不相同，即使是同一试验方法，由于试件形式不同（如缺口形状和尺寸不一），其结果也不相同。工程采用较广泛的是冲击试验方法。,1.冲击试验,在不同温度下对一系列试件进行试验找出其脆性一韧性与温度之间的关系。目前常用的有却贝（Charpy，或译为“夏比”）V型缺口冲击试验与梅氏U型缺口冲击试验等。,试验结果表明，V形却贝标准试件比梅氏缺口试件更能反映脆断问题的实质。,图5-8冲击试验的几种标准试样a）锁眼形b）却贝（夏比）,钢材的韧性或转变温度常用以下几种方式进行评定:,（1）能量标准：由于冲击韧性值在一定温度区间内逐渐变化，所以一般取对应某一固定冲击能量，例如20J（15尺-磅），41J（30尺-磅）时的温度为转变温度。,图5-9冲击试验及其评定标准,（2）断口标准：即以试件的断口形貌来衡量转变温度特性，一般称作断口形貌转变温度。常以断口晶粒状断面百分率达到某一百分数（例如50%）的温度作转变温度。,（3）延性标准：具体地说是测量随着温度增加缺口根部的横向收缩量或无缺口面的横向膨胀量（图5-9c）。对应于3.8%的侧面膨胀率的温度是较常采用的转变温度。,2.爆炸膨胀试验和落锤试验,图5-10爆炸膨胀试验,1、平裂情况钢板没有产生凹陷变形而断裂，这说明断裂是完全脆性的。2、凹裂情况即钢板产生一定的凹陷而裂开，裂纹直贯板的边缘，这种破坏情况已带有一定的塑性，但基本上还是脆性的。3、凹陷和局部断裂情况钢板有明显的凹陷，但仅在起裂点周围有少量破裂，而裂纹没有超越塑性变形区，这种情况说明材料具有较大的韧性。4、膨胀撕裂情况钢板发生较大的膨胀，裂口是被撕开的。这表明完全是塑性破坏的情况。,无延性转变温度，简称NDT;弹性断裂转变温度，简称FTE;延性断裂转变温度，简称FTP.,NDT还可用简单的落锤试验获得，而不必用较昂贵的爆炸膨胀试验。,在不同温度下用锤头（是一个具有半径为25mm（约1吋）左右圆柱面的钢制重锤）冲击。试验按照标准选择锤头重量、支座的跨距与试验终止挠度，以限制试验时试件的变形量（对于标准试件后者不用选择）。试件断裂的最高温度为无延性转变温度NDT。,图5-11落锤试验示意图,图5-12断裂分析图（FAD）,从图上不难看出，断裂强度是温度和缺陷尺寸的函数。当温度低于NDT时，随着缺陷尺寸加大，断裂强度明显降低。但当温度高于NDT时，这种关系有了明显变化，其断裂强度都明显上升。当温度达到FTF后，其断裂强度不管缺陷尺寸如何都达到或超过材料屈服限。而当温度达到FTP后，材料只有受到相当于拉伸强度。,3.静载试验,图5-13在小缺口试样上静弯试验所得载荷挠度曲线,若曲线形状为图5-13a）中所示的类型则表明起源于缺口附近的断裂发生后，材料的抗裂纹扩展能力是令人满意的。如果曲线形状如图5-13b）中所示的那种类型，出现载荷的陡降段，则表明发生裂纹的脆性扩展。造船业中以a）种类型曲线或b)类型其陡降段未超过最大载荷的1/3为合格。也有以破坏撕裂功为总功20%之温度为临界温度，或以断裂后纤维状断口的百分率确定转变温度。,5.3.2断裂力学方法,表示缺口韧性的转变温度方法已经有了很长的历史，但脆断的事故仍不断发生。其原因除了前述的某些材料的转变温度特征并不明显之外，还因为转变温度的实验结果往往与板厚、强度等级、冶金因素、外加应力和加载速率都有密切的关系。应用实验的结果带有很大的经验性质,而工程实践中这些因素往往发生变化，所以应用原来的转变温度方法所得的实验结果，自然会出现问题。转变温度方法的另一个缺点是未能建立许用应力水平和缺陷尺寸之间可靠的定量关系。,断裂力学就是在承认材料中存在裂纹，在分析裂纹体的基础上，建立了材料中工作应力和裂纹尺寸及断裂韧度之间的关系。当然温度、加载速率、构件尺寸、冶金因素等都会改变断裂韧度的大小。断裂力学分为微观断裂力学和宏观断裂力学。微观断裂力学是研究原子位错等晶体尺度内的断裂过程，宏观断裂力学是不涉及材料内部断裂机理的条件下，通过连续介质力学分析和实际实验作出断裂强度的估算与控制。宏观断裂力学通常又分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学，本节重点讨论宏观断裂力学。,1.线弹性断裂力学评定方法,一是从能量观点出发，考察裂纹扩展过程中能量的变化，得到表征裂纹扩展的能量变化参量能量释放率G；二是通过分析裂纹尖端的应力应变场，得到控制裂纹扩展的特征参量应力强度因子K。,线弹性断裂力学可以用来解决材料的平面应变断裂问题，适用于厚大结构、高强度低韧性钢材和脆性材料的断裂分析，并足够精确。线弹性断裂力学还常用于宇航工业，因为宇航工业减轻重量非常重要，必需采用高强度低韧性的金属材料。实际上金属材料裂纹尖端附近总是存在塑性区，若塑性区尺寸很小（远小于裂纹长度），经过适当修正，则仍可以采用线弹性断裂力学进行断裂分析。,（1）金属材料的脆性断裂的能量理论1）裂纹对材料强度的影响,最大拉应力发生在椭圆长轴端点A（或者A）处，其值为:,该点处的曲率半径:,根据固体物理学确定的固体材料理论断裂强度值为:,按照传统的强度观点，当裂纹尖端的最大应力达到材料理论强度时，材料断裂，即:,得断裂临界应力:,考虑,缺陷是非常尖锐的裂纹缺陷时，裂纹尖端的曲率半径就要用原子间距b0来代替，于是:,对于一般的固体材料理论断裂强度的数量级为E/5E/10，但多数情况下实际的断裂强度比理论估计值低12个数量级，只有无任何缺陷的晶须的强度才能接近理论断裂强度。,2）格里菲斯（Griffith）能量平衡理论及其修正,图5-15格里菲斯裂纹体模型,裂纹释放的能量U:,形成裂纹所需总表面能为:,裂纹体的能量改变总量为：,系统能量的总改变量Ec：,能量改变总量随裂纹长度的变化曲线见图5-16a），其变化率为：,图5-16系统能量与裂纹扩展的关系,裂纹扩展的临界条件或平衡条件是：,经变换得：,上式的右端可以看成是材料本身的固有性质，左端是外部条件，所以说，在理想脆性材料中，裂纹扩展是受到远场外加应力和裂纹长度平方根的乘积控制的，当然也受到材料性质的控制。,若给定裂纹长度a，则临界应力为：,说明，当,的乘积达到某恒定的临界值时，在材料中的裂纹将发生扩展。,若给定应力，也可定出裂纹扩展的临界尺寸为：,式（5-14）与式（5-5）作一比较，因为两式左边均为同一个量，所以有：,当裂纹尖端的曲率半径满足：,一般把满足上式条件的裂纹，称为格里菲斯裂纹。由此可见，格里菲斯理论对裂纹尖端的尖锐度是有严格限制的。,奥罗万（Orowan）对格里菲斯理论的修正,塑性变形是阻止裂纹扩展的主要