焊接结构力学总结

1、绪论1. 焊接的三个过程a) 冶炼i. 热循环的三个特点：1. 加热速度很快；2. 在最高温度下停留时间很短；3. 各点按照不同的冷却速度进行冷却。ii. 热循环的四个参数：加热速度；加热的最高温度；在相变温度以上停留时间；冷却速度。iii. 冷却有先后，导致非均质不连续：成分，组织，性能，尺度不连续iv. 收缩有先后，导致残余应力及残余变形不均匀b) 铸造：焊缝凝固时接头的力学性能c) 热处理2. 焊接结构的特点a) 焊接结构的应力集中变化范围比铆接结构大；b) 焊接接头是一个非均质体，焊接接头具有较大的性能不均匀性；c) 焊接接头的刚性大，整体性强，止裂性能较差；d) 在焊接生产中易产生缺

2、陷：如裂纹等；e) 焊接制造对材料敏感；f) 焊接接头对低温、高温敏感。3. 焊接结构优点a) 焊接接头系数高；b) 水密性和气密性好；c) 重量轻，省材料；d) 焊接结构的厚度基本上不受限制；e) 结构设计简单；f) 生产周期短，成本低。焊接应力与变形1. 内应力与变形的基本概念a) 内应力及其产生原因；i. 概念.：在没有外力的条件下，平衡于物体内部的应力。ii. 分类1. 分布范围：宏观应力，微观应力，超微观应力2. 结构中的空间位置：单向应力，双向应力，三向应力3. 与焊缝的相对位置.：纵向应力，横向应力4. 产生，作用的时间.：瞬时应力，残余应力5. 应力形成原因：温度应力，拘束应力

3、，组织应力b) 变形i. 自由变形.（焊接变形发生的原因）ii. 外观变形.iii. 内部变形.c) 四个基本假定.i. 平截面假定：假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。ii. 金属性质不变的假定：假定在焊接过程中材料的某些热物理性质不随温度而变化。iii. 焊接温度场假定：假定焊接温度场不随时间而改变。iv. 金属屈服点假定：1. 在500以下，屈服点与常温相同，不随温度而变化；2. 500 600之间，屈服点迅速下降；3. 600以上时呈全塑性状态，即屈服点为零。d) 杆件加热时的应力与变形.i. 不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形：冷却后不会有任何残余应力与变形。ii. 受约束

4、的杆件在均匀加热时的应力与变形：1. 当加热温度TTs时，可能出现以下三种情况：a) 如果杆件能充分自由收缩，那么杆件中只出现残余变形而无残余应力。b) 如果杆件受绝对拘束，那么杆件中没有残余变形而存在较大的残余(拉)应力。c) 如果杆件收缩不充分，那么杆件中既有残余应力又有残余变形。e) 长板条受不均匀温度场作用（加热及冷却过程！）i. 在板中心加热.加热过程中中心受压，两侧受拉；冷却过程中心受拉，两侧受压。ii. 在板一侧加热.加热过程中加热侧受压，对侧受拉，应力分布为中心拉应力，两侧压应力。冷却过程中加热侧受拉，对侧受压，应力分布为中心压应力，两侧拉应力。讨论时要全面讨论加热过程和冷却过

5、程两方面，还要注意讨论加热时是否超过屈服极限。若超过则冷却时存在残余应力及应变，若未超过则冷却时可以完全恢复，无应力及应变。f) 金属框架的应力与变形.中心加热膨胀产生温度应力（压应力）压缩屈服变形两侧受拉应力中心冷却收缩产生残余应力（拉应力）拉伸屈服变形两侧受压应力g) 焊接引起的内应力与变形主要取决于热循环及拘束度。2. 焊接残余变形；a) 分类及概念i. 纵向收缩变形：构件焊后在平行焊缝的方向上的尺寸缩短；ii. 横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝的方向上的尺寸缩短；iii. 角变形：焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移；iv. 弯曲变形：由于焊缝的布置偏离焊件的形心轴而产生的变形；v. 波

6、浪变形：焊后构件呈波浪形，在焊薄板中出现的变形；vi. 错边变形：两焊件热膨胀不一致，所引起的长度或厚度方向上的错边。vii. 回转变形：在板厚方向由于不均匀的横向收缩，引起沿焊缝中心线发生弯曲变形。受焊接热输入的影响及焊速的影响。SAW埋弧焊：功率高，速度快；焊前必须做好定位(点固)焊，防止回转变形。b) 焊接后产生基本尺寸的变化：i. 与焊缝轴向垂直的横向收缩；ii. 与焊缝轴向平行的纵向收缩；iii. 角度的变化：板外，板内。c) 纵向收缩变形及其引起的挠曲变形i. 产生原因.在焊接时，焊缝及其附近的金属由于在高温下的自由变形受到阻碍，产生了压缩塑性变形区，是产生纵向变形的主要原因。ii

7、. 纵向收缩变形结论及影响因素1. 焊缝纵向收缩量与焊接线能量或主作用区的面积成正比；2. 焊缝纵向收缩量与工件横截面积成反比；3. 焊缝绝对收缩量随焊缝长度的增大而增大。4. 多层焊接所引起的纵向收缩比单层焊小。 5. 工件原始温度的影响：温度升高相当于增加焊接线能量，增大纵向收缩量6. 间断焊的纵向收缩变形比连续焊小 。iii. 其引起的挠曲变形规律1. 与焊接线能量或堆焊面积成正比；2. 与焊缝偏离板条形心轴的距离成正比；3. 与构件的截面惯性矩成反比。d) 横向收缩变形及其引起的挠曲变形i. 堆焊和角焊缝的横向收缩规律.1. 角焊缝的横向收缩量与角焊缝尺寸与板厚有关。2. 在同样的角焊

8、缝尺寸下，板越厚，刚度越大，横向收缩越小。3. 丁字接头：立板越厚，横板上的热能量越小，变形小。ii. 对接接头的横向收缩规律.及影响因素.1. 对接接头的横向变形大小与焊接线能量，焊缝坡口形式，焊缝截面积以及焊接工艺(焊接顺序等)有关；2. 变形量：气焊手工焊自动焊；3. 随焊丝金属量，板厚和坡口角度的增大而增大；4. 板厚：角焊缝(板越厚，横向收缩越小)和对接接头焊缝(随板厚而增大)；5. 材质：热固性越高，横向收缩越高；是否在施焊过程中发生相变；6. 拘束：拘束系数越高，横向收缩越小7. 焊接工艺：焊根间隙，平板对接，坡口形式，焊接线能量(低)，焊条直径，焊接顺序a) 焊条直径：直径越粗

9、，板的横向收缩量越小；尤其是多层多道焊的初道，应选用粗焊条。铲平焊缝金属后堆焊增加横向收缩量；火焰气刨会使横向收缩量显著增加。b) 焊接顺序：先焊中间，再焊两侧，横向收缩量最小；直通焊的横向收缩量最大，分段焊的平均横向收缩量小于多层焊的横向收缩量。当横向焊缝在结构上分布不对称时，其横向收缩也会引起结构的挠曲变形。e) 角变形i. 产生原因. 根本原因：横向收缩变形在厚度方向上的不均匀分布。1. 焊缝横向收缩引起的弯曲角变形2. 焊缝金属收缩引起的倾斜角变形ii. 堆焊影响因素.1. 产生原因：平板堆焊高温区金属的热膨胀受到附近温度较低区金属的阻碍受挤压，产生压缩塑性变形。而焊接面压缩塑性变形量

10、背面，因此产生。2. 角变形的大小取决于压缩塑性变形的大小和分布情况，同时也取决于板的刚度。3. 焊接线能量与板厚的影响。iii. 对接接头影响因素.1. 坡口角度：越大则角变形越大2. 焊缝截面形状3. 焊接方式：对于同样板厚和坡口形式，多层焊比单层焊角变形大，焊接层数越多，角变形越大，多道焊比多层焊角变形大；4. 焊接顺序：在焊接非对称坡口时，应先焊焊接量小的一面，然后再焊焊接量大的一面iv. 丁字接头角变形.1. 筋板与主板的角变形(破坏了腹板的垂直度)；2. 主板自身的角变形(破坏了平板的平直度)f) 波浪变形i. 原因：薄板在承受压应力时，当其中的压应力达到一临界应力，薄板将出现波浪

11、变形失去承载能力。ii. 波浪(压曲)变形与弯曲变形的差别：1. 波浪变形的变形量比弯曲变形大得多；2. 波浪(压曲)变形后的稳定状态不止一个。iii. 预防措施1. 降低压应力：减小塑性变形区，采用塑性变形区小的焊接方法和措施。2. 提高临界应力：增加板厚和减小板宽。3. 施加预拉应力：最有效的方法iv. 影响因素1. 宽长比（B/L）：在宽长比不变的情况下，不发生波浪变形的临界厚度，随着板宽的增加而增加；2. 焊接线能量：焊接线能量增加，不仅会使焊件开始发生变形的时间提前，而且会使焊件最终的变形量增加；3. 残余应力：残余压应力是导致波浪变形的主要因素。间断焊，减小焊缝尺寸可以降低残余应力

12、。g) 焊接错边.i. 原因：焊接过程中对接边的热量不平衡，装配不善。ii. 后果：使应力集中严重，减小截面面积，构件承载能力大大下降。h) 扭曲变形：与焊接角变形沿长度上的分布不均匀性和工件的纵向错边有关。i) 预防焊接变形的措施i. 焊接变形的危害.1. 影响装配质量；2. 降低接头性能（从局部观察）；3. 降低结构的承载能力（从整体分析）；4. 增加制造成本。ii. 设计措施.1. 合理选择焊件尺寸：焊件的长度、宽度和厚度等对焊接变形有明显影响。2. 合理的选择焊缝的尺寸和坡口形式：在保证结构的承载能力的条件下，尽量采用较小的焊缝尺寸。3. 尽可能减少焊缝的数量：用型钢代替钢板，用断续焊

13、代替连续焊。4. 合理安排焊缝位置：选用对称截面的结构，焊缝布置对称，在设计时，安排焊缝尽可能使焊缝对称于截面的中性轴。iii. 工艺措施1. 正确的确定装配、焊接顺序2. 选择适当的施焊次序和方向a) 当结构形心轴两侧有焊缝时，先焊成型量少的一侧；b) 先焊离构件形心轴近的，对构件变形影响大的最后焊；c) 截面对称的构件应对称的交替焊，尽可能增加翻转辅助时间。3. 反变形法：构件在焊前预制成与变形方向相反的变形，这种方法可以防止弯曲变形和角变形。4. 刚性固定法：在无反变形的情况下，将构件加以固定来限制焊接变形，防止角变形和波浪变形较好。5. 合理选择焊接方法和焊接工艺a) 选择线能量较低的

14、焊接方法(高能量密度的焊接方法，并不代表其焊接线能量高）b) 采用多层焊代替单层焊c) 选择高能量密度的焊接方法d) 采用冷却方式限制、缩小焊接热场6. 预热：整体预热+局部预热j) 矫正残余变形的方法.i. 机械矫正法ii. 火焰矫正法3. 焊接残余应力a) 焊接残余应力的分布i. 影响对接接头纵向残余应力分布的因素.1. 焊缝长度的影响：短焊缝中的纵向残余应力小于长焊缝中的纵向残余应力；（分段焊接）2. 焊接规范的影响：焊板的宽度不同，应力分布也明显不同；3. 材质的影响：不同的材质有不同的理化性能(高温时的变化规律不同，直接影响压缩塑性变形的累积量)；4. 钢中的相变：金属相变后比热容会

15、发生变化；5. 焊接顺序：不同的焊接顺序会产生不同的温度场，不一样的拘束。ii. 横向应力.(后焊部分受到拉应力，先焊部分受到压应力)1. 第一部分：由焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩所引起的。分布状态.，影响因素（中心受拉，两侧受压）2. 第二部分：由焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩的不同时性所引起的。产生原因.，分布状态（先焊受压，后焊受拉）3. 影响因素a) 焊接的方向和焊接顺序的影响：对直通焊和从中心向两端焊所产生的 y的分布规律相同，两者产生的y相互抵消，最终使得总横向残余应力减小。b) 焊缝长度的影响：焊缝长度对横向残余应力的影响没有对纵向残余应力的影响显著。c) 拘束的影响：

16、在拘束的情况下，焊件中横向残余应力的峰值比没有拘束的焊件大得多，会引起焊件纵向的裂纹。b) 焊接残余应力对性能的影响i. 对静载强度的影响ii. 对机械加工精度的影响iii. 对疲劳强度的影响iv. 对应力腐蚀开裂(SCC)的影响v. 对压曲强度的影响vi. 对结构刚度的影响c) 应力腐蚀的三个阶段i. 第一阶段：局部腐蚀(点蚀)造成小腐蚀坑和其它形式的应力集中，以后又发展成为微小裂纹；（局部腐蚀）ii. 第二阶段：在腐蚀作用下，裂纹尖端处不断地被腐蚀掉，而在应力作用下又不断地产生新的表面，这些表面又进一步被腐蚀。在应力和腐蚀的交替作用下裂纹逐渐扩展；（裂纹扩展）iii. 第三阶段：当裂纹扩展

17、到一临界值，裂纹就在应力作用下以极快的速度扩展造成脆性断裂。（断裂）d) 减小焊接残余应力的措施i. 在焊接过程中调节内应力1. 设计措施.a) 采用刚性加热减应区方法减小焊缝残余应力；b) 采用分段焊方法减小焊缝残余应力，减小焊后收缩变形。c) 在保证结构强度的前提下，尽量减少焊缝截面尺寸和长度；d) 焊缝不止应避免集中，相邻焊缝最小距离要符合相关要求；e) 尽量避免三轴交叉焊缝；f) 采用刚性较小的接头形式；g) 焊缝尽量不布置在工作应力最严重的区域和断面突变处，减小应力集中。2. 工艺措施a) 留余量法b) 刚性固定法c) 采用合理的焊接顺序和方向：d) 先焊收缩量大的焊缝；e) 先焊工

18、作时受力较大的焊缝；f) 在拼板时，应先拼焊错开的短焊缝，然后再焊直通的长焊缝；g) 在焊接封闭焊缝后其他刚性较大，自由度较小的焊缝时，可采用反变形法来增加焊缝处的自由度；h) 锤击或碾压焊缝；i) 焊接时预热和跟踪加热。ii. 机械拉伸法降低残余应力.iii. 焊后热处理1. 目的.：改善焊接接头组织、性能；消除残余应力。2. 影响因素.：热处理的温度，加热及冷却的速度，加热方法，加热 范围的大小。4. 焊接残余应力的测定方法：（全破坏，半破坏，无损）a) 应力释放法：切条法，车削法，刨削法，套孔法，小孔法。b) 磁性法；c) X射线衍射法。5. 本章复习题a) 焊接变形与应力形成的原因是什

19、么？i. 焊接变形的原因：当物体的温度发生变化，或发生了相变，其尺寸和形状就要发生变化。ii. 焊接应力形成的原因：1. 温度应力：由于焊件不均匀加热引起的应力；2. 拘束应力：由于焊件热变形受到拘束引起的应力；3. 组织应力：由于接头金属组织转变时的体积变化受阻引起的应力。iii. 残余应力：不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服限，使局部区域产生塑性变形。当温度恢复到原始的均匀状态后，所产生新的内应力。b) 焊接应力和变形有什么危害？i. 焊接应力增加结构工作时的应力，降低承载能力；ii. 焊接变形影响装配质量，降低接头性能（从局部观察），降低结构的承载能力（从整体分析），增加制造成本。

20、c) 焊接角变形、弯曲变形产生的原因是什么？i. 角变形：横向收缩变形在厚度方向上的不均匀分布，可分为焊缝横向收缩引起的弯曲角变形，焊缝金属收缩引起的倾斜角变形 ii. 弯曲变形：1. 纵向收缩变形引起：焊缝在构件中的位置不对称时，焊缝引起的假想压力是一个偏心力，它在使构件缩短的同时，也会使构件弯曲。纵向收缩引起的弯曲变形与焊接线能量或堆焊面积成正比，与焊缝偏离板条形心轴的距离成正比，与构件的截面惯性矩成反比。2. 横向收缩变形引起：横向焊缝在结构上分布不对称，则它的横向收缩也能引起结构的弯曲变形。d) 减少和消除焊接应力与变形的措施有哪些？i. 减小焊接应力措施：1. 在焊接过程中调节内应力

21、：采用合理的焊接顺序，减小接头刚度，采用加热减应区法。2. 机械拉伸法降低残余应力：液压试验；3. 焊后热处理(高温回火)：改善焊接接头组织、性能，消除残余应力；4. 热塑性法，振动法。5. 设计措施：a) 在保证结构强度的前提下，尽量减少焊缝截面尺寸和长度；b) 焊缝不止应避免集中，相邻焊缝最小距离要符合相关要求；c) 尽量避免三轴交叉焊缝；d) 采用刚性较小的接头形式；e) 焊缝尽量不布置在工作应力最严重的区域和断面突变处，减小应力集中。6. 工艺原则：a) 采用合理的焊接顺序和方向：i. 先焊收缩量大的焊缝；ii. 先焊工作时受力较大的焊缝；iii. 在拼板时，应先拼焊错开的短焊缝，然后

22、再焊直通的长焊缝。b) 在焊接刚性较大，自由度较小的焊缝时可采用反变形法来增加焊缝处的自由度；c) 锤击或碾压焊缝；d) 焊接时预热和跟踪加热。ii. 预防焊接变形的措施：1. 设计措施：a) 合理选择焊件尺寸：焊件长度、宽度和厚度等尺寸对焊接变形有明显影响；b) 合理的选择焊缝的尺寸和坡口形式：在保证结构的承载能力的条件下，尽量采用较小的焊缝尺寸，采用开坡口的焊缝可以比一般角焊缝减少焊缝金属，对减少变形有利；c) 尽可能减少焊缝的数量：用型钢代替钢板，用断续焊代替连续焊；d) 合理安排焊缝位置：选用对称截面的结构，焊缝布置对称，在设计时，安排焊缝尽可能使焊缝对称于截面的中性轴。2. 工艺措施

23、a) 正确的确定装配、焊接顺序；b) 选择适当的施焊次序和方向；c) 采用反变形法：即在焊前将构件预制成与变形方向相反的变形，这种方法可以防止弯曲变形和角变形；d) 采用刚性固定法：在无反变形的情况下，将构件加以固定来限制焊接变形，防止角变形和波浪变形较好。e) 合理选择焊接方法和焊接规范：选择线能量较低的焊接方法，采用多层焊代替单层焊，选择高能量密度的焊接方法，采用冷却方式限制和缩小焊接热场。f) 预热：适当的预热可使得焊接温度分布趋于均匀化。e) 如何矫正焊接变形？i. 机械矫正法：将变形构件中的尺寸较短的部分通过机械力作用，使之产生塑性延展变形，而恢复和达到形状的要求，对于薄板结构和焊缝

24、比较规则的结构时，采用辗压法消除焊接变形；ii. 火焰矫正法：利用火焰加热时产生的局部压缩变形使较长部分在冷却后缩短来消除变形，但不适用于具有晶间腐蚀倾向的不锈钢和淬硬倾向较大的钢材。焊接接头1. 焊接热循环（焊接过程包括冶炼，铸造，热处理三个过程。）焊接过程中，在焊接热源的作用下，焊件上某点温度随时间变化的过程，其特征是加热速度很快，在最高温度下停留时间很短，随后各点按照不同的冷却速度进行冷却。主要参数：加热速度，最高加热温度，在相变温度以上停留时间，冷却速度。2. 焊接接头：焊缝金属；熔合区；热影响区；母材。a) 基本参数.：熔深，熔宽，余高及焊缝成形系数i. 余高作用1. 防止因凝固收缩

25、而造成的缺陷2. 增大承受静载的能力；3. 造成应力集中；4. 疲劳寿命下降。ii. 焊缝成形系数作用1. 影响气孔敏感性；2. 影响结晶方向；3. 影响中心偏析及裂纹倾向。影响焊缝形状尺寸的因素有哪些?熔化焊导致不均匀温度场，使其产生非平衡凝固。随着冷却速度的提高，平衡相图上的各个相变点和温度线都会发生偏移。b) 熔合区c) 焊缝金属区焊接加热时，焊缝金属区的温度在液相线以上，冷却后成为柱状晶铸态组织。d) 热影响区(特点)及力学性能i. 过热区：此区的加热温度范围为固相线至1100，具有过热组织或晶粒显著粗大的组织。ii. 细晶区：此区的加热温度范围为AC3以上，未达到过热温度，由于焊后空

26、冷，相当于热处理后的正火组织。iii. 部分相变区：此区的加热温度范围为AC3-AC1之间。空冷时为先共析铁素体（细小）和珠光体以及未溶的粗大铁素体组织。3. 影响焊接接头性能的主要因素 .a) 焊接缺陷：焊接裂纹(接头破坏的破坏源)、熔合不良、咬边、夹渣、气孔 b) 接头形状不连续性(加强高即余高)c) 焊接残余应力和变形（应力叠加+变形=接头强度下降）前三项主要是对力学性能的影响。d) 材质：塑性应变，相变使材质性能下降e) 焊后热处理f) 焊接材料：焊条和焊丝等（焊条，焊丝与母材强度及化学成分的搭配）g) 焊接方法h) 焊接工艺：焊接电流、电弧电压、焊接速度和线能量等的总称为工艺参数4.

27、 设计焊接接头的注意事项.a) 保证焊接接头满足使用要求；b) 在不损害强度的前提下，必须尽量减少焊接部位。c) 在设计焊接接头时，要注意使接头的可焊性好，并尽可能选用自动化程度较高的焊接方法。d) 力求减小焊接接头的拘束应力。避免几条焊缝集中在一起，或者焊缝彼此过于接近，以避免产生裂纹和材质性能变坏。e) 接头形式能保证选择的焊接方法正常施焊；f) 对大型焊接结构，必须对胚料的加工精度和接头的装配精度有较严格的技术要求，以避免产生接头错边；g) 接头形式应尽量简单，尽量采用平焊和自动焊焊接方法，少采用仰焊和立焊，且最大应力尽量不设在焊缝上；h) 焊接工艺能保证焊接接头在设计温度和腐蚀介质中正

28、常工作；i) 焊接接头便于检验；j) 焊前准备的工作量和焊接所需费用低。5. 焊接接头的基本形式.（图样绘制）a) 对接接头：将同一平面上的两个被焊工件的边缘相对焊接起来而形成的接头。对接接头是焊接结构中理想的方式，具有受力好、强度大和节省金属材料的特点。b) T型接头：将相互垂直的被连接件用角焊缝连接起来的接头。T形(十字)接头能承受各种方向的力和力矩，是各种箱型结构中最常见的接头形式。c) 搭接接头：两块板料相叠，而在端部或侧面进行角焊，或加上塞焊缝、槽焊缝连接的接头。搭接接头中两钢板中心线不一致，受力时产生附加弯矩，会影响焊缝强度。d) 角接接头：两钢板成一定角度，在钢板边缘焊接的接头。

29、角接头多用于箱形构件，骑座式管接头和筒体的连接，小型锅炉中火筒和封头连接。6. 焊接坡口a) 定义b) 开坡口的根本目的：保证焊接接头的质量，性能以及经济性i. 质量：是为保证电弧能深入到焊缝根部使其焊透，便于清渣以获得良好的焊缝成形性，对于合金钢来说，坡口还能起到调节熔合比的作用；ii. 性能：对动载强度，疲劳强度，断裂强度的影响 ；iii. 经济性。c) 坡口的设计原则.坡口的形式和尺寸主要根据钢结构的板厚、选用的焊接方法、焊接位置和焊接工艺等来选择和设计。 i. 焊缝中填充的材料少；ii. 具有好的可焊性；iii. 坡口的形状应容易加工；iv. 便于调整焊接变形；d) 选择坡口的依据i.

30、 加工的难易程度；ii. 焊接材料的消耗量；iii. 具有好的可焊性及可焊到性.7. 焊接接头的力学性能a) 焊缝金属的凝固(特点)：柱状晶和细晶的形成过程？单道焊组织为典型的柱状晶。柱状晶通常是与等温线垂直的方向长大。多层焊时，后续焊道对前一道焊缝重新加热，于是消除了柱状晶，并使晶粒细化。b) 焊缝金属的力学性能：取决于焊接方法，焊接规范，焊接工艺，线能量，接头形式。c) 熔合区的力学性能焊缝与母材交接的过渡区。冷却后熔化的金属凝固成铸态组织，未熔化的金属因加热温度过高成为粗晶，其韧性和塑性明显变差，容易产生裂纹和脆性破坏，是焊接接头的危险区域之一。d) 热影响区的力学性能i. 强度分布1.

31、 1200，粗晶区，硬度、强度比母材高，塑性比母材低；(主要受冷却速度的影响)2. 700-900，屈服强度比母材低；3. 低于700，无组织变化。ii. 韧性变化.：韧性不均匀。（控制母材组织及韧化处理）1200度以上的粗晶区到熔合线部分：焊缝附近的脆化区。iii. 热塑性应变脆化.iv. 硬化.：主要取决于被焊钢种的化学成分和冷却条件v. 软化HAZ的软化或失强对焊接接头力学性能影响相对较小；采用小焊接线能量、多层焊并保持较低的层间温度，可降低强化相的析出聚集，从而降低HAZ的软化倾向。8. 焊接接头的工作应力分布及性能a) 应力集中(系数)：由于焊接的形状和焊缝布置的特点，焊接接头工作应

32、力的分布是不均匀的，其最大应力比平均应力值高，这种情况称应力集中。b) 应力集中产生原因i. 焊接工艺缺陷、冶金缺陷：夹渣、气孔、咬边、未焊透均会引起应力集中、其中咬边、未焊透较为严重。ii. 不合理的焊缝外形：不同焊缝形状会引起不同程度的应力集中。iii. 不合理的接头设计：不同接头型式引起应力集中不同。iv. 焊缝布置不合理v. 焊接残余应力vi. 制造过程中的缺陷应力集中系数的大小与余高及焊缝向母材过渡的半径有关。c) 对接接头的工作应力分布.（原因：余高及焊缝向母材过渡的半径）对接接头的焊缝形状产生了结构不连续性，因而引起不同的应力分布，在焊缝与母材的过渡处引起应力集中，最大应力集中部

33、位在焊趾。d) T形接头的工作应力分布. （原因：未熔透）未熔透的十字接头，在焊趾和焊根处有较大的应力集中系数，其中以焊根处为最大；熔透的十字接头有较小的应力集中系数。对于板厚方向承受高拉应力的十字接头，以防厚板出现层状撕裂，使用插件将工作焊缝转化为联系焊缝。e) 搭接接头的工作应力分布.i. 正面搭接角焊缝：与力作用方向垂直的焊缝1. 焊缝根部、焊趾应力集中严重2. 焊趾的应力集中系数随角焊缝的斜边与水平边的夹角而改变3. 减小、增大熔深焊透根部和增大底边焊脚长度，可使KT减小4. 为了减少弯曲应力，两条正面角焊缝之间的距离应不小于其板厚的4倍。ii. 侧面搭接角焊缝iii. 斜向搭接角焊缝

34、iv. 联合搭接角焊缝f) 根据焊接接头的设计情况，焊缝可以承剪切、拉伸、撕拉和扭转等载荷。g) 电阻点焊接头i. 焊点主要承受剪切应力；ii. 单排点焊接头的应力分布与t/d有关；iii. 多排点焊以两端焊点排受力最大，中间焊点最小。iv. 焊点排数不宜过多，不多于3排v. 焊点排数指垂直于受力方向vi. 最多3排的原因：电流分流影响焊点质量；排数越多，应力分布越不均匀。h) 铆焊联合结构.和铆焊联合接头(不合理)i. 铆接接头比焊接接头刚度小，在承受冲击载荷的时候能够吸收较大的能量，起到缓冲作用。ii. 铆接接头的应力集中系数较某些焊接接头的小，疲劳强度大。iii. 铆接接头中的内应力较焊

35、接接头低。iv. 铆接结构有良好的止裂性能。v. 铆接结构易于在工地条件下连接，有较好的安装质量。9. 焊接接头静载强度计算和设计a) 工作焊缝及联系焊缝.i. 工作焊缝：焊缝与被连接板件沿受力方向成串联形式布置，焊缝传递全部载荷，一旦焊缝断裂，则接头立即破坏。ii. 联系焊缝：焊缝与被连接板件沿受力方向成并联形式布置，焊缝只传递很少的载荷，主要在被连接板之间起到联系作用，即使焊缝断裂，焊接结构并不立即失效。b) 联系焊缝要考虑经济性而减小、减短焊缝；c) 具有双重性的焊缝，即有工作应力又有联系应力，则只计算工作应力，而不考虑联系应力d) 在判断焊缝是工作焊缝还是联系焊缝时，不仅要看焊缝与被连

36、接板的布置形式，更重要的是看焊缝断裂后接头是否立即失效焊接结构的脆性断裂1. 脆性断裂的特点及分类a) 特点i. 突然性或不可预见性；ii. 断裂时的平均应力比屈服极限和设计许用应力小得多，是低应力脆断；iii. 由宏观裂纹扩展引起，没有显著的塑性变形。b) 解理断裂i. 定义及原理(解理面)解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于原子间结合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶学平面(即所谓“解理面”)劈开而造成的。ii. 特点c) 沿晶断裂i. 定义：沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。ii. 导致原因1. 晶界存在连续分布的脆性第二相2. 微量有害杂质元素在晶界上偏聚3. 由于环境介质的作用损害

37、了晶界iii. 特点.断口较灰暗、岩石状、冰糖状。宏观呈颗粒状，有剪切唇；微观为明显的多面体，没有明显塑性变形。2. 塑性断裂的两个阶段.及特征.a) 外力作用使得材料发生变形，夹杂物和第二相粒子的存在使周围形成位错塞积。随外力继续增加，形成微空穴。b) 随外力继续增加，材料继续变形和滑移，形成的微空穴会聚集长大，使裂纹扩展，最终出现断裂。c) 韧窝的尺寸形状的影响因素d) 脆性断裂及塑性断裂的相同及不同点.i. 最大的不同点：塑性断裂在断裂前比解理断裂有更大的塑性变形。（断裂前的塑性变形量的大小）；ii. 相同点：都是由于夹杂物和第二相质点导致的位错塞积造成的。3. 影响构件脆性断裂的因素a

38、) 化学成分b) 金属晶粒度和各向异性i. 晶粒细小，滑移距离短，在障碍物前塞积的位错数目较少，相应的应力集中较小，而且由于相邻晶粒取向不同，裂纹越过晶界有转折，需要消耗更多的能量；ii. 晶界对裂纹扩展有阻碍作用，裂纹能否越过晶界，往往是产不产生失稳扩展的关键。晶粒越细，则晶界越多，阻碍作用越大。iii. 晶粒细化既提高了材料的强度，又提高了它的塑性和韧性。iv. 形变强化、固溶强化、弥散强化(沉淀强化)等方法，在提高材料强度的同时，总要降低一些塑性和韧性。c) 板厚i. 薄板处于平面应力状态，较大；ii. 厚板在缺口处容易形成三轴拉应力，由于沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制，处于平面应

39、变状态，较小，易产生脆断。iii. 终轧温度越低，轧制次数越多，其塑韧性越好d) 应力状态：应力集中会引起材料脆化。e) 加载速度：加载速度的增加，材料的屈服点升高，促使材料向脆性转变。f) 温度：随着温度降低，材料的屈服点升高，而抗拉强度基本上与温度变化无关。4. 脆断特征及事故因素a) 结构在低温下工作，低温使得材料的性质变脆；b) 焊接残余应力起到不良作用；c) 焊接过程引起的热应变脆化，使材质韧性下降；d) 用不合格材料；e) 结构设计不合理；f) 焊接过程中形成错边和产生角变形。5. 焊接结构产生脆性断裂的原因a) 材料的韧性不足：材料的微观塑性变形能力差，特别是焊接结构的缺口、尖端

40、处，起弧位置，脆性断裂在大多数情况下从焊接区开始，所以焊缝及热影响区的韧性不足往往是造成低应力脆性破坏的主要原因。b) 存在裂纹等缺陷：断裂总是从材料缺陷处开始，缺陷中则以裂纹为最危险，而焊接则是产生裂纹的主要原因。c) 设计和制造工艺不合理：不正确的设计和不良的制造工艺会产生较大的焊接残余应力，该应力过大时，则导致结构的脆性断裂。6. 缺口效应a) 引起应力集中，并引起三向应力状态或两向应力状态；b) 使材料强度增高，塑性降低，脆性增大。c) 缺口越尖锐、曲率越小应力集中越严重。7. 材料断裂的评定方法a) 转变温度方法(屈强比的影响)i. 临界转变温度的确定方法.：冲击试验，佩里断裂分析理

41、论，尼伯林克试验，静载试验。ii. 冲击韧性定义：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力，是材料强度和塑性的综合表现。iii. 冲击试验的评定方法：能量准则法，断口形貌准则法，延性准则法。iv. 止裂的情况：1. 裂纹前方区域具有足够的韧性；2. 裂纹到达应力低值区。b) 断裂力学方法i. (临界)应力强度因子ii. 断裂韧度及判据iii. 断裂韧度的应用8. 影响焊接结构脆性断裂的因素a) 焊接结构的特点：刚性大、整体性强b) 焊接结构制造工艺特点对脆断的影响i. 焊接残余应力的影响.焊接残余应力对脆性断裂有哪些影响？低应力脆性断裂有以下几种情况：A.在低应力下产生裂纹并立即断裂。这是

42、最危险的失隐断裂。B.低应力下虽产生脆性裂纹，但裂纹扩展到一定长度后自行停止。以后继续加载到屈服强度后才完全断裂。C.在较高温度下，则要有高达屈服强度的应力才会产生裂纹，最后发生断裂。当温度在材料的脆性转变温度以下时，如果焊接残余应力为拉应力，拉伸残余应力将和工作应力迭加共同起作用，在外加载荷很低时，发生低应力脆性破坏。 拉伸残余应力一般只限于焊缝附近部位，所以在焊缝附近的峰值残余应力有助于断裂的发生。ii. 焊接应力循环和应变循环的影响1. 试验结果表明，焊接应力、应变循环对于焊前有裂纹和焊后开裂的宽板试件抗脆断能力有不同程度的影响，特别是应变循环的影响差别更大。2. 由应力循环、应变循环、

43、热塑性变形循环以及热循环引起的应变时效对局部脆化影响严重。由热循环引起的应变时效热应变时效或动应变时效。iii. 焊接生产过程的影响：预应变+弯板矫形iv. 焊接热循环产生的组织变化的影响：q的大小焊接过程的快速加热和冷却，使焊缝本身和热影响区发生一系列组织变化，过小的焊接热输入易造成淬硬组织并易产生裂纹；过大的焊接热输入易造成晶粒粗大和脆化，降低接头的韧性。v. 角变形和错边的影响vi. 焊接缺陷的影响：面缺陷体缺陷 焊接接头中，大约40的脆断事故是从焊接缺陷处开始的。在外载作用下，裂纹前沿附近会产生少量塑性变形，同时尖端有一定量的张开位移，使裂纹缓慢发展，当外载增加到某一临界值时，裂纹即以

44、高速度扩展，此时裂纹如位于高值拉应力区，往往引起整个结构的脆性断裂。 除去裂纹以外，其他焊接缺陷，如咬边、未焊透、焊缝表面成形不良等，都会产生应力集中和可能引起脆性破坏。9. 脆性断裂的分析a) 亚临界裂纹引起的脆断的原因i. 对结构提供了附加能量；ii. 使结构产生局部脆化（热塑性脆化）；iii. 造成疲劳和应力腐蚀裂纹。b) 裂纹扩展.i. 稳定扩展（亚临界扩展）：在不断接收外界能量的情况下扩展（半临界裂纹尺寸到临界裂纹尺寸）；ii. 失稳扩展：不需要持续提供能量，裂纹自动发生扩展（大于临界裂纹尺寸）c) 断裂理论的应用d) 焊接结构的设计原则.i. 防止断裂引发原则：结构的薄弱环节应具有

45、一定的抗开裂性能（易）ii. 止裂原则：一旦出现裂纹，材料应具有止裂能力（难）10. 预防焊接结构脆性断裂的措施a) 采用合理的结构设计i. 全面了解焊接结构的工作条件ii. 尽量减少结构和接头的应力集中.1. 在结构中一些界面需要改变的地方，必须设计成平缓过渡，不允许有突变和尖角。2. 在设计中应尽量选用应力集中系数小的对接接头，避免选应力集中系数较大的盖板接头。辨析：设计时应该采用应力集中系数小的接头，避免使用盖板接头及搭接接头。上图为角焊缝的环焊缝，下图为对接接头的环焊缝，它的收缩空间较大，横向应力有足够的释放空间，应力集中系数较小。3. 不同厚度的构件对接时应尽可能采用圆滑过渡。4.

46、充分考虑可焊到性。5. 避免焊缝密集。iii. 尽量减小结构的刚度iv. 不采用过厚的板材v. 要重视结构中附加件的连接形式和不受力焊缝的设计vi. 采用合理的焊接工艺b) 正确选用材料.选材原则是既要保证结构的安全性，又要考虑经济效益。一般，应使所选母材和焊接填充金属保证在工作温度下有合格的缺口韧性。含义：i. 在结构工作条件下，焊缝，热影响区，熔合线的最脆部位应有足够的抗开裂能力；ii. 随着钢材强度等级的提高，断裂韧性和工艺性一般都有所下降。所以不宜采用比实际需要强度更高的材料。c) 严格执行制造工艺和质量要求断裂力学方法评定结构的安全性，重视质量监督。焊接接头和结构的疲劳强度1. 疲劳

47、断裂定义（名解）2. 脆性破坏与疲劳破坏的相同点与不同点.a) 都属低应力破坏；b) 破坏前结构都没有明显的征兆或外观变形，突发性强；c) 都对应力集中很敏感，起裂位置多半存在原始缺陷，或起裂于应力集中点。3. 疲劳强度的基本概念a) 疲劳应力循环特性的基本参数.：最大，最小，平均，特征，应力幅b) 应力循环的基本类型（载荷的种类）.：静载，脉动，波动，随机，对称c) 疲劳强度与疲劳极限d) 图解法4. 疲劳分类.a) 应力状态：扭转疲劳，拉压疲劳，弯曲疲劳，复合疲劳；b) 环境：热疲劳，腐蚀疲劳，接触疲劳；c) 循环周期：高周疲劳，低周疲劳；d) 破坏原因：机械疲劳，热疲劳，腐蚀疲劳。5.

48、疲劳裂纹形成(及疲劳破坏定义)疲劳断裂是由循环应力(形核)、拉应力(扩展)、塑性应变同时作用而造成的。a) 疲劳裂纹的形成（三种形核方式）i. 滑移带开裂；ii. 夹杂物和基体晶面开裂；iii. 孪晶和晶界开裂b) 疲劳裂纹的扩展过程及机理i. 第一阶段：与拉应力轴线成45度角。沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展；ii. 第二阶段：与拉应力轴向垂直。由于晶界的阻碍作用，使扩展方向逐渐垂直于主应力方向，可以穿晶扩展。形成疲劳辉纹，一条辉纹就是一次循环的结果。c) 疲劳破坏的宏观断口特征i. 疲劳源：断面光亮平滑，可以有一个或几个不等；ii. 疲劳区：断口比较光滑并且分布有贝纹线；iii. 瞬断区：

49、断口粗糙，呈结晶状或放射状，边缘有剪切唇。6. 影响构件疲劳强度的因素.a) 应力集中：强度越高，缺口越尖锐，应力集中越敏感；b) 表面状况：表面粗糙度及表面强化的影响；c) 尺寸的影响：尺寸增加，疲劳极限降低，应力集中系数增加；i. 试样尺寸增加时，材料疲劳极限降低；（考虑表层状态影响越显著）ii. 强度高的合金钢，其尺寸影响比强度低的钢大；iii. 当应力分布不均匀性增加时，尺寸影响也增加；iv. 尺寸增加时，有效应力集中系数也增加。d) 材料内因：包括化学成分，显微组织，冶金缺陷；e) 工件结构：包括壁厚，壁厚均匀性及表面沟槽；f) 工况因素：包括载荷及环境的影响。7. 断裂力学中裂纹的

50、亚临界扩展8. 焊接结构疲劳强度设计的一般原则9. 影响焊接接头疲劳强度的因素a) 焊接接头应力集中i. 结构表面形状的突然变化；ii. 各种缺陷和孔洞；iii. 焊接变形错边，角变形。b) 焊接残余应力的影响i. 对于无应力集中现象的试件，残余应力一般不会降低疲劳强度；只有在应力集中的情况下，残余拉伸应力才会降低疲劳强度。ii. 残余拉应力提高了疲劳循环的平均应力，加速疲劳破坏；残余压应力可以阻止或减缓疲劳裂纹的萌生及扩展。iii. 结构刚柔相济的程度：构件的整体刚度和强度是结构承载的根基；接头间的平滑、圆滑、柔韧程度，是减低应力集中敏感性的重要手段c) 焊接缺陷的影响i. 表面缺陷比内部缺

51、陷影响大，与作用力方向垂直的面缺陷的影响比其它方向的大；ii. 位于残余拉应力区内的缺陷的影响比在残余压应力区的大；iii. 位于应力集中区的缺陷（如焊缝趾部裂纹）比在均匀应力场中同样缺陷影响大。d) 疲劳载荷性质及大小e) 环境因素(腐蚀介质)f) 材质的纯度及材料的塑性和韧性10. 提高焊接接头疲劳强度的措施a) 降低应力集中i. 设计合理的结构形式，减少应力集中，以提高疲劳强度。 ii. 尽量采用应力集中系数小的焊接接头iii. 在必须采用角焊缝的情况下，应采取综合措施来提高疲劳强度，焊趾处采用机械加工，合理选择角接板形状，保证焊缝根部焊透。这些措施都能使应力集中降低，减少残余应力的不利

52、影响。iv. 试验证明，当焊缝周围刚性较大时，可以通过开缓和槽的方法来提高接头的疲劳强度v. 采用表面机械加工的方法，消除焊趾处的刻槽，降低应力集中程度，以提高接头的疲劳强度。vi. 采用电弧TIG或等离子束整形的方法可以代替机械加工的方法来使焊缝与基本金属之间平滑过渡。b) 调整残余应力场.i. 超载预拉伸ii. 局部挤压或点状加热c) 表面强化处理.i. 锤击法ii. 喷丸11. 其他类型疲劳.12. 复习题a) 什么是疲劳破坏？疲劳破坏可分哪几类？疲劳破坏：材料在循环变应力作用下，虽然工作应力的最大值小于材料的强度极限，但由于材料局部造成永久性累积损伤，从而产生裂纹并且最终断裂。按应力状

53、态分：弯曲疲劳，扭转疲劳，拉压疲劳，复合疲劳；按环境分：腐蚀疲劳，热疲劳，接触疲劳；按循环周期分：高周疲劳，低周疲劳；按破坏原因分：机械疲劳，腐蚀疲劳，热疲劳b) 断口形貌可分为哪三个区域？有何特征？疲劳源，疲劳区，瞬断区。疲劳源：断面光亮平滑，可以有一个或几个不等；疲劳区：断口比较光滑并且分布有贝纹线；瞬断区：断口粗糙，呈结晶状或放射状，边缘有剪切唇。c) 试阐述疲劳断裂的过程。疲劳断裂分为三个阶段：裂纹形成，裂纹扩展，瞬时断裂。i. 裂纹形成：有三种方式：滑移带开裂；夹杂物和基体晶面开裂；孪晶和晶界开裂。ii. 裂纹扩展：1. 第一阶段：扩展方向与拉应力轴线成45度角，沿主滑移系以纯剪切方式向内扩展；2. 第二阶段：与拉应力轴向垂直。由于晶界的阻碍作用，使扩展方向逐渐垂直于主应力方向，可以穿晶扩展。形成疲劳辉纹，一条辉纹就是一次循环的结果。iii. 瞬时断裂d) 影响零件疲劳强度的因素有哪些？i. 应力集中：强度越高，缺口越尖锐，应力集中越敏感；ii. 表面状况：表面粗糙度及表面强化的影响；iii. 尺寸