焊接结构 焊接残余应力课件

第三节焊接残余应力通常意义的焊接应力实际包括两类：焊接瞬时应力：焊接过程中某瞬时存在于结构中的应力。焊接残余应力：焊接后残留于结构中的应力。第三节焊接残余应力通常意义的焊接应力实际包括两类：1一、焊接残余应力的分布构件厚度不大δ<15-20mm，残余应力为纵、横双向状态,即双轴平面应力构件厚度较大δ>20mm，残余应力为三轴体积状态。（平行于焊缝轴线分布的应力称为纵向应力:σX；垂直于焊缝轴线的应力称为横向应力:σy；厚度方向的残余应力：σZ）一、焊接残余应力的分布构件厚度不大δ<15-20mm，残余2（一）、纵向应力1、σX的分布在低碳钢和普通低合金钢的焊接结构中，其任意横截面上的应力性质均相同，即：焊缝及其附近的压缩塑性变形区内为拉应力，且数值一般达到材料的屈服极限σS，而稍离开焊缝区，拉伸应力迅速陡降，继而出现残余压应力。显然，沿整条焊缝分布的σX都为拉应力，但拉应力的分布并不完全相同。（一）、纵向应力1、σX的分布3焊接结构焊接残余应力课件4在焊缝的中间区域，拉应力数值恒定，为材料的σS，而在板件两端，拉应力逐渐变化，在自由端面（0-0截面）处σX=0。靠近自由端面的Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面σX＜σS，随着截面离开自由端距离的增加σX逐渐趋近于σS，通常把板条中部σX基本保持不变的区域称为稳定区，把板件两端称为残余应力过渡区。在焊缝的中间区域，拉应力数值恒定，为材料的σS，而在52、影响σx分布的因素a.焊缝长度LL↑，σx增加直至屈服极限；同时，焊缝越长，板条中部稳定区越长；随着焊缝缩短，σx减小且稳定区逐渐减小，直至消失。2、影响σx分布的因素6b.板宽(B）板宽不同，焊接σx分布不同当焊缝位于平板中心，B较小时，σx分布在整个宽度上，并随B↑，拉、压应力区交替出现，应力区面积增大；若B很大，则σx只在焊缝附近一定区域内分布。当焊缝并非位于平板中心，σx在较宽一处附近分布。b.板宽(B）7c.材质的影响结构材质不同，其焊缝上σx的分布也不同，随材料膨胀系数和弹性模数的降低，纵向应力的最大值也会随之降低。低碳钢：焊接热场分布不均匀，焊接区各部分之间的温差大，焊缝附近的压缩塑性区及塑变量大，σx大。铝合金：因其导热系数高，热场趋于均匀，等温线分布接近正圆，材料加热膨胀受到的c.材质的影响8阻碍小，塑性变形小，残余应力低。σx≈0.6-0.8σs钛合金：膨胀系数、弹性模量低，αE=1/3钢，产生的塑性应变不大，σx低。σx≈0.5-0.8σs钢

阻碍小，塑性变形小，残余应力低。σx≈0.6-0.8σs9

图2-19高温时材料屈服强度变化图2-20纵向残余应力分布图2-19高温时材料屈服强度变化10图2-21高强度钢对接焊缝纵向残余应力曲线0为低碳钢焊件中典型的残余应力分布，焊缝处的最大残余应力值可高达材料的屈服应力。曲线1、2、3表示HY-130或HY-180等一些高强度钢焊件中可能出现的纵向残余应力分布。图2-21高强度钢对接焊缝纵向残余应力曲线0为低碳钢焊件中11假如最大残余拉伸应力高达屈服应力，则应力分布如图中的曲线1。显然，这种情况下将产生严重的残余应力和变形，在焊接区可能产生裂纹。如果分布规律如曲线2，高值残余拉伸应力仅局限于狭窄区域内，则残余变形显然比上述情况要小得多，但由于最大残余拉伸应力仍然很大，所以也有可能在焊接区产生裂纹。如果分布规律如曲线3，则焊件不会产生裂纹。假如最大残余拉伸应力高达屈服应力，则应力分布如图中的曲线1。123、圆筒上环焊缝引起的纵向应力圆筒上环焊缝引起的纵向应力对于圆筒体就是切向应力。a.σx的分布规律：在焊缝及其附近的区域内为拉伸应力，远离焊缝则为压缩应力。b.σx的特点圆筒体环焊缝引起的σx比平板直缝小圆筒体环焊缝在焊后要整体向内收缩，使半径3、圆筒上环焊缝引起的纵向应力b.σx的特点13图2-30焊接管道的残余应力分布图2-30焊接管道的残余应力分布14σx的大小取决于圆筒半径R、壁厚δ和焊接压缩塑性变形区的宽度bp。

在壁厚δ不变时，σx随圆筒半径R的增大而增大，随压缩塑性变形区宽度bp的增大而减小，当半径与壁厚之比较大时，σx的分布逐渐与平板接近。减小，焊缝沿圆周长度上的收缩比平板直缝收缩具有更大的自由度，其收缩受阻程度较小，σx比平板直缝小。σx的大小取决于圆筒半径R、壁厚δ和焊接压缩塑性变形区的宽度15焊接结构焊接残余应力课件16（二）横向残余应力σy

横向残余应力是垂直于焊缝轴向的应力，分布情况较复杂，主要由两部分组成：

(1)焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力，用σy′表示；

(2)焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩的不同时性引起的横向残余应力，用σy〞表示。横向残余应力σy是由σy’和σy’’叠加而成（二）横向残余应力σy

横向残余应力是垂直于焊缝171、σy′的形成：图2-24是由两块平板对接而成的构件，假设沿焊缝中心将构件分开，则相当于分别在两平板相对的一侧堆焊，焊后两平板应向焊缝一侧弯曲。若使板恢复平直，必须在每块钢板的两端施加横向压力，在焊缝中部施加横向拉力，由此在构件中产生了横向残余应力。在σy′中，两端压应力的最大值比中间拉应力的最大值大得多。1、σy′的形成：图2-24是由两块平板对接而成18图2-24纵向收缩引起横向残余应力图2-24纵向收缩引起横向残余应力192、影响因素a.焊缝长度L：L越大，σy′越低b.平板宽度B随平板宽度B↑,σy′↓。B↑,L/B↓,构件刚性↑,焊缝纵向切开后,纵向收缩量↓,σy′↓图2-26焊缝长度对横向残余应力的影响2、影响因素图2-26焊缝长度对横向残余应力的影响203、σy〞的形成焊接时，焊缝不是同时完成，金属各部分在焊接时总有先后之分，先焊的部分先冷却，后焊的部分后冷却，先冷却的部分由于恢复刚性要限制后冷却部分的横向收缩，相当于对后焊部分施加了拉伸作用，相反，为了平衡拉应力，后焊部分对先冷却部分相当于施加压缩作用，这种限制与反限制就构成σy〞3、σy〞的形成焊接时，焊缝不是同时完成，金属各21σy〞的分布与焊接方向、分段方法及焊接顺序等有关。σy〞的分布与焊接方向、分段方法及焊接顺序等有关。22从中间向两端焊接，由于中间部分先焊接先收缩，两端后焊接后收缩，则两端部分的横向收缩要受到中间部分的限制，因此σy〞的分布是；中间受压，两端受拉；相反，从两端向中间焊接，中间受拉，两端受压。直通焊缝的σy〞：由于焊缝尾部最后焊完，其横向收缩从中间向两端焊接，由于中间部分先焊接先收缩，两端后焊23将受到前面焊缝的限制，尾部受到拉应力作用；焊缝中部由于靠近尾部，受到尾部的反作用，因此中部受压，起焊处要保证内应力平衡，必然受到拉应力作用分段退焊或分段跳焊应力分布将出现多次拉、压应力的交替分布，残余应力的峰值较低，因此直通的长焊缝常采用分段退焊或分段跳焊。将受到前面焊缝的限制，尾部受到拉应力作用；焊缝中部由于靠近尾24

横向残余应力σy是σy’与σy’’两者的合成，从减小总横向应力σy出发，应尽量采用从中间向两端施焊的方向进行焊接各种焊接方式的共同规律：在焊接末端部位都将产生横向拉应力由中间向两端焊，两种横向应力可以抵消一部分，焊后横向焊接残余应力小，所以焊接顺序好。由一端到另一端，虽然抵消应力的效果不如由中心施焊的顺序，但要好于由两端向中心焊的顺序。横向残余应力σy是σy’与σy’’两者的合成，从减小254、σy的分布σy在与焊缝平行的各截面上的分布大体与焊缝截面上的分布相似，但离开焊缝距离越远，应力值越低，当到达板端时，σy=04、σy的分布26（四）、拘束状态下焊接的应力

自由状态焊接：焊接时，除焊缝金属自身的约束和限制外，没有任何外部拘束的状态。焊缝在拘束状态下的残余应力与自由状态不同，拘束状态下的焊缝变形除了与自由状态一样要受到焊缝金属自身的限制外，还会受到结构本身产生的外部拘束阻碍，使得焊缝残余应力发生了一些变化。（四）、拘束状态下焊接的应力

自由状态焊接：焊接271、拘束状态下焊接的应力分布1.1横向拘束作用下的应力如图2-110，在金属框架中心杆件上存在一条对接焊缝，该焊缝纵向收缩时，相当于在自由状态下变形，其纵向应力与前述相同；但当焊缝横向收缩时，焊缝连接的两焊件与其它刚性物体相连，此时，焊缝收缩除了受到自由状态下焊接时，焊缝自身各部分的阻碍外，其收缩还要受到框架结构的限制，因此，在焊缝内1、拘束状态下焊接的应力分布28焊接结构焊接残余应力课件29部，除了产生与自由状态下焊接相似的内应力σy外，还将受到框架结构刚性拘束引起的拉应力σf，该拉应力并不是平衡于焊缝截面内，而是平衡于整个框架截面上，这种焊接后不在焊缝截面中平衡而在整个结构中平衡的应力σf称为反作用内应力，焊接接头的实际横向内应力就是σy和σf的迭加。部，除了产生与自由状态下焊接相似的内应力σy外，还将受301.2纵向拘束作用下的应力如图2-111，在金属框架中心杆件上存在的对接焊缝为纵向，该焊缝横向收缩时，相当于在自由状态下变形，其横向应力与前述相同；但当焊缝纵向收缩时，同样焊缝连接的两焊件与其它刚性物体相连，此时，焊缝的纵向收缩除了受到自由状态下焊接时，焊缝自身各部分的阻碍外，也要受到框架结构1.2纵向拘束作用下的应力31焊接结构焊接残余应力课件32的限制，因此，在焊缝内部，除了产生与自由状态下焊接相似的内应力σX外，还将受到框架结构外部拘束引起的拉应力σf，该拉应力也不是平衡于焊缝截面内，而是平衡于整个框架截面上，因此，σf为反作用内应力，焊接接头的实际纵向内应力是σX和σf的迭加。的限制，因此，在焊缝内部，除了产生与自由状态下焊接相似的331.3拘束状态下焊接的应力表现特征（1)反作用内应力为拉应力，且分布范围大（2)拘束状态下焊接的内应力为自由状态下焊接的内应力迭加外部拘束应力，即：

σY=σy+σf≤σsσX=σx+σf≤σs1.3拘束状态下焊接的应力表现特征σY=σy+σ34（五）、封闭焊缝引起的内应力封闭焊缝是指焊缝自成一个封闭回路，如图2-112，环绕着接管、镶块的焊缝均构成封闭焊缝。（五）、封闭焊缝引起的内应力封闭焊缝是指焊缝自成一个35圆盘镶块的焊接应力分布：(1)径向残余应力

σr为拉应力。(2)切向残余应力

σθ，焊缝处为拉应力，外侧为压应力。镶块中存在均匀双轴应力场，σr与σθ相等，且均为拉应力，其数值取决于d/D。d/D越大，均匀双轴应力场中的应力下降。

d/D越小，镶块越小，应力场中的应力上升。圆盘镶块的焊接应力分布：d/D越大，均匀双轴应力场中的应36σr-径向残余应力σθ-切向残余应力σr-径向残余应力σθ-切向残余应力37（六）、相变应力定义：相变过程中，由于比容变化引起的体积变化受到未相变金属的限制而产生的应力产生条件：相变应力取决于相变温度与塑性温度Tp的关系（1）T相>Tp，比容变化引起的体积变化不受阻碍，相变不会导致残余应力；（2）T相<Tp，比容变化引起的体积变化部分受阻，相变会导致残余应力。（六）、相变应力定义：相变过程中，由于比容变化引起的体积38对于低碳钢，其加热和冷却时T(Ac1,Ac3)>Tp，相变不会影响焊后残余应力的分布；对于部分高强钢，在加热时T相>Tp，但冷却时T相<Tp（例如MS<Tp）相变的产生影响残余应力存在。对于低碳钢，其加热和冷却时T(Ac1,Ac3)>Tp，391、纵向相变应力(1)假设：焊缝为不产生相变的奥氏体钢；母材的奥氏体转变温度T相<Tp，近缝区bm的金属产生相变。冷却时体积膨胀。（2）相变下的残余应力分析如图2-115a，近缝区bm冷却时，由于相变，其比容增大，体积膨胀，但其膨胀不能充分进行要受到未相变金属（焊缝区和靠近近缝区的母材区）的阻碍，因此近缝区产生压应力，而未相变区产生拉应力。1、纵向相变应力（2）相变下的残余应力分析40焊接结构焊接残余应力课件41这种应力仅由相变引起，称为相变应力，用σmx表示，除此之外，在焊接接头处还存在焊接温度不均匀所引起的塑性变形及由此造成的纵向应力σx,因此，最终的内应力应是σmx和

σx的迭加。若焊缝金属与近缝区金属相同，则冷却时，两区都发生相变并承受压应力作用，此时的相变应力如图d，最终的内应力是σmx和σx的迭加。这种应力仅由相变引起，称为相变应力，用σmx表示422、横向相变应力假设沿相变区（近缝区bm）的中心线将焊件剖开，相变区的体积膨胀导致截下的两块平板向内侧弯，为保持平直，必须在两端施加拉应力，中部施加压应力，该应力是由相变体积变化在平板横向引起的，因此称为横向相变应力σmy。同理，相变区在厚度方向的膨胀也会造成横向相变应力σmy，如图2-117。2、横向相变应力同理，相变区在厚度方向的膨胀也43焊接结构焊接残余应力课件44二、焊接残余应力的影响1内应力对静载强度的影响：a.材料具有足够塑性且能充分表现出来(1)初始条件：设有一构件，内应力分布是中部为拉应力，两侧为压应力，受外载荷P作用产生的拉应力：σ=P/F=P/(B·δ)构件内的应力为内应力与外应力的叠加。二、焊接残余应力的影响(1)初始条件：45(2)静载强度的变化随外应力不断上升,两侧逐渐由压应力过渡为拉应力；中部拉应力与外拉应力叠加持续上升。当外拉应力增加到某一值时，中部拉应力达到σs，此时，如果材料具有足够塑性且能充分表现出来，继续增加外拉应力，应力达到σs的中间部分产生拉伸变形，应力值维持σs，应力未达到σs的两端随外拉应力增加(2)静载强度的变化46而增加，达到σs后产生拉伸变形，应力维持σs，最终截面上的应力全部达σs，应力均匀化。外力大小以abcdefghi区来表示。(3)若构件内无内应力使截面应力达σs，需要施加外力P=σs×F=σs×B×δ，其数值以abhi来表示。内应力是内部平衡的力,因此面积def=面积bcd+面积fgh，即abcdefghi=abhi

而增加，达到σs后产生拉伸变形，应力维持σs，最终截面上47(4)塑性材料的静载强度

结论：材料具有足够的塑性时，并能进行塑性变形时，残余内应力不会影响构件的承载能力，即对静载强度无影响。

(4)塑性材料的静载强度48b.脆性材料的静载强度材料为脆性状态时，由于材料不能进行塑性变形，随外力增加，构件中的内应力不可能均匀化，即中部拉应力达到σs后，随外应力增加，其拉应力将持续增加，当其增大到σb后，结构就发生局部破坏。b.脆性材料的静载强度49

结论：材料呈现脆性时，内应力降低结构的静载强度

c.塑性变形与应力状态对承载能力的影响要产生塑性变形，必须有切应力存在单轴应力状态：τmax沿45°倾斜面分布，且τmax=σ/2，只要τ>τmax，可以产生塑性变形,承载能力较好。三轴应力状态：τmax=0，不能产生塑性变形，承载能力不好。结论：材料呈现脆性时，内应力降低结构的静载强度50焊接结构焊接残余应力课件51（三）内应力对机加工精度的影响1、机加工工件会因内应力重新分布产生变形，影响加工精度机械加工总是把一部分材料从工件上切除掉，如果工件内部存在应力，在把一部份材料切除的同时，也会把原先存在于那里的应力一起切掉，这样会破坏原来工件中的应力平衡。此时工件中的剩余应力为了达到新的平衡，必然会引起变形，影响加工精度（三）内应力对机加工精度的影响1、机加工工件会因内应力重52焊接结构焊接残余应力课件532、残余内应力会随时间变化破坏已加工件的尺寸精度焊接构件中的内应力是不稳定的，它将在构件的长期存放过程中或者工作运行中随时间变化，影响已加工件的尺寸精度，内应力不稳定的因素主要有3点：a构件在室温下的蠕变或应力松弛b焊后残余奥氏体转变成了马氏体C淬火马氏体转变成了回火马氏体2、残余内应力会随时间变化破坏已加工件的尺寸精度543、减小内应力对加工精度影响的措施保证加工精度最好的办法是先消除焊接内应力然后再进行加，有时在不消除内应力的情况下也可以通过调整机械加工工艺来达到目的工由于合金钢和中碳钢焊接后会产生不稳定组织，以及残余应力的不稳定，焊接后应该进行消除应力的处理3、减小内应力对加工精度影响的措施保证加工精度55（四）内应力对受压杆件稳定性的影响从材料力学的基本理论得知，两端铰支的受压杆件，在弹性范围内工作时，其产生失稳的临界压应力可由下式求得:式中E—为弹性模量；L—为受压杆件的自由长度；I—为构件截面惯性矩；F—为截面积（四）内应力对受压杆件稳定性的影响从材料力学的基本理56上式也可用下式表达：式中λ—长细比（=L/r)r—截面惯性半径（=（I/F)1/2)由上式可知：σcr与长细比的平方成反比上式也可用下式表达：57当构件受到外载压力作用时，构件截面上的残余压应力将与外载引起的工作应力迭加，迭加的结果使得压应力区先期到达材料的σs，此时材料将发生塑性变形，其应力值维持在σs，不再增加，同时该区由于已超出弹性工作范围，将丧失进一步承受外载的能力，这相当于削弱了构件的实际承载面积。当构件受到外载压力作用时，构件截面上的残余压应力将与58另一方面，构件截面上的残余拉应力也将与外载引起的工作应力迭加，但由于两者的方向相反，该区将晚于其它部分到达材料的σs，即该区还可以继续承受外载，因此此时的实际承载面积就只是内应力中的拉应力区焊接工字梁有四条角焊缝，假设它的两个翼板受到外压力P的作用，且内应力分布为中部拉应力，两端为压应力另一方面，构件截面上的残余拉应力也将与外载引起的工作59焊接结构焊接残余应力课件60构件内无残余内应力时:有效承载面积:F=2×δb×B惯性矩：IX=2×(δb×B3)/12构件内有残余内应力时:有效承载面积:F′=2×δb×B′惯性矩：IX′=2×(δb×B′3)/12F′＜FIX′＜＜IX

IX/F＞IX′/F′rX=

（IX/F)1/2

＞

rX′=

（IX′/F′)1/2

λ=L/rX＜

λ′=L/rX′σcr＞σcr′构件内无残余内应力时:构件内有残余内应力时:F′＜F61有残余内应力时，受压杆件发生失稳的临界应力小于无内应力时，即残余内应力的存在会降低受压构件的稳定性。提高构件稳定性的措施：1、焊后进行消除应力的热处理研究表明，构件在焊后进行消除应力的高温回火处理，其发生失稳的临界应力比焊后不处理时相比，可提高20-30%有残余内应力时，受压杆件发生失稳的临界应力小622、改变加工方法或调整工艺使构件边缘形成拉伸残余应力如果工字梁的内应力分布与前述情况相反，即翼缘的两边为拉应力，此时由于有效承载面积是分布在远离中性轴的位置，其对X-X轴产生的惯性矩IX′增大，构件发生失稳的临界应力也增大，因此构件稳定性提高2、改变加工方法或调整工艺使构件边缘形成拉伸残余应力63通常，通过气割加工或由几块板叠焊，可以使翼缘边缘产生拉伸内应力内应力的影响只在一定长细比范围内的构件中起作用。当长细比λ较大，由于临界应力本身很低或当内应力较小时，外载与残余内应力之和在失稳时仍未达到σs，则内应力对稳定性不会产生影响。当λ较小时，临界应力取决于构件的全面屈服，内应力也不产生影响通常，通过气割加工或由几块板叠焊，可以使翼缘64(五)、对刚度的影响1、构件的刚度：结构抵抗外力产生变形的能力，通常用产生单位变形量所需的载荷表征(P/△L)。设一构件在外载荷P作用下伸长△L，且构件截面上的应力σ=P/F<σs:△L=L·ε=L·σ/E=LP/(E·F)=LP/(E·B·δ)(五)、对刚度的影响1、构件的刚度：设一构件在外载65构件的刚度：P/△L=F·E/L由上可知：刚度是构件特有的属性，取决于构件的截面积和长度(结构的几何特性)，对于同一结构，刚度一定，外载P与△L呈线性关系，在外载P为纵坐标，△L为横坐标的坐标系中，两者的关系是过原点的直线，此时，刚度可用直线的斜率tgα表征构件的刚度：P/△L=F·E/L66焊接结构焊接残余应力课件672、残余应力对刚度的影响(1)、对比有、无残余应力时，构件的刚度变化假设一构件长为L，宽为B，厚为δ，其内无残余应力，只受外载拉力P作用，且P引起的σ<σs：有效承载面积：F=B·δ伸长量:△L=LP/(E·F)=LP/(E·B·δ)刚度：tgα=P/△L=F·E/L=B·δ·E/L2、残余应力对刚度的影响(1)、对比有、无残余应力时，构件的68又假设构件中心有一条焊缝，其内应力分布方向与外力一致，在焊缝附近b区中内应力为拉应力σ1，σ1=σs，两侧为压应力σ2，σ2<σs:有效承载面积：F1=(B-b)·δ伸长量:△L=LP/(E·F1)=LP/E·(B-b)·δ刚度：tgα1=P/△L1=F1·E/L=(B-b)·δ·E/L对比两种情况：F1<F;△L1>△L;tgα1<tgα结论：内应力的存在要降低构件的刚度又假设构件中心有一条焊缝，其内应力分布方向与外力一致69（2）加载和卸载情况下内应力对刚度的影响a无内应力作用且构件在外力p作用下引起的应力P/F<σs加载时，构件在外载P作用下的伸长过程可用OS线表示，此时构件各截面向外做平行移动，由于σ<σs，该变形为弹性变形，各截面上的σ=P/F=P/B·δ,应力随P的增大均匀增加，最大将增大至σs，伸长量:△L=LP/(E·F)，刚度：tgα=F·E/L，等于直线OS的斜率（2）加载和卸载情况下内应力对刚度的影响a无内应力作用且70卸载时，各截面做反向平行移动，即产生回弹收缩变形，该变形也为弹性变形，因此各截面上的应力均匀下降，应力值仍为P/B·δ，于加载时的应力相等。当外载完全卸除时，构件的回弹量△L2=LP/(E·F)也等于加载时的伸长量，因此卸载过程是加载过程的逆过程，可以用SO线表示。卸载时，各截面做反向平行移动，即产生回弹收缩变形，该71b构件内有内应力，且应力分布为：b区中为拉应力σ1，σ1=σs,（B–b）区中为压应力σ2，σ2<σsσ2=σsb/（B–b）由此可见，在无内应力作用时对构件加载卸载，卸载变形量=加载伸长量，卸载后构件内既无内应力，也无残余变形，同时构件刚度不变b构件内有内应力，且应力分布为：b区中为拉应力σ1，σ72加载时，在外载P的作用下构件各截面向外做平行移动，产生伸长变形。其中b区，由于应力已达到材料的屈服极限该区将产生拉伸塑性变形，而不承受外力，因此其应力维持在σs不变；在（B–b）区内：由于应力小于σs，将继续承载，因此该区应力持续增加为σ2+P/(B-b)·δ，构件伸长量:△L′=LP/(E·F)=LP/(B-b)·δ·E构件刚度：tgα′=F·E/L=(B-b)·δ·E/L小于无内应力时的刚度，该加载过程可用0—1直线表示加载时，在外载P的作用下构件各截面向外做平行移动，产73卸载时，构件各截面发生回弹，由于此过程中各区均不再产生塑性变形，因此构件的实际承载面积仍为构件截面积F=B·δ.这样各区的应力将均匀下降P/B·δ，因此：b区应力：σs-P/B·δ

(B–b）区的应力:σ2+P/(B-b)·δ-P/B·δ

，与加载时的内应力相比，两区应力都发生了下降卸载时，构件各截面发生回弹，由于此过程中各区74构件回弹量:△L2′=LP/(E·F)=LP/(E·B·δ)小于加载时的伸长量但与无内应力时的回弹量相同刚度：tgα=F·E/L=B·δ·E/L大于加载时的刚度但与无内应力时的刚度相同显然该卸载过程与无内应力时的卸载过程相同，因此该卸载过程可用直线12表示，12与O-S线平行，说明两者情况相同。构件回弹量:△L2′=LP/(E·F)=LP/(75此外，卸载后，在构件上还保留了一个伸长量，△L′-△L结论：如果构件中存在与外力方向一致的内应力，且内应力的数值达到σs，则在外力作用下，刚度将下降，且卸载后构件内的残余应力下降，同时构件还将产生残余变形此外，卸载后，在构件上还保留了一个伸长量，△L′-76c构件有内应力，b区中的拉应力σ1<σs

，（B–b）区中的压应力σ2<σs加载时，由于b区的拉应力σ1<σs，还可以承受外力，因此构件的实际承载面积就是构件截面积B·δ，同时在外力P作用下，构件截面上的应力均匀增加，各区的应力增加值为：P/B·δ，因此：b区应力：σ1+P/B·δ

(B–b）区的应力:σ2+P/B·δc构件有内应力，b区中的拉应力σ1<σs，（B77伸长量:△L〞=LP/(E·B·δ)刚度：tgα〞=B·δ·E/L构件的△L〞及tgα〞与无内应力时的相同，说明此加载过程与无内应力时类似，因此起初的加载过程是按o-s线进行，但当外力达到1′点对应的载荷时，b区的内应力刚好增加到σs，此时b区又将丧失承载能力，构件的有效承载面积又缩小到压应力区对应伸长量:△L〞=LP/(E·B·δ)78的截面积，即/(B-b)·δ。显然此时的加载过程与前面第二中情况相同，因此1′点以后的加载过程是按1′2′进行，此时b区产生拉伸塑性变形，应力维持在σs；在（B–b）区内：应力增加为σ2+P/(B-b)·δ，构件伸长量:△L′=LP/(E·F)=LP/(B-b)·δ·E构件刚度：tgα′=F·E/L=(B-b)·δ·E/L与起初的加载过程相比，构件的刚度减小而伸长变形量增加的截面积，即/(B-b)·δ。显然此时的加载过程与前面第二中79卸载时，构件各截面发生回弹，由于此过程中各区均不再产生塑性变形，构件截面上的应力均匀下降，实际承载面积又恢复到构件截面积B·δ，此时的卸载过程与前面第二种情况的卸载过程相同，因此可用12的平行线2′3′表示，此时b区应力：σs-P/B·δ

(B–b）区的应力:σ2+P/(B-b)·δ-P/B·δ

卸载时，构件各截面发生回弹，由于此过程中各区均不再产生塑性变80构件回弹量:△L′=LP/(E·B·δ)小于加载时的伸长量但与无内应力时的回弹量相同，因此卸载后，在构件上还保留一个伸长量，但由于该情况下加载时的伸长量小于第二种情况加载时的伸长量，构件在卸载后，残余变形有所降低结论：构件中存在内应力，且内应力<σs，外力作用下，刚度将下降，且卸载后构件产生残余变形，但残余变形下降构件回弹量:△L′=LP/(E·B·δ)结论：构件中存81焊接结构焊接残余应力课件82三、焊接残余应力的控制和消除措施(一)在焊接过程中调节应力的措施在焊接过程中采用一些工艺措施，往往可以调节内应力，降低残余应力的峰值，调整应力的分布，甚至还可以改善接头的性能，因此适当的工艺措施是很有必要的。1、采用合理的焊接顺序和方向三、焊接残余应力的控制和消除措施(一)在焊接过程中调节83(1)尽量使焊缝自由收缩，先焊收缩量较大的焊缝正确的焊接顺序是：先焊盖板的对接焊缝1，后焊盖板和工字钢之间的角焊缝2，使对接焊缝1能自由收缩，减小应力(1)尽量使焊缝自由收缩，先焊收缩量较大的焊缝正确的焊接顺84(2)为提高接头强度，先焊工作应力较大的焊缝焊接工字梁接头时，应预先留出一段翼缘角焊缝最后焊接，先焊受力最大的对接焊缝1，然后焊接腹板对接焊缝2，最后再焊接翼缘角焊缝(2)为提高接头强度，先焊工作应力较大的焊缝焊接工85(3)平板拼焊时，应先焊错开的短焊缝，再焊直通长焊缝这种焊接顺序可以使受力大的1、2焊缝自由收缩，减小应力，焊完角焊缝3后，其横向收缩能使翼板对接焊缝中的残余应力进一步减小。(3)平板拼焊时，应先焊错开的短焊缝，再焊直通长焊缝这种焊接86采用反变形法减小接头刚度对于封闭焊缝和刚性较大，自由度较小的焊缝，除采用合理的焊接顺序，还应尽量减小接头刚度，使焊缝获得足够的自由收缩，达到减小残余应力的目的。采用反变形法减小接头刚度对于封闭焊缝和刚性较大，自由873、锤击或碾压焊缝焊后一定时间内，用带小圆弧面的风枪或小手锤轻轻锤击处于高热的焊缝表面，可以延伸焊缝，减小应力4、采用局部加热法(加热减应区法)加热减应区法是焊前加热焊件的适当部位，人为地降低焊接处的拘束度，以减小应力的方法。该方法的实质是利用加热区的膨胀伸长，带动焊接区产生与焊缝收缩时相反的变形，在冷却时，加热区的收缩和焊缝收缩一致，使焊缝能自由收缩，从而降低应力。3、锤击或碾压焊缝焊后一定时间内，用带小圆弧面的风88焊接结构焊接残余应力课件89(二)焊后消除应力的措施1、焊后热处理焊后热处理是将焊接结构整体或局部均匀加热到某一适宜的温度，并保温一定时间，然后均匀冷却到室温的方法。焊后热处理是消除残余应力最有效的措施，焊接结构中90%的残余应力均可消除。(1)整体高温回火消除应力的效果主要取决于加热温度，材料的成分和组织、应力状态以及保温时间。(二)焊后消除应力的措施1、焊后热处理焊后热处理90同一种材料，回火温度越高，保温时间越长，应力消除越彻底，热强性好的材料消除应力的效果低于热强性差的材料，需更高的回火温度相同回火温度和保温时间下，单轴拉伸应力的消除效果比双轴和三轴应力状态好同一种材料，回火温度越高，保温时间越长，应力消除越彻底91(2)局部高温回火在焊缝周围的一个局部区域进行加热，该方法带有局部加热的性质，未从根源上消除应力产生的原因，只能降低应力峰值，不能完全消除应力。但局部高温回火可以改善接头的力学性能局部高温回火的效果与加热时的温度场分布有关，为了取得较好的降低应力的效果，应保证足够的加热宽度。(2)局部高温回火在焊缝周围的一个局部区域进行加922、机械拉伸法通过一次拉伸加载，拉应力区在外力的作用下产生拉伸塑性变形，可与焊接时产生的压缩塑性变形相互抵消，从而降低应力。加载应力越高，拉伸量越大，压缩塑性变形抵消地越多，内应力消除得越彻底。当外载使构件截面全面屈服时，应力可以全部消除。2、机械拉伸法通过一次拉伸加载，拉应力区在外力的作用93焊接结构焊接残余应力课件94机械拉伸法适用于塑性很好的材料，特别是焊接容器消除内应力(水压试验)3、温差拉伸法温差拉伸法的基本原理与机械拉伸法相同，也是利用拉伸抵消焊接时产生的压缩塑性变形，只是该方法是利用局部加热的温差来拉伸焊缝区。机械拉伸法适用于塑性很好的材料，特别是焊接容器消除内95焊接结构焊接残余应力课件96具体的做法：在焊缝两侧各用一个适当宽度的氧—乙炔焰矩加热，在焰矩后面一定距离用一个水管喷水冷却，造成一个两侧温度高，焊缝区温度低的温度场。两侧金属的热膨胀对温度较低的焊缝区相当于施加了一个拉伸作用，可抵消焊接时产生的压缩塑性变形，从而降低应力具体的做法：在焊缝两侧各用一个适当宽度的氧—乙炔焰矩974、振动法4、振动法98第三节焊接残余应力通常意义的焊接应力实际包括两类：焊接瞬时应力：焊接过程中某瞬时存在于结构中的应力。焊接残余应力：焊接后残留于结构中的应力。第三节焊接残余应力通常意义的焊接应力实际包括两类：99一、焊接残余应力的分布构件厚度不大δ<15-20mm，残余应力为纵、横双向状态,即双轴平面应力构件厚度较大δ>20mm，残余应力为三轴体积状态。（平行于焊缝轴线分布的应力称为纵向应力:σX；垂直于焊缝轴线的应力称为横向应力:σy；厚度方向的残余应力：σZ）一、焊接残余应力的分布构件厚度不大δ<15-20mm，残余100（一）、纵向应力1、σX的分布在低碳钢和普通低合金钢的焊接结构中，其任意横截面上的应力性质均相同，即：焊缝及其附近的压缩塑性变形区内为拉应力，且数值一般达到材料的屈服极限σS，而稍离开焊缝区，拉伸应力迅速陡降，继而出现残余压应力。显然，沿整条焊缝分布的σX都为拉应力，但拉应力的分布并不完全相同。（一）、纵向应力1、σX的分布101焊接结构焊接残余应力课件102在焊缝的中间区域，拉应力数值恒定，为材料的σS，而在板件两端，拉应力逐渐变化，在自由端面（0-0截面）处σX=0。靠近自由端面的Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面σX＜σS，随着截面离开自由端距离的增加σX逐渐趋近于σS，通常把板条中部σX基本保持不变的区域称为稳定区，把板件两端称为残余应力过渡区。在焊缝的中间区域，拉应力数值恒定，为材料的σS，而在1032、影响σx分布的因素a.焊缝长度LL↑，σx增加直至屈服极限；同时，焊缝越长，板条中部稳定区越长；随着焊缝缩短，σx减小且稳定区逐渐减小，直至消失。2、影响σx分布的因素104b.板宽(B）板宽不同，焊接σx分布不同当焊缝位于平板中心，B较小时，σx分布在整个宽度上，并随B↑，拉、压应力区交替出现，应力区面积增大；若B很大，则σx只在焊缝附近一定区域内分布。当焊缝并非位于平板中心，σx在较宽一处附近分布。b.板宽(B）105c.材质的影响结构材质不同，其焊缝上σx的分布也不同，随材料膨胀系数和弹性模数的降低，纵向应力的最大值也会随之降低。低碳钢：焊接热场分布不均匀，焊接区各部分之间的温差大，焊缝附近的压缩塑性区及塑变量大，σx大。铝合金：因其导热系数高，热场趋于均匀，等温线分布接近正圆，材料加热膨胀受到的c.材质的影响106阻碍小，塑性变形小，残余应力低。σx≈0.6-0.8σs钛合金：膨胀系数、弹性模量低，αE=1/3钢，产生的塑性应变不大，σx低。σx≈0.5-0.8σs钢

阻碍小，塑性变形小，残余应力低。σx≈0.6-0.8σs107

图2-19高温时材料屈服强度变化图2-20纵向残余应力分布图2-19高温时材料屈服强度变化108图2-21高强度钢对接焊缝纵向残余应力曲线0为低碳钢焊件中典型的残余应力分布，焊缝处的最大残余应力值可高达材料的屈服应力。曲线1、2、3表示HY-130或HY-180等一些高强度钢焊件中可能出现的纵向残余应力分布。图2-21高强度钢对接焊缝纵向残余应力曲线0为低碳钢焊件中109假如最大残余拉伸应力高达屈服应力，则应力分布如图中的曲线1。显然，这种情况下将产生严重的残余应力和变形，在焊接区可能产生裂纹。如果分布规律如曲线2，高值残余拉伸应力仅局限于狭窄区域内，则残余变形显然比上述情况要小得多，但由于最大残余拉伸应力仍然很大，所以也有可能在焊接区产生裂纹。如果分布规律如曲线3，则焊件不会产生裂纹。假如最大残余拉伸应力高达屈服应力，则应力分布如图中的曲线1。1103、圆筒上环焊缝引起的纵向应力圆筒上环焊缝引起的纵向应力对于圆筒体就是切向应力。a.σx的分布规律：在焊缝及其附近的区域内为拉伸应力，远离焊缝则为压缩应力。b.σx的特点圆筒体环焊缝引起的σx比平板直缝小圆筒体环焊缝在焊后要整体向内收缩，使半径3、圆筒上环焊缝引起的纵向应力b.σx的特点111图2-30焊接管道的残余应力分布图2-30焊接管道的残余应力分布112σx的大小取决于圆筒半径R、壁厚δ和焊接压缩塑性变形区的宽度bp。

在壁厚δ不变时，σx随圆筒半径R的增大而增大，随压缩塑性变形区宽度bp的增大而减小，当半径与壁厚之比较大时，σx的分布逐渐与平板接近。减小，焊缝沿圆周长度上的收缩比平板直缝收缩具有更大的自由度，其收缩受阻程度较小，σx比平板直缝小。σx的大小取决于圆筒半径R、壁厚δ和焊接压缩塑性变形区的宽度113焊接结构焊接残余应力课件114（二）横向残余应力σy

横向残余应力是垂直于焊缝轴向的应力，分布情况较复杂，主要由两部分组成：

(1)焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力，用σy′表示；

(2)焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩的不同时性引起的横向残余应力，用σy〞表示。横向残余应力σy是由σy’和σy’’叠加而成（二）横向残余应力σy

横向残余应力是垂直于焊缝1151、σy′的形成：图2-24是由两块平板对接而成的构件，假设沿焊缝中心将构件分开，则相当于分别在两平板相对的一侧堆焊，焊后两平板应向焊缝一侧弯曲。若使板恢复平直，必须在每块钢板的两端施加横向压力，在焊缝中部施加横向拉力，由此在构件中产生了横向残余应力。在σy′中，两端压应力的最大值比中间拉应力的最大值大得多。1、σy′的形成：图2-24是由两块平板对接而成116图2-24纵向收缩引起横向残余应力图2-24纵向收缩引起横向残余应力1172、影响因素a.焊缝长度L：L越大，σy′越低b.平板宽度B随平板宽度B↑,σy′↓。B↑,L/B↓,构件刚性↑,焊缝纵向切开后,纵向收缩量↓,σy′↓图2-26焊缝长度对横向残余应力的影响2、影响因素图2-26焊缝长度对横向残余应力的影响1183、σy〞的形成焊接时，焊缝不是同时完成，金属各部分在焊接时总有先后之分，先焊的部分先冷却，后焊的部分后冷却，先冷却的部分由于恢复刚性要限制后冷却部分的横向收缩，相当于对后焊部分施加了拉伸作用，相反，为了平衡拉应力，后焊部分对先冷却部分相当于施加压缩作用，这种限制与反限制就构成σy〞3、σy〞的形成焊接时，焊缝不是同时完成，金属各119σy〞的分布与焊接方向、分段方法及焊接顺序等有关。σy〞的分布与焊接方向、分段方法及焊接顺序等有关。120从中间向两端焊接，由于中间部分先焊接先收缩，两端后焊接后收缩，则两端部分的横向收缩要受到中间部分的限制，因此σy〞的分布是；中间受压，两端受拉；相反，从两端向中间焊接，中间受拉，两端受压。直通焊缝的σy〞：由于焊缝尾部最后焊完，其横向收缩从中间向两端焊接，由于中间部分先焊接先收缩，两端后焊121将受到前面焊缝的限制，尾部受到拉应力作用；焊缝中部由于靠近尾部，受到尾部的反作用，因此中部受压，起焊处要保证内应力平衡，必然受到拉应力作用分段退焊或分段跳焊应力分布将出现多次拉、压应力的交替分布，残余应力的峰值较低，因此直通的长焊缝常采用分段退焊或分段跳焊。将受到前面焊缝的限制，尾部受到拉应力作用；焊缝中部由于靠近尾122

横向残余应力σy是σy’与σy’’两者的合成，从减小总横向应力σy出发，应尽量采用从中间向两端施焊的方向进行焊接各种焊接方式的共同规律：在焊接末端部位都将产生横向拉应力由中间向两端焊，两种横向应力可以抵消一部分，焊后横向焊接残余应力小，所以焊接顺序好。由一端到另一端，虽然抵消应力的效果不如由中心施焊的顺序，但要好于由两端向中心焊的顺序。横向残余应力σy是σy’与σy’’两者的合成，从减小1234、σy的分布σy在与焊缝平行的各截面上的分布大体与焊缝截面上的分布相似，但离开焊缝距离越远，应力值越低，当到达板端时，σy=04、σy的分布124（四）、拘束状态下焊接的应力

自由状态焊接：焊接时，除焊缝金属自身的约束和限制外，没有任何外部拘束的状态。焊缝在拘束状态下的残余应力与自由状态不同，拘束状态下的焊缝变形除了与自由状态一样要受到焊缝金属自身的限制外，还会受到结构本身产生的外部拘束阻碍，使得焊缝残余应力发生了一些变化。（四）、拘束状态下焊接的应力

自由状态焊接：焊接1251、拘束状态下焊接的应力分布1.1横向拘束作用下的应力如图2-110，在金属框架中心杆件上存在一条对接焊缝，该焊缝纵向收缩时，相当于在自由状态下变形，其纵向应力与前述相同；但当焊缝横向收缩时，焊缝连接的两焊件与其它刚性物体相连，此时，焊缝收缩除了受到自由状态下焊接时，焊缝自身各部分的阻碍外，其收缩还要受到框架结构的限制，因此，在焊缝内1、拘束状态下焊接的应力分布126焊接结构焊接残余应力课件127部，除了产生与自由状态下焊接相似的内应力σy外，还将受到框架结构刚性拘束引起的拉应力σf，该拉应力并不是平衡于焊缝截面内，而是平衡于整个框架截面上，这种焊接后不在焊缝截面中平衡而在整个结构中平衡的应力σf称为反作用内应力，焊接接头的实际横向内应力就是σy和σf的迭加。部，除了产生与自由状态下焊接相似的内应力σy外，还将受1281.2纵向拘束作用下的应力如图2-111，在金属框架中心杆件上存在的对接焊缝为纵向，该焊缝横向收缩时，相当于在自由状态下变形，其横向应力与前述相同；但当焊缝纵向收缩时，同样焊缝连接的两焊件与其它刚性物体相连，此时，焊缝的纵向收缩除了受到自由状态下焊接时，焊缝自身各部分的阻碍外，也要受到框架结构1.2纵向拘束作用下的应力129焊接结构焊接残余应力课件130的限制，因此，在焊缝内部，除了产生与自由状态下焊接相似的内应力σX外，还将受到框架结构外部拘束引起的拉应力σf，该拉应力也不是平衡于焊缝截面内，而是平衡于整个框架截面上，因此，σf为反作用内应力，焊接接头的实际纵向内应力是σX和σf的迭加。的限制，因此，在焊缝内部，除了产生与自由状态下焊接相似的1311.3拘束状态下焊接的应力表现特征（1)反作用内应力为拉应力，且分布范围大（2)拘束状态下焊接的内应力为自由状态下焊接的内应力迭加外部拘束应力，即：

σY=σy+σf≤σsσX=σx+σf≤σs1.3拘束状态下焊接的应力表现特征σY=σy+σ132（五）、封闭焊缝引起的内应力封闭焊缝是指焊缝自成一个封闭回路，如图2-112，环绕着接管、镶块的焊缝均构成封闭焊缝。（五）、封闭焊缝引起的内应力封闭焊缝是指焊缝自成一个133圆盘镶块的焊接应力分布：(1)径向残余应力

σr为拉应力。(2)切向残余应力

σθ，焊缝处为拉应力，外侧为压应力。镶块中存在均匀双轴应力场，σr与σθ相等，且均为拉应力，其数值取决于d/D。d/D越大，均匀双轴应力场中的应力下降。

d/D越小，镶块越小，应力场中的应力上升。圆盘镶块的焊接应力分布：d/D越大，均匀双轴应力场中的应134σr-径向残余应力σθ-切向残余应力σr-径向残余应力σθ-切向残余应力135（六）、相变应力定义：相变过程中，由于比容变化引起的体积变化受到未相变金属的限制而产生的应力产生条件：相变应力取决于相变温度与塑性温度Tp的关系（1）T相>Tp，比容变化引起的体积变化不受阻碍，相变不会导致残余应力；（2）T相<Tp，比容变化引起的体积变化部分受阻，相变会导致残余应力。（六）、相变应力定义：相变过程中，由于比容变化引起的体积136对于低碳钢，其加热和冷却时T(Ac1,Ac3)>Tp，相变不会影响焊后残余应力的分布；对于部分高强钢，在加热时T相>Tp，但冷却时T相<Tp（例如MS<Tp）相变的产生影响残余应力存在。对于低碳钢，其加热和冷却时T(Ac1,Ac3)>Tp，1371、纵向相变应力(1)假设：焊缝为不产生相变的奥氏体钢；母材的奥氏体转变温度T相<Tp，近缝区bm的金属产生相变。冷却时体积膨胀。（2）相变下的残余应力分析如图2-115a，近缝区bm冷却时，由于相变，其比容增大，体积膨胀，但其膨胀不能充分进行要受到未相变金属（焊缝区和靠近近缝区的母材区）的阻碍，因此近缝区产生压应力，而未相变区产生拉应力。1、纵向相变应力（2）相变下的残余应力分析138焊接结构焊接残余应力课件139这种应力仅由相变引起，称为相变应力，用σmx表示，除此之外，在焊接接头处还存在焊接温度不均匀所引起的塑性变形及由此造成的纵向应力σx,因此，最终的内应力应是σmx和

σx的迭加。若焊缝金属与近缝区金属相同，则冷却时，两区都发生相变并承受压应力作用，此时的相变应力如图d，最终的内应力是σmx和σx的迭加。这种应力仅由相变引起，称为相变应力，用σmx表示1402、横向相变应力假设沿相变区（近缝区bm）的中心线将焊件剖开，相变区的体积膨胀导致截下的两块平板向内侧弯，为保持平直，必须在两端施加拉应力，中部施加压应力，该应力是由相变体积变化在平板横向引起的，因此称为横向相变应力σmy。同理，相变区在厚度方向的膨胀也会造成横向相变应力σmy，如图2-117。2、横向相变应力同理，相变区在厚度方向的膨胀也141焊接结构焊接残余应力课件142二、焊接残余应力的影响1内应力对静载强度的影响：a.材料具有足够塑性且能充分表现出来(1)初始条件：设有一构件，内应力分布是中部为拉应力，两侧为压应力，受外载荷P作用产生的拉应力：σ=P/F=P/(B·δ)构件内的应力为内应力与外应力的叠加。二、焊接残余应力的影响(1)初始条件：143(2)静载强度的变化随外应力不断上升,两侧逐渐由压应力过渡为拉应力；中部拉应力与外拉应力叠加持续上升。当外拉应力增加到某一值时，中部拉应力达到σs，此时，如果材料具有足够塑性且能充分表现出来，继续增加外拉应力，应力达到σs的中间部分产生拉伸变形，应力值维持σs，应力未达到σs的两端随外拉应力增加(2)静载强度的变化144而增加，达到σs后产生拉伸变形，应力维持σs，最终截面上的应力全部达σs，应力均匀化。外力大小以abcdefghi区来表示。(3)若构件内无内应力使截面应力达σs，需要施加外力P=σs×F=σs×B×δ，其数值以abhi来表示。内应力是内部平衡的力,因此面积def=面积bcd+面积fgh，即abcdefghi=abhi

而增加，达到σs后产生拉伸变形，应力维持σs，最终截面上145(4)塑性材料的静载强度

结论：材料具有足够的塑性时，并能进行塑性变形时，残余内应力不会影响构件的承载能力，即对静载强度无影响。

(4)塑性材料的静载强度146b.脆性材料的静载强度材料为脆性状态时，由于材料不能进行塑性变形，随外力增加，构件中的内应力不可能均匀化，即中部拉应力达到σs后，随外应力增加，其拉应力将持续增加，当其增大到σb后，结构就发生局部破坏。b.脆性材料的静载强度147

结论：材料呈现脆性时，内应力降低结构的静载强度

c.塑性变形与应力状态对承载能力的影响要产生塑性变形，必须有切应力存在单轴应力状态：τmax沿45°倾斜面分布，且τmax=σ/2，只要τ>τmax，可以产生塑性变形,承载能力较好。三轴应力状态：τmax=0，不能产生塑性变形，承载能力不好。结论：材料呈现脆性时，内应力降低结构的静载强度148焊接结构焊接残余应力课件149（三）内应力对机加工精度的影响1、机加工工件会因内应力重新分布产生变形，影响加工精度机械加工总是把一部分材料从工件上切除掉，如果工件内部存在应力，在把一部份材料切除的同时，也会把原先存在于那里的应力一起切掉，这样会破坏原来工件中的应力平衡。此时工件中的剩余应力为了达到新的平衡，必然会引起变形，影响加工精度（三）内应力对机加工精度的影响1、机加工工件会因内应力重150焊接结构焊接残余应力课件1512、残余内应力会随时间变化破坏已加工件的尺寸精度焊接构件中的内应力是不稳定的，它将在构件的长期存放过程中或者工作运行中随时间变化，影响已加工件的尺寸精度，内应力不稳定的因素主要有3点：a构件在室温下的蠕变或应力松弛b焊后残余奥氏体转变成了马氏体C淬火马氏体转变成了回火马氏体2、残余内应力会随时间变化破坏已加工件的尺寸精度1523、减小内应力对加工精度影响的措施保证加工精度最好的办法是先消除焊接内应力然后再进行加，有时在不消除内应力的情况下也可以通过调整机械加工工艺来达到目的工由于合金钢和中碳钢焊接后会产生不稳定组织，以及残余应力的不稳定，焊接后应该进行消除应力的处理3、减小内应力对加工精度影响的措施保证加工精度153（四）内应力对受压杆件稳定性的影响从材料力学的基本理论得知，两端铰支的受压杆件，在弹性范围内工作时，其产生失稳的临界压应力可由下式求得:式中E—为弹性模量；L—为受压杆件的自由长度；I—为构件截面惯性矩；F—为截面积（四）内应力对受压杆件稳定性的影响从材料力学的基本理154上式也可用下式表达：式中λ—长细比（=L/r)r—截面惯性半径（=（I/F)1/2)由上式可知：σcr与长细比的平方成反比上式也可用下式表达：155当构件受到外载压力作用时，构件截面上的残余压应力将与外载引起的工作应力迭加，迭加的结果使得压应力区先期到达材料的σs，此时材料将发生塑性变形，其应力值维持在σs，不再增加，同时该区由于已超出弹性工作范围，将丧失进一步承受外载的能力，这相当于削弱了构件的实际承载面积。当构件受到外载压力作用时，构件截面上的残余压应力将与156另一方面，构件截面上的残余拉应力也将与外载引起的工作应力迭加，但由于两者的方向相反，该区将晚于其它部分到达材料的σs，即该区还可以继续承受外载，因此此时的实际承载面积就只是内应力中的拉应力区焊接工字梁有四条角焊缝，假设它的两个翼板受到外压力P的作用，且内应力分布为中部拉应力，两端为压应力另一方面，构件截面上的残余拉应力也将与外载引起的工作157焊接结构焊接残余应力课件158构件内无残余内应力时:有效承载面积:F=2×δb×B惯性矩：IX=2×(δb×B3)/12构件内有残余内应力时:有效承载面积:F′=2×δb×B′惯性矩：IX′=2×(δb×B′3)/12F′＜FIX′＜＜IX

IX/F＞IX′/F′rX=

（IX/F)1/2

＞

rX′=

（IX′/F′)1/2

λ=L/rX＜

λ′=L/rX′σcr＞σcr′构件内无残余内应力时:构件内有残余内应力时:F′＜F159有残余内应力时，受压杆件发生失稳的临界应力小于无内应力时，即残余内应力的存在会降低受压构件的稳定性。提高构件稳定性的措施：1、焊后进行消除应力的热处理研究表明，构件在焊后进行消除应力的高温回火处理，其发生失稳的临界应力比焊后不处理时相比，可提高20-30%有残余内应力时，受压杆件发生失稳的临界应力小1602、改变加工方法或调整工艺使构件边缘形成拉伸残余应力如果工字梁的内应力分布与前述情况相反，即翼缘的两边为拉应力，此时由于有效承载面积是分布在远离中性轴的位置，其对X-X轴产生的惯性矩IX′增大，构件发生失稳的临界应力也增大，因此构件稳定性提高2、改变加工方法或调整工艺使构件边缘形成拉伸残余应力161通常，通过气割加工或由几块板叠焊，可以使翼缘边缘产生拉伸内应力内应力的影响只在一定长细比范围内的构件中起作用。当长细比λ较大，由于临界应力本身很低或当内应力较小时，外载与残余内应力之和在失稳时仍未达到σs，则内应力对稳定性不会产生影响。当λ较小时，临界应力取决于构件的全面屈服，内应力也不产生影响通常，通过气割加工或由几块板叠焊，可以使翼缘162(五)、对刚度的影响1、构件的刚度：结构抵抗外力产生变形的能力，通常用产生单位变形量所需的载荷表征(P/△L)。设一构件在外载荷P作用下伸长△L，且构件截面上的应力σ=P/F<σs:△L=L·ε=L·σ/E=LP/(E·F)=LP/(E·B·δ)(五)、对刚度的影响1、构件的刚度：设一构件在外载163构件的刚度：P/△L=F·E/L由上可知：刚度是构件特有的属性，取决于构件的截面积和长度(结构的几何特性)，对于同一结构，刚度一定，外载P与△L呈线性关系，在外载P为纵坐标，△L为横坐标的坐标系中，两者的关系是过原点的直线，此时，刚度可用直线的斜率tgα表征构件的刚度：P/△L=F·E/L164焊接结构焊接残余应力课件1652、残余应力对刚度的影响(1)、对比有、无残余应力时，构件的刚度变化假设一构件长为L，宽为B，厚为δ，其内无残余应力，只受外载拉力P作用，且P引起的σ<σs：有效承载面积：F=B·δ伸长量:△L=LP/(E·F)=LP/(E·B·δ)刚度：tgα=P/△L=F·E/L=B·δ·E/L2、残余应力对刚度的影响(1)、对比有、无残余应力时，构件的166又假设构件中心有一条焊缝，其内应力分布方向与外力一致，在焊缝附近b区中内应力为拉应力σ1，σ1=σs，两侧为压应力σ2，σ2<σs:有效承载面积：F1=(B-b)·δ伸长量:△L=LP/(E·F1)=LP/E·(B-b)·δ刚度：tgα1=P/△L1=F1·E/L=(B-b)·δ·E/L对比两种情况：F1<F;△L1>△L;tgα1<tgα结论：内应力的存在要降低构件的刚度又假设构件中心有一条焊缝，其内应力分布方向与外力一致167（2）加载和卸载情况下内应力对刚度的影响a无内应力作用且构件在外力p作用下引起的应力P/F<σs加载时，构件在外载P作用下的伸长过程可用OS线表示，此时构件各截面向外做平行移动，由于σ<σs，该变形为弹性变形，各截面上的σ=P/F=P/B·δ,应力随P的增大均匀增加，最大将增大至σs，伸长量:△L=LP/(E·F)，刚度：tgα=F·E/L，等于直线OS的斜率（2）加载和卸载情况下内应力对刚度的影响a无内应力作用且168卸载时，各截面做反向平行移动，即产生回弹收缩变形，该变形也为弹性变形，因此各截面上的应力均匀下降，应力值仍为P/B·δ，于加载时的应力相等。当外载完全卸除时，构件的回弹量△L2=LP/(E·F)也等于加载时的伸长量，因此卸载过程是加载过程的逆过程，可以用SO线表示。卸载时，各截面做反向平行移动，即产生回弹收缩变形，该169b构件内有内应力，且应力分布为：b区中为拉应力σ1，σ1=σs,（B–b）区中为压应力σ2，σ2<σsσ2=σsb/（B–b）由此可见，在无内应力作用时对构件加载卸载，卸载变形量=加载伸长量，卸载后构件内既无内应力，也无残余变形，同时构件刚度不变b构件内有内应力，且应力分布为：b区中为拉应力σ1，σ170加载时，在外载P的作用下构件各截面向外做平行移动，产生伸长变形。其中b区，由于应力已达到材料的屈服极限该区将产生拉伸塑性变形，而不承受外力，因此其应力维持在σs不变；在（B–b）区内：由于应力小于σs，将继续承载，因此该区应力持续增加为σ2+P/(B-b)·δ，构件伸长量:△L′=LP/(E·F)=LP/(B-b)·δ·E构件刚度：tgα′=F·E/L=(B-b)·δ·E/L小于无内应力时的刚度，该加载过程可用0—1直线表示加载时，在外载P的作用下构件各截面向外做平行移动，产171卸载时，构件各截面发生回弹，由于此过程中各区均不再产生塑性变形，因此构件的实际承载面积仍为构件截面积F=B·δ.这样各区的应力将均匀下降P/B·δ，因此：b区应力：σs-P/B·δ

(B–b）区的应力:σ2+P/(B-b)·δ-P/B·δ

，与加载时的内应力相比，两区应力都发生了下降卸载时，构件各截面发生回弹，由于此过程中各区172构件回弹量:△L2′=LP/(E·F)=LP/(E·B·δ)小于加载时的伸长量但与无内应力时的回弹量相同刚度：tgα=F·E/L=B·δ·E/L大于加载时的刚度但与无内应力时的刚度相同显然该卸载过程与无内应力时的卸载过程相同，因此该卸载过程可用直线12表示，12与O-S线平行，说明两者情况相同。构件回弹量:△L2′=LP/(E·F)=LP/(173此外，卸载后，在构件上还保留了一个伸长量，△L′-△L结论：如果构件中存在与外力方向一致的内应力，且内应力的数值达到σs，则在外力作用下，刚度将下降，且卸载后构件内的残余应力下降，同时构件还将产生残余变形此外，卸载后，在构件上还保留了一个伸长量，△L′-174c构件有内应力，b区中的拉应力σ1<σs

，（B–b）区中的压应力σ2<σs加载时，由于b区的拉应力σ1<σs，还可以承受外力，因此构件的实际承载面积就是构件截面积B·δ，同时在外力P作用下，构件截面上的应力均匀增加，各区的应力增加值为：P/B·δ