第12章应力、变形及裂纹

第12章应力、变形及裂纹Stress,distortionandcracking2/3/20231MFP–DrXIONGJG形成材料成形(铸造、焊接时)的温度改变，导致“热胀冷缩”，而且非均匀的温度变化（如局部的加热、冷却）导致金属内部不均匀的“热胀冷缩”从而产生应力。称为内应力（internalstress)。工件冷却后仍保留在工件内部的应力称为残余应力（residualstress）。加热冷却或受力过程中存在的应力称为瞬时应力（instantaneousstress)。亦即动态应力。另外，固态相变也有膨胀或收缩现象，局部的相变因此也能造成内应力。2/3/20232材料成形原理-焊接-XIONGJG12-1内应力1、内应力的形成（1）热应力（thermalstress）不均匀加热冷却过程产生的应力称为热应力。（因材料的弹-塑性）杆中心加热，产生内应力（瞬时应力）当加热变形在弹性范围内，冷却后，残余应力=0当加热变形超过弹性范围外（塑性），冷却后，残余应变，残余应力加热时2/3/20233材料成形原理-焊接-XIONGJG焊件内应力在不均匀温度场的作用下，被加热到较高温度的区域的金属受到压缩应力，当此应力达到材料在该温度下的屈服限时，局部区域内受到压缩塑性变形，由于塑性变形不可逆，此区域的材料在冷却之后即产生收缩，而周围未受热的金属会限制它的收缩，于是在压缩塑性变形的区域内产生拉应力，而周围区域产生压应力。这种内部应力在温度均匀后残存在物体内部，固称为残余应力。残余应力是在没有外力的条件下，平衡于内部的应力。由焊接引起的残余应力称为焊接残余应力。

2/3/20234材料成形原理-焊接-XIONGJG板中心堆焊焊接残余应力形成2/3/20235材料成形原理-焊接-XIONGJG铸件的内应力冷却过程中各部分冷却速度不一致造成的.2/3/20236材料成形原理-焊接-XIONGJG相变应力（transformationstress）固态相变金属因各区域发生相变的类型不同、时间不同或程度不同，由于不同相组织的比容不同而导致的内应力。低碳钢合金钢2/3/20237材料成形原理-焊接-XIONGJG2.焊接残余应力的分布纵向残余应力分布2/3/20238材料成形原理-焊接-XIONGJG板边堆焊焊接残余应力形成2/3/20239材料成形原理-焊接-XIONGJG3.1减少焊接残余应力的措施工艺措施、结构设计2/3/202310材料成形原理-焊接-XIONGJG3.2残余应力的消除热处理、机械振动法、机械加载机械拉伸法2/3/202311材料成形原理-焊接-XIONGJG12-2.焊接变形残余应力的存在必然导致原工件形状的少量改变，也称为残余变形（工件冷却下来后遗留一下来的变形）。整体变形局部变形2/3/202312材料成形原理-焊接-XIONGJG纵向横向收缩变形2/3/202313材料成形原理-焊接-XIONGJG

挠曲变形2/3/202314材料成形原理-焊接-XIONGJG

角变形2/3/202315材料成形原理-焊接-XIONGJG波浪变形（失稳变形）2/3/202316材料成形原理-焊接-XIONGJG影响因素及防止措施影响因素：材料热物理性能：膨胀系数、导热性工艺因素：焊接热输入、焊接顺序防止方法：结构设计；工艺：反变形、刚性固定、预留收缩量、等2/3/202317材料成形原理-焊接-XIONGJG焊接变形的矫正（straightening）机械矫正火焰矫正2/3/202318材料成形原理-焊接-XIONGJG12-3裂纹裂纹是一种可能造成制造产品或结构失效的突发性破坏的材料缺陷，往往是一种最危险而又常见的缺陷。种类：按形成机理分。主要有热、冷、再热（reheat）、应力腐蚀（stress-corrosion）裂纹和层状撕裂（lamellartearing）2/3/202319材料成形原理-焊接-XIONGJG12.3.1焊接热裂纹（hotcracking）主要指凝固裂纹(solidificationcracking)

焊接热裂纹的形成原因：焊接热裂纹是一种高温沿晶断裂而形成的裂纹。焊缝凝固过程中，在枝晶间存在低熔共晶的薄层，此时材料的塑性变形能力很低，在冷却过程中不可避免的产生收缩应变，当收缩应变大于材料此时的塑性应变的能力时，即产生焊接热裂纹。焊缝在凝固过程中所出现的晶间塑性应变能力的应变区间叫做脆性温度区，不同材料有不同的脆性温度区，温度区越大，产生热裂纹的危险性越大。2/3/202320材料成形原理-焊接-XIONGJG（1）特征1）仅发生于WM或铸件中2）一次结晶（原奥氏体）晶界分布的晶间裂纹3）断口形貌（fractureappearance）a.高温特征：液膜（liquidfilm）表面，液态分离时自由凝固表面特征，有时有氧化b.偏析特征微区元素分析表明有S、P等富集2/3/202321材料成形原理-焊接-XIONGJG(2)形成机理2/3/202322材料成形原理-焊接-XIONGJG(3)焊接热裂纹的影响因素a.硫的偏析b.焊缝的组织c.焊缝冷却的速度（层间温度、热输入量）d.焊缝的形状（成形系数）e.拘束度2/3/202323材料成形原理-焊接-XIONGJG12.3.2焊接冷裂纹coldcracking材料焊接冷却到室温附近产生的一种裂纹，它是焊接缺陷中最普遍而又极危险的一种。主要讨论其中主要的一种：延迟裂纹（delayedcracking）或称之为氢致裂纹（hydrogen-inducedcracking,HIC）2/3/202324材料成形原理-焊接-XIONGJG（1）冷裂纹的基本特征1）产生冷裂纹的材料：中、高碳钢及合金钢、钛及钛合金，BCC材料有淬硬M相变材料。其它FCC金属材料如Al、Ni、Cu、奥氏体钢一般没有。2）产生部位：多数在HAZ粗晶区；也有少量在多层焊焊缝的中上部；易在焊趾（toe~）和焊根(root~)；焊道下（under-bead~）

3）发生时间：具有延迟特性，焊后数分钟至数日后出现（危险性大！！！）；4）发生温度：T<Ms；

5）裂纹形貌：端部尖锐，断口无氧化、液膜特征；裂纹呈沿晶（intergranular）和穿晶(transgranular)混合扩展；2/3/202325材料成形原理-焊接-XIONGJG2/3/202326材料成形原理-焊接-XIONGJG（2）形成机理冷裂纹形成的三大因素：淬硬（M）组织氢拘束应力前两项是冶金条件（内因），后一项是力学条件（外因）。2/3/202327材料成形原理-焊接-XIONGJG1）马氏体淬硬组织：焊后冷却形成的M越多，M中含碳量越高，淬硬倾向越大，冷裂倾向越强。a.M淬硬组织的脆性，尤其是其对氢脆的敏感性。b.M组织高内应力条件：M硬度高，相变温度低，组织应力高c.M淬硬组织缺陷多：晶格缺陷、位错……2/3/202328材料成形原理-焊接-XIONGJG2）氢的作用氢是导致冷裂纹特别是其延迟特征的主要因素。氢脆（hydrogenembrittlement）a.氢的扩散及HAZ聚积氢在金属中的溶解在不同组织中的溶解在不同组织中的扩散在致裂过程中的动态行为:2/3/202329材料成形原理-焊接-XIONGJG在致裂过程中的动态行为:

焊缝与母材成分的不同,组织转变先后时间不同—熔合线附近氢的富聚

2/3/202330材料成形原理-焊接-XIONGJG2/3/202331材料成形原理-焊接-XIONGJGb.延迟特征机理:应力诱导扩散模型(stress-inducediffusionmodel)试样在受力过程中,会在裂纹敏感的部位形成有应力集中的三向应力区,氢就极力向这个区域扩散,应力也随之提高,当些部位氢的浓度达到临界值时,就会发生启裂和相应扩展。其后，氢又不断向新的三向应力区扩散。“延迟”性：因氢的扩散聚集是time-dependentphnomenon2/3/202332材料成形原理-焊接-XIONGJG3）拘束应力restraintstresses冷裂纹与任何断裂过程的产生一样，总是受到外力或内应力的作用才得以产生的。a.热应力b.相变组织应力c.结构拘束应力2/3/202333材料成形原理-焊接-XIONGJG拘束度的概念R=Eh/L单位长度焊缝上,对接接头根部收缩单位长度间隙所受的力.单位:N/mm.mm与板厚成正比,与拘束长度成反比,与材料的杨氏模量有关.与其它焊接条件无关.2/3/202334材料成形原理-焊接-XIONGJG焊接冷裂纹的控制a.控制组织硬化,降低HAZ组织淬硬程度：选择钢种后，根据化学成分决定Pcm或者CE，评定其冷裂倾向。2/3/202335材料成形原理-焊接-XIONGJG调整焊接条件，以获得适宜的焊接热循环曲线，常用T8/5作为判据，当选定焊接方法及焊接线能量之后，不能随意变化，以防止过热脆化。为了获得需要的T8/5，而又不能改变焊接方法和焊接线能量时，可以采用预热或后热的方法。低合金高强钢对接接头的预热：

σbw－焊缝金属抗拉强度（kgf/mm2)；

δw－焊层厚度；HD－焊缝金属扩散氢的含量。不同的焊接材料不同焊接方式有不同的预热公式2/3/202336材料成形原理-焊接-XIONGJGb.限制扩散氢：

采用低氢或超低氢焊接材料；焊接材料必须按规定进行烘干；在使用四个小时以后，必须再进行烘干；工件表面必须防止有水分；预热可以减少扩散氢；“紧急”后热，焊后尽快加热，一般加热到250。C,保温12～24个小时，扩散氢大部分逸出；采用奥氏体焊条，可以固溶较多的氢，限制氢扩散运动，有利于减少冷裂倾向，一般可以不预热，要注意焊缝热裂纹倾向。c.控制拘束应力：制定施焊工艺时，应力求减少拘束度，调整焊接循序，使焊缝有收缩的余地。预热或后热；低强度匹配2/3/202337材料成形原理-焊接-XIONGJG2/3/202338材料成形原理-焊接-XIONGJG焊接再热裂纹（ReheatCracking）

再热裂纹是指焊后对焊接接头再次加热（焊后热处理或高温服役）时所产生的开裂现象。1.3.1焊接再热裂纹的形成条件再热裂纹的特征是沿晶开裂；形成条件：a.存在残余应力；b.存在粗大的晶粒组织；c.化学成分中有沉淀强化的元素，易导致晶界弱化；在焊后热处理时，应力松弛引起的松弛应变超过材料的蠕变塑性，在有晶界弱化的条件下，即出现沿晶的再热裂纹。2/3/202339材料成形原理-焊接-XIONGJG2/3/202340材料成形原理-焊接-XIONGJG焊接再热裂纹的影响因素a.化学成分的影响；b.杂质的影响；c.拘束应力的影响；d.焊接工艺的影响；