《应力与变形》PPT课件.ppt

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1、青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理加热加热与冷却与冷却受拘束瞬时应力瞬时应力与应变与应变完全冷却后残余应力残余应力与变形与变形第四节第四节第四节第四节 应力与应变应力与应变应力与应变应力与应变青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、应力一、应力 二、变形二、变形 青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、一、一、一、应应应应 力力力力（一）应力的形成（一）应力的形成 （二）热应力的产生与分布（二）热应力的产生与分布 （三）控制应

2、力的措施（三）控制应力的措施 青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理（一）应力的形成（一）应力的形成（一）应力的形成（一）应力的形成温度温度变化变化热膨胀热膨胀或收缩或收缩热应力热应力（自身拘束）（自身拘束）机械阻机械阻碍应力碍应力（外部拘束）（外部拘束）固态相变固态相变（伴随比容变化）（伴随比容变化）受阻受阻受阻受阻相变应力相变应力青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理（二）热应力的产生与分布（二）热应力的产生与分布（二）热应力的产生与分布（二）热应力的产生与分布例例1 1、铸件内的应

3、力、铸件内的应力例例2 2、金属框架的局部加热与冷却、金属框架的局部加热与冷却例例3 3、平板中心堆焊接头的应力、平板中心堆焊接头的应力例例4 4、异种钢管对接、异种钢管对接青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理框形铸件中的动态应力分析框形铸件中的动态应力分析 在高于弹性转变温度的阶段，两杆均处于塑性在高于弹性转变温度的阶段，两杆均处于塑性状态，两杆冷却速度虽然不同，收缩也不一致，状态，两杆冷却速度虽然不同，收缩也不一致，但该过程中的应力均可通过塑性变形释放。但该过程中的应力均可通过塑性变形释放。继续冷却，冷却较快的细杆杆已进入弹性状态，继

4、续冷却，冷却较快的细杆杆已进入弹性状态，而粗杆仍处于塑性状态。由于细杆受拉伸，粗杆受而粗杆仍处于塑性状态。由于细杆受拉伸，粗杆受压缩，形成临时内应力，该应力随之会由于粗杆的压缩，形成临时内应力，该应力随之会由于粗杆的微量塑性变形而消失。微量塑性变形而消失。冷却到更低温度，已被压短的粗杆也处于弹性状态，此冷却到更低温度，已被压短的粗杆也处于弹性状态，此时，尽管两杆长度相同，但所处的温度不同。粗杆的温度时，尽管两杆长度相同，但所处的温度不同。粗杆的温度较高，还会进行较大的收缩；细杆的温度较低，收缩较小，较高，还会进行较大的收缩；细杆的温度较低，收缩较小，粗杆的收缩受到细杆的阻碍，故细杆受压缩，粗杆

5、受拉伸，粗杆的收缩受到细杆的阻碍，故细杆受压缩，粗杆受拉伸，至室至室 温形成残余应力。温形成残余应力。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理2 2 2 2、分析下列铸件内的纵向残余应力：、分析下列铸件内的纵向残余应力：、分析下列铸件内的纵向残余应力：、分析下列铸件内的纵向残余应力：厚壁筋板内拉伸应力厚壁筋板内拉伸应力薄壁筋板内压缩应力薄壁筋板内压缩应力中心近轴线部位受拉中心近轴线部位受拉外部近圆周部位受压外部近圆周部位受压青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理例例例例2 2、金属框架的局

6、部加热与冷却、金属框架的局部加热与冷却、金属框架的局部加热与冷却、金属框架的局部加热与冷却 只对框架的中心杆件加热，两侧只对框架的中心杆件加热，两侧的杆件不加热，中心杆由于温度上的杆件不加热，中心杆由于温度上升而伸长，但其伸长受到两侧杆件升而伸长，但其伸长受到两侧杆件的阻碍而不能自由进行，故中心杆的阻碍而不能自由进行，故中心杆件受压缩作用，产生压应力；件受压缩作用，产生压应力；两侧杆件在阻碍中心杆伸长的同两侧杆件在阻碍中心杆伸长的同时，受到了中心杆的反作用，产生时，受到了中心杆的反作用，产生拉应力。拉应力。拉应力与压应力在框架中互相平衡。拉应力与压应力在框架中互相平衡。金属框架加热过程中的应力

7、金属框架加热过程中的应力 如如果果加加热热温温度度不不高高，加加热热过过程程中中的的应应力力值值始始终终低低于于材材料料的的屈屈服服极极限限，则则框框架架内内不不会会产产生生塑塑性性变变形形，当当框框架架的的温温度度均均匀匀化化后后，热热应力随之消失。应力随之消失。如如果果加加热热产产生生的的应应力力超超过过材材料料的的屈屈服服极极限限，则则中中心心杆杆件件将将产产生生压压缩缩塑塑性性变变形形；当当框框架架温温度度下下降降时时，若若中中心心杆杆件件能能自自由由收收缩缩，则则其其长长度度理理应应比比原原来来短短，其其缩缩短短量量就就是是压缩塑性变形量。压缩塑性变形量。但但实实际际上上，框框架架两

8、两侧侧的的杆杆件件阻阻碍碍着着中中心心杆杆件件的的收收缩缩，从从而而使使中中心心杆杆件件受受到到拉拉应应力力的的作作用用，而而两两侧侧杆杆件件受受到到压压应应力力的的作作用用。这这样样在在冷冷却却后后的的框框架架中中就就形形成成了了与与加加热热过过程程相反的残余应力场。相反的残余应力场。金属框架冷却后的残余应力金属框架冷却后的残余应力 青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 以低碳钢板条中心以低碳钢板条中心堆焊为例，讨论焊接堆焊为例，讨论焊接加热与冷却加热与冷却过程中沿过程中沿焊缝纵向的焊接瞬时焊缝纵向的焊接瞬时热应力与焊接残余应热应力与焊

9、接残余应力分布情况。力分布情况。焊缝纵向焊缝纵向焊缝横向焊缝横向加热过程中的焊接纵向应力加热过程中的焊接纵向应力焊后残余应力焊后残余应力焊缝及焊缝及HAZ受拉受拉青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理加热加热过程过程冷却冷却过程过程加热过程中冷却过程中青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理例例4 4、异种钢管对接焊、异种钢管对接焊 珠光体耐热钢与奥珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢钢管的对氏体不锈钢钢管的

10、对接焊，采用镍基焊丝接焊，采用镍基焊丝钨极氩弧焊。用钨极氩弧焊。用Ansys有限元计算软有限元计算软件，模拟出焊接温度件，模拟出焊接温度场、应力场的动态变场、应力场的动态变化：化：动态焊接温度场动态焊接温度场青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理（三）控制应力的措施（三）控制应力的措施（三）控制应力的措施（三）控制应力的措施 1 1合理设计结构合理设计结构2 2合理选择工艺合理选择工艺3 3消应力处理消应力处理 青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“

11、十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理1 1合理设计结构合理设计结构合理设计结构合理设计结构 在焊接结构中，应避免焊缝交叉和密集，尽在焊接结构中，应避免焊缝交叉和密集，尽量采用对接而避免搭接；在保证结构强度的前量采用对接而避免搭接；在保证结构强度的前提下，尽量减少不必要的焊缝；采用刚度小的提下，尽量减少不必要的焊缝；采用刚度小的结构代替刚度大的结构等结构代替刚度大的结构等（示例）（示例）。在铸造结构中，铸件的壁厚差要尽量小；厚在铸造结构中，铸件的壁厚差要尽量小；厚薄壁连接处要圆滑过渡；铸件厚壁部分的砂层薄壁连接处要圆滑过渡；铸件厚壁部分的砂层要减薄，或放置冷铁；合理设置浇冒口，

12、尽量要减薄，或放置冷铁；合理设置浇冒口，尽量使铸件各部分温度均匀。使铸件各部分温度均匀。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理2 2合理选择工艺合理选择工艺合理选择工艺合理选择工艺 在在焊焊接接中中，尽尽量量采采用用较较小小的的线线能能量量（如如采采用用小小直直径径焊焊条条和和较较低低的的焊焊接接电电流流），以以减减小小焊焊件件的的受受热热范范围围。采采用用合合理理的的装装焊焊顺顺序序，尽尽可可能能使使焊焊缝缝能能自自由由收收缩缩，收收缩缩量量大大的的焊焊缝缝应应先先焊焊。此此外外，采采取取预预热热措措施施可可降降低低工工件件中中的的温温度

13、度梯梯度度，从从而而减减小小焊焊接接应力。应力。浇浇注注铸铸件件时时，应应选选择择弹弹性性模模量量和和收收缩缩系系数数小小的的材材料料；提提高高铸铸型型的的预预热热温温度度可可减减小小铸铸件件各各部部分分的的温温差差；采采用用较较细细的的面面砂砂和和涂涂料料，减减小小铸铸件件表表面面的的摩摩擦擦力力；控控制制铸铸型型和和型型芯芯的的紧紧实实度度，加加木木屑屑、焦焦炭炭等等提提高高铸铸型型和和型型芯芯的的退退让让性性；控控制制铸铸件件在在型型内内的的冷冷却却时时间间，避免过早或过迟打箱。避免过早或过迟打箱。青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原

14、理3 3消应力处理消应力处理消应力处理消应力处理（1）热热处处理理法法 整整体体或或局局部部加加热热（Ac1温温度度以以下下）并并保保温温一一段时间，利用蠕变产生的塑性变形使应力消除，再缓慢冷却。段时间，利用蠕变产生的塑性变形使应力消除，再缓慢冷却。（2）加加载载法法 对对于于压压力力容容器器、船船体体结结构构，利利用用加加载载所所产产生生的的拉拉伸伸应应力力与与焊焊接接应应力力叠叠加加，使使拉拉应应力力区区（焊焊缝缝及及近近缝缝区区）的的应应力力值值达达到到屈屈服服强强度度，迫迫使使材材料料发发生生塑塑性性变变形形，卸卸载载后后构构件件内的应力得以完全或部分消除。内的应力得以完全或部分消除。

15、（3）振动法振动法 以振动的形式给工件施加附加应力以振动的形式给工件施加附加应力,当附当附加应力与残余应力叠加后加应力与残余应力叠加后,达到或超过材料的屈服极限时达到或超过材料的屈服极限时,工件发生微观塑性变形工件发生微观塑性变形,从而降低和均化工件内的残余应从而降低和均化工件内的残余应力。力。（4）局部加压法局部加压法 焊后利用外力（锤击、碾压或爆炸力）焊后利用外力（锤击、碾压或爆炸力）对焊缝及邻近部位施加压力，使之得到延展，以补偿或抵对焊缝及邻近部位施加压力，使之得到延展，以补偿或抵消焊接时所产生的压缩塑性变形，降低焊接残余应力。消焊接时所产生的压缩塑性变形，降低焊接残余应力。青岛科技大学

16、机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、变形二、变形二、变形二、变形（一）焊接变形的种类（一）焊接变形的种类（二）控制变形的措施（二）控制变形的措施青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理（一）焊接变形的种类（一）焊接变形的种类（一）焊接变形的种类（一）焊接变形的种类 板材对接焊件的变形板材对接焊件的变形 （1）中、厚板的）中、厚板的纵向与横向纵向与横向收缩变形收缩变形 （2）薄板的）薄板的波浪失稳变形波浪失稳变形 焊接焊接 工工 字梁的扭曲变形字梁的扭曲变形 焊接梁的弯曲变形、焊接梁的弯曲变形、T

17、型梁的角变形型梁的角变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理焊接梁的弯曲变形焊接梁的弯曲变形T型梁的角变形型梁的角变形青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理（二）控制变形的措施（二）控制变形的措施（二）控制变形的措

18、施（二）控制变形的措施1结构设计方面结构设计方面 合理地选择焊缝的尺寸和形式合理地选择焊缝的尺寸和形式 2工艺方面工艺方面（1 1）反变形法）反变形法 （2 2）刚性固定法）刚性固定法 （3 3）采用合理的工艺）采用合理的工艺（4 4）焊接变形的矫正）焊接变形的矫正青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理图图11-36 箱形梁的不同接头形式箱形梁的不同接头形式a)b)c)青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理图图11-37 箱形梁的焊缝布置箱形梁的焊缝布置a)b)c)青岛科技大学机电工程学

19、院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理图图11-38 带轮铸件轮缘的变形和加厚示意图带轮铸件轮缘的变形和加厚示意图a)b)青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理图图11-40 采用反变形法减小焊接变形采用反变形法减小焊接变形b)a)青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理图图11-42 刚性固定法减小焊接变形刚性固定法减小焊接变形a)焊接法兰盘焊接法兰盘 b)对接缝旁加压铁对接缝旁加压铁 c)对接缝上加马板对接缝上加马板a)b)c)青岛科技大学机电工程学院普

20、通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理焊缝焊缝木楔木楔青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理低应力无变形焊接技术低应力无变形焊接技术1-水冷垫水冷垫 2-加热器加热器 3夹具夹具 3青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理图图11-45 火焰矫正焊接变形示意图火焰矫正焊接变形示意图加热加热区区加热区加热区旁弯旁弯上拱上拱青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理青岛科技大学机电工程学院普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理