1第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施2內(nèi)應(yīng)力與內(nèi)部變形的基本概念1

內(nèi)應(yīng)力的基本概念第一節(jié)內(nèi)應(yīng)力3內(nèi)應(yīng)力在沒(méi)有外力的條件下，平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力。其主要特點(diǎn)是在物體內(nèi)部構(gòu)成平衡的力學(xué)系統(tǒng)，即內(nèi)力之和與內(nèi)力矩之和為零。1.

內(nèi)應(yīng)力的基本概念4內(nèi)應(yīng)力在彈性體內(nèi)構(gòu)成一平衡體系，即52.內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因

圖1

＋--圖1-28金屬框架圖1-476內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因:焊接、軋制、鑄造和鍛壓等熱加工過(guò)程；剪切、彎曲、磨削等冷加工過(guò)程和其它的機(jī)械加工過(guò)程73．內(nèi)應(yīng)力的分類(lèi)內(nèi)應(yīng)力按照其分布的尺度范圍可分為三類(lèi)：（1）第一類(lèi)內(nèi)應(yīng)力：也稱(chēng)為宏觀內(nèi)應(yīng)力，其分布范圍較大，與物體尺寸大小相當(dāng)。是主要的研究對(duì)象。（2）第二類(lèi)內(nèi)應(yīng)力：也稱(chēng)為微觀內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力在其微觀（一個(gè)或幾個(gè)晶粒）范圍內(nèi)平衡。這種應(yīng)力主要金相組織的變化而引起。（3）第三類(lèi)內(nèi)應(yīng)力：也稱(chēng)為超微觀內(nèi)力。內(nèi)應(yīng)力在其超微觀（金屬晶格）范圍內(nèi)平衡。84.自由變形、外觀變形和內(nèi)部變形91)自由變形

物體在某些因素（溫度等）的作用下，如果沒(méi)有受到外界的任何阻礙而自由進(jìn)行的變形稱(chēng)為自由變形。單位長(zhǎng)度上的自由變形，稱(chēng)為自由變形率，用

T表示。

102）外觀變形物體的自由變形受到外界的阻礙而只能部分表現(xiàn)出來(lái)的變形部分稱(chēng)為外觀變形。單位長(zhǎng)度上的外觀變形稱(chēng)為外觀變形率，用

e表示。113）內(nèi)部變形

物體的自由變形變形受到外界的阻礙而沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)的變形部分稱(chēng)為內(nèi)部變形。單位長(zhǎng)度上的內(nèi)部變形稱(chēng)為內(nèi)部變形率，用

表示。125.研究熱應(yīng)力和熱變形的幾個(gè)假定1.平截面假定；2.金屬加熱時(shí)，其物理性能不變；3.理想的彈塑性假定；4.屈服極限隨溫度變化的假定；1314理想的彈塑性假定15屈服極限隨溫度變化的假定166.內(nèi)應(yīng)力的形成（一）熱應(yīng)力（thermalstress）工件在受熱及冷卻過(guò)程中，由于各部分的溫度不同，冷卻速度不同而造成工件上在同一時(shí)刻各部分的收縮和膨脹量不同，從而導(dǎo)致彼此相互制約而產(chǎn)生的應(yīng)力，稱(chēng)為熱應(yīng)力。加熱,出現(xiàn)塑性變形后的殘余應(yīng)力

當(dāng)加熱變形在彈性范圍內(nèi)，冷卻后，殘余應(yīng)力=0。當(dāng)加熱變形超過(guò)彈性范圍（產(chǎn)生塑性變形），冷卻后，有殘余應(yīng)變，導(dǎo)致殘余應(yīng)力，如右下圖所示。E-彈性模量α-線脹系數(shù)△T-溫升17加熱：σ

2=-Eε

s’

σ

2=σ

3=1/2σ

2冷卻：σ

2=-Eε

s

σ

1+σ

3=σ

2L0

L0’T<500oC18

產(chǎn)生原因：非均勻加熱，工件各部分膨脹和收縮量不同；材料各部分相互制約，不能自由膨脹和收縮。平截面假定：焊接加熱和冷卻過(guò)程中工件端面始終保持平截面。焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生過(guò)程：加熱過(guò)程、冷卻過(guò)程，如右圖所示。（二）焊接應(yīng)力與變形19（三）相變應(yīng)力低碳鋼、低合金鋼：相變溫度大于600℃，無(wú)相變應(yīng)力高合金鋼：奧氏體穩(wěn)定性增強(qiáng)，200～350℃發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，體積增大，產(chǎn)生較大壓應(yīng)力20（四）拘束應(yīng)力產(chǎn)生原因：焊件冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的收縮受到外界的阻礙。應(yīng)力：拉應(yīng)力或切應(yīng)力影響：應(yīng)力的疊加，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生焊件內(nèi)應(yīng)力的組成：熱應(yīng)力、相變應(yīng)力、拘束應(yīng)力217.焊接殘余應(yīng)力的分布焊接應(yīng)力的分類(lèi)：縱向應(yīng)力：沿焊縫方向的應(yīng)力，

x

。橫向應(yīng)力：垂直于焊縫方向的應(yīng)力，

y

。厚度向應(yīng)力：沿板厚度方向的應(yīng)力，

z。薄板：為雙向應(yīng)力，不考慮厚度方向應(yīng)力。厚板：為三向應(yīng)力，考慮厚度方向應(yīng)力。22（一）縱向殘余應(yīng)力

x的分布2324

焊縫區(qū)σx最大值

鋼：低碳鋼σx=（1.0～1.1）σs

高強(qiáng)鋼σx

＜σs

鈦:σx=（0.5～0.8）σs

鋁:σx=（0.6～0.8）σs

25

（二）橫向殘余應(yīng)力

y的分布

橫向殘余應(yīng)力的分布情況比較復(fù)雜。它分為兩個(gè)組成部分。其中，一個(gè)是由焊縫及附近塑性區(qū)的縱向收縮引起的，用

y

表示；另一個(gè)是由焊縫及附近塑性區(qū)的橫向收縮的不同時(shí)性引起的，用

y

表示。26縱向收縮引起的橫向應(yīng)力

y分布焊縫縱向收縮引起的橫向殘余應(yīng)力

y’的分布2728橫向收縮引起的橫向應(yīng)力

y分布焊縫橫向收縮不同時(shí)性引起的橫向殘余應(yīng)力

y’’的分布29橫殘余向應(yīng)力沿板寬的分布

實(shí)踐證明橫向殘余應(yīng)力

y主要取決于縱向收縮所引起的

y

。8.焊接殘余應(yīng)力的影響殘余應(yīng)力對(duì)靜載強(qiáng)度的影響殘余應(yīng)力對(duì)機(jī)器加工精度的影響殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)受壓穩(wěn)定性的影響焊接殘余應(yīng)力對(duì)剛度的影響3031殘余應(yīng)力對(duì)靜載強(qiáng)度的影響32殘余應(yīng)力對(duì)機(jī)器加工精度的影響33殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)受壓穩(wěn)定性的影響兩端鉸支的受壓桿件在彈性范圍內(nèi)工作時(shí)，失穩(wěn)的臨界應(yīng)力為：式中：E——彈性模量；

l——

受壓桿件的自由長(zhǎng)度；

I——

桿件截面慣性矩；F——

桿件截面面積。34上式也可表示為：

式中：

—（l/r）長(zhǎng)細(xì)比；r—

（）桿件截面慣性半徑;

35tg

=P/

L=E?F/

L表征構(gòu)件的剛度。369.減小或消除焊接殘余應(yīng)力的措施

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：避免焊縫的交叉和密集；采用對(duì)接避免搭接；減小結(jié)構(gòu)的剛度。

選擇合理的工藝及采取必要的措施：小線能量焊接，減小受熱范圍；安排合理的焊接順序。37383940

焊接殘余應(yīng)力的消除熱處理、機(jī)械加載、振動(dòng)（交變載荷）41機(jī)械拉伸法42第二節(jié)焊接變形

焊接變形：由焊接導(dǎo)致的焊件的形狀尺寸發(fā)生變化。殘余變形：焊后工件完全冷卻后，遺留下的變形。整體變形局部變形43一、焊接變形的基本形式收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形、扭曲變形44二、影響變形的因素1.材料熱物理性能膨脹系數(shù)導(dǎo)熱性2.工藝因素焊接熱輸入焊接長(zhǎng)度坡口形狀、焊縫位置的設(shè)置、結(jié)構(gòu)的剛度、裝焊順序等451.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三、防止和減少焊接變形的方法46472.工藝措施

（1）反變形法

4849（2）剛性固定法

505152（3）預(yù)留收縮量53（4）合理的工藝采用熱輸入較小的焊接方法選擇合適的焊接參數(shù)合理的施焊順序54（5）焊接變形的矯正機(jī)械矯正、火焰矯正、綜合矯正1）機(jī)械矯正55562）火焰矯正573）綜合矯正58第三節(jié)裂紋一、焊接裂紋的分類(lèi)：按形成機(jī)理分主要有熱、冷、再熱、應(yīng)力腐蝕、裂紋和層狀撕裂等。5960616263646566676869

二、熱裂紋（一）熱裂紋的形成條件及其特征1.熱裂紋的形成條件：焊縫凝固過(guò)程中，在枝晶間存在低熔共晶的薄層（主要是硫化物偏析），此時(shí)材料的塑性變形能力很低，在冷卻過(guò)程中不可避免的產(chǎn)生收縮應(yīng)變（ε），當(dāng)應(yīng)收縮變大于材料此時(shí)的塑性應(yīng)變（δmin）的能力時(shí)，即產(chǎn)生焊接熱裂紋。

ε≥δmin

焊縫在凝固過(guò)程中所出現(xiàn)的晶間塑性應(yīng)變能力差的應(yīng)變區(qū)間叫做脆性溫度區(qū)，不同材料有不同的脆性溫度區(qū)，溫度區(qū)越大，產(chǎn)生熱裂紋的危險(xiǎn)性越大。70

焊縫在凝固過(guò)程中所出現(xiàn)的晶間塑性應(yīng)變能力差的應(yīng)變區(qū)間叫做脆性溫度區(qū)，不同材料有不同的脆性溫度區(qū)，溫度區(qū)越大，產(chǎn)生熱裂紋的危險(xiǎn)性越大。712.熱裂紋的特征1）與液膜有關(guān)的裂紋凝固（結(jié)晶）裂紋：焊縫中心液化裂紋：近縫區(qū)特征：沿晶液膜分離的斷口特征、氧化色彩2）與液膜無(wú)關(guān)的熱裂紋高溫失延裂紋：再結(jié)晶延性陡降多邊化裂紋：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)形成多邊化晶界（亞晶界）特征：無(wú)液膜分離特征、斷口粗糙不光滑72（二）熱裂紋的形成機(jī)理在L相和L-S階段不會(huì)產(chǎn)生裂紋S-L階段易產(chǎn)生裂紋，這一溫度區(qū)間稱(chēng)為“脆性溫度區(qū)”TB。TB越大，越易產(chǎn)生。S相階段不會(huì)產(chǎn)生1.凝固裂紋的形成機(jī)理73結(jié)晶裂紋形成條件：

ε>δminε--ＴB區(qū)間內(nèi)的產(chǎn)生的應(yīng)變量δmin--焊縫的最低延性

/T--應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率74應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率

/T為直線1時(shí)，ε<δmin

，不會(huì)產(chǎn)生裂紋

/T為直線2時(shí)，

ε=δmin

，產(chǎn)生裂紋的臨界條件

/T為直線3時(shí)，

ε>δmin

，產(chǎn)生裂紋75TB的大小TB↑（拉應(yīng)力作用時(shí)間↑，應(yīng)變量↑）→裂紋傾向↑合金材料在TB

區(qū)間具有的延性δmin的大小δmin↓→裂紋傾向↑脆性溫度區(qū)內(nèi)的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率/T/T↑→裂紋傾向↑冶金因素力學(xué)因素是否產(chǎn)生熱裂紋取決于以下三方面因素：76材料成分與熱裂紋的敏感性CST：臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率，反映與材料成分有關(guān)的熱裂紋敏感性指標(biāo)。CST越大，材料的熱裂紋敏感性越小。結(jié)構(gòu)鋼的CST≥6.5×10-4。為了防止凝固裂紋，須滿(mǎn)足：

/T<CST772.近縫區(qū)的液化裂紋在焊接熱循環(huán)峰值溫度的作用下，在熱影響區(qū)和多層焊層間由于含有較多的低熔共晶而被重新熔化，在拉伸應(yīng)力的作用下沿奧氏體晶界發(fā)生開(kāi)裂。與偏析造成的共晶反應(yīng)有關(guān)多見(jiàn)于奧氏體鋼和鎳基合金：如Ni75Cr15Fe2.液化裂紋的形成機(jī)理782.近縫區(qū)的液化裂紋高溫失延裂紋：溫度低于液相線的無(wú)液膜晶間斷裂。晶格缺陷發(fā)生移動(dòng)和聚集，形成二次邊界導(dǎo)致的高溫低塑性造成。因此又叫多邊化裂紋。開(kāi)裂模式：楔形開(kāi)裂、空穴開(kāi)裂3.高溫失延裂紋的形成機(jī)理（多邊化裂紋）79（三）焊接熱裂紋的影響因素1.冶金因素對(duì)熱裂紋的影響：化學(xué)成分、凝固組織形態(tài)（1）化學(xué)成分對(duì)熱裂紋的影響1）合金元素對(duì)凝固溫度區(qū)的影響80熱裂紋的超合金化“愈合”81822）合金元素的影響S、P：易形成低熔點(diǎn)共晶，使凝固溫度區(qū)間增大以及形成液態(tài)薄膜，增大結(jié)晶裂紋的傾向。C：影響凝固裂紋的主要元素，并能促使S、P的偏析83Mn：具有脫硫作用，改善硫化物的分布形態(tài)，提高焊縫的抗裂性。Mn/S應(yīng)大于22。合金元素的熱裂紋敏感系數(shù)HCS：當(dāng)HCS<4時(shí)，則可以防止熱裂紋的產(chǎn)生。84對(duì)于奧氏體鋼或合金：Ni：含量高，與S、P形成更低熔點(diǎn)的共晶，熱烈紋的傾向更大，特別是P的危害更大。奧氏體焊縫中，各元素對(duì)熱裂紋的敏感系數(shù)：HCI=1080P+733S+13Si+0.2Ni-43C-3Mn-0.7Cr當(dāng)HCI<15時(shí)，可防止產(chǎn)生熱裂紋。85（2）凝固組織形態(tài)對(duì)熱裂紋的影響奧氏體鋼：凝固后晶粒的大小、形態(tài)和方向以及析出的初生相晶粒越粗大，方向越明顯，熱裂傾向越大細(xì)化晶粒：Ti、Mo、V、Nb、Al和稀土元素破壞液態(tài)薄膜的連續(xù)性，打亂柱狀晶的方向。18-8鋼：γ+δ雙向焊縫組織，因此應(yīng)在焊接材料中加入鐵素體化元素，如Cr、Si等。86γ的作用：細(xì)化晶粒，打亂柱狀晶的方向性；減輕S、P的危害，提高抗裂性872.工藝因素對(duì)熱裂紋的影響（1）熔合比：θ（2）成形系數(shù)焊接參數(shù)與接頭形式對(duì)焊縫枝晶成長(zhǎng)有重要影響，從而影響到枝晶偏析或區(qū)域偏析。

成形系數(shù)φ的定義：

φ=B/H88不同形式的接頭對(duì)裂紋傾向的影響Φ>1較好89熔池形狀系數(shù)φ’

φ’=B/L高速焊熱裂紋傾向大：與結(jié)晶有關(guān)，易形成對(duì)向晶，雜質(zhì)在會(huì)合面偏析聚集。φ’不能太小90（3）拘束度的影響降低拘束度可減小焊縫的應(yīng)力作用，減小裂紋傾向。合理布置焊縫合理安排施焊順序厚板焊接應(yīng)以多層焊代替單道焊，減小熱輸入91（四）防止焊接熱裂紋的措施主要是控制焊縫金屬的成分和調(diào)整焊接參數(shù)。1.焊縫成分的控制（1）選擇合適的焊接材料：細(xì)化晶粒（2）限制有害的雜質(zhì)S、P：各種材料都必須限制含量單相奧氏體焊縫：Si、Nb有害，應(yīng)限制含量雙相奧氏體焊縫：Si有利，促使δ形成，δ含量在5%左右922.調(diào)整焊接工藝（1）適宜的焊接參數(shù)（2）控制焊縫金屬成形系數(shù)（3）減小熔合比（4）減小拘束度93三、冷裂紋

冷裂紋是焊件在焊接冷卻到室溫附近產(chǎn)生的一種裂紋，它是焊接缺陷中最普遍而又極危險(xiǎn)的一種。包括淬火裂紋、氫致裂紋和低塑性脆化裂紋。主要討論氫致裂紋（Hydrogen-inducedCracking,HIC）或稱(chēng)之為延遲裂紋（DelayedCracking）。94（一）冷裂紋的形成條件及其特征1.形成條件：ε≥δminε與工件的拘束應(yīng)力有關(guān)。δmin取決于材料的致脆因素，主要是淬硬組織和氫的作用。發(fā)生的溫度：Ms以下，室溫附近淬硬傾向較大的鋼種焊接時(shí)容易出現(xiàn)，如中C、高C和高強(qiáng)鋼。952.冷裂紋的分布特形態(tài)與特征焊道下、焊根、焊趾部位易出現(xiàn)冷裂紋。（1）分布形態(tài)9697（2）特征1）有延遲特征的冷裂紋具有延遲特征，焊道下裂紋最為典型。主要是由于氫的擴(kuò)散導(dǎo)致。又稱(chēng)氫致裂紋。2）無(wú)延遲特征的冷裂紋淬硬傾向大的鋼材，無(wú)延遲特征，與淬硬組織有關(guān)。稱(chēng)淬火裂紋。鑄鐵和硬質(zhì)合金，無(wú)延遲性，脆性大造成開(kāi)裂，稱(chēng)低塑性脆化裂紋或應(yīng)力裂紋。983）斷口特征宏觀上：發(fā)亮金屬光澤，典型的脆性斷裂特征。微觀上：晶間斷裂與穿晶斷裂共存。氫致裂紋：氫致解理斷口，沿晶斷裂特征明顯啟裂點(diǎn)：一般為沿晶斷裂，擴(kuò)展過(guò)程是沿晶和穿晶斷裂的混合。99（二）冷裂紋的形成及延遲機(jī)理1.形成機(jī)理及臨界條件三大因素：鋼的淬硬傾向、氫含量及其分布、拘束應(yīng)力的狀態(tài)（1）氫的作用在延遲裂紋的形成中起主要作用。決定裂紋的延遲特點(diǎn)和斷面上的氫脆開(kāi)裂特征。H在金屬中的溶解特點(diǎn)：液態(tài)大量溶入；低溫時(shí)溶解度急劇下降，過(guò)飽和析出快速冷卻導(dǎo)致大量H被滯留于焊縫金屬中100H的擴(kuò)散：原子半徑小，易于擴(kuò)散濃度擴(kuò)散、相變誘導(dǎo)擴(kuò)散、應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散擴(kuò)散氫：-100~100℃范圍，對(duì)氫致裂紋起作用100℃以上H逸出金屬，-100℃以下H的擴(kuò)散受抑制不會(huì)出現(xiàn)裂紋101H在致裂過(guò)程中的動(dòng)態(tài)行為：焊縫與母材成分的不同,組織轉(zhuǎn)變先后時(shí)間不同導(dǎo)致熔合線附近氫的富聚。102103（2）鋼材的淬硬傾向鋼種的淬硬傾向越大，越易產(chǎn)生冷裂紋。與淬硬相的脆性相關(guān)。M：硬、脆，焊接時(shí)近縫區(qū)易過(guò)熱，形成粗大MM越多，冷裂傾向越大；C含量越高，越易形成高碳M，冷裂傾向加大。低碳M：較好，自回火作用組織對(duì)裂紋的敏感性由低到高排序：F或P、BL、ML、BU、BG、MT。104