【哈爾濱工業大學】《焊接結構學》精品課 P24 - 25. 25 焊接應力的產生及其原因

那麼第一節就是內應力的產生 那麼內應力的產生 首先就大家看一下這個書上都有在給大家介紹這個內應力的這個這個概念 就在沒有外加載荷的作用下 那麼這個結構內部呢 它存在的應力 也就是說 這個這個結構呢 它有拘束是可以的 那比如說我們現在在這這個地方 我們要焊一個一個一個一個有個板子 那上面我再放一塊板 那在這上面我進行焊接 焊接完了之後 由於熱暖縮的作用 那最終的在這裏面就會存在留下了很多應力 那這個應力留下的這個應力呢 其實就叫殘餘應力 那麼就是說這個時候它沒有外載作用 如果說這時候有外載作用 那這個就成爲殘餘應力 比如說我們這樣一個情況 假設有個外載荷 我這有個拉應力作用 那這個時候呢 它這裏面也存在應力 但這時候的應力呢 就不成爲殘餘應力了 也就是外加載荷產生的應力 那它呢 就這個我就根據結構來看 這個結構它放在這不動 沒有沒有任何的這個其他東西 那這個時候呢 它裏邊這個應力就是它內部的這個內應力 那麼內應力呢 首先看一下這個分類 它是一共三類 第一類呢 是叫宏觀應力 那它的這個尺度呢 是和這個結構的尺度是相關的 就是相當的 就是很宏觀的一個一個一個應力 那麼這種應力的產生之後呢 比如說我們 這種應力的產生 它會導致一個什麼樣一個結果呢 就會導致這種結構的尺寸不穩定性 就是也就是說 那這種結構能容易產生變形 如果這個結構裏面有殘餘應力的話 那麼最終的這個結構呢 就會產生變形 那這個呢 就是這樣一個一個宏觀應力這樣一個作用 那第二類應力呢 就是微觀應力 那麼它的這個尺度 那麼這裏邊也介紹了 就是說呢 是個精力尺度的這樣一個應力 那麼這個精力尺度的應力呢 在我們這個 實際的這個過程中呢 有這樣一個例子 就是說呢 黃銅的話 這個黃銅這個材料 那麼在這個春季的時候 或者在天氣非常潮溼的時候 它會發生一定的這個腐蝕 會發生腐蝕的這個問題 那麼這個呢 固然和這個裏面的黃銅 它的這個 精力啊 精力和精界之間呢 它們之間就是這個成分上可能有一點點的 不是很明顯的差別 但是這個不明顯差別 可能會導致它這個抗腐蝕能力有一定的差別 但是很關鍵的一點呢 就是它們在這個各個精力之間 那麼就是各個精力之間 它力的狀態是不一樣的 受力的狀態不一樣的話 然後就會使得在這個某些位置的 這些局部的這些位置 產生非常大的這個力的差異 那麼這個力的差異 最終導致了它這個材料 在這個潮溼的環境下 就會發生一種腐蝕啊 等等這些問題 那麼也就是說第二類這個硬力 第二類這個微觀硬力 精力尺度的硬力 它會導致結構的這個腐蝕的這個速度非常加快 那麼它有這樣一個作用 那第三類呢 就是叫超微觀硬力 那麼就是到晶格尺寸了 那就是在這個晶格里面 它這個比如說這裏面有一個微措 或者有一個空穴的話 那麼這個空穴會微措的存在 那麼會對它整個這個周圍的區域 比如大約二三十個這個原子 或者幾十個原子這麼大一個範圍內 那對這個範圍內的硬力呢 產生分佈的產生作用 跟我們焊接結構呢 最相關的這個硬力來說呢 就是這個溫度硬力 就是在這個溫度的作用下 那麼它這個產生的這個硬力 怎麼樣能產生這種溫度硬力呢 就是說由於這個受熱不均勻 會有外部拘束 那麼大家也知道 如果說我這有一個結構的話 有一個杆件 我對它進行均勻加熱的話 對它進行均勻加熱 那麼對它均勻加熱呢 這個杆件呢 它是雖然它可能是會變大 會變 伸長會縮短 就是熱量冷縮嘛 大家也都學到了這個 這個基本的物理常識 就是熱量冷縮 在加熱的時候 這杆呢會伸長 對吧 在冷卻的時候呢 這杆會縮短 但是如果說它這個結構呢 是受熱是均勻的 也就是說呢 我這個溫度上升的時候 整個結構裏各個位置 它的溫度上升都會一致的 都是相同的一個溫度曲線上去的 那這個結構呢 它是不產生內應力的 不產生熱應力的 它就沒有應力的作用 不受力 沒有力 內部也沒有力的作用 但是呢 如果說我這個受熱是不均勻的 比如說在局部呢進行加熱 這個局部的位置進行加熱 或者說這個結構呢 受到了一定的約束 那麼這個時候呢 在這個溫度的作用下 在這個熱的作用下 那麼它呢 最終呢 就會產生這個力的作用 會產生力的作用 那麼也就是說呢 這裏面提到就是這個溫度應力 如果想產生的話 它必須呢 是這個一是受熱不均勻 二呢 就是說它的感電呢 要有外部的這個約束 有這個約束 那麼如果說 那麼這裏面講 如果說呢 溫度結束之後 最後如果溫度均勻了 由於我這個這個受熱呢 不均勻 或者由於拘束的作用 那麼最終呢 如果這裏面有一定的殘餘的這個 應力存在的話 能把一些應力的殘餘 殘餘下來 那麼這個時候就會產生這個殘餘應力 那麼有的時候呢 這個應力也不產生 那麼這個呢 我們會在後面呢 就給大家舉一個詳細的例子來介紹 那麼這裏面就是一個這樣一個例子 那大家看一下這個這個白色的這個呢 是這個一個鋼性的一個工作臺 那麼中間那個藍是發藍色的這個青色的這個 那就是中間的一個鋼棒 放在這個中間的一個鋼棒 然後在它兩邊那個白色的地方就是空的 就是空的 相當於我把一個鋼棒放在那個工作臺裏面 然後這個時候呢 我對它進行加熱 那麼如果說呢 我如果把這個整個的這個這個兩邊呢 這鋼棒的兩邊完全的固定在這個工作臺上 那這個時候呢 就對鋼棒進行加熱 那麼完全固定是什麼意思 就是它伸展的時候 那個由於受兩邊拘束呢 它不能自由的伸展 那收縮的時候也不讓它自由收縮 就說這種完全的拘束 完全拘束住 和工作臺相當於成爲一體 那我們加熱的時候會發現一個什麼情況呢 隨着我的這個溫度的提高 那麼它呢 裏邊呢 大家知道這個它要漲嘛 對吧 熱漲冷縮 它一加熱它要漲 但是這個時候兩邊的這個結構呢 就把它給拘束住了 那麼這個結果是什麼呢 那麼結果這個結構應該受到一個什麼樣一個應力的狀態呢 做一個壓應力的狀態 對吧 那就是說呢 會產生這樣一個壓應力的狀態 我們看一下這個 隨着這個溫度的增加呢 它這個壓應力的狀態呢 一直是這樣一個趨勢 一直是在增加的 因爲你加熱的溫度越高 那麼它相當於伸展的越大 對吧 伸得就越大 伸得越大呢 它這個反向的這個要把它壓回來 這個力呢 就相當於越大 但是我們看到在經過大約二百度左右的時候 這時候這個整個的曲線出現了一個 拐點也好 出現了一個趨勢 發現了一個轉變 那到這之後呢 它這個隨着溫度的提高呢 這個時候呢 發現這個 這個壓應力會變小 那麼這個時候呢 會爲什麼會出現這種情況呢 就是隨着這個溫度的提高之後 那麼我們可以我們笨着想啊 就是想這樣想 那它那個隨着溫度的提高 那麼越來越長 越來越長的 我把它壓回來呢 這個力應該越來越大 對吧 這個肯定是沒有問題的 對吧 但是爲什麼會出現在這二百度之後 二百度就對這種材料來講 二百度之後爲什麼會出現這個應力呢 這個力又變小了呢 大家想一下這個是一個什麼原因 它是這樣的 就是說我們這個材料 它的本身它的力學性能呢 這時候發生了一定的改變 本身的力學性能都發生了改變 對於鋼這種材料來講 一般是這樣一個趨勢啊 一般是這樣一個趨勢 對鋼這種材料 一般這個隨着這個溫度的增加 那麼它的這個曲弧強度呢 或者曲弧極限呢 是一直在下降的 一直在下降的 雖然說可能在一開始的時候下降不是很明顯 但是它這個趨勢一直是這樣的 比如說呢 我們假設它是這樣一個趨勢 這個拉伸的時候是這樣一個趨勢 壓縮的時候同樣的也是這樣一個趨勢 如果對稱過來啊 也是這樣一個趨勢 比如隨着溫度的增加 那麼它的這個 曲弧應力呢 一直在下降 那麼這個時候呢 我們是我們這條線這樣划過來 那麼如果說我們隨着溫度的增加 那麼它這個應力呢 一直在增加 那麼這個溫度在增加 應力也一直在增加 那這樣一個趨勢啊 那如果說這個時候 它到這個溫度下 那麼我們知道這也一直在變的 到這個這個情況下 那這個時候它的應力呢 如果還沒有達到在這個相應這個溫度下的這個曲弧極限的時候 那這應力還是可以在可以保持的 對吧 那麼如果說我們再持續增加 那假如增加到這個溫度的時候 假設是一個T1 T1吧 假設是T1 那麼增加到T1溫度的這個時候 那麼到了這個溫度之後 到了這個溫度之後 我們再增加這個溫度 那麼這個時候 它這個應力呢 是不是還會沿着原來這條線繼續前進嗎 不會了 因爲這個時候爲什麼呢 因爲這時候它已經到這個到它這個溫度下的曲弧線了 所以你再往溫度增加的時候 雖然說它有這個增加這個應力的趨勢 它應變在增加 或者它還在伸長 但這個時候呢 它這個整個的它所能承受的這個曲弧的這個力呢 就到這個被這條線來決定了 那麼之後呢 就隨着溫度的增加的我這個 整個的這個這個這個力呢 就會沿着這條線的發生變化 沿着這條線發生變化 那其實呢 也就相當於在這一塊 在這塊之前 那麼它的這個應力呢 都沒有達到這個相應溫度下的這個曲弧線 曲弧極限 那麼超過了這個應力之後 那麼這個時候呢 它所所沿着這條線的已經是由這條這個曲弧 隨着溫度的這個轉變的這條線的來決定了 由它來決定了 那這樣的就出現了這樣一個情況 隨着溫度的增加 我還是試圖在伸長 但是這個時候呢 它受到這個曲弧的限制 那它伸長也就它的應力呢 是不會再增加了 應力反而是慢慢的越來越低 這個時候呢 它就受到這個溫度的影響 那麼達到一定程度的時候 達到一定程度的時候 這個時候呢 在一個特定的溫度下 那這個時候它的曲弧的這個力呢 就接近於零了 就是和我們原來的材料相比 那這個曲弧應力就非常低了 那我們就把它近似爲零 那麼趨於近於零 那麼就相當於在一個特定溫度下 那麼對於這種材料來講 在750度的條件下 那麼這個時候它的曲弧呢 就變成零了 就這個時候 由於你這個東西溫度太高了 你這個材料變得特別軟 你即使再伸展 那麼它也沒有力的作用 然後回頭我們在降溫的時候 降溫的時候實際上也是這樣一個趨勢 降溫的時候呢 它也是遵循這樣一個基本的一個情況 那我們看啊 我們看還是來看這個 看這個 假設我是在這開始 加熱到這 我們先不看那個圖 還是那個框 我們加熱到 假設加熱到這啊 我們假設加熱到這 加熱到這時候 這時候我們把這個載荷要去掉的話 它會出現一個什麼情況 我們載荷慢慢的去掉 我這個溫度慢慢的冷下來 那這個時候 它是不是還會沿着一條線回來 是吧 對吧 就是這個結構呢 它會在沿着一條線再走回去 那麼它走回去這個結果 我在降到這個我原來初始溫度的時候 那麼這個時候這個結構裏面有沒有力的作用 沒有力的作用 對吧 同樣的 那麼如果說我們加熱到這一點 加熱到這一點 也是沒有問題的 對吧 加熱到這點之後 我們再退回來 那麼它還是可以回來的 對吧 還是可以可以一點點的回來 那麼如果說我們要是加熱超過了這個這個屈服點的話 那麼這時候能產生了這個一定的這個 一定的這個 屈服也就產生了一定的塑形變形 那麼這個時候它再回來的時候 它在溫度在降低的時候 它會沿着這個這個方向是不會變的 因爲它這個我們假設這個溫度和應力之間這個關係呢 就是或者和應變之間關係是不變的 那麼這個時候它這個趨勢呢 它這個整個的這個斜率啊 它還是差不多一樣的 那麼我就會沿着這條線往回走 走到這之後呢 這個這時候它還是有溫度的 對吧 是不是就我們假設我們現在在降溫降到這個降到這個這個時候降到這個這個時刻 這時候還有一個溫度的作用 那我們要把它降到室溫 對不對 那這個時候我們還要繼續往上走 繼續往上走的結果就是最終的在這裏面呢 裏面的留下了一個殘餘應力 對不對 最終的裏面的這個這個結構 也就是說這個結構加熱 一旦超過它在相應溫度下的這個曲弧線之後 產生了塑形變形 那麼最終這個結構 我在冷卻到原來的溫度的情況下之後 那這個結構呢 會產生一個拉伸的一個應力 大家這能明白吧 就說呢 我們加熱的時候路徑是這樣的 過來這兒沒有問題吧 到這兒都沒有問題 對不對 但是大家能明白吧 就是從這兒到這兒加熱的過程中 大家能不能明白這個 就是加熱的過程中 它的應力變化是這樣一個趨勢 一開始呢 隨着溫度的增加 那麼它呢是持續增加的 那麼隨着這個到了一定溫度之後 我到了這個相應溫度下曲弧線 那麼隨着溫度溫度的提高 那它這個曲弧降低了 那這個可以理解吧 就是前面這部分都可以理解 對吧 然後降溫的過程中 降溫的過程中呢 它這個因爲你升溫的這個或者是你這個升溫的這個和溫度相關的溫度變化多少 我這個應力變化多少 這個關係呢 基本上是升溫的時候什麼樣 降溫的時候也大致是什麼樣的 那麼這個時候呢 我回去的時候 你們和我什麼時候什麼情況一樣呢 我這個大家看一下這個啊 那麼大家也學過 原來學過一個 但原來學過就是說這個曲弧或者什麼呀 我們受力往上拉伸的時候是這樣一個一個一個情況 對吧 然後再往下載的時候 它又這樣回來 對吧 其實是一樣的道理 就說他倆這個這個或者說彈性魔量啊 或者是沒有變化 那當然這裏面的它不是彈性魔量 是溫度和這個應力之間的一個關係 或者和應變之間的一個關係 那麼這個呢 是他們這個趨勢呢 基本是不變的 後面我還會介紹這個這個這個參數 因爲這個參數也不是一個常數 但是我們現在假設它的趨勢是一樣的 那麼降溫的過程中呢 他也和他這個升溫的過程中 他這個趨勢跟我剛纔講想到一半 到這一半的時候 那這大家能理解 對吧 這能理解 就是說他升溫的時候這樣回來降溫的時候呢 在沿着一條線跑回去 那大家這能理解 那到這呢 也一樣到這之後呢 他升溫的如果是升溫的話 他有這樣一個趨勢 那降溫的時候 他也是這樣一個趨勢 也是這樣一個趨勢跑回來 但是跑回來之後的跑到這一點的時候 也就是說 我這時候力變成零的時候 應力變成零的時候 這個結構應力變成零的時候 這裏面還有溫度 就是我這個結構裏面還有溫度 還有一個比較高的溫度 還有這樣一個溫度 那麼這個溫度 我現在要讓在這個溫度下 那就變成另外一個問題了 我們現在呢 大家要轉過來啊 現在假設是這樣一個情況啊 這樣一個情況 大家就能理解了 就是說我這時候是二十度 外邊的框是二十度 然後我裏邊這個杆呢 是或者一個杆墊呢 是一百度 然後我加工的時候是在 就假設我這個是二十度 這個是一百度 加工的時候 就正好是在一百度 我加工的這個構架 一百度加工的這個構架 那這個時候它的尺寸呢 剛好和它是一樣的 對吧 結構剛好是它尺寸加工的 我就讓它一樣 就跟縫隙呢 這個長度和這個縫隙是一樣的 然後把它完全緊固在一起 完全緊固在一起 那這個時候 我再讓中間這個杆降溫 那中間杆再降溫 那麼這個降溫的時候 這杆會受到一個什麼樣的力的作用呢 就是受到拉應力的作用 那就是其實呢 剛纔講的這個東西就是剩下這一段 就是剩下這一段 就是說呢 它這個時候呢 由於發生了速應變形 那這個時候的溫度降下來了 還沒有降到室溫的時候呢 這時候應力已經變成零了 然後之後呢 咱要繼續降溫的話 那這個時候這杆就受到拉力的作用 對吧 大家這個可以明白吧 可以明白就行 那麼說 如果說我要是在這兒的話 如果是這個整個的 我說的溫度不高的話 那麼它回去 那它就受到一個拉應力 那假設我這個溫度加的非常高的話 我假設是沿着這樣一條線走 這塊還是都是一樣的啊 都是一樣的 這都是一樣的 假設我走到了這樣一個溫度啊 假設走到了這樣一個溫度 當然還沒有走到它那裏面說變成零那個溫度 假設走到這樣一個溫度 我們先看走到這樣一個溫度 走到這樣一個溫度之後呢 我這個時候我還是要再降溫的 對吧 降溫的過程中 那麼它呢 實際上也是要沿着這條這條線往回往回跑 對吧 還要沿着這條線往回跑 那麼沿着這條線往回跑呢 它隨着溫度的這個降低 那麼最終的當它應力爲零的時候 當它應力爲零的時候 那這時候它還有這麼這麼還有這麼多的 這裏面還有這麼高的溫度 對不對 還有這麼高的一個溫度 那麼還要還要繼續降溫吧 對吧 那麼隨着這個降溫降到一定程度的時候 突然的發現我這時候又碰到了上面的拉伸那條曲弧線了 那麼這個之後呢 我這個就是這個應力的不能再沿着這條線往上走了 那麼這個時候呢 我還要沿着這條線往回走 這條線往回走 也就是說呢 對於加熱溫度非常高的情況下 那麼最終的我這個結構可能它裏面的殘餘應力就那個裏面的杆的殘餘應力就能達到它相應溫度下的它的曲弧的這個曲弧應力能達到這樣一個高的一個程度 那麼和這裏面的就差不多了 那就是說 如果說我們加熱到一個非常高的溫度 我直接加熱到這個它的這個爲零的這個這個時候 那實際上他回去的時候 他就直接遵循着這條這個曲弧線就往回跑了 就往回跑了 那或者說呢 我們說認爲上面這條線的可能就是這條第二條的這個線 可能就是在相應溫度下的這個曲弧的這個這個這個 溫度相關的一個曲弧的應力的一個變化情況