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1、经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用焊接培训教材焊接培训教材焊接应力焊接应力与与变形产生的机理变形产生的机理 张明录经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用一二三四目录目录 焊接应力与变形的概念焊接应力和残余应力温度场作用下的应力和变形焊接引起的变形和应力经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用材料的热胀冷缩材料的热胀冷缩材
2、料的应力应变曲线材料的应力应变曲线系统平衡系统平衡一一.焊接应力与变形的概念焊接应力与变形的概念合力等于零，即合力等于零，即F=0；合力矩等于零，即合力矩等于零，即M=0 经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用1 1.自由变形、外观变形和内部变形自由变形、外观变形和内部变形(1)自由变形自由变形 当当金属物体温度发生变化，或发生了相变，其尺寸金属物体温度发生变化，或发生了相变，其尺寸和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的阻和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的阻碍而自由的进行。碍而自由的
3、进行。自由变形量：自由变形量：自由变形率：自由变形率：经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用(2)外观变形外观变形外观变形量：外观变形量：Le 外观变形率：外观变形率：当当金属物在温度变化过程中受到阻碍，不能完全的金属物在温度变化过程中受到阻碍，不能完全的自由变形，把能表现出来的这部分变形，称为外观变形自由变形，把能表现出来的这部分变形，称为外观变形经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 当当金属物在温度变化过程
4、中受到阻碍，把未表现出金属物在温度变化过程中受到阻碍，把未表现出来的那部分变形，称为内部变形。来的那部分变形，称为内部变形。内部变形量：内部变形量：内部变形率：内部变形率：(3)内部变形内部变形经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 外观变形在数值上等于自由变形与内部外观变形在数值上等于自由变形与内部 变形的代数和。变形的代数和。它的应变表达式为：它的应变表达式为：e T 它的等价形式为：它的等价形式为：e T 这两个公式一定要牢记！这两个公式一定要牢记！三种变形的分析结论：三种变形的分析结论：经营者提
5、供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用以上情况是内部变形率的绝对值小于金属屈服以上情况是内部变形率的绝对值小于金属屈服时的变形率，即时的变形率，即 或，或，则杆件则杆件中的压应力中的压应力 。当杆件温度从。当杆件温度从T T1 1恢复到恢复到T T0 0时，杆件将恢复到原来长度时，杆件将恢复到原来长度L L0 0，也不存在任何，也不存在任何形式的应力。形式的应力。若温度继续升高，杆件中由于阻碍而产生的内若温度继续升高，杆件中由于阻碍而产生的内部变形量大于金属屈服时的部变形量大于金属屈服时的变形量。变形量。即：即
6、：则在这种情况下该如何？则在这种情况下该如何？经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用 综上可知，压缩塑性变形会使得金属综上可知，压缩塑性变形会使得金属材料在环境载荷消失后收缩变短，收缩变形量材料在环境载荷消失后收缩变短，收缩变形量约等于压缩而产生的压缩塑性变形量。同理可约等于压缩而产生的压缩塑性变形量。同理可知，拉伸塑性变形也将会使得金属材料在环境知，拉伸塑性变形也将会使得金
7、属材料在环境载荷消失后延伸变长，伸长变形量约等于已产载荷消失后延伸变长，伸长变形量约等于已产生的拉伸塑性变形量。生的拉伸塑性变形量。经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用提示：小试件均匀加热过程的变形一旦受到拘束提示：小试件均匀加热过程的变形一旦受到拘束等效于外力作用，就会产生内部变形，同样会等效于外力作用，就会产生内部变形，同样会产生应力。产生应力。计算方法：计算方法：在弹性范围内在弹性范围内 E E（e T）超出弹性范围超出弹性范围 则有则有 s经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要
8、求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用材料力学中，当物体在材料力学中，当物体在外力作用下处于平衡外力作用下处于平衡状态时，状态时，可以说该物体处于可以说该物体处于受力平衡状态。受力平衡状态。内应力定义：内应力定义：没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。二二.焊接应力和焊接应力和残余应力残余应力经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用1 1.应力的分类应力的分类（1）宏观应力：在整个焊接范围平衡的应力宏观应力：在整个焊接范围平衡的应
9、力微观应力：在晶粒范围内相互平衡的应力微观应力：在晶粒范围内相互平衡的应力超微观应力：在晶格范围平衡的应力超微观应力：在晶格范围平衡的应力单向应力：应力沿构件的一个方向作用单向应力：应力沿构件的一个方向作用双向应力：应力沿构件的两个方向作用双向应力：应力沿构件的两个方向作用三向应力：应力沿构件的三个方向作用三向应力：应力沿构件的三个方向作用1）按应力）按应力的分布范围的分布范围2）按结构）按结构中的空间位置中的空间位置经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用3）按应力）按应力与与焊缝焊缝的相对位置的相对位
10、置纵向应力：应力作用方向与焊缝平行纵向应力：应力作用方向与焊缝平行横向应力：应力作用方向与焊缝垂直横向应力：应力作用方向与焊缝垂直瞬时应力：焊接过程出现的应力瞬时应力：焊接过程出现的应力残余应力：焊后留下的应力残余应力：焊后留下的应力4）按应力产生、）按应力产生、作用的时间作用的时间1 1.应力的分类应力的分类（2）经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用温度应力：由于焊件不均匀加热引起的温度应力：由于焊件不均匀加热引起的应力。应力。拘束应力：由于焊件热变形收到拘束引起的拘束应力：由于焊件热变形收到拘束引
11、起的应力应力。组织应力：由于接头金属组织转变时提及变化组织应力：由于接头金属组织转变时提及变化受受阻。阻。5）根据）根据应力形成应力形成原因原因 1 1.应力的分类应力的分类（3）经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用(1)温度应力温度应力产生条件：产生条件：受热不均匀受热不均匀温度均匀结果：温度均匀结果：应力残留或消失应力残留或消失(如如果温度应力不高，即低于材料的屈服果温度应力不高，即低于材料的屈服极限，极限，亦即温度应力在弹性，亦即温度应力在弹性范围内时，在框架中不产生塑性变形，范围内时，在框架中
12、不产生塑性变形，当框架的温度均匀化后，热应力随之当框架的温度均匀化后，热应力随之消失消失)。举例：框架结构的温度应力平衡特点举例：框架结构的温度应力平衡特点温度应力：温度应力：由于构件受热不均匀引起的内应力。由于构件受热不均匀引起的内应力。经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用(2)残余应力残余应力残余应力：残余应力：温度恢复到原始状温度恢复到原始状态均匀后残存在物体内部的应态均匀后残存在物体内部的应力。力。产生原因：产生原因：不均匀加热不均匀加热产生条件：产生条件：局部区域产生塑性局部区域产生塑性变形
13、或相变变形或相变举例：举例：金属框架金属框架因此：因此：任何原因引起的伸长变形受阻时，则该伸长部任何原因引起的伸长变形受阻时，则该伸长部分受压应力，阻碍构件伸长的其它部分则受拉应力。分受压应力，阻碍构件伸长的其它部分则受拉应力。任何原因引起的收缩变形受阻时，则收缩部分受拉应任何原因引起的收缩变形受阻时，则收缩部分受拉应力，而阻碍收缩的构件的其它部分则受压应力。力，而阻碍收缩的构件的其它部分则受压应力。经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用加热膨胀受拘束产生温度应力（压应力）压缩屈服变形加热膨胀受拘束产生
14、温度应力（压应力）压缩屈服变形冷却收宿受拘束产生残余应力（拉应力）拉伸屈服变形冷却收宿受拘束产生残余应力（拉应力）拉伸屈服变形金属框架的温度应力与残余应力金属框架的温度应力与残余应力经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用(3)相变应力相变应力 材料在凝固冷却过程材料在凝固冷却过程中，由于组织转变，带来中，由于组织转变，带来体积尺寸变化，产生的应体积尺寸变化，产生的应力。力。相变应力：相变应力：组织转变组织转变产生原因：产生原因：经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失
15、，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用三三.温度场温度场作用下的应力和作用下的应力和变形变形金属在焊接过程中，其物理性能和力学性能都金属在焊接过程中，其物理性能和力学性能都会发生复杂的变化，为了分析问题方便，对金会发生复杂的变化，为了分析问题方便，对金属材料焊接应力与变形作以下假定：属材料焊接应力与变形作以下假定：平截面假定平截面假定：假定构件在焊前所取的截面，假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。焊后仍保持平面。经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用金属金属性质不变的假定：性质不变
16、的假定：假定在焊接过程中假定在焊接过程中材料的某些热物理性质不随温度而变化。材料的某些热物理性质不随温度而变化。焊接焊接温度场假定：温度场假定：假定焊接温度场不随时假定焊接温度场不随时间而改变。间而改变。经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用在在500以下，以下，屈服点屈服点与常温相同，不随温度与常温相同，不随温度而变化；而变化；500 600之间，之间，屈屈服点迅速下降；服点迅速下降；600以上以上时呈全塑性时呈全塑性状态，即屈服点为零。状态，即屈服点为零。低碳钢的屈服点与温度的关系低碳钢的屈服点与温
17、度的关系屈服点与温度之间的关系屈服点与温度之间的关系经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用1 1.在长板条中心对称加热在长板条中心对称加热温度场：温度场：对端面中心对称的不对端面中心对称的不均温度场均温度场T=f(x)经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用变形分析：取单位长度分析其变形与应力变形分析：取单位长度分析其变形与应力假设：假设：T0=0，则，则T=T由平面假设，变形时截面保持平面由平面假设，变形时截面保
18、持平面温度场对称，端面只作平移，温度场对称，端面只作平移，e e为常数为常数可见：板条中心可见：板条中心0，受压；板条两侧，受压；板条两侧0，受压，受压经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用内应力与变形的计算内应力与变形的计算当温度较低，无塑性变形，即当温度较低，无塑性变形，即矩形面积矩形面积=曲线下的面积曲线下的面积力的平衡相当于拉、压应力区面积的平衡力的平衡相当于拉、压应力区面积的平衡经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或
19、接受服务的费用即为即为T T=f f(x)(x)时的外观应变时的外观应变可求得各点应力的大小，可求得各点应力的大小，应力分布分为三个区域：两侧受拉，中间受压应力分布分为三个区域：两侧受拉，中间受压冷却后，应力和应变消失；即无残余应力和残余变形冷却后，应力和应变消失；即无残余应力和残余变形经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用当温度较高，板件中产生塑性变形，当温度较高，板件中产生塑性变形，即：即：产生压缩塑性变形，产生压缩塑性变形，经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损
20、失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用冷却后，应力和应变不能完全消失冷却后，应力和应变不能完全消失(存在压缩塑性变形存在压缩塑性变形)实际上，实际上，残余外观变形残余外观变形：e 理论上，中心凹陷量理论上，中心凹陷量残余应力残余应力经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用对称温度场：对称温度场：变形仅为端面平移；变形仅为端面平移；e;e力的平衡条件：力的平衡条
21、件：，实质是图形中面积的平衡，实质是图形中面积的平衡应力：应力：加热时，中间压，两侧拉；冷却后，中间拉，加热时，中间压，两侧拉；冷却后，中间拉，两侧压两侧压残余应力的产生，残余应力的产生，加热时存在塑性变形加热时存在塑性变形热量集中的热源，热量集中的热源，C小，残余变形小小，残余变形小 的大小取决于的大小取决于C的大小，所以热量集中的热源的大小，所以热量集中的热源 小小结论：结论：经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用2.在长板条边缘非对称加热在长板条边缘非对称加热温度场：温度场：典型的非对称温度场典型
22、的非对称温度场经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用这两种情况为不平衡力矩，不能发生这两种情况为不平衡力矩，不能发生经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用内应力平衡条件为：内应力平衡条件为：截面有转动，所以截面有转动，所以e 非常数，是非常数，是x的线性函数的线性函数经营者提供商品或者
23、服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用板条平均伸长率为：板条平均伸长率为：板条曲率为：板条曲率为：经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用结论：结论：当当s时产生残余应力时产生残余应力和残余变形；和残余变形；当当s时不产生残余应时不产生残余应力和残余变形；力和残余变形；经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用1）对构件进行不均匀加热，在加热过程
24、中，只要温度）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形，高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形，冷却后，构件必然有残余应力和残余变形冷却后，构件必然有残余应力和残余变形。2）通常，焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变）通常，焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反形方向相反。由上述讨论可知由上述讨论可知：经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形
25、，冷却时压缩塑性变形区要收缩。形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。4）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布是不）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布是不均匀的均匀的。5）焊接）焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力。拉应力。由上述讨论可知由上述讨论可知：经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用热循环热循环拘束度拘束度焊接热循环中产生的残余应力和变形焊接热循环中产生的残余应力和变形 主要取决于主要取决于四四.焊接焊接引起的变形和应力引起的变形和应力1.
26、焊接过程的焊接过程的特殊性特殊性(1)(1)高温下金属的性能发生显著变化高温下金属的性能发生显著变化例如：低碳钢不同温度下的屈服强度例如：低碳钢不同温度下的屈服强度 可能出现的相变将引起许多物理和力可能出现的相变将引起许多物理和力学参量的变化学参量的变化(2)(2)焊接温度场是一个空间分布极不均匀的焊接温度场是一个空间分布极不均匀的温度场温度场 与前面分析的沿长度同时加热的模型有与前面分析的沿长度同时加热的模型有较大差别，较大差别，平面的平面的准确性受到影响。准确性受到影响。平面的平面的适用条件：焊接速度快；材料导适用条件：焊接速度快；材料导热慢热慢经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照
27、消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用2.受拘束体在热循环中的应力与应变的演变过程受拘束体在热循环中的应力与应变的演变过程(1)(1)取一单位长度的低碳钢棒，其两端被固定不能伸缩，取一单位长度的低碳钢棒，其两端被固定不能伸缩，将该棒均匀加热，然后冷却。将该棒均匀加热，然后冷却。弹性状态，弹性状态，无残余应力无残余应力经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用(2)(2)有塑性变形有塑性变形及残余应力及残余应力经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的
28、要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用(3)(3)残余应力等残余应力等于材料屈服于材料屈服极限极限经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用3.焊接应力与应变的演变过程焊接应力与应变的演变过程经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用4.焊接热应变循环焊接热应变循环近缝区的两种情况近缝区的两种情况a)a)无相变；无相变；b)b)有相变有相变经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用谢谢 谢谢