【哈爾濱工業大學】《焊接結構學》精品課 P33 - 34. 34 焊接應力與變形（八）

我們在這裏面的怎麼樣來評價我們這個最終的結構能不能發生斷裂呢 根據這個從最高溫度這個點做這麼幾個隨溫度變化的應變曲線 隨着溫度的降低 應變也在發生增加 這個時候就一步起落和T的偏微分來進行確定 和臨界值是有一個什麼關係 我們看一下這個臨界值 這條直線如果是這樣的 那麼就是我在降溫的過程中 大家都知道在降溫的過程中的這個產生收縮 對吧 那麼在降溫過程中呢 我在降溫過程中 它這個收縮量在不斷增大 那麼如果說我這個剛好經過這個吸點的話 那麼就是說呢 我有可能就是使得某一個時刻或在某一個溫度的時候 我這個時候呢 就使得這個材料的達到了它這個催性這個集合線 那這樣的話 這個結構呢 就會發生斷裂 對吧 在這麼大的應變下 它就斷了 那麼如果說我們是採用了三這條線的話 那麼降溫降溫還沒有降溫到這個共向線溫度的時候 那麼這個時候這個點的已經和這個我們這條曲線呢 已經相交了 那意味着什麼呢 意味着這個時候它實際上超過這個點 我這個結構所受到的實際應變量已經能已經超過了它所能夠承受的應變量 那這樣的話就相當於這個結構在這個條件下的肯定就直接斷掉了 對吧 那然後呢 對於這個二條線當然是最好的 因爲我這個降溫範圍內沒有達到這個極限延續 那這樣的話 它就一直能保證這個結構不發生斷裂 大家可能有一個問題 就是說我們在這個正常的這個判決的過程中和正常的分析過程中 很少用這個這個這種方式來表達這個形式 就是這個 那我們可以把它進行一定的一定的處理 就變成這樣了 可以經過一定這樣的數學上一個處理 那麼這個數學上處理之後呢 我們可以看得更清楚一些 就是它能更清楚一些 具體這個 什麼來影響它 什麼是影響它的這個基因素 一個就是說 如果說我們這一項增加這項很大的話 那這項就大 對吧 因爲這個是在分子上的 對吧 它大它就大 對吧 這肯定是吧 那麼也就是隨着時間的增加 如果我這應變呢 應變量越大 也就應變速率越大的話 我的應變速率越大的話 那麼這個數就越大 這個數一大呢 這個偏移步系統比偏低 這個大梯呢 就可能大於這個臨界的這個 就可能大於它這個臨界值 也就是我們這個 第一這條曲線通過這個這個斜率 就可能大過這個斜率 那麼所以說呢 我們就要儘量 如果我們想避免這個情況的話 我們一呢 就是讓它減小 第二呢 讓它增加 對吧 這樣都可以使得這個結構的不發生斷裂 那麼怎麼樣來保證這個 移步系統異比 移步系統小梯呢 它是能夠減小的 怎麼樣能讓它減小呢 能有幾個方法 那麼一呢 就是我把這個居數呢 降的比較低 那居數降的低的話 它收縮的時候 它可以自由收縮 周圍的其他金屬都可以跟着收縮 那麼這樣的話 那個處於比較脆 這個脆弱的區間上的一個金屬 它這個收縮這個移步系統就變小 是吧 這個可以吧 就讓它的這個居數變小 居數變小 居數變小了之後呢 它這個移步系統一處於移步小梯呢 它就會變得小 因爲它主要是由於周圍的東西 就可以跟它一起變形 就能保證這個比較薄弱的環節呢 它的應變速率的降低 那這個是一個辦法 那麼一個呢 就是降低居數了 那麼另外一個呢 我們還有一個什麼辦法呢 在這個經常用的一個什麼辦法 就是用一個預熱的辦法 可以採用一個預熱的辦法 那麼採用了預熱的辦法之後 爲什麼就可以使得這個 這個移步系統比一個 偏這個移步系統比偏梯變小呢 就是由於我們這個整個經營了預熱之後 我整個的結構 它的溫度都整體都提高了 對吧 那這樣的話 我這個就是焊接部位 或者這個這個局部這個區域要收縮的時候 周圍的金屬 它因爲比較軟 周圍的因爲它周圍的金屬比較軟 它可以跟着一起變形 也是跟前面的這個想法是一樣的 也是相當於降低了它的這個居速度 相相當於降低了它的居速度 那也有也可以提到這個 提到這個效果 那麼關於我們 我們另外一個辦法就是把它提高 對吧 我們把這個數呢變大 比分母栓這個數變大 分母栓數變大的話 也可以使它這個數降低 對吧 那我們怎麼樣來讓這個 這個溫度隨着時間的變化很快呢 那這個呢 在這個大家可以翻一些一些這個文獻 它有些通過同學說用水冷啊 或者什麼呀 或者通過液氮直接吹這個熔石等等 這些方法都是可行的 這樣的話 一冷卻在劇烈冷卻的條件下 那麼這個偏梯呢 就是這個溫度隨着時間的變化呢 這個速度呢 會非常快 那這樣的話 也可以使得我這個結構呢 就很快的通過這個速性溫度期間 那這樣的話呢 就避免了在這個相同的時間內產生很大的應變 那這樣的話 也可以讓我這個結構不發生破壞 也可以使結構不發生破壞 那我們這裏面講的主要就是這個 大家把這個呢 記一下 基本上就是這樣一個轉變方法 轉變一下 就很清楚 那麼這裏面的這幾個概念呢 大家就把這個記清楚 德的Tb呢 就是最新溫度區間 那麼這個大家呢 一定要記住 還有這個德的最小值 那麼這個呢 就是最小延續性 那麼我們對於具體的這個結構來說呢 實際上我們這裏面只是定性的說 比如說呢 這個德的Tb越小越好 對吧 然後這個這個最小延續性呢 是越大越好 對吧 但是這還要跟具體的這個材料不一樣 不能說一概而論 有的情況是這樣的 比如我們這裏面你看的這個圖是這樣的 對吧 那有的呢 他這個最小延續性可能很高 可能也是這樣一個溫度 這個可能很高 就是最小延續性可能很高 但是他呢 這個最新溫度區間的有可能很寬 最新溫度區間可能很寬 那這樣的話呢 我們這樣畫畫這個圖 從這兒畫這個斜對向上來 畫這個斜對上來 那他呢 這個最後他怎麼表 就是他們之間這個斜率誰比誰大 還真不一定不一定 有可能的就是我這個最小延續性呢 很低的這個最小延續性很低 這個呢 有可能我這個還不危險 所以呢 大家這個看這個東西的時候可能還是要以這個還是要以這個天移位系中比這個偏大T 那麼他的林葉值的這個這個斜率呢 可能這個還是比較準 這個還是比較準 大家呢 就是說 最小延續性和這個催墨度區間只是一個定性的一個東西 如果是最小延續性很接近的話 那當然是這個越寬的越危險 對吧 也一樣的 如果說這個寬度一樣寬度很接近 就是這個催溫度區間的寬度呢 溫度的這個寬度很接近 那這個時候呢 他主要就取決於這個延續性 最小延續性 這個都是有一個前提 那麼在這裏面的這個裏面還給大家說了這樣一個情況 就是在焊接冷卻過程中的特別在200度到300度範圍內 那粟性變形的會消耗金屬中的一部分粟性 那對金屬在室溫和低溫下的延續性有較大影響 那使其呢 延性耗節 那麼這個呢 被稱爲熱硬變脆化 這個大家記住就可以了 那麼看一下我們講了這麼半天 我們現在直接開始說這個焊接的這個殘餘硬力 我們講前面講的很多都是這個 都是焊接過程中它的硬力變化 那我們對我們的結構來講 我們更關心什麼呢 就是焊完了之後 我這個結構裏面它的硬力呢 是處於個什麼狀態 對吧 你這個才真正影響我這個結構 最終的這個 性能的一個關鍵指標 所以呢 我們這裏面講這個焊接殘餘硬力是怎麼分佈的 你這它這個 影響因素怎麼樣 就或者說它這裏面它會影響什麼 會影響它的有什麼 以及它的測量方法 還有控制措施 那第一呢 就是講這個焊接殘餘硬力的分佈 那麼首先呢 這裏邊我們要有這樣一個認識 就首先呢 就怎麼呢 就是對於一般的厚度的板來說 我們經常用到這個板來說 那在厚度方向的殘餘硬力是比較小的 焊接殘餘硬力是比較小的 厚度方向上 那它主要是分佈在兩個方向 一個是呢 和焊縫相同的方向 和焊縫呢 處於相同方向 那麼會成爲這個縱向硬力 還有一個呢 和焊縫垂直的這個方向 成爲橫向硬力 那麼這兩個硬力呢 是我們經常要用的 經常用的 也是經常討論的 那表示方法 對於這個沿焊縫方向的這個殘餘硬力 我們稱爲縱向硬力 那麼以這個σx表示 垂直於焊縫方向的上的殘餘硬力 我們稱爲橫向硬力 橫向殘餘硬力 以σy表示 那厚度方向的殘餘硬力呢 以σz來表示 那這個呢 就是一個大家約定服從的一個表示方法 那麼大家呢 你要記住 別人跟你說σx 你就應該知道是啥 也不用告訴你說焊縫縱向橫向 你一聽就知道應該就應該知道是啥 它就一個我們這個大家焊接裏面都這麼用 大家要記住 那麼先看一下這個它這個縱向殘餘硬力的分佈 縱向殘餘硬力的分佈 我們前面分析了很多 在這個整個焊接過程中 它這個縱向硬力是怎麼 這個地方是怎麼收縮的 怎麼變形的 怎麼變的 那最後我們得到了這個結構 它這個結果是什麼樣的 我們看一下 這個呢 這個圖呢 就是這個縱向的硬力 縱向硬力在縱向上的分佈 也就是縱向硬力的沿着焊縫的分佈 我們前面說到了 在這個焊接的過程中 對焊縫來講 在冷卻的過程中 它可能達到這個屈服 是吧 這個焊縫的這個能達到拉伸的這個屈服硬力 對吧 這個呢 我們可以看一下 在中間階段是比較符合這個規律的 就是在中間階段 我們看到在這個一個力呢 是逐漸增加的 中間的是一個平的 那基本上在中間這個位置 如果對於低抗陽來講 那中間比較平的這個區域呢 它就是它的屈服硬力 在室溫下的一個屈服硬力 那麼對於兩端來講 對於我這個結構的兩端來講 它這個縱向力 我們發現是有降低的 對吧 在兩端 它這個縱向力呢 沒有達到它的屈服硬力 那這個呢 主要是什麼原因呢 造成的這種結果 而且在這個邊界的這個位置 這個縱向力爲零 那爲什麼會是這樣一個結果呢 它想收縮的時候 比如這個邊界的位置 它要這個冷卻收縮的時候 邊界的位置 它收縮是不是自由的 就不受約束是吧 邊界上是自由收縮的 這個時候 因爲那個時候我們說 原來說平面的這個假設等等 在這個位置 它都不適應 不適合 所以在這個位置 它是自由收縮的 那它自由收縮的結果 就這個地方 它收縮的時候沒有受到限制 也就是說 它的這個自由變形 和外觀變形是一致的 所以在這個位置 它的這個力呢 它就是 是零 對吧 所以在這個位置 它出現了這麼樣一個一個區域 隨着往裏面增加 那它的這個拘束呢 越來越大 就是周圍給它的拘束越來越大 那最終呢 就會使得它最後的應力 達到了這個 慢慢慢慢的就達到了 我們原來假設那種 就是處於那個 總穩態那種狀態下的那種 屈服的應力 那麼實際上呢 這個它這個應力的分佈啊 我們講這個應力的分佈 整個的這個縱向應力 在這個焊縫上的一個分佈呢 實際上呢 還和什麼有關呢 還和它什麼有關呢 還和焊縫的長短有關 這個呢 也是一個實驗的一個結果 看一下這個橫座標是什麼呢 是焊縫的長度 那縱座標呢 是這個縱向應力 對吧 但我們發現在焊縫長度比較短的時候 它的縱向力很低 對吧 只有這個焊縫長度的超過了一定的這個臨界值 比如這裏面的假設是250毫米左右的時候 這個之後呢 這個應力呢 才趨於穩定 那麼也就是跟前面的講的這個情況是一樣的 對於我這個板子比較短的時候 這個板材比較短的時候 那麼它整體來講 那麼它這個過渡區可能佔的範圍很大 過渡區佔的範圍很大 或者說呢 就是這個過渡區 或者說這個可以自由變形的地方呢 自由收縮的地方很多 那這樣的話就會導致最後它這個裏面的這個應力呢 整體的應力不是很高 大家可以想象 如果我們把這個把這個相應的位置去掉 兩邊假設兩邊的過渡區是一直不變的 我們一直往裏推的話 那麼只留兩端這個這個金屬的話 那實際上就相當於這個時候 它的這個最高的應力呢已經降低了 對吧 已經降低到這 那麼如果說我們這個進一步縮短的話 那麼有可能呢 如果說它這個尺寸非常小的話 那麼有可能這個地方的應力和裏面很接近 這裏面呢 還有一個示意圖 就是說在它比較短的時候 這是它這樣一個分佈形態 那麼隨着這個板材變長 那麼它這個應力值呢 這個縱向應力值呢逐漸升高 逐漸升高 那麼 當這個長度達到一個非常長的長度的時候 就像前面講的250毫米的時候 這個時候 它這個裏邊很大一部分 這個半縫上它承受的這個縱向應力 縱向強應力都達到了區別 那麼這個是呢 它這個σs在這個半縫的縱向的分佈 我們來看一下橫向上的分佈 橫截面上的分佈 我們這裏面呢有幾個截面 那麼對於這個00截面來講 對於00截面 這個時候它這個縱向應力應該是怎麼分佈呢 那它這個應力呢就應該是0 對吧 前面提到了 因爲在這個位置呢 它沒有沒有拘束 所以這個位置呢 它就應該是0 然後之後呢 隨着這個向裏面推移 那麼它的這個應力呢 中間的出現拉應力 那麼兩邊的出現壓應力 隨着逐漸往裏面推移 到最後的時候呢 中間出現了一個屈服應力的一個區域 那麼兩側呢出現了一個壓縮的這麼一個區域 那它這個基本的思想都是這樣的 比如說我們這個 這是個初始的圖 那這個初始的圖呢 它怎麼獲得呢 和我們一開始我給大家講了一個這個板材中間加熱的一個狀態是一樣的 對吧 中間加熱一個板材中間加熱的話 那它最後它應力分佈 那就應該肯定是上面那種形態 對吧 這個大家上課的時候給大家都講了好幾遍了 大家都應該理解 就是這個時候 如果我們從一個高溫的情況看這塊 那這個時候它這個分佈狀態應該是這樣的 然後之後呢 我們從這個九百多度這個溫度開始降到六百多 那麼對於六百度這個點的話 那原來它是多少度啊 原來九百度 那九百度它降到六百度了 假設這個一步棋容易不變 不怎麼變的話 因爲這裏面一開始它一步棋容易變化不是很大 從上面這個溫度 這個溫度這個點來到下面這個溫度點 它這個過程中 它產生的這個自由變形量應該是多少 八百德爾德體 德爾德體應該是什麼呢 我們還是簡單點 就是直接看它的絕對值算 德爾德體應該是從惡狀態減出狀態 這是肯定的 我們直接用一個簡單點 那麼這個它所發生的變化是什麼 就是什麼呀 就是它一個自由變形量是吧 自由變形量 然後這個過程中它的自由變形量 這個自由變形量是由於它是超過了多少 超過了多少度 超過六百度對吧 那這樣的話 它這個過程中所有產生的變形量 你現在咱們先不管拉伸和壓縮 那它這個變形量都應該是什麼呢 都是應該是塑形變形對吧 這是大家肯定能夠能夠認可的 這事首先也認可 它是一個塑形變形量 那就肯定是給一批工期了 一個塑形變形量 那這樣的話 那我們再分析它這個過程中 它是一個拉伸的 還是一個壓縮的 你從一個高溫 然後降到一個低溫 那肯定就是一個拉伸的 對吧 所以呢 這個裏面呢 我們就得到了一個六百度往下 我們從六百度這條水平線往下 畫出來一個六百度 三百度這麼長 拉伸的塑形變形 這我們可以畫出來 然後這樣的話 就可以得到這個第一個點 因爲這時候它沒有這個彈性變形 所以它這個整個都是塑形變形 然後之後呢 我們再取其另外一個點 再取下來呢 實際上這裏邊呢 從這個一批工藝這條 這個位置開始 往下這個長度 這個長度一直到這一點 那這個長度應該是什麼呢 這個長度肯定還是二法長度 這沒有問題 就從那個自由變形往下來算 還差二法長度 那但是這裏面有一個什麼問題呢 就是這裏面有一部分呢 這個這個時候呢 這個基礎已經恢復了彈性 所以就是整個的這個自由變形量 它有一部分變成了塑形變形 一部分變成了彈性變形 我們把對應這個點的溫度下的這個 這個溫度 比如這應該是五百度到六百度之間 但是還超過了這個 超過了五百度 在六百度左右 那這個時候它就有一個 在這個溫度下的區塊硬幣 那這樣的話 我們在這裏 這個地方 你可以畫出這樣一個 對於六百度來講 我們這一點呢 就是說 八個升級幀的基 這個就是三百度 對於這一點來講呢 實際上呢也是 九百這個這個地方的溫度呢 原來上面的溫度是多少呢 對於相同這個位置 原來上面這個溫度是多少呢 大約是在這個位置左右吧 對吧 那這個位置左右 我們不知道這個溫度是多少 但是我們可以用 就是用這一點的這個溫度 減去這個這一點的溫度 也可以得到一個幀的基 對吧 那這個幀的基呢 就是這個這個位置 這一點這個位置 α乘以幀的加 就是這個 但是問題是什麼呢 在這個時刻 我這個溫度呢 已經低於六百度了 所以這個地方呢 我整個的這個自由變形 有一部分是彈性變形 一部分是自由變形 那這個時候呢 我就把這個彈性變形 這個點畫上 假設這個是580度的 那我去找 去找 這個是600對吧 這個是500 那麼如果是580度的話 那大約它的虛無點就在這個位置 大約這麼高 那我們就把這個 這麼高的一個東西呢 畫在這 這個位置呢 就是它的這個 在這個溫度下的 它的這個 這個 虛無引力 對吧 沒問題吧 這沒問題吧 那至於600度這個地方 它的虛無引力就爲零 對吧 那我們把這兩點先連起 我們再畫一個點 這個地方 原來是600度的地方呢 現在降溫降到多少了呢 降到500左右 還不到500對吧 那它也會產生一個 阿爾法神德的體對吧 也產生一個阿爾法神德 阿爾法神德的體 只不過這個時候呢 它這個時候 它彈性應變量 佔的範圍就更大了 對吧 就可能達到這個位置 但這個時候還沒有完全到500度 對吧 所以它又 這個時候我們又畫出了一個點 這樣的話 我們這個連起來 如果這個我們所有的點 我們都畫的話 那麼就相當於這個區域的都是彈性區域 對吧 下面這個區域呢 我們再把它包羅線畫上的話 下面這個區域的就是碎片區 對吧 那這個呢 就是這個圖裏面那個彈性區域和碎片區域的意義