焊接应力与裂纹--残余应力

　　如果金属不受约束，那么当金属被加热和冷却相同温度时，它将膨胀和收缩相同的长度。焊接过程中所进行的加热和冷却是不均匀的，而且在焊缝和临近焊缝的区域之间会存在温差。不均匀的加热和局部拘束会在焊接区（包括焊缝金属）产生应力。如果温度变化较大，应力将超过金属的屈服点，金属将发生屈服，以至于拘束应力或残余应力将维持在金属的屈服点。这意味着在焊件内的屈服应力将同时产生在三个方向。这些内部的或保留的应力被称作残余应力，即“在没有外部作用力或温度梯度的情况下，在接头、工件或材料中存在的应力。”

　　当作用于工件上的应力超过了屈服强度， 那么工件将以塑性的方式屈服，以至于应力将减小到屈服点。在具有单向应力的简单结构（此结构是由塑性材料制成的）中，这种现象是常见的。然而，由于正常的加热和冷却所产生的收缩应力实际上是产生在三维尺寸上。例如，在薄板中在X和Y方向上将产生相互垂直的拉应力，当板厚增加时，应力将产生在X、Y和Z三个方向上。

　　当单向应力作用于薄而脆的材料上时，这些材料将在拉力的作用下以脆性的方式断裂，断口将呈现出很少的或无塑性状态。在这种情况下，材料无屈服点，因为此时材料的屈服强度和抗拉强度是相等的。不产生塑性变形的断裂称为脆性断裂。当在塑性材料中产生两向或三向应力时，尤其是在厚板中产生X、Y、Z三向应力时，将形成脆性断口，这与脆性材料所形成的断口相似。

　　可以采用很多方式减小残余应力。如果焊接应力超过了材料的屈服强度，材料就会产生塑性变形，从而使焊接应力更加均匀并且应力仍然维持在金属的屈服点。这虽然不能消除残余应力，但至少将使应力分布更均匀。另一种减小高的或峰值残余应力的方式是通过加载或加热焊缝附近区域以便拉伸焊缝，从而使它们膨胀来实现的。加热使焊缝金属的屈服强度减小，而且膨胀将使焊缝中的峰值残余应力减小，这种方式也会使焊缝区的应力分布更加均匀。减小峰值残余应力的更有效的方式是采用消除应力热处理。在消除应力热处理中，焊件被均匀加热到高温，在高温时金属的屈服强度将大大降低。然后，焊件缓慢而均匀地冷却，因此工件间的温差较小，冷却均匀，在焊件内部将产生均匀的低应力。高温预热也会减小残余应力，因为整个焊件都处于相对高的温度状态，从而使冷却更加均匀，因此会减小峰值残余应力。

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