2.2.3.1. Sự hình thành và phát triển ứng suất dư dọc
Ứng suất dư dọc cực đại trong quá trình hàn luôn gắn liền với giới hạn chảy
( ). Thông thường, ứng suất kéo ở các vị trí xa dần trục mối hàn trong vùng biến dạng dẻo
thì giảm dần đến giá trị nén trong vùng kế cận.
Hình 2-12: Minh họa ứng suất dư dọc khi hàn
a) thép mềm b) thép hợp kim cao hệ Martensite c) thép hợp kim cao hệ Austenite
Hình 2-12 cho ta thấy, sự phân bố ứng suất dư khi hàn có thể khác nhau đối với những vật liệu khác nhau. Ngoài ra, nó còn phụ thuộc vào nhiều khác yếu tố như thành phần hợp kim trong vật liệu hàn và vật liệu cơ bản. Tốc độ nguội trong suốt quá trình hàn và trạng thái ban đầu của vật liệu cơ bản cũng có ảnh hưởng không nhỏ đến sự phân bố ứng suất.
T r a n g 43 | 118
Các mác thép không gỉ Austenite có hệ số giãn nở nhiệt cao hơn so với thép cacbon thấp. Do đó, thép Austenite dễ mềm ở nhiệt độ ở nhiệt độ cao hơn so với thép cacbon thấp. Các nhân tố này chứng tỏ một điều, thép Austenite có ứng suất nhiệt cao hơn và chúng không có trạng thái dẻo bình ổn trên biểu đồ ứng suất dọc. Chính các nhân tố đó cộng thêm mức độ biến dạng dẻo lớn là nguyên nhân gây ra tôi cứng kim loại. Và như vậy, ứng suất dọc tổng quát cao hơn giới hạn chảy trong trạng thái vật liệu cơ bản không biến dạng. Sự thay đổi cấu trúc tế vi của vật liệu trong suốt quá trình hàn và quá trình nguội có thể dẫn đến sự thay đổi cơ bản sự phân bố ứng suất dư. Đường cong giãn nở thể tích ứng với cấu trúc vật liệu khác nhau cũng khác nhau.
a) Thép Austenite b)Thép Pearlite Hình 2-13: Đường cong giãn nở thể tích (nguồn [17])
Nếu sự thay đổi cấu trúc vật liệu trong quá trình nguội ở nhiệt độ đủ thấp, sau đó độ co ngót dần thay đổi thành sự giãn nở nhanh thì ứng suất kéo giảm dần và chuyển sang ứng suất
nén. Sự phân bố ứng suất dư phụ thuộc vào sự biến đổi sức căng và sự thay đổi nhiệt độ
nhỏ hơn . Nếu tốc độ nguội đủ lớn để hình thành cấu trúc Martensite, khi đó các khu vực
gần mối hàn sẽ ở trong trạng thái nén (hình 2-12b).
Chiều rộng của vùng biến dạng dẻo phụ thuộc vào thông số chế độ hàn, thuộc tính của vật liệu và độ cứng của kết cấu. Thông số quan trọng nhất là đặc tính vật liệu, bao gồm ứng
suất chảy , modul đàn hồi E và hệ số giãn nở nhiệt . Với vật liệu có ứng suất chảy
càng lớn thì vùng biến dạng dẻo càng hẹp. Với vật liệu có modul đàn hồi E và hệ số giãn nở nhiệt càng lớn thì vùng biến dạng dẻo càng lớn [18,19].
T r a n g 44 | 118
Hình 2-14: Hình biểu diễn 3D của sự phân bố ứng suất dọc khi hàn giáp mối tấm 2.2.3.2. Sự hình thành và phát triển ứng suất dư ngang
Sau khi tấm hàn nguội hẳn, do các chiều ngang và dọc của tấm đều co lại nên ứng suất
dư ngang xuất hiện trong kết cấu. Nếu hàn tấm ở trạng thái tự do (không hàn đính, không gá
kẹp), khi đó ứng suất dư ngang không quá lớn. Giá trị ứng suất dư ngang càng lớn khi càng
tiến đến cuối đường hàn. Ứng suất tại vị trí này có thể là ứng suất kéo hoặc ứng suất nén.
Hình 2-15: Ứng suất dư ngang trong mối hàn giáp mối một lớp
a) mối hàn đông đặc nhanh trong tấm dài b) mối hàn đông đặc nhanh trong tấm ngắn c) mối hàn đông đặc chậm trong tấm dài d) mối hàn khi hàn tấm ở trạng thái tự do
T r a n g 45 | 118
Để trực quan, chúng ta có thể biểu diễn sự phân bố ứng suất dư ngang trong mối hàn giáp mối một lớp bằng phương pháp phần tử hữu hạn với công cụ hỗ trợ máy tính. Hình 2-16 dưới đây biểu diễn ứng suất dư ngang khi hàn giáp mối một lớp tấm ngắn. Thuật ngữ “ngắn” ở đây có thể coi là một thuật ngữ phức tạp, nó kết hợp không chỉ về kích thước hình học mà còn phải kể đến thông số chế độ hàn hay thậm chí cả tính chất của vật liệu.
Hình 2-16: Biểu diễn sự phân bố ứng suất dư ngang ở dạng 3D
Ta nhận thấy sự phân bố ứng suất dư ngang khá giống với lý thuyết hình 2-15b. Trị số cực đại của ứng suất dư ngang đạt được tại hai đầu đường hàn giáp mối tấm. Ứng suất dư ngang trong tấm hàn cũng có sự thay đổi theo hướng chiều dày tấm. Trong một số trường hợp cần thiết, chúng ta cũng cần phải xét đến thành phần ứng suất dư ngang này.