Sự hình thành và phát triển của ứng suất dọc khi hàn thép Austenite tấm mỏng có thể được miêu tả bằng biểu đồ động học của ứng suất như hình 2-8 dưới đây:
Hình 2-8: Biểu đồ động học ứng suất trong hình lăng trụ rắn
Điểm bắt đầu của chu trình nhiệt hàn tiêu biểu được chọn ở bên dưới góc phải của hình 2-8, nó thể hiện sự phát triển ứng suất tại một điểm, nó được chọn làm phần tử thể tích ban đầu.
T r a n g 39 | 118
Thực tế chứng minh khi hàn giáp mối thép Austenite tấm mỏng bằng mối hàn dài liên
tục thì tổng biến dạng theo phương của trục mối hàn luôn nhỏ hơn biến dạng nhiệt theo
phương vuông góc với trục mối hàn . Trạng thái này cũng đúng cho các vị trí lân cận sát
mối hàn. Điều này giải thích vì sao phần tử hình lăng trụ hầu như không thay đổi kích thước
theo trục x (hình 2-8). Trong khi đó, trong suốt quá trình nung nóng và quá trình nguội, ứng
suất dọc lại hình thành và phát triển trên các phần tử.
Nếu phân tích chu kỳ ứng suất trong các phần tử, chúng ta cần quan tâm đến sự giãn
nở thể tích của kim loại khi nhiệt độ tăng (dựa vào đường cong giãn nỡ thể tích) và đường
cong biến dạng của vật liệu (dựa vào đường cong ứng suất biến dạng). Nếu bỏ qua những
thay đổi cấu trúc bên trong vật liệu, đường cong giãn nở thể tích có thể xem như xấp xỉ đường
thẳng, có nghĩa là hệ số giãn nở nhiệt α là hằng số. Đường cong giãn nở thể tích (T) được
đặt phía dưới bên trái của biểu đồ trên hình 2-8 và đặt dưới biểu đồ ứng suất biến dạng
( ). Đường cong chu trình nhiệt được đặt phía dưới bên phải của hình 2-8, chu trình ứng
suất ( ) có thể được vẽ theo sơ đồ theo hướng mũi tên trên hình 2-8.
Ví dụ, xét thời điểm có nhiệt độ là được biểu thị bằng điểm 1. Từ điểm 1 này
chiếu sang phương ngang được điểm giãn nở thể tích tương ứng , và được đánh dấu là điểm
1. Chiếu theo phương thẳng đứng lên biểu đồ ( ) ta xác định được điểm 1 tương ứng,
điểm này được xác định bởi và tại thời điểm và trùng với thời điểm khi đạt tới
giới hạn chảy . Điểm 1 trên đường cong ứng suất ( ) là giao điểm của đường gióng
ngang từ điểm 1 của đường cong ứng suất biến dạng ( ) với đường gióng thẳng đứng từ
điểm 1 của đường cong chu trình nhiệt. Tương tự điểm 1, ta hoàn toàn có thể xác định được các điểm còn lại. Điểm thứ 2 là điểm có nhiệt độ cao nhất trên đường cong chu trình nhiệt và cũng là điểm có biến dạng dẻo nén lớn nhất. Sau thời gian là quá trình nguội và bắt đầu giải
thoát nén (ứng suất phản kháng) đến thời gian có ứng suất và biến dạng đàn hồi gần như
bằng 0. Từ đến , biến dạng kéo tăng lên. Tại , một lần nữa biến dạng dẻo lại xảy ra
nhưng ngược với lần thứ nhất. Thời điểm tương ứng với trạng thái nguội hoàn toàn.
Bằng sơ đồ biểu diễn khác, chúng ta có thể thấy sự phân bố nhiệt độ và ứng suất dọc
T r a n g 40 | 118
Hình 2-9: Biểu đồ mô tả sự thay đổi nhiệt độ và ứng suất trong quá trình hàn
a) Sơ đồ hàn; b) Sự phân bố ứng suất dọc trên toàn tấm
c) Sự phân bố nhiệt độ tức thời trên toàn tấm
Theo hình 2-9, phần cách xa nguồn nhiệt về phía trước, nhiệt độ ổn định bằng nhiệt độ vật liệu cơ bản vì nguồn nhiệt hàn chưa ảnh hưởng tới nên ứng suất coi như bằng 0. Tiến dần theo trục x về phía nguồn nhiệt, chúng ta sẽ gặp một điểm tại đó nhiệt độ bắt đầu tăng lên. Những điểm lân cận đường hàn bắt đầu bị nén theo phương dọc, sự thay đổi đột ngột này làm cho ứng suất dọc tăng lên rất nhanh. Ứng suất ở những vùng gần hồ quang là ứng suất nén vì sự giãn nỡ vùng này bị ngăn chặn bởi kim loại cơ bản xung quanh có nhiệt độ thấp hơn. Tuy nhiên, ứng suất ở những vùng xa hồ quang là ứng suất kéo và cân bằng với ứng suất nén. Đi xa hơn về phía sau nguồn hồ quang, nhiệt độ giảm đi đáng kể làm cho vật liệu cơ bản đủ cứng để chống lại biến dạng do trường nhiệt thay đổi. Những vùng nguội này lân cận với vùng hàn nên chúng sẽ tương phản với các vùng phía trước và là nguyên nhân gây ra ứng suất kéo.
T r a n g 41 | 118
Đường cong nét đứt giống hình parabol thể hiện đường đẳng nhiệt có nhiệt độ cao nhất. Đường này đóng vai trò là đường biên giữa vùng nén đàn hồi hay vùng nén đàn hồi dẻo
(vùng phía trước) với vùng bị kéo (vùng phía sau). Điểm 1, 2 và 3 được đặt trên cùng một
đường nằm ngang đại diện cho sự phát triển ứng suất nối tiếp nhau tại điểm nằm cách tâm nguồn nhiệt một khoảng nhất định. Đầu tiên là điểm 1, nơi vật liệu cơ bản bắt đầu bị nén đàn hồi và sau đó đạt đến giới hạn chảy tại điểm 2. Ngay sau đó, vật liệu chịu biến dạng dẻo và giải phóng tải đàn hồi ở điểm 3. Nhìn hình 2-10, điểm 5 và 6 có vẻ giống nhau, nhưng thực tế không phải vậy. Chúng khác nhau ở chỗ, tại điểm 6, sau khi đạt trạng thái dẻo nén và đàn hồi là sự ủ nhiệt bên trong đường đẳng nhiệt vật liệu mềm. Điểm 7 có vị trí đặc biệt, nằm trên đường tâm mối hàn, vật liệu tại đó bị đàn hồi và sau đó bị kéo dẻo, vì trước khi nguồn nhiệt
hàn đi qua, vật liệu của điểm này không tồn tại (do khe hở hàn).
