Đối với vật liệu cú chuyển biến thự hỡnh nhƣ thộp kết cấu hợp kim thấp A36 thỡ trong quỏ trỡnh hàn cú thể xảy ra cỏc hiện tƣợng biến đổi tổ chức kim loại tựy thuộc vào nhiệt độ nung núng và tốc độ nguội khỏc nhau. Kết quả tớnh toỏn quỏ trỡnh biến đổi tổ chức kim loại trong liờn kết hàn nghiờn cứu sau khi hàn 6500 s đƣợc thể hiện trong Hỡnh 5. 16 dƣới đõy. Lƣu rằng sau khi hàn 6500 s thỡ toàn bộ liờn kết hàn đó nguội xuống đến 25oC và dƣới nhiệt độ này sẽ khụng cũn hiện tƣợng chuyển biến pha nữa – nghĩa là kết quả tớnh toỏn thành phần tổ chức kim loại trờn Hỡnh 5. 16 là kết quả tổ chức pha cuối cựng nhận đƣợc sau khi hàn. Dựa vào màu sắc của cỏc đƣờng đồng mức và thang đo trờn Hỡnh 5. 16a, chỳng ta thấy rằng liờn kết hàn cú tổ chức chủ yếu là hỗn hợp ferrite – pearlite.
Hỡnh 5. 16b là kết quả tớnh toỏn sự phõn bố của tổ chức martensite. Dựa vào màu sắc của cỏc đƣờng đồng mức và thang đo, chỳng ta thấy rằng liờn kết hàn trong trƣờng hợp này gần nhƣ khụng xuất hiện tổ chức martensite (hàm lƣợng martensite tối đa theo tớnh toỏn chỉ là 0,19%). Trong khi đú, hàm lƣợng và phõn bố của tổ chức bainite trong mụ hỡnh nghiờn cứu đƣợc thể hiện trờn Hỡnh 5. 16c. Kết quả tớnh toỏn cho biết rằng hàm lƣợng của tổ chức bainite cũng rất nhỏ (tối đa là 0,44%). Tƣơng tự nhƣ vậy, kết quả tớnh toỏn hàm lƣợng austenite dƣ sau khi chuyển biến pha khi hàn đƣợc thể hiện trờn Hỡnh 5. 16d. Theo tớnh toỏn này thỡ trong liờn kết hàn khụng cũn tồn tại tổ chức austenite dƣ. Nhƣ vậy, cú thể kết luận rằng trong liờn kết hàn nghiờn cứu khụng xuất hiện cỏc tổ chức martensite, bainite hay austenite dƣ mà tổ chức kim loại nhận đƣợc chỉ là hỗn hợp ferrite - pearlite. Cỏc kết quả tớnh toỏn này sẽ đƣợc kiểm chứng bằng thực nghiệm ở mục 5.6.2. Cỏc hỡnh ảnh mụ tả trong Hỡnh 5. 16 ở trờn chỉ mang tớnh chất định tớnh, để biết rừ sự biến đổi tổ chức kim loại theo định lƣợng tại cỏc vị trớ cụ thể, đặc biệt là tại vựng HAZ thỡ chỳng ta cần phải xem xột toàn bộ chu trỡnh biến đổi tổ chức kim loại tại cỏc vị trớ khảo sỏt đú.
a) Phõn bố tổ chức Ferrite – Pearlite b) Phõn bố tổ chức Martensite
c) Phõn bố tổ chức Bainite d) Phõn bố tổ chức Austenite dư Hỡnh 5. 16 Phõn bố tổ chức kim loại trong liờn kết hàn tại thời điểm 6500 [giõy]
Trờn Hỡnh 5. 17 là đồ thị biểu diễn chu trỡnh nhiệt hàn cựng với diễn biến của quỏ trỡnh biến đổi tổ chức kim loại tại nỳt khảo sỏt 8636 thuộc đƣờng hàn đỏy và nằm sỏt vựng HAZ. Dựa vào cỏc đồ thị này ta biết đƣợc khi nào thỡ quỏ trỡnh chuyển biến pha bắt đầu và khi nào thỡ kết thỳc chuyển biến, trong đú tốc độ của quỏ trỡnh chuyển biến pha đƣợc mụ tả
88 bởi độ dốc của đƣờng cong chuyển biến. Diễn biến cụ thể của quỏ trỡnh biến đổi tổ chức kim loại tại nỳt 8636 nhƣ sau: Tại thời điểm t = 140 s, nhiệt độ tại nỳt 8636 đƣợc nung đến khoảng 727oC, khi đú kim loại bắt đầu chuyển từ tổ chức ban đầu là ferrite – pearlite thành tổ chức austenite và sau một thời gian rất ngắn thỡ chỳng chuyển biến hết thành austenite trƣớc khi chuyển sang trạng thỏi kim loại núng chảy (lỏng). Khi nguồn nhiệt hàn di chuyển qua vị trớ nỳt 8636 thỡ nhiệt độ tại nỳt này bắt đầu giảm dần theo độ dốc sƣờn bờn phải của chu kỳ nhiệt 1 (đƣờng màu đỏ) trờn Hỡnh 5. 17 và kim loại lỏng chuyển biến thành austenite. Tại thời điểm t = 180 s, khi nhiệt độ giảm xuống dƣới 800oC thỡ austenite bắt đầu chuyển biến thành tổ chức hỗn hợp ferrite – pearlite và khi nhiệt độ giảm xuống dƣới 727oC thỡ chỳng chuyển hết thành tổ chức hỗn hợp ferrite – pearlite. Nhiệt độ tại nỳt 8636 tiếp tục giảm xuống tới 30oC tại thời điểm t = 2800 s sau khi kết thỳc đƣờng hàn đỏy một thời gian thỡ tổ chức kim loại vẫn là hỗn hợp ferrite - pearlite. Tiếp tục thực hiện đƣờng hàn phủ với cỏc thụng số chế độ cụng nghệ hàn ở Bảng 4- 2 và theo chiều nhƣ khi hàn đƣờng hàn đỏy thỡ nỳt 8636 lại đƣợc gia nhiệt lần thứ 2 thể hiện bằng chu kỳ 2 của chu trỡnh nhiệt hàn (đƣờng màu đỏ). Tại thời điểm t = 3190 s thỡ nỳt 8636 lại đƣợc nung lần thứ 2 đến nhiệt độ khoảng 727oC, khi đú kim loại lại bắt đầu lần thứ 2 chuyển biến từ tổ chức ferrite – pearlite thành austenite và sau một thời gian rất ngắn thỡ chỳng chuyển hết thành austenite. Do ở chu kỳ nhiệt thứ 2 nhiệt độ tại nỳt 8636 đạt đƣợc cao nhất chỉ là 1170oC nờn kim loại khụng chuyển sang trạng thỏi lỏng. Khi nguồn nhiệt hàn di chuyển qua vị trớ nỳt 8636 thỡ nhiệt độ tại nỳt này lại bắt đầu giảm dần theo độ dốc sƣờn bờn phải của chu kỳ nhiệt 2. Tại thời điểm t = 3280 s, khi nhiệt độ giảm xuống dƣới 800oC thỡ austenite bắt đầu chuyển biến thành tổ chức hỗn hợp ferrite – pearlite. Nhiệt độ tại nỳt 8636 tiếp tục giảm xuống tới 30oC tại thời điểm t = 6500 s sau khi kết thỳc đƣờng hàn phủ và để nguội đến nhiệt độ mụi trƣờng thỡ tổ chức kim loại nhận đƣợc cuối cựng là hỗn hợp ferrite - pearlite. Cỏc đồ thị kết quả tớnh toỏn trờn Hỡnh 5. 17 cũng cho biết rằng hàm lƣợng của cỏc tổ chức martensite, bainite hay austenite dƣ là vụ cựng nhỏ nờn cú thể hiểu rằng trong liờn kết hàn khụng tồn tại cỏc tổ chức này.
89 Trờn Hỡnh 5. 18 là đồ thị biểu diễn chu trỡnh nhiệt hàn cựng với diễn biến của quỏ trỡnh biến đổi tổ chức kim loại tại nỳt khảo sỏt 7727 thuộc mối hàn và nằm sỏt vựng HAZ của cả 2 đƣờng hàn. Diễn biến cụ thể của quỏ trỡnh biến đổi tổ chức kim loại tại nỳt 7727 nhƣ sau: Tại thời điểm t = 140s, nhiệt độ tại nỳt 7727 đƣợc nung đến khoảng 727oC, khi đú kim loại bắt đầu chuyển biến từ tổ chức ban đầu là ferrite – pearlite thành tổ chức austenite và sau một thời gian rất ngắn thỡ chỳng chuyển hết thành austenite trƣớc khi chuyển sang trạng thỏi núng chảy do đƣợc nung tới nhiệt độ 1620oC. Khi nguồn nhiệt hàn di chuyển qua vị trớ nỳt 7727 thỡ nhiệt độ tại nỳt này bắt đầu giảm dần theo độ dốc sƣờn bờn phải của chu kỳ nhiệt 1 (đƣờng màu đỏ) trờn Hỡnh 5. 18 và kim loại lỏng kết tinh thành tổ chức austenite. Tại thời điểm t = 180s, khi nhiệt độ giảm xuống dƣới 800oC thỡ austenite bắt đầu chuyển biến thành tổ chức hỗn hợp ferrite – pearlite và sau một thời gian rất ngắn thỡ chỳng chuyển hết thành tổ chức hỗn hợp ferrite – pearlite. Nhiệt độ tại nỳt 7727 tiếp tục giảm xuống tới 30oC tại thời điểm t = 2800s sau khi kết thỳc đƣờng hàn đỏy một thời gian thỡ tổ chức kim loại vẫn là hỗn hợp ferrite - pearlite. Tiếp tục thực hiện đƣờng hàn phủ theo chiều nhƣ khi hàn đƣờng hàn đỏy thỡ nỳt 7727 lại đƣợc gia nhiệt lần thứ 2 thể hiện bằng chu kỳ 2 của chu trỡnh nhiệt hàn trờn Hỡnh 5. 18. Tại thời điểm t = 3190 s thỡ nỳt 7727 lại đƣợc nung lần thứ 2 đến nhiệt độ khoảng 727oC, khi đú kim loại lại bắt đầu lần thứ 2 chuyển từ tổ chức ferrite – pearlite thành austenite và sau một thời gian rất ngắn thỡ chỳng chuyển hết thành austenite trƣớc khi chuyển sang trạng thỏi núng chảy do đƣợc nung lại đến nhiệt độ 1650o
C. Khi nguồn nhiệt hàn di chuyển qua vị trớ nỳt 7727 thỡ nhiệt độ tại nỳt này lại bắt đầu giảm dần theo độ dốc sƣờn bờn phải của chu kỳ nhiệt 2 và kết tinh thành austenite từ trạng thỏi lỏng. Tại thời điểm t = 3280s, khi nhiệt độ giảm xuống dƣới 800oC thỡ austenite bắt đầu chuyển biến thành tổ chức hỗn hợp ferrite – pearlite. Nhiệt độ tại nỳt 7727 tiếp tục giảm xuống tới 30oC tại thời điểm t = 6500s sau khi kết thỳc đƣờng hàn phủ và để nguội đến nhiệt độ mụi trƣờng thỡ tổ chức kim loại nhận đƣợc cuối cựng là hỗn hợp ferrite - pearlite. Cỏc đồ thị kết quả tớnh toỏn trờn Hỡnh 5. 18 cũng cho biết rằng hàm lƣợng của cỏc tổ chức martensite, bainite hay austenite dƣ là vụ cựng nhỏ nờn cú thể hiểu rằng trong liờn kết hàn khụng tồn tại cỏc tổ chức này.
90 Trờn Hỡnh 5. 19 là đồ thị biểu diễn chu trỡnh nhiệt hàn cựng với diễn biến của quỏ trỡnh biến đổi tổ chức kim loại tại nỳt khảo sỏt 7323 thuộc đƣờng hàn phủ và nằm sỏt vựng HAZ. Diễn biến cụ thể của quỏ trỡnh biến đổi tổ chức kim loại tại nỳt 7323 nhƣ sau: tại thời điểm t = 150s, nhiệt độ tại nỳt 7323 đƣợc nung đến khoảng 727oC, khi đú kim loại bắt đầu chuyển biến từ tổ chức ban đầu là ferrite – pearlite thành tổ chức austenite và sau một thời gian rất ngắn thỡ chỳng chuyển hết thành austenite. Tại đõy kim loại khụng chuyển sang trạng thỏi núng chảy vỡ nhiệt độ tối đa đạt đƣợc chỉ khoảng 1100oC. Khi nguồn nhiệt hàn di chuyển qua vị trớ nỳt 7323 thỡ nhiệt độ tại nỳt này bắt đầu giảm dần theo độ dốc sƣờn bờn phải của chu kỳ nhiệt 1 (đƣờng màu đỏ) trờn Hỡnh 5. 19. Tại thời điểm t = 180s, khi nhiệt độ giảm xuống dƣới 800o
C thỡ austenite bắt đầu chuyển biến thành tổ chức hỗn hợp ferrite – pearlite. Nhiệt độ tại nỳt 7323 tiếp tục giảm xuống tới 30o
C tại thời điểm t = 2800 s sau khi kết thỳc đƣờng hàn đỏy một thời gian thỡ tổ chức kim loại vẫn là hỗn hợp ferrite - pearlite. Tiếp tục thực hiện đƣờng hàn phủ theo chiều nhƣ khi hàn đƣờng hàn đỏy thỡ nỳt 7323 lại đƣợc gia nhiệt lần thứ 2 thể hiện bằng chu kỳ 2 của chu trỡnh nhiệt hàn trờn hỡnh 5.19. Tại thời điểm t = 3190 s thỡ nỳt 7323 lại đƣợc nung lần thứ 2 đến nhiệt độ khoảng 727oC, khi đú kim loại lại bắt đầu lần thứ 2 chuyển từ tổ chức ferrite – pearlite thành austenite và sau một thời gian rất ngắn thỡ chỳng chuyển hết thành austenite trƣớc khi chuyển sang trạng thỏi núng chảy do đƣợc nung lại đến nhiệt độ 2220oC. Khi nguồn nhiệt hàn di chuyển qua vị trớ nỳt 7323 thỡ nhiệt độ tại nỳt này lại bắt đầu giảm dần theo độ dốc sƣờn bờn phải của chu kỳ nhiệt 2 và kết tinh thành austenite từ trạng thỏi lỏng. Tại thời điểm t = 3280 s, khi nhiệt độ giảm xuống dƣới 800o
C thỡ austenite bắt đầu chuyển biến thành tổ chức hỗn hợp ferrite – pearlite. Nhiệt độ tại nỳt 7323 tiếp tục giảm xuống tới 30oC tại thời điểm t = 6500 s sau khi kết thỳc đƣờng hàn phủ và để nguội đến nhiệt độ mụi trƣờng thỡ tổ chức kim loại nhận đƣợc cuối cựng là hỗn hợp ferrite - pearlite. Cỏc đồ thị kết quả tớnh toỏn trờn Hỡnh 5. 19 cũng cho biết rằng hàm lƣợng của cỏc tổ chức martensite, bainite hay austenite dƣ là vụ cựng nhỏ nờn cú thể hiểu rằng trong liờn kết hàn khụng tồn tại cỏc tổ chức này.
91 Kết quả mụ phỏng cho thấy cỏc tổ chức kim loại sau khi hàn nhƣ sau: Martensite hỡnh thành lớn nhất ở khu vực đầu đƣờng hàn do quỏ trỡnh nguội nhanh cũng chỉ đạt giỏ trị lớn nhất 0,19%; tổ chức Bainite hỡnh thành dọc theo mối hàn và chiếm tỷ lệ lớn nhất là 0,447%; tổ chức Austenite dƣ khụng tồn tại do mối hàn nguội chậm. Nhƣ vậy cú thể khẳng định rằng khi hàn thộp A36 với cỏc thụng số cụng nghệ hàn đó chọn sẽ nhận đƣợc tổ chức kim loại mối hàn tốt và khụng cần thiết phải xử lý nhiệt trƣớc và sau khi hàn. Cỏc kết quả tớnh toỏn này sẽ đƣợc kiểm tra xỏc nhận (validation) trong mục 5.5.2 của luận ỏn.
5.1.6. Ứng suất dƣ và biến dạng gúc của liờn kết hàn tổng đoạn
Phần mềm Sysweld khụng chỉ tớnh toỏn đƣợc trƣờng nhiệt độ, chu trỡnh nhiệt và quỏ trỡnh biến đổi tổ chức kim loại tại cỏc nỳt trờn mụ hỡnh nghiờn cứu, mà cũn tớnh toỏn đƣợc cả trƣờng phõn bố ứng suất (do tỏc động đồng thời của nhiệt và thay đổi thể tớch khi chuyển biến pha trong kim loại) cũng nhƣ biến dạng của mụ hỡnh nghiờn cứu.
Hỡnh 5. 20 Ứng suất phỏp theo phương ngang (x-x) sau khi hàn
Trờn Hỡnh 5. 20 là trƣờng phõn bố ứng suất phỏp theo phƣơng ngang x-x (x, 11) trong liờn kết hàn giỏp mối tổng đoạn vỏ tàu sau khi hàn ở thời điểm 6500 giõy (để nguội đến 30o
C). Kết quả tớnh toỏn cho thấy rằng giỏ trị ứng suất kộo lớn nhất nằm tại vựng thuộc kim loại cơ bản (KLCB) và sỏt với vựng HAZ. Theo kết quả tớnh toỏn mụ phỏng trờn Hỡnh 5. 20, giỏ trị ứng suất theo phƣơng ngang lớn nhất trong liờn kết hàn là x = 375,59 MPa. Phõn bố của trƣờng ứng suất x tƣơng đối đối xứng qua trục mối hàn. Kết quả tớnh toỏn này cho biết trƣớc rằng: nếu nhƣ liờn kết hàn này khụng đƣợc khử ứng suất dƣ, khi kiểm tra cơ tớnh bằng phƣơng phỏp thử kộo ngang liờn kết hàn giỏp mối thỡ vết nứt hay vựng phỏ hủy sẽ nằm ở vựng gianh giới giữa KLCB và vựng HAZ, chứ khụng phỏ hủy tại vựng HAZ hay vựng kim loại mối hàn (KLMH). Kết luận này sẽ đƣợc kiểm chứng trong mục 5.5.1 của bản luận ỏn này.
92 Trờn Hỡnh 5. 21 là trƣờng phõn bố ứng suất phỏp theo phƣơng dọc y-y (y, 22) trong liờn kết hàn giỏp mối tổng đoạn vỏ tàu sau khi hàn đến thời điểm 6500 giõy (để nguội đến 30oC). Kết quả tớnh toỏn cho thấy rằng giỏ trị ứng suất kộo lớn nhất y = 238 MPa nằm tại vựng thuộc KLCB và sỏt với vựng HAZ, trong khi đú vựng bờn cạnh vựng này về phớa KLCB lại cú ứng suất nộn với giỏ trị lớn nhất là -57,47 MPa. Phõn bố của trƣờng ứng suất
y đối xứng qua trục mối hàn.
Hỡnh 5. 22 Phõn bố ứng suất dư tổng (Seqv) trong liờn kết hàn
Trờn Hỡnh 5. 22 là trƣờng phõn bố ứng suất dƣ tổng (ứng suất tƣơng đƣơng e, equivalent stress) trong liờn kết hàn giỏp mối tổng đoạn vỏ tàu sau khi hàn 6500 giõy (nguội đến 30oC). Kết quả tớnh toỏn cho thấy rằng trong mối hàn cú ứng suất tƣơng đối nhỏ, trong khi đú nơi cú ứng suất lớn chủ yếu tập trung ở vựng thuộc KLCB và nằm sỏt với vựng HAZ. Phõn bố của trƣờng ứng suất e đối xứng qua trục mối hàn. Theo kết quả tớnh toỏn mụ phỏng trờn Hỡnh 5. 22, giỏ trị ứng suất dƣ tƣơng đƣơng lớn nhất trong liờn kết hàn là 276,44 MPa - nhỏ hơn nhiều so với giới hạn chảy 355 MPa của thộp A36.
93 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của ứng suất tƣơng đƣơng (Seqv, Von mises stress) tại 3 nỳt khảo sỏt đƣợc thể hiện trờn Hỡnh 5. 23 dƣới đõy. Chỳng ta thấy rằng sau khi hàn xong cả hai đƣờng hàn đỏy và đƣờng hàn phủ rồi để nguội đến 30oC tại thời điểm 6500 sthỡ ứng suất dƣ tại nỳt 8636 là khoảng 235 MPa; tại nỳt 7727 là khoảng 210 MPa; cũn tại nỳt 7323 là 198 MPa. Nghĩa là ứng suất dƣ khỏ nhỏ nờn cú thể khẳng định chế độ cụng nghệ hàn lựa chọn là phự hợp với liờn kết nghiờn cứu.
Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của cỏc ứng suất phỏp theo cỏc phƣơng (x, y, z) và ứng suất dƣ tổng (Seqv) tại mặt cắt ngang ở giữa mối hàn sau khi hàn xong cả hai đƣờng hàn đỏy và đƣờng hàn phủ rồi để nguội đến 30o
C tại thời điểm 6500 s đƣợc thể hiện trờn Hỡnh 5. 24 dƣới đõy. Kết quả mụ phỏng cho biết rằng tại mặt cắt ngang giữa mối hàn cỏc
