Ứng suất dư trong hàn và biện pháp

Điều gì gây ra ứng suất dư?

Ứng suất dư được tạo ra khi một vật thể (đặc biệt là cấu kiện hàn) bị ứng suất vượt quá giới hạn đàn hồi của nó, dẫn đến biến dạng dẻo. Có ba lý do chính cho những căng thẳng này phát sinh:

Biến đổi nhiệt

Khi một vật thể được làm mát từ nhiệt độ cao (ví dụ sau khi hàn), thường có sự khác biệt lớn về tốc độ làm mát trên toàn bộ vật thể. Sự khác biệt về tốc độ làm mát do bề mặt và bên trong vật thể gây ra dẫn đến các biến thể cục bộ trong quá trình co nhiệt. Các cơn co nhiệt khác nhau phát triển các ứng suất không đồng đều. Trong quá trình làm mát, bề mặt nguội đi với tốc độ nhanh hơn, nén vật liệu được làm nóng ở trung tâm. Khi vật liệu ở trung tâm cố gắng làm mát, nó bị hạn chế bởi vật liệu lạnh hơn bên ngoài. Do đó, phần bên trong sẽ có ứng suất kéo dư và phần bên ngoài của cấu kiện sẽ có ứng suất nén dư.

Biến đổi pha

Khi một vật liệu trải qua quá trình biến đổi pha, sẽ xảy ra sự khác biệt về thể tích giữa pha mới hình thành và vật liệu xung quanh, chưa trải qua quá trình biến đổi pha. Sự khác biệt về thể tích gây ra sự giãn nở hoặc co lại của vật liệu, dẫn đến ứng suất dư.

Chế biến cơ khí

Ứng suất dư cũng xuất hiện khi biến dạng dẻo không đồng đều qua mặt cắt ngang của vật thể trải qua quá trình sản xuất, chẳng hạn như uốn, kéo, đùn và cán. Khi một vật liệu bị biến dạng, một phần đàn hồi và một phần dẻo. Sau khi loại bỏ tải trọng, vật liệu cố gắng phục hồi phần đàn hồi của biến dạng, nhưng không thể phục hồi hoàn toàn do vật liệu bị biến dạng dẻo liền kề.

Chúng có tác dụng gì?

Tùy thuộc vào ứng dụng, ứng suất dư có thể dương hoặc âm. Ví dụ, ứng suất dư được thực hiện trong thiết kế của một số ứng dụng nhất định để có tác dụng tích cực. Điều này có thể đạt được thông qua quá trình mài mòn bằng laze, truyền ứng suất dư do nén lên bề mặt của vật thể, cho phép tăng cường độ bền cho các phần mỏng hoặc làm cứng các bề mặt giòn.

Tuy nhiên, thông thường, ứng suất dư có tác động tiêu cực. Ứng suất dư thường vô hình đối với nhà sản xuất, trừ khi chúng gây ra biến dạng đáng kể, nhưng có thể ảnh hưởng tiêu cực đến tính toàn vẹn của cấu trúc. Ví dụ, các cấu trúc có thành dày trong điều kiện hàn dễ bị gãy giòn hơn so với cấu trúc đã được khử ứng suất.

Những căng thẳng không mong muốn cũng có ảnh hưởng đến hiệu suất mệt mỏi.

Từ lâu, người ta đã nhận ra rằng, đối với các vật liệu không hàn trong các điều kiện tải mỏi, chỉ các phần chịu kéo của chu trình ứng suất tác dụng góp phần làm phát triển vết nứt mỏi (xem phần dưới của Hình 1). Ngược lại, đối với các mối nối ở trạng thái hàn Trong điều kiện này, ảnh hưởng của ứng suất dư hàn cần được thêm vào ảnh hưởng của ứng suất chu kỳ được áp dụng, với kết quả là toàn bộ chu kỳ mỏi (kéo và nén) làm phát sinh phá hủy mỏi (xem phần trên của Hình 1).

Hình 1 Ảnh hưởng của ứng suất dư hàn đến phá hủy mỏi.

May mắn thay, những ảnh hưởng của ứng suất dư hàn đối với cả đứt gãy và mỏi đã được viết thành các quy tắc và tiêu chuẩn theo cách mà hầu hết người dùng không biết về chúng và không cần phải xem xét chúng một cách rõ ràng. Tuy nhiên, có những trường hợp cụ thể mà việc định lượng ứng suất dư là cần thiết.

Làm thế nào tôi có thể đo ứng suất dư?

Có nhiều kỹ thuật được sử dụng để đo ứng suất dư. Chúng được phân loại thành ba lĩnh vực: Phá hủy, bán phá hủy và không phá hủy. Cách tiếp cận được sử dụng thường phụ thuộc vào thông tin được yêu cầu. Do sự phức tạp của một số kỹ thuật đo lường, phép đo phải được thực hiện tại một cơ sở chuyên dụng. Điều này đặc biệt đúng đối với nhiều kỹ thuật không phá hủy.

Ba loại chính được liệt kê dưới đây:

Phá hủy

Những kỹ thuật này liên quan đến việc phá hủy đối tượng được đo và thường được sử dụng từ góc độ nghiên cứu và phát triển. Thử nghiệm phá hủy thường rẻ hơn nhiều so với thử nghiệm không phá hủy.

Các kỹ thuật ví dụ bao gồm:

• Phương pháp đường viền.Phương pháp đường viền xác định ứng suất dư bằng cách cắt một vật thể thành hai mảnh và đo sơ đồ chiều cao bề mặt dọc theo mặt phẳng tự do được tạo bởi vết cắt. Đường bao trung bình xác định các biến dạng gây ra bởi sự phân bố lại ứng suất dư và được sử dụng để tính toán ứng suất dư thông qua mô hình phần tử hữu hạn đàn hồi của mẫu vật. Kết quả là bản đồ 2-D của ứng suất dư vuông góc với mặt phẳng đo.
• rạch.Phương pháp rạch là một kỹ thuật để đo ứng suất dư thông qua độ dày bình thường đối với một mặt phẳng cắt qua một vật thể. Nó liên quan đến việc cắt một khe mỏng theo từng bước độ sâu thông qua độ dày của phôi và đo các biến dạng thu được như là một hàm của độ sâu khe. Sau đó, ứng suất dư được tính toán như một hàm của vị trí thông qua độ dày được xác định bằng cách giải một bài toán nghịch đảo bằng cách sử dụng các biến dạng đo được.

Biến đổi nhiệt

Khi một vật thể được làm mát từ nhiệt độ cao (ví dụ sau khi hàn), thường có sự khác biệt lớn về tốc độ làm mát trên toàn bộ vật thể. Sự khác biệt về tốc độ làm mát do bề mặt và bên trong vật thể gây ra dẫn đến các biến thể cục bộ trong quá trình co nhiệt. Các cơn co nhiệt khác nhau phát triển các ứng suất không đồng đều. Trong quá trình làm mát, bề mặt nguội đi với tốc độ nhanh hơn, nén vật liệu được làm nóng ở trung tâm. Khi vật liệu ở trung tâm cố gắng làm mát, nó bị hạn chế bởi vật liệu lạnh hơn bên ngoài. Do đó, phần bên trong sẽ có ứng suất kéo dư và phần bên ngoài của cấu kiện sẽ có ứng suất nén dư.

Biến đổi pha

Khi một vật liệu trải qua quá trình biến đổi pha, sẽ xảy ra sự khác biệt về thể tích giữa pha mới hình thành và vật liệu xung quanh, chưa trải qua quá trình biến đổi pha. Sự khác biệt về thể tích gây ra sự giãn nở hoặc co lại của vật liệu, dẫn đến ứng suất dư.

Chế biến cơ khí

Ứng suất dư cũng xuất hiện khi biến dạng dẻo không đồng đều qua mặt cắt ngang của vật thể trải qua quá trình sản xuất, chẳng hạn như uốn, kéo, đùn và cán. Khi một vật liệu bị biến dạng, một phần đàn hồi và một phần dẻo. Sau khi loại bỏ tải trọng, vật liệu cố gắng phục hồi phần đàn hồi của biến dạng, nhưng không thể phục hồi hoàn toàn do vật liệu bị biến dạng dẻo liền kề.

Chúng có tác dụng gì?

Tùy thuộc vào ứng dụng, ứng suất dư có thể dương hoặc âm. Ví dụ, ứng suất dư được thực hiện trong thiết kế của một số ứng dụng nhất định để có tác dụng tích cực. Điều này có thể đạt được thông qua quá trình mài mòn bằng laze, truyền ứng suất dư do nén lên bề mặt của vật thể, cho phép tăng cường độ bền cho các phần mỏng hoặc làm cứng các bề mặt giòn.

Tuy nhiên, thông thường, ứng suất dư có tác động tiêu cực. Ứng suất dư thường vô hình đối với nhà sản xuất, trừ khi chúng gây ra biến dạng đáng kể, nhưng có thể ảnh hưởng tiêu cực đến tính toàn vẹn của cấu trúc. Ví dụ, các cấu trúc có thành dày trong điều kiện hàn dễ bị gãy giòn hơn so với cấu trúc đã được khử ứng suất.

Những căng thẳng không mong muốn cũng có ảnh hưởng đến hiệu suất mệt mỏi.

Từ lâu, người ta đã nhận ra rằng, đối với các vật liệu không hàn trong các điều kiện tải mỏi, chỉ các phần chịu kéo của chu trình ứng suất tác dụng góp phần làm phát triển vết nứt mỏi (xem phần dưới của Hình 1). Ngược lại, đối với các mối nối ở trạng thái hàn Trong điều kiện này, ảnh hưởng của ứng suất dư hàn cần được thêm vào ảnh hưởng của ứng suất chu kỳ được áp dụng, với kết quả là toàn bộ chu kỳ mỏi (kéo và nén) làm phát sinh phá hủy mỏi (xem phần trên của Hình 1).

Hình 1 Ảnh hưởng của ứng suất dư hàn đến phá hủy mỏi.

May mắn thay, những ảnh hưởng của ứng suất dư hàn đối với cả đứt gãy và mỏi đã được viết thành các quy tắc và tiêu chuẩn theo cách mà hầu hết người dùng không biết về chúng và không cần phải xem xét chúng một cách rõ ràng. Tuy nhiên, có những trường hợp cụ thể mà việc định lượng ứng suất dư là cần thiết.

Làm thế nào tôi có thể đo ứng suất dư?

Có nhiều kỹ thuật được sử dụng để đo ứng suất dư. Chúng được phân loại thành ba lĩnh vực: Phá hủy, bán phá hủy và không phá hủy. Cách tiếp cận được sử dụng thường phụ thuộc vào thông tin được yêu cầu. Do sự phức tạp của một số kỹ thuật đo lường, phép đo phải được thực hiện tại một cơ sở chuyên dụng. Điều này đặc biệt đúng đối với nhiều kỹ thuật không phá hủy.

Ba loại chính được liệt kê dưới đây:

Phá hoại

Những kỹ thuật này liên quan đến việc phá hủy đối tượng được đo và thường được sử dụng từ góc độ nghiên cứu và phát triển. Thử nghiệm phá hủy thường rẻ hơn nhiều so với thử nghiệm không phá hủy.

Các kỹ thuật ví dụ bao gồm:

• Phương pháp đường viền.Phương pháp đường viền xác định ứng suất dư bằng cách cắt một vật thể thành hai mảnh và đo sơ đồ chiều cao bề mặt dọc theo mặt phẳng tự do được tạo bởi vết cắt. Đường bao trung bình xác định các biến dạng gây ra bởi sự phân bố lại ứng suất dư và được sử dụng để tính toán ứng suất dư thông qua mô hình phần tử hữu hạn đàn hồi của mẫu vật. Kết quả là bản đồ 2-D của ứng suất dư vuông góc với mặt phẳng đo.
• Rạch.Phương pháp rạch là một kỹ thuật để đo ứng suất dư thông qua độ dày bình thường đối với một mặt phẳng cắt qua một vật thể. Nó liên quan đến việc cắt một khe mỏng theo từng bước độ sâu thông qua độ dày của phôi và đo các biến dạng thu được như là một hàm của độ sâu khe. Sau đó, ứng suất dư được tính toán như một hàm của vị trí thông qua độ dày được xác định bằng cách giải một bài toán nghịch đảo bằng cách sử dụng các biến dạng đo được.