Tập trung biến dạng và ứng suất trong mối hàn ma sát giữa hai siêu hợp KIM M247 và INC718

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản số 02/2007<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU<br /> <br /> TẬP TRUNG BIẾN DẠNG VÀ ỨNG SUẤT<br /> TRONG MỐI HÀN MA SÁT GIỮA HAI SIÊU HỢP KIM M247 VÀ INC718<br /> ThS. Trần Hưng Trà<br /> Khoa Cơ khí - Trường ĐH Nha Trang<br /> Trong bài báo này, sự tập trung biến dạn và ứng suất tại khu vực mối hàn ma sát giữa hai siêu<br /> hợp kim INC718 và M247 được đề cập. Sự phân bố của các thành phần biến dạng và ứng suất trong<br /> khu vực mối hàn được xác định theo mô hình phần tử hữu hạn. Kết quả tính toán cho thấy sự tập<br /> trung biến dạng và ứng suất tại khu vực mối hàn là rất lớn. Thành phần ứng suất dọc trục σz tập trung<br /> lớn nhất bên phía M247. Thành phần ứng suất theo phương ngang, σx/σy, tập trung lớn nhất bên phía<br /> INC718 và rất gần với bề mặt hàn (welded interface). Các thành phần ứng suất tiếp trong các mặt dọc<br /> trục tập trung phần lớn tại mối hàn và có giá trị lớn nhất tại bề mặt hàn. Sự tập trung ứng suất này đã<br /> làm giảm đáng kể tuổi thọ của kết cấu mối hàn trong điều kiện thí nghiệm kéo, thí nghiệm mỏi, và thí<br /> nghiệm mỏi - dão (creep-fatigue).<br /> <br /> 1. GIỚI THIỆU CHUNG<br /> <br /> 2. THỦ TỤC THÍ NGHIỆM<br /> <br /> Để tối ưu hoá kết cấu, việc tính toán, chọn<br /> lựa và bố trí mỗi loại vật liệu cho mỗi bộ phận<br /> kết cấu được làm việc trong điều kiện phù hợp<br /> nhất với các thuộc tính của nó là điều đang rất<br /> được quan tâm. Chính lý do này kéo theo sự<br /> cần thiết phải liên kết các loại vật liệu khác<br /> nhau trong cùng một hệ thống kết cấu. Một<br /> trong những thách thức lớn của mối hàn giữa<br /> hai vật liệu khác nhau so với mối hàn của cùng<br /> loại vật liệu là sự tập trung biến dạng và ứng<br /> suất tại khu vực mối hàn. Điều này gây ra bởi<br /> sự khác nhau về các đặc trưng cơ học của hai<br /> loại vật liệu được hàn. Rõ ràng hai vật liệu<br /> càng khác nhau về đặc trưng cơ học thì mức<br /> độ tập trung biến dạng và ứng suất tại khu vực<br /> mối hàn càng lớn và kéo theo tuổi thọ của kết<br /> cấu hàn bị giảm. Ngoài ra, trong mỗi điều kiện<br /> làm việc khác nhau, vai trò ảnh hưởng của các<br /> thành phần ứng suất cũng rất khác nhau. Cụ<br /> thể, nếu mẫu thì nghiệm trong điều kiện chịu<br /> mỏi thì vai trò của thành phần ứng suất dọc<br /> trục ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ của nó,<br /> trong khi đó nếu thí nghiệm dưới điều kiện dão<br /> (creep) thì thành phần ứng suất theo phương<br /> ngang lại đóng vai trò quan trọng. Vì vậy việc<br /> khảo sát phân bố của các thành phần ứng<br /> suất và biến dạng trong mối nối là hết sức cần<br /> thiết và đây cũng chính là mục tiêu của bài viết<br /> này.<br /> <br /> Vật liệu được hàn trong nghiên cứu này là<br /> siêu hợp kim INC718 Và MAR-M247. Trong<br /> phạm vi bài báo này, để đơn giản, các đặc trưng<br /> cơ học của vùng HAZ và TMAZ được ước<br /> lượng lấy xấp xỉ với INC718 (thực tế thấp hơn).<br /> Hệ số Poison ν của các vật liệu ≅ 0.3. Mô đun<br /> đàn hồi của INC718 và M247 lần lượt là 163000<br /> MPa và 194000 MPa.<br /> <br /> 38<br /> <br /> Mẫu thí nghiệm với đường kính 6.5mm và<br /> chiều dài 24mm, chịu tác dụng của biến dạng<br /> dọc trục, εz, (Hình 1). Khoảng cách 2 đầu đo<br /> biến dạng của Axial Extensometer gắn vào mẫu<br /> thí nghiệm là 12mm (Hình 2).<br /> <br /> L = 24mm, d = 6.5mm<br /> Mối hàn (interface)<br /> <br /> M247<br /> <br /> INC718<br /> <br /> Inconel718<br /> <br /> MarM247<br /> <br /> 12mm<br /> Axial Extensometer<br /> <br /> Hình 1. Mẫu thí nghiệm<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản số 02/2007<br /> mối<br /> hà<br /> M247<br /> <br /> INC71<br /> 8<br /> <br /> 6mm<br /> <br /> 1.25mm<br /> <br /> 0.25mm<br /> <br /> HAZ<br /> <br /> TMAZ<br /> <br /> INC718<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> suất theo phương ngang (X và Y) là điều dễ<br /> hiểu, nguyên nhân gây nên là do sự chênh lệch<br /> đáng kể mô đun đàn hồi E giữa INC718 và<br /> M247, kéo theo biến dạng theo phương ngang<br /> cũng khác nhau ( ε x = ε y = νε z = ν<br /> <br /> 6mm<br /> M247<br /> <br /> Hình 2. Chiều dài được đo biến dạng bởi<br /> Axial Extensometer và kích thước các vùng<br /> trong khu vực hàn (ước lượng).<br /> 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> <br /> σz<br /> E<br /> <br /> ). Từ sự<br /> <br /> phân bố ứng suất trong hình 4(a) cho thấy,<br /> thành phần ứng suất σz có hai cực trị nằm ở hai<br /> bên, INC718 và M247, và cách bề mặt hàn<br /> khoảng 0.5 cm. Sự chênh lệch giữa ứng suất<br /> cực trị với giá trị ứng suất trung bình (trong khu<br /> vực xa bề mặt mối hàn) trong INC718 và M247<br /> lần lược là 2.6% và 3.5%. Kết quả phân bố của<br /> thành ứng suất ngang σy được thể hiện ở hình<br /> 4(d), thành phần ứng suất này tập trung lớn nhất<br /> ở bên phía INC718 và nằm rất sát với bề mặt<br /> hàn, cách bề mặt hàn khoảng chừng vài trăm<br /> μm. Riêng đối với ứng suất tiếp trong các mặt<br /> theo phương dọc trục, τxz/τyz, sự tập trung đã<br /> <br /> εz =0.5%<br /> <br /> xảy ra rất lớn tại bề mặt hàn (interface), xem<br /> hình 5(b).<br /> Hình 3. Mô hình tính<br /> <br /> Mô hình tính kết cấu hàn chịu biến dạng dọc<br /> trục được thể hiện trong hình 3. Về mặt định tính<br /> chúng ta cũng có thể thấy được sự phân bố biến<br /> dạng và ứng suất (trừ các thành phần dọc trục)<br /> sẽ xảy ra lớn nhất trên bề mặt của mô hình tính.<br /> Càng gần vào tâm trục thì mức độ tập trung biến<br /> dạng và ứng suất càng giảm và sẽ đạt giá trị 0 ở<br /> trên trục của mô hình tính.<br /> Mô hình tính với 26936 phần tử và 38638<br /> nút được sử dụng. Kết quả phân bố biến dạng<br /> và ứng suất trên bề mặt của mẫu thí nghiệm<br /> được thể hiện trong hình 4&5. Tại khu vực mối<br /> hàn, sự tập trung ứng suất thể hiện rất rõ nét,<br /> trong đó sự tập trung đáng kể nhất là thành<br /> phần dọc trục Z, biến dạng theo phương<br /> ngang Y và X, và biến dạng trượt theo phương<br /> XZ và YZ. Sự tập trung của thành phần ứng<br /> suất trượt theo phương XY là không đáng kể.<br /> Sự xuất hiện các thành phần biến dạng và ứng<br /> <br /> Sự tập trung biến dạng và ứng suất tại khu<br /> vực mối hàn là một trong các nguyên nhân<br /> chính làm cho độ bền của mối nối giảm đi đáng<br /> kể so với vật liệu được hàn (base metals). Kết<br /> quả thí nghiệm cho thấy, khi thực hiện thí<br /> nghiệm kéo thì vết đứt đã xảy ra tại mối nối<br /> (interface), hình 6.<br /> Từ sự phân bố ứng suất và biến dạng của<br /> kết cấu hàn này cho thấy, thành phần ứng suất<br /> dọc trục tập trung ở phía M247 lớn hơn so với<br /> phía INC718, đây là thành phần góp phần đáng<br /> kể làm giảm độ bền mỏi của M247 (dưới điều<br /> kiện thí nghiệm mỏi thì hầu hết vết đứt xảy ra ở<br /> phía M247 [1]). Thành phần ứng suất theo<br /> phương ngang tập trung lớn nhất ở phía INC718<br /> và rất gần với bề mặt hàn (interface), đây là<br /> thành phần được xem đóng vai trò tích cực làm<br /> giảm độ bền dão (creep) của INC718, kết quả<br /> thí nghiệm ban đầu cho mối hàn trong điều kiện<br /> mỏi-dão (creep-fatigue) đã cho thấy mẫu bị đứt<br /> ở phía INC718 và vết đứt nằm rất gần bề mặt<br /> hàn với tuổi thọ khá thấp.<br /> 39<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản số 02/2007<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> 0.016<br /> <br /> 0.56<br /> Phương Z<br /> Biến dạng Von Mises<br /> <br /> 0.52<br /> <br /> (a)<br /> <br /> 0.012<br /> Biến dạng trượt, %<br /> <br /> Biến dạng, %<br /> <br /> 0.54<br /> <br /> (a<br /> <br /> 0.50<br /> 0.48<br /> <br /> 0.008<br /> <br /> XY<br /> YZ<br /> <br /> 0.004<br /> <br /> 0.000<br /> <br /> 0.46<br /> <br /> INC718<br /> <br /> 0.44<br /> -6<br /> <br /> M247<br /> <br /> -4<br /> <br /> -2<br /> <br /> 0<br /> <br /> 2<br /> <br /> 4<br /> <br /> INC718<br /> <br /> -0.004<br /> -6<br /> <br /> 6<br /> <br /> 12<br /> <br /> 920<br /> <br /> (b<br /> <br /> 890<br /> 880<br /> Ứng suất Von Misses<br /> <br /> -2<br /> <br /> 0<br /> <br /> 2<br /> <br /> XY<br /> <br /> 4<br /> 2<br /> 0<br /> <br /> 4<br /> <br /> 6<br /> <br /> INC718<br /> -6<br /> <br /> Khoảng cách từ mặt hàn, cm<br /> <br /> Biến dạng, %<br /> <br /> -0.145<br /> <br /> -4<br /> <br /> M247<br /> -2<br /> <br /> 0<br /> <br /> 2<br /> <br /> 4<br /> <br /> 6<br /> <br /> Khoảng cách từ mặt hàn, cm<br /> <br /> Hình 5a & b. Sự phân bố biến dạng trượt và<br /> ứng suất cắt trên bề mặt mẫu chịu tác dụng<br /> biến dạng dọc trục εz = 0.5%<br /> <br /> -0.135<br /> <br /> (c<br /> <br /> -0.140<br /> <br /> 6<br /> <br /> YZ<br /> <br /> 6<br /> <br /> -4<br /> <br /> -4<br /> <br /> 4<br /> <br /> -2<br /> <br /> Phương Z<br /> <br /> -6<br /> <br /> 2<br /> <br /> 8<br /> <br /> M247<br /> <br /> Ứng suất cắt, MPa<br /> <br /> Ứng suất, MPa<br /> <br /> INC718<br /> <br /> 860<br /> <br /> 0<br /> <br /> (b)<br /> <br /> 10<br /> <br /> 910<br /> <br /> 870<br /> <br /> -2<br /> <br /> Khoảng cách từ m ặt hàn, cm<br /> <br /> Khoảng cách từ mặt hàn, cm<br /> <br /> 900<br /> <br /> M247<br /> <br /> -4<br /> <br /> INC718<br /> <br /> M247<br /> <br /> (a)<br /> <br /> -0.150<br /> Phương Y<br /> <br /> -0.155<br /> -0.160<br /> -0.165<br /> -6<br /> <br /> -4<br /> <br /> -2<br /> <br /> 0<br /> <br /> 2<br /> <br /> 4<br /> <br /> 6<br /> <br /> Khoảng cách từ mặt hàn, cm<br /> <br /> 2mm<br /> <br /> MAR-M247<br /> <br /> INC718<br /> <br /> (c)<br /> <br /> 2<br /> <br /> Ứng suất, MPa<br /> <br /> (d<br /> 0<br /> <br /> -2<br /> Phương Y<br /> <br /> (b)<br /> <br /> -4<br /> <br /> -6<br /> <br /> INC718<br /> -6<br /> <br /> M247<br /> -4<br /> <br /> -2<br /> <br /> 0<br /> <br /> 2<br /> <br /> 4<br /> <br /> 6<br /> <br /> Khoảng cách từ mặt hàn, cm<br /> <br /> Hình 4.a, b, c & d. Sự phân bố biến dạng và<br /> ứng suất trên bề mặt mẫu thí nghiệm chịu<br /> tác dụng biến dạng dọc trục εz = 0.5%.<br /> 40<br /> <br /> Hình 6. (a) Bề mặt vết đứt tại mối hàn,<br /> (b) Mặt cắt dọc của INC718, và<br /> (c) mặt cắt dọc của M247<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản số 02/2007<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Biến dạng và ứng suất tập trung tại khu<br /> vực mối hàn là rất lớn. Thành phần ứng suất<br /> dọc trục σz tập trung lớn nhất bên phía M247.<br /> Thành phần ứng suất theo phương ngang,<br /> σx/σy, tập trung lớn nhất bên phía INC718 và<br /> rất gần với bề mặt hàn (welded interface). Các<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> thành phần ứng suất tiếp trong các mặt dọc trục<br /> tập trung phần lớn tại mối hàn và có giá trị lớn<br /> nhất tại bề mặt hàn. Sự tập trung ứng suất này<br /> đã làm giảm đáng kể tuổi thọ của kết cấu mối<br /> hàn trong điều kiện thí nghiệm kéo, thí nghiệm<br /> mỏi, và thí nghiệm mỏi-dão (creep-fatigue).<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1. Trần Hưng Trà, Ma.Okazaki, Tạp chí Khoa học- Công nghệ Thuỷ Sản, Những kết quả ban đầu<br /> về ứng xử mõi của kết cấu hàn ma sát giữa hai siêu hợp kim INC 718 và MAR-M247, 2006.<br /> 2. Juichi Fukakura and Tadao Mori, Journal of Testing and Evaluation (1996), vol.14, pp 7-12.<br /> 3. Ryuichi Ohtani, Masateru Ohnami and Tatsuo Inoue, High temperature creep-fatigue, London;<br /> New York: Elsevier Applied Science, c1988, pp 183-201.<br /> 4. J.Bressers, Creep and fatigue in high temperature alloys, Applied science publishers Ltd.<br /> <br /> ABSTRACT<br /> <br /> In this paper, the strain/stress concentration takes place in the weld zone of dissimilar friction<br /> welding of INC718 and M247 is addressed. The distribution of the strain/stress components in the<br /> specimen was calculated by using finite element method. The results show that the normal<br /> strain/stress components, X, Y, Z and shear strain/stress, XZ, YZ, concentrates dramatically at the<br /> interface zone. The axial normal stress σz takes the highest value in the M247 side, while the lateral<br /> normal stresses concentrate mostly near the interface and in the INC718 side. With shear<br /> components, the shear stresses in the longituditional planes,τxz/τyz , reach to peak value at the<br /> interface. The concentration of tress/strain components at the welded zone leaded to the significant<br /> reduction of the trength of the joint under tension, fatigue, and creep-fatigue tests.<br /> <br /> 41<br /> <br />