Nguyên nhân gây ra vết nứt nguội khi hàn

Nứt nguội là loại nứt phổ biến hơn trong sản xuất hàn, xảy ra khi mối hàn được làm nguội đến nhiệt độ thấp hơn, đối với thép cường độ cao hợp kim thấp, xung quanh nhiệt độ biến nạp martensitic. Ba yếu tố hình thành vết nứt nguội là xu hướng đông cứng của thép, hàm lượng hydro trong mối hàn và sự phân bố của nó cũng như trạng thái ứng suất của mối hàn.

---

I. Xu hướng cứng lại

Xu hướng đông cứng của thép phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hóa học và điều kiện làm mát. Xu hướng đông cứng của thép càng lớn thì khả năng tạo ra vết nứt nguội khi hàn càng cao. Bởi vì xu hướng đông cứng càng lớn đồng nghĩa với việc mối hàn sẽ tạo ra nhiều tổ chức martensite hơn khi bị nung nóng và khả năng biến dạng martensite thấp dễ bị gãy giòn. Xu hướng cứng lại của mối hàn, ngoài thành phần hóa học, điều kiện làm mát, còn có liên quan đến quá trình hàn, cấu trúc của độ dày tấm.

Trong số đó, ảnh hưởng của thành phần hóa học đến xu hướng đông cứng của thép có thể được ước tính gần đúng bằng phương pháp đương lượng carbon [2] như sau.

CE(IIW) = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V) / 5 + (Cu + Ni) / 15

Ví dụ, đối với tấm thép có chiều dày dưới 20 mm, xu hướng đông cứng không đáng kể khi CE < 0,4%.

Kim loại có xu hướng đông cứng lớn sẽ hình thành một số lượng lớn các khuyết tật mạng trong điều kiện mất cân bằng nhiệt, và trong điều kiện mất cân bằng ứng suất và nhiệt, nó sẽ hình thành các nguồn vết nứt và thậm chí mở rộng để tạo thành các vết nứt vĩ mô.

Nếu hydro có mặt trong mối hàn và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt, nó sẽ làm giảm độ dẻo dai và tạo ra hiện tượng giòn do hydro. Mô cứng martensitic có hàm lượng carbon cao rất nhạy cảm với độ giòn do hydro và độ nhạy nứt lạnh. Độ cứng tối đa của vùng chịu ảnh hưởng nhiệt thường được sử dụng trong hàn để đánh giá xu hướng đông cứng của một số loại thép cường độ cao.

---

Thứ hai, hydro

Hydro là một trong những yếu tố quan trọng gây ra sự hình thành vết nứt nguội trong hàn thép cường độ cao và làm cho nó có đặc tính bị trễ, thường là vết nứt chậm do hydro gây ra được gọi là 'cracking hydro' hoặc 'nứt do hydro'. Nguyên nhân của sự 'chậm trễ' là do hydro phải mất một khoảng thời gian nhất định mới khuếch tán trong thép, tập trung tại các khuyết tật cực nhỏ, tạo ra ứng suất và gây ra vết nứt.

Hàm lượng hydro trong mối hàn của thép cường độ cao càng cao thì khả năng bị nứt càng lớn và khi hàm lượng hydro lớn hơn một giá trị tới hạn nhất định thì vết nứt sẽ bắt đầu xuất hiện, kích thước của giá trị tới hạn thay đổi tùy theo từng trường hợp.

Khi nồng độ hydro trong vùng chịu nhiệt hàn đủ cao, sẽ có thêm sự giòn của mô martensitic (nếu có), và do đó hình thành các vết nứt.

---

Thứ ba, trạng thái căng thẳng

Hàn thép cường độ cao nứt nguội không chỉ phụ thuộc vào xu hướng đông cứng của thép, tác hại của hydro mà còn phụ thuộc vào trạng thái ứng suất của mối hàn, thậm chí đôi khi trạng thái ứng suất còn đóng vai trò quyết định. Ứng suất nhiệt (làm nóng và làm mát không đồng đều), ứng suất thay đổi pha (sự thay đổi thể tích của tổ chức trong quá trình thay đổi pha) và hình thức kết cấu, trình tự hàn, v.v. của mối hàn có thể tạo thành lực ràng buộc.

Ba yếu tố hình thành nứt nguội nêu trên, mỗi yếu tố đều có quy luật nội tại riêng nhưng cũng ảnh hưởng lẫn nhau. Nói chung, vùng chịu ảnh hưởng nhiệt và xu hướng đông cứng của kim loại mối hàn là những yếu tố nội tại gây ra nứt, trong khi hydro có thể đóng vai trò có hại trong việc gây ra vết nứt chỉ khi có sự hình thành mô cứng trong thép.