Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự thay đổi cấu trúc mạng tinh thể của hợp kim nhôm ma giê khi biến dạng ở nhiệt độ âm bằng phương pháp mô phỏng số động học phân tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến thay đổi cấu trúc mạng tinh thể hợp kim nhôm ma giê biến dạng nhiệt độ âm phương pháp mô số động học phân tử TRẦN VĂN KHÁNH khanh@sis.hust.edu.vn Ngành Khoa học vật liệu – VLKL(KH) Chữ ký GVHD Giảng viên hướng dẫn: TS ĐẶNG THỊ HỒNG HUẾ Bộ môn: Cơ học vật liệu Biến dạng kim loại Viện: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU HÀ NỘI, 10/2021 ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Đề tài : Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến thay đổi cấu trúc mạng tinh thể hợp kim nhôm ma giê biến dạng nhiệt độ âm phương pháp mô số động học phân tử Tác giả luận văn: Trần Văn Khánh Khóa: 2020A Người hướng dẫn: TS ĐẶNG THỊ HỒNG HUẾ Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên TS ĐẶNG THỊ HỒNG HUẾ i Lời cảm ơn Để hoàn thành luận văn này, trước hết tơi xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn tới TS Đặng Thị Hồng Huế, người trực tiếp hướng dẫn tơi q trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu, đặc biệt thầy cô Bộ môn Cơ học vật liệu Biến dạng kim loại, em sinh viên nhóm nghiên cứu tơi hỗ trợ, giúp đỡ thời gian học tập làm nghiên cứu trường Đại học Bách khoa Hà Nội Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè quan tâm, động viên đồng hành theo thời gian ii Lời cam đoan Tôi, Trần Văn Khánh xin cam đoan, luận văn cơng trình nghiên cứu hướng dẫn TS Đặng Thị Hồng Huế Các kết nêu báo cáo luận văn trung thực, không chép cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2021 HỌC VIÊN Trần Văn Khánh iii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến thay đổi cấu trúc mạng tinh thể hợp kim nhôm ma giê biến dạng nhiệt độ âm phương pháp mô số động học phân tử Tác giả luận văn: Trần Văn Khánh Khóa: 2020 A Người hướng dẫn: TS ĐẶNG THỊ HỒNG HUẾ Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Từ khóa: Mô số động học phân tử, cấu trúc mạng tinh thể FCC, khoang trống, lệch, hợp kim nhôm ma giê Nhôm hợp kim nhôm vật liệu sử dụng rộng rãi đời sống trọng lượng nhẹ, khả chống ăn mịn mơi trường nước biển cao có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt Bên cạnh đó, độ bền hợp kim nhơm cao nhiều so với kim loại nhôm nguyên chất Tuy nhiên, so với thép giới hạn bền giới hạn chảy đa số hợp kim nhôm thấp Nhằm tận dụng ưu điểm khả chống ăn mịn nhiều mơi trường đặc biệt mơi trường nước biển tận dụng đặc điểm trọng lượng nhẹ loại vật liệu để thay chi tiết thép công nghiệp hàng không, công nghiệp khai thác dầu mỏ, nhiều nghiên cứu cải thiện độ bền hợp kim nhôm công bố giới Tuy nhiên, nghiên cứu hợp kim nhơm ma giê cịn hạn chế, đặc biệt nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến biến đổi cấu trúc tính phuwong pháp mơ số động học phân tử Vì vậy, luận văn lựa chọn vấn đề để thực với mục tiêu tìm nhiệt độ tối biến dạng nhằm thu hợp kim nhơm ma giê có độ bền cao Phương pháp nghiên cứu tác giả sử dụng nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô số Cụ thể, vấn đề liên quan đến sở lý thuyết nhôm hợp kim nhôm đặc điểm kiểu mạng, giản đồ pha hợp kim hai nguyên, thành phần nguyên tố hóa học có vật liệu, phương pháp tăng bền, xử lý nhiệt với hợp kim nhơm trình bày chi tiết luận văn phần tổng quan Phương pháp mô số động học phân tử tác giả sử dụng để lý giải chế biến đổi cấu trúc, chế tạo hạt siêu mịn biến đôit cấu trúc chuyển động lệch mạng tinh thể iv Thực trình mơ động học phân tử nhiệt độ nhiệt độ khác là: -196oK, 300oK, 600oK, với độ biến dạng 80% Kết mô độ bền mẫu -196 oK lớn Điều giải thích nhiệt độ âm, khả biến dạng hợp kim nhơm ( VIẾT TIẾP KHI PHÂN TÍCH XONG KẾT QUẢ) Học viên Ký ghi rõ họ tên Trần Văn Khánh v MỤC LỤC Danh mục từ viết tắt ký hiệu Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ đồ thị MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM 1.1 Tổng quan vật liệu nhôm hợp kim nhôm ma giê 1.1.1 Cấu trúc nhôm hợp kim nhôm ma giê 1.1.2 Lệch mạng tinh thể nhôm hợp kim nhôm 1.1.3 Ảnh hưởng cấu trúc đến tính chất hợp kim nhơm ma giê 1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến biến đổi cấu trúc hợp kim nhôm ma giê 1.3 Tổng quan vấn đề nghiên cứu nước 1.4 Kết luận CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ 2.1 Phương pháp mô động lực học phân tử 2.2 Xây dựng mơ hình động lực học phân tử 2.2.1 Thế tương tác 2.2.2 Mơ hình động lực học phân tử 2.3 Phân tích cấu trúc 2.3.1 Hàm phân bố xuyên tâm 2.3.2 Số phối trí đơn vị phối trí 2.3.3 Phân bố góc 2.3.4 Kỹ thuật trực quan hóa 2.4 Phân tích động học 2.5 Kết luận CHƯƠNG MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN SỰ BIẾN ĐỔI CẤU TRÚC CỦA HỢP KIM NHƠM A5052 3.1 Thiết lập mơ hình hình học, nguyên tử 3.2 Đinh nghĩa hàm lượng nhóm nguyên tử 3.2.1 Thiết lập điều kiện biên nhiệt độ 3.2.2 Thiết lập điều kiện biên nhiệt độ vi 3.3 Thiết lập file đầu trình mơ 3.4 Phân tích kết kết luận KẾT LUẬN DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ vii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Nhơm kim loại hợp kim nhôm ma giê Nhôm vật liệu kim loại có khối lượng riêng phần ba thép nhỏ đồng, tỉ số độ bền đơn vị khối lượng cao yếu tố giúp vật liệu sử dụng rộng rãi sản xuất Thực tế, giới có 1600 vật liệu kỹ thuật sử dụng, có 300 loại nhơm hợp kim nhơm với 50 mác thông dụng Ban đầu, hợp kim nhôm sử dụng để thay gang đúc hợp kim đồng khả chống ăn mịn nhiều mơi trường, đặc biệt tỏng môi trường nước biển Ngày nay, nhôm dần thay nhiều loại vật liệu khác với mục đích giảm trọng lượng chi tiết công nghiệp hàng không, vũ trụ Trong công nghiệp ô tô, hóa chất, chi tiết làm việc môi trường nước biển, hợp kim nhôm thay thép khả chống ăn mịn Vì tính ứng dụng cao nên vật liệu ngày sử dụng rộng rãi Các nghiên cứu tập trung vào cải thiện tính chất lý, hóa nhằm đáp ứng ngày tốt yêu cầu kỹ thuật sử dụng loại vật liệu giới quan tâm nhiều năm trở lại Hơn nữa, nhôm hợp kim vật liệu có độ dẻo cao nên khả biến dạng lớn, có tính dẫn nhiệt, dẫn điện tốt Nhôm sử dụng rộng rãi thứ hai giới sau thép Đây nguyên tố có trữ lượng lớn thứ ba vỏ trái đất, nhơm có nguồn gốc từ bauxite khống sản Bauxite chuyển đổi thành oxit nhôm (alumina) thông qua quy trình nhà bác học Bayer Tất nhơm cơng nghiệp sản xuất quy trình từ năm 1886 nay, tính nhôm nguyên chất không thay đổi kể từ Karl Josef Bayer cấp sáng chế Đức năm 1888 Nhơm hợp kim có tính chất cơ, lý hóa bật sau: 1.1.1 Tính chống ăn mịn Khi tiếp xúc với khơng khí, lớp oxit nhơm hình thành tức thời bề mặt nhơm Lớp có khả chống ăn tốt khơng khí, mơi trường kiềm đặc biệt mơi trường nước biển 1.1.2 Độ dẫn nhiệt Độ dẫn nhiệt nhơm lớn gấp ba lần thép, tính chất khiến nhôm trở thành vật liệu quan trọng ứng dụng truyền nhiệt kể làm mát sưởi ấm Cùng với an tồn, khơng độc hại, đặc tính giúp nhôm dùng để chế tạo dụng cụ nấu ăn đồ dùng nhà bếp 1.1.3 Độ dẫn điện Nhơm đồng có khả dẫn điện cao, độ dẫn điện nhôm 62% đồng, nhiên khối lượng nhôm lại 1/3 khối lượng đồng tính 1m chiều dài dây dẫn có đường kính Vì vậy, số lượng dây dẫn điện nhơm lớn gấp hai lần số lượng m dây dẫn đồng ngành điện 1.1.4 Độ phản xạ ánh sáng Nhôm có khả phản xạ lớn tia hồng ngoại tia cực tím, độ phản xạ nhơm ánh sáng khoảng 80% Điều giúp nhôm sử dụng chế tạo thiết bị chiếu sáng Nhôm làm vật liệu cách nhiệt chống lại tia sáng vào mùa hè đồng thời chống nhiệt mùa đơng Điều làm nhơm có độ sáng đẹp trang trí nội thất 1.1.5 Tính chất học Nhơm có độ dẻo khả biến dạng lớn mà không bị phá hủy nên vật liệu sử dụng chế tạo nhiều chi tiết có kích thước hình dạng phức tạp cơng nghệ biến dạng, kéo, ép chảy, kéo dây… Bên cạnh đó, tính khả đúc nhơm cao nhiệt độ nóng chảy thấp, độ co ngót thấp nên việc đúc xác chi tiết nhơm thực cách dễ dàng, mang lại hiệu kinh tế cao Thông thường, giới hạn bền kéo nhôm khoảng 90 MPa, giới hạn tăng lên tới 690 MPa hợp kim hóa nhơm với số kim loại khác 1.2 Hệ thống ký hiệu hợp kim nhôm Khi nhơm hợp kim hóa với số ngun tố phổ biến đồng, thiếc, ma giê, silic, măng gan lượng nhỏ crom, titan, zirconi, chì, bismuth, niken… tính chất cơ, lý, hóa hợp kim nhôm thay đổi nhiều từ độ dẫn điện, dẫn nhiệt, khả chống ăn mòn tính Vì vậy, việc kiểm sốt % ngun tố hợp kim đóng vai trị quan trọng việc thay đổi tính chất học hợp kim nhơm Theo tiêu chuẩn Việt Nam 1659-75, ký hiệu hợp kim nhôm bắt đầu chữ Al, ký hiệu nguyên tố hợp kim số % nó, ví dụ AlCu5Mg, Al99, Al99,5 Theo tiêu chuẩn Hoa kỳ (AA-Aluminum Association) xxxx (hợp kim nhôm biến dạng) xxx.x (hợp kim nhôm đúc ... tương tác 2.2.2 Mơ hình động lực học phân tử 2 .3 Phân tích cấu trúc 2 .3. 1 Hàm phân bố xuyên tâm 2 .3. 2 Số phối trí đơn vị phối trí 2 .3. 3 Phân bố góc 2 .3. 4 Kỹ thuật trực quan hóa 2.4 Phân tích động... KIM NHÔM A5052 3. 1 Thiết lập mơ hình hình học, ngun tử 3. 2 Đinh nghĩa hàm lượng nhóm nguyên tử 3. 2.1 Thiết lập điều kiện biên nhiệt độ 3. 2.2 Thiết lập điều kiện biên nhiệt độ vi 3. 3 Thiết lập file... AA5052 Giới hạn kéo (MPa) 242 Sự dãn nở nhiệt 23. 7x10-6/K Giới hạn chảy (Mpa) 145 Nhiệt độ sôi 650 oC Độ giãn dài tương đối 12% Hệ số dẫn nhiệt 138 W/m.K Mô đun đàn hồi (Gpa) 70 Điện trở 0.0495x10-6