ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nghiên cứu khả năng hình thành thể vô định hình, tính chất từ và tính chất nhiệt của hợp kim AlFeNi Tóm tắt nội dung đồ án Trong nghiên cứu này, sẽ nghiên cứu về phương pháp chế tạo vô định hình Al82Fe14Ni4. Trong đề tài này, hợp kim vô định hình Al82Fe14Ni4 được chế tạo bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học sử dụng máy nghiền bi hành tinh năng lượng cao ở các thời gian khác nhau với tốc độ nghiền 350 vòngphút. Các bột thu được sau khi nghiền được đem đi phân tích các đặc trưng nhiễu xạ tia X, phân tích hình thái bề mặt và thành phần pha bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM), phân tích đặc trưng nhiệt bằng phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA). Đề tài bao gồm 4 chương: Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Tổng quan lý thuyết Chương 3: Quy trình thực nghiệm Chương 4: Kết quả và thảo luận Kết luận và đề xuất Kết quả đồ án: phù hợp với yêu cầu đặt ra
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nghiên cứu khả hình thành thể vơ định hình, tính chất từ tính chất nhiệt hợp kim AlFe-Ni VŨ ĐỨC HẠNH hanh.vd172233@sis.hust.edu.vn NGUYỄN ĐỨC MẠNH manh.nd172295@sis.hust.edu.vn Ngành KH&KT Vật liệu Chuyên ngành Vật liệu tiên tiến & cấu trúc nano Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Hoàng Việt PGS TS Nguyễn Thị Hoàng Oanh Viện: Khoa học kỹ thuật Vật liệu Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 8/2022 (ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN) LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Oanh – giảng viên Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cung cấp kiến thức, giúp đỡ tạo điều kiện cho em suốt q trình hồn thiện đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn tới tận tình giúp đỡ, bảo ân cần tạo điều kiện thuận lợi thầy cô Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội suốt q trình học tập chúng em trường Ngồi ra, xin gửi lời cảm ơn tới bạn Đỗ Nguyễn Quang Chiến, Bùi Văn Đức, Trần Tiến Dũng tồn thể bạn lab giúp làm quen với việc sử dụng thiết bị phục vụ cho việc nghiên cứu hỗ trợ công việc liên quan trình thực đồ án tốt nghiệp Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, người ln sát cánh ủng hộ động viên em suốt năm học tập trường trình thực đồ án Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Nhóm sinh viên Vũ Đức Hạnh Nguyễn Đức Mạnh Tóm tắt nội dung đồ án Trong nghiên cứu này, nghiên cứu phương pháp chế tạo vơ định hình Al82Fe14Ni4 Trong đề tài này, hợp kim vơ định hình Al 82Fe14Ni4 chế tạo phương pháp hợp kim hóa học sử dụng máy nghiền bi hành tinh lượng cao thời gian khác với tốc độ nghiền 350 vòng/phút Các bột thu sau nghiền đem phân tích đặc trưng nhiễu xạ tia X, phân tích hình thái bề mặt thành phần pha phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM), phân tích đặc trưng nhiệt phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA) Đề tài bao gồm chương: Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Tổng quan lý thuyết Chương 3: Quy trình thực nghiệm Chương 4: Kết thảo luận Kết luận đề xuất Kết đồ án: phù hợp với yêu cầu đặt MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC v Danh mục hình vẽ vii Danh mục bảng x CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG .1 1.1 Giới thiệu vơ định hình 1.2 Định nghĩa phân loại 1.3 1.2.1 Kim loại vô định hình .2 1.2.2 Thủy tinh kim loại khối Một số phương pháp chế tạo vật liệu vơ định hình CHƯƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT .6 2.1 Cơ sở lý thuyết chung vật liệu vơ định hình 2.1.1 Chuyển pha tinh thể - vơ định hình 2.1.2 Giản đồ pha giả ổn định 2.1.3 Hoạt hóa học 11 2.1.4 Khuếch tán 12 2.1.5 Kết luận 13 2.2 Tính chất vơ định hình kim loại .14 2.3 Hợp kim vơ định hình Al 17 2.4 Hợp kim hóa nghiền học 18 2.4.1 Lịch sử phát triển hình thành .19 2.4.2 Các phương pháp hợp kim hóa nghiền học 23 2.4.2.1 Máy nghiền hành tinh .23 2.4.2.2 Máy nghiền bi theo phương ngang truyền thống 25 2.4.2.3 Máy nghiền bi theo phương ngang điều khiển lực từ 26 2.4.2.4 Máy nghiền bi rung 27 2.4.2.5 Máy nghiền cọ mòn 27 2.4.3 Ưu điểm phương pháp hợp kim hóa học .29 2.4.4 Cơ chế hợp kim hóa nghiền học .29 2.4.4.1 Tác động tính chất hạt bột đến hợp kim hóa học 29 2.4.4.2 Các giai đoạn trình nghiền .32 2.4.5 Các yếu tố ảnh hướng đến trình nghiền 34 2.4.5.1 Chuẩn bị vật liệu thành phần 34 2.4.5.2 Môi trường nghiền 35 2.4.5.3 Tỉ lệ khối lượng bi nghiền bột 36 2.4.5.4 Chất trợ nghiền 37 2.4.5.5 Cường độ nghiền 42 2.4.5.6 Thời gian nghiền 43 2.5 Xử lý nhiệt .44 CHƯƠNG QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 45 3.1 Nguyên liệu ban đầu .45 3.2 Nghiền 46 3.3 Xử lý nhiệt .48 3.4 Thiết bị phân tích 48 3.4.1 Nhiễu xạ tia X 48 3.4.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 50 3.4.3 Phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC) 51 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53 4.1 Đặc trưng nhiễu xạ tia X hệ Al82Fe14Ni4 53 4.2 Đặc trưng hình thái bột 55 4.3 Hình thái học bề mặt 60 4.4 Đặc trưng độ bền nhiệt 62 4.5 Chuyển biến pha píc nhiệt 64 4.6 Tính chất từ hệ hợp ki vơ định hình Al82Fe14Ni4 .65 KẾT LUẬN 67 Tài liệu tham khảo 68 Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Năm loại mạng cấu trúc trật tự gần theo mô hình Berne Hình 2.1 Sự thay đổi (A) tinh thể thể vơ định hình [7] Hình 2.2 Sự thay đổi thể tích thể thủy tinh theo tốc độ làm nguội nung nóng lại [7] .7 Hình 2.3 Đường phân tích nhiệt DSC mẫu vật liệu polyethylên terephthalate (PET) biểu thị tượng tỏa nhiệt thu nhiệt khoảng 50 – 300oC Peak thu nhiệt tạo bước nhảy gọi chuyển pha thủy tinh, peak tỏa nhiệt thứ hai tương ứng với q trình tinh thể hóa peak thu nhiệt cuối tương ứng với trình nóng chảy mẫu vật liệu[9] Hình 2.4 Ngun lý tạo thể vơ định hình phản ứng trạng thái rắn [11] .9 Hình 2.5 Biểu diễn sơ đồ trình MA: (a) bắt đầu nghiền (b) sau số kiện va chạm Sau Schultz[12] Hình 2.6 Mặt cắt ngang hợp kim hóa học Al 50Zr50 bột sau nghiền 86 ks El-Ékandarany cộng sự[14] 10 Hình 2.7 Đường lượng tự giản đồ pha ổn định ( đường liền ) giả ổn định ( đường nét đứt ) Schwarz[15] 11 Hình 2.8 Sự thay đổi nồng độ nguyên tử (a) khuếch tan trạng thái dừng; (b) khuếch tán sau nứt vỡ hàn nguội hạt bột 13 Hình 2.9 Độ bền giá trị giới hạn đàn hồi loại vật liệu khác nhau[24] 15 Hình 2.10 Mối quan hệ modul Young độ bền kéo vô định hình kim loại khối [25] 16 Hình 2.11 Lộ trình phát triển áp dụng phương pháp nghiền 60 năm qua.[37, 38] 20 Hình 2.12 Máy nghiền hành tinh (Fritsch Puluerisette 5)[37] 23 Hình 2.13 Sơ đồ chuyển động bi nghiền hỗn hợp bột[37] .24 Hình 2.14 Máy nghiền bi theo phương ngang truyền thống[37] .26 Hình 2.15 Máy nghiền bi theo phương ngang điều khiển bới lực từ 26 Hình 2.16 Hai loại máy nghiền rung 27 Hình 2.17 Máy nghiền cọ mịn lượng cao dùng để hợp kim hóa học 28 Hình 2.18 (a) Máy nghiền cọ mòn ngang, (b) Tang nghiền, (c) Tang nghiền phần chuyển động quay rotor 29 Hình 2.19 Đặc điểm biến dạng thành phần đại diện bột ban đầu hợp kim hóa học Trong trường hợp liên kim phân tán giòn, hạt vỡ thành kích thước nhỏ [39] 30 Hình 2.20 Bi-bột-Bi va chạm hỗn hợp bột suốt trình MA[39] 30 Hình 2.21 Cấu trúc dải hình thành trình hợp kim hóa học 31 Hình 2.22 Cấu trúc lớp biến dạng dẻo mãnh liệt [39] 31 Hình 2.23 Ảnh hiển vi điện tử mẫu Al-Ni sau nghiền học [39] .31 Hình 2.24 Sơ đồ thay đổi cấu trúc vi mô q trình nghiền hỗn hợp bột dẻogiịn Đây trường hợp điển hình ơxít pha gia cường phân tán (a) Các hạt ôxit nằm trong mối hàn hạt tổ hợp Khoảng cách mối hàn lớn nồng độ hạt ơxít cao (b) Khoảng cách mối hàn giảm khoảng cách hạt ơxít tăng lên (c) Ơxít phân bố dọc theo mối hàn có khoảng cách nhỏ.[39] 32 Hình 2.25 Ảnh hiển vi điện tử quét cho thấy hạt Si nằm Ge (dẻo sau nghiền học hỗn hợp bột Si-Ge 12h [39] 32 Hình 2.26 Giai đoạn đầu q trình hợp kim hóa học[40] 33 Hình 2.27 Giai đoạn trung gian q trình hợp kim hóa học[40] 33 Hình 2.28 Giai đoạn cuối trình hợp kim hóa học[40] .34 Hình 2.29 Trình tự trình nghiền bi .35 Hình 2.30 Ảnh hưởng tỷ số Bi-Bột đến độ cứng bột[37] .36 Hình 2.31 Bột Al nghiền hợp kim hóa học: (a) hàn nguội liên tục làm tăng kích thước hạt, (b) hàn nguội mạnh làm dính kết vào bi nghiền[37] 38 Hình 2.32 Sự thay đổi đường kính hạt trung bình theo thời gian nghiền[37] 38 Hình 2.33 Hạt bột Al nghiền học sử dụng 0.5% khối lượng axit stearic[37] .40 Hình 2.34 Hạt bột Al nghiền học sử dụng 3% khối lượng axit stearic[37] 40 Hình 2.35 Sự hình thành hạt thứ cấp hạt Al lớn 41 Hình 2.36 Tính tốn kích thước hạt Al trung bình khối lượng bột thu hàm phụ thuộc vào phần trăm nguyên tố điều khiển trình thời gian nghiền:(a) (b) sử dụng axit stearic, (c) (d) sử dụng ethylene glycol .41 Hình 2.37 Cân động pha vơ định hình hệ Ni 10Zr7 sử dụng máy nghiền hành tinh .42 Hình 3.1 Sơ đồ quy trình thí nghiệm 45 Hình 3.2 Máy cân điện tử số DH-8068, 20g sai số 0.001g .46 Hình 3.3 Máy nghiền hành tinh hệ thống làm mát nước (AGO-2) 47 Hình 3.4 Hình ảnh mơ máy nghiền bi hành tinh (AGO-2) 47 Hình 3.5 Đồ thị trình xử lý nhiệt .48 Hình 3.6 Máy đo nhiễu xạ tia X - X’Pret Pro 49 Hình 3.7 Mơ tả q trình nhiễu xạ - định luật Bragg 50 Hình 3.8 Thiết bị 7600F phát xạ trường FE-SEM, JEOL JSM 51 Hình 3.9 Dụng cụ phân tích nhiệt vi sai Labsys Evo S60/58988 52 Hình 4.1 Đặc trưng nhiễu xạ loại bột kim loại nguyên liệu ban đầu 53 Hình 4.2 Đặc trưng nhiễu xạ tia X bột hợp kim Al82Fe14Ni4 sau 5h nghiền 54 Hình 4.3 Đặc trưng nhiễu xạ tia X Al 82Fe14Ni4 trình hợp kim hóa 54 Hình 4.4 Các đặc trưng nhiễu xạ tia X hỗn hợp bột Al 70Fe25Ni5 sau khoảng thời gian nghiền khác nhau[41] 55 Hình 4.5 Kết phân tích cấp hạt hệ Al82Fe14Ni4 sau 5h nghiền 56 Hình 4.6 Kết phân tích cấp hạt hệ Al82Fe14Ni4 sau 10h nghiền 56 Hình 4.7 Kết phân tích cấp hạt hệ Al82Fe14Ni4 sau 20h nghiền 57 Hình 4.8 Kết phân tích cấp hạt hệ Al82Fe14Ni4 sau 40h nghiền 57 Hình 4.9 Kết phân tích cấp hạt hệ Al82Fe14Ni4 sau 60h nghiền 58 Hình 4.10 Đường phân phối tích lũy bột nghiền 5h, 10h, 20h, 40h 60h 59 Hình 4.11 Hình thái bột dạng vơ định hình hệ Al82Fe14Ni4 sau 5h nghiền.60 Hình 4.12 Hình thái bột dạng vơ định hình hệ Al 82Fe14Ni4 sau 10h nghiền 60 Hình 4.13 Hình thái bột dạng vơ định hình hệ Al 82Fe14Ni4 sau 20h nghiền 61 Hình 4.14 Hình thái bột dạng vơ định hình hệ Al 82Fe14Ni4 sau 40h nghiền 61 Hình 4.15 Hình thái bột dạng vơ định hình hệ Al 82Fe14Ni4 sau 60h nghiền 62 Hình 4.16 Đường cong DSC bột hợp kim Al 82Fe14Ni4 nghiền 20h, 40h, 60h 63 Hình 4.17 Đường cong DSC bột vơ định hình Al 82Fe14Ni4 sau nghiền 60h 63 Hình 4.18 Mẫu XRD bột vơ định hình Al 82Fe14Ni4 ủ nhiệt độ khác .64 Hình 4.19 Đường M-H bột hợp kim Al 82Fe14Ni4 sau nghiền mốc thời gian khác 65