Nghiên cứu tối ưu hoá công nghệ hoá bền tổng hợp bằng cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si và khả năng ứng dụng

Nghiên cứu tối ưu hoá công nghệ hoá bền tổng hợp bằng cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si và khả năng ứng dụng

Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học Bách khoa Hμ néi NguyÔn Khắc Thông Đề ti Nghiên cứu tối u hoá công nghệ hoá bền tổng hợp nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si v khả ứng dụng Chuyên ngành: Kim loại học gia công nhiệt kim loại Mà số: 2.09.01 Tóm tắt Luận án tiến sĩ kỹ thuật Hà Nội - 2006 Công trình đợc hoàn thành Khoa khoa học công nghệ vật liệu, trờng Đại học Bách khoa Hà Nội Tập thể hớng dẫn khoa học: GS TS Nguyễn Khắc Xơng PGS TS Nguyễn Văn Chi Phản biện 1: PGS.TS Phạm Minh Phơng Phản biện 2: PGS.TS Mai ình Thắng Phản biện 3: TS Hoàng Văn Lân Luận án đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án cấp nhà nớc Họp P 318 C1 Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội Số Đại Cồ Việt Hà Nội Vào hồi 9.00 ngày 23 tháng 12 năm 2006 Có thể tìm hiểu luận án Th viện kỹ thuật Quốc Gia Th viện Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội công trình tác giả Nguyễn Khắc Xơng, Phạm Minh Phơng, Nguyễn Văn Diện, Nguyễn Khắc Thông ảnh hởng biến dạng nguội tới tổ chức tính hợp kim nhôm 6063 hoá già, Tạp chí Khoa học công nghệ, tập (39) - số 6, 2001, tr 55ữ60 Nguyễn Khắc Xơng, Phạm Minh Phơng, Nguyễn Khắc Thông Lựa chọn quy trình tối u nhiệt luyện nhiệt độ thấp hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si, Tạp chí Khoa học công nghệ, tập (40)-số 4, 2002, tr 54ữ60 Nguyễn Khắc Xơng, Phạm Minh Phơng, Nguyễn Khắc Thông Lựa chọn quy trình tối u nhiệt luyện nhiệt độ cao hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si, Tạp chí Khoa học công nghệ, tập (41) số 3, 2003, tr 29ữ34 Nguyễn Khắc Thông, Nguyễn Văn Chi Động học tiết pha hoá già hợp kim Al-Mg-Si Tạp chí Khoa học công nghệ, tập (43) số 4, 2005, tr 127ữ132 Nguyễn Khắc Xơng, Nguyễn Khắc Thông Xây dựng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt hợp kim Al-Mg-Si phơng pháp đo tính, Tạp chí Khoa học công nghệ, tập (43) số 6, 2005, tr 80ữ86 Tóm tắt luận án Tính cấp thiết đề tài Nhôm hợp kim nhôm vật liệu nhẹ có độ bền riêng cao, có tính hàn tơng đối tốt, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt chống ăn mòn tốt, số trờng hợp vật liệu thay Hiện giới nhiều mác hợp kim nhôm biến dạng (HKNBD) đà đợc sản xuất hàng loạt phục vụ cho xây dựng công trình, công nghiệp hàng không, vũ trụ, dùng để chế tạo loại máy bay, tên lửa, đa, ống phóng, khớp nối v.v hay thiết bị quân khác Việt Nam số mác HKNBD đà đợc Viện c«ng nghƯ thc Bé c«ng nghiƯp, ViƯn c«ng nghƯ Bé quốc phòng, Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội nghiên cứu chế tạo đà có số thành công ban đầu Để nâng cao chất lợng sản phẩm công nghệ sản xuất hàng loạt lớn, việc nghiên cứu cần phải đợc đầu t tiếp tục có liên quan tới nhiều vấn đề nh: thành phần hóa học, ®éng häc chuyÓn pha: kÕt tinh tõ pha láng, tiÕt pha từ dung dịch rắn bÃo hòa; công nghệ hoá bền, nhiệt luyện nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng v.v Mục tiêu đề tài nghiên cứu tối u hóa công nghệ hóa bền tổng hợp nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si khả ứng dụng Nghiên cứu đợc tiến hành theo nội dung sau: 1) Nghiên cứu động học tiết pha hóa già, xây dựng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt hợp kim nhôm Al-Mg-Si 2) Tối u hóa công nghệ hóa bền tổng hợp nhiệt luyện hợp kim nhôm Al-Mg-Si phơng pháp quy hoạch thực nghiệm 3) Từ kết nghiên cứu ứng dụng vào thực tế Liên hiệp Khoa học sản xuất - Cơ điện Điểm luận án Cơ chế động học lợng sinh mầm tiết pha hóa già hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si đà đợc nghiên cứu phơng pháp đo tính kết hợp với phơng pháp bổ trợ khác: phân tích nhiễu xạ Rơnghen, phân tích nhiệt vi sai, hiển vi quang học SEM Kết đà rằng, pha giả ổn định tạo phân hoá dung dịch rắn bÃo hoà theo chế sinh mầm từ đầu, có dạng kim gây hoá bền cực đại hoá già Điều tạo sở vững cho công nghệ nhiệt luyện mà hiệu ứng hoá bền đạt đợc thông qua hiệu tăng mật độ lệch phân bố tọa độ nhân tố thuận lợi cho sinh mầm Đà xây dựng đợc giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt hợp kim nhôm Al-Mg-Si, làm sở dự đoán chuyển biến xảy nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng Tác giả đà nghiên cứu ảnh hởng đồng thời thông số quy trình công nghệ nhiệt luyện nhiệt độ cao: nhiệt độ biến dạng, mức độ biến dạng, nhiệt độ hóa già thời gian hóa già đến tiêu tính phơng pháp quy hoạch thực nghiệm: đà áp dụng phơng pháp hàm nguyện vọng Harrington để xác định quy trình nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si, đảm bảo tối u đồng thời tiêu tính (độ bền, độ dẻo) cho phép ứng dụng tốt vào thực tế sản xuất Việt Nam Bố cục luận án gồm chơng với 162 trang, có 57 hình vẽ, ảnh minh họa đồ thị; 38 bảng số liệu, 24 phụ lục Phần I - Tổng quan Chơng 1- Cơ sở lý thuyết Trong chơng đà đề cập vấn đề sau: 1.1 Nhôm hợp kim nhôm Phần trình bày đặc điểm tổ chức, tính chất lĩnh vực ứng dụng chủ yếu hợp kim nhôm - vật liệu kim loại có vị trí quan trọng công nghiệp đời sống, đứng vị trí thứ sau thép Trên sở phân loại hợp kim nhôm đà tập trung tổng hợp, phân tích tài liệu ảnh hởng thành phần hóa học, nhiệt luyện, nhiệt luyện đến tổ chức, tính chất hợp kim nhôm hệ Al-Mg-Si Hình 1.2 giản đồ pha Al-Mg-Si với mặt cắt đẳng nhiệt 5500C 2000C Si Mg tạo nên pha liên kim loại Mg2Si tơng ứng với tỷ lệ khối lợng Mg Si 1,73 Si Si 2,0 1,6 1,2 2,0 1,6 α+ Si α+ Mg2Si+Si 1,2 0,8 0,6 Mg2Si 0,4 0,8 1,2 1,6 α Mg2Si 0,4 α+ Mg2Si 0,4 α+ Mg2Si+Si 0,8 0,6 Al α+ Si α+ Mg2Si Al Mg 0,4 0,8 1,2 1,6 Mg H×nh 1.2 Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ pha Al-Mg-Si ë 2000C (a) vµ 5500C (b) Ngµy ng−êi ta sử dụng hợp kim Al-Mg-Si với tổng lợng Si Mg đạt giá trị lớn 1,5%, hàm lợng Si (0,3ữ1,0%) Mg (0,4ữ 0,9%) Tổ chức tính chất hợp kim nhôm trạng thái đúc có ảnh hởng quan trọng tính chất bán thành phẩm biến dạng Hình dáng, kích thớc hạt phân bố tạp chất, thiên tích, hiệu ứng từ trạng thái lỏng tác động mạnh đến hình thành tổ chức biến dạng Phụ thuộc vào phơng pháp gia công đặc điểm chi tiết, hình dạng, kích thớc định hớng hạt tinh thể khác Sự hình thành trạng thái TEXTUA biến dạng hợp kim nhôm đợc định hệ trợt chủ yếu nhôm {111}, , phụ thuộc vào đặc điểm ứng suất gia công biến dạng Đối với thỏi nhôm ép, quan sát thấy phần lớn hạt định hớng cho phơng [111] song song với trục thỏi ép, 5ữ30% hạt lại định hớng phơng [100] theo trục thỏi Mật độ lệch sau biến dạng hợp kim nhôm chịu ảnh hởng trợt lệch hoàn chỉnh vectơ b = a / < 110 > , hình thành lệch không hoàn chỉnh Schokley a/6 hoạt động nguồn Frank- Read trạng thái ủ mật độ lệch nhôm khoảng 107ữ108cm-2 Sau biến dạng giá trị mật độ lệch đạt tới 1010 ữ 1011 cm-2 Tổ chức lệch hợp kim nhôm phụ thuộc vào trạng thái biến dạng Trong HKNBD nguội tổ chức có dạng tổ ong, biên giới ô búi lệch, phía trung tâm ô mật độ lệch nhỏ bao gồm lệch phân bố rời rạc 1.2 Đặc điểm nhiệt luyện hợp kim nhôm Phụ thuộc vào thành phần hóa học, hợp kim nhôm hóa bền không hãa bỊn b»ng nhiƯt lun HiƯu øng hãa bỊn nhiệt luyện hợp kim nhôm dựa chế tiết pha phân tán biến cứng từ dung dịch rắn bÃo hòa Theo đặc điểm nhiệt động học trình tiết pha từ dung dịch rắn bÃo hòa, ngời ta phân chia thành phân hóa Spinodal phân hóa theo chế sinh mầm phát triển mầm Phân hóa Spinodal hay gặp hệ có phân lớp trạng thái rắn, mạng tinh thể pha pha ban đầu giống biến thiên lợng hệ tuân theo điều kiƯn (δ2F/δC2) < Hỵp kim hƯ Cu-Ni-Fe, Cu-Ni-Co (Cunico), AlZn Khi nhiệt luyện có phân hoá dung dịch rắn bÃo hoà theo chế Spinodal Phân hóa theo chế sinh mầm phát triển mầm Trong thực tế phần lớn hợp kim phân hóa dung dịch rắn theo chế sinh mầm phát triển mầm, phân hóa xảy thỏa mÃn điều kiện (2F/C2) > Điều quan trọng có ý nghĩa thực tế lớn hợp kim hóa già thông dụng phân hóa thờng tạo pha trung gian Pha tiết khác pha ban đầu không thành phần mà kiểu mạng tinh thể Khi sinh mầm pha xuất đồng thời lợng đàn hồi (Fđh) lợng bề mặt (Fbm), lợng làm tăng lợng hệ thống ngăn cản trình phân hóa Sự biến thiên lợng sinh mầm biểu thị công thức: F = - Fv + Fbm + Fđh (1.9.1) Hoặc F = - Vfv + S + Vfđh (1.9.2) Trong đó: fv - giá trị lợng giảm sinh mầm pha tính đơn vị thể tích; V - Thể tích mầm; - sức căng bề mặt mầm pha mẹ; S - diện tích bề mặt mầm; fđh lợng đàn hồi tính đơn vị thể tích Sự thay đổi tổ chức hóa già Hoá già trình chuyển pha khuếch tán Các yếu tố nh nhiệt độ, thời gian hóa già, chất hợp kim, thành phần nguyên tố bản, tạp chất, trạng thái tổ chức đặc tính biến dạng trớc hóa già có vai trò lớn Hình dạng trạng thái tinh thể pha phân hóa Trạng thái hai mạng chuyển tiếp hoàn toàn liên tục (liền mạng hoàn toàn), thờng tồn nhiệt độ tơng đối thấp Mạng tinh thể pha mẹ pha tiết có chuyển tiếp phần (liền mạng phần) lúc số mặt mầm pha mới, mạng tinh thể hai pha đà tách khỏi Mạng tinh thể pha mẹ pha tách hoàn toàn độc lập không liền mạng Trạng thái thờng xuất thời kỳ muộn phân hóa nhiệt độ cao có ứng suất đàn hồi mặt phân cách pha nhỏ Các giai đoạn phân hóa dung dịch rắn bÃo hòa Nghiên cứu chất tổ chức tạo hóa già, đặc tính động học trình phân hóa dung dịch rắn bÃo hòa có ý nghĩa lý thuyết thực tiễn quan trọng Trên sở hợp kim Al - 4% Cu, kết nghiên cứu phân hóa dung dịch rắn bÃo hòa đà thay đổi tổ chức việc hình thành vùng Guinier - Preston (VGP) tạo pha '' (VGP2), pha ' pha (CuAl2) Mô hình sở để nghiên cứu chế tiết pha phân tán từ dung dịch rắn bÃo hòa hợp kim nhôm khác Sự kết tụ phần tử tiết Khi xảy trình tiết pha từ dung dịch rắn bÃo hòa, khối lợng pha tiết tăng lên nồng độ nguyên tố hợp kim dung dịch rắn giảm xuống Khi dung dịch rắn đạt đợc nồng độ cân nhiệt độ xác định việc sinh mầm ngừng lại, tổng thể tích pha tách không thay đổi nhng tổ chức hợp kim cha ổn định, có xu hớng kết tụ phần tử pha tiết làm giảm lợng hệ thống Các yếu tố ảnh hởng đến trình hóa già Hóa già chịu ảnh hởng nhiều yếu tố Các yếu tố ảnh hởng mạnh trực tiếp đến động học hóa già nhiệt độ, thời gian, thành phần hóa học tổ chức hợp kim trớc hóa già Trong quy trình chế tạo nh công nghệ gia công yếu tố đợc quan tâm để hiệu chỉnh chất lợng hợp kim Động học tiết pha khuếch tán tuân theo quy luật đợc biểu diễn biểu thức X = - exp (-kt)n (1.11) Trong ®ã: X - tû phÇn tiÕt pha, t - thêi gian, k - hƯ số tốc độ tạo mầm, n - hệ số phụ thuộc vào dạng hình học mầm điều kiên tạo mÇm X = f (t ) = ThĨ tÝch pha s¶ n phÈm Tỉng thĨ tÝch cã thĨ chun pha (1.12) Ta xác định đợc hệ số k vµ n dùa vµo thùc nghiƯm đo X, b»ng cách viết lại biểu thức (1.11) dới dạng: & đà nghiên cứu đề xuất quy trình công nghệ gồm biến dạng nguội kết hợp với chế độ hoá già tự nhiên hoá già nhân tạo khác Đây kết sở xuất phát từ quan điểm là: đặc tính bền tốt có đợc hợp kim nhôm hoá già chọn đợc chế độ gia công thích hợp tận dụng tất trình hoá bền hoá già tự nhiên (hoá già vùng) hoá già nhân tạo (hoá già pha) hoá bền biến dạng mang lại 2.3 Đặt vấn đề nghiên cứu Những nội dung đợc đề cập nghiên cứu gồm: Chế tạo hợp kim nhôm biến dạng Al-Mg-Si điều kiện sản xuất Việt Nam Nghiên cứu động học tiết pha hóa già hợp kim Al-Mg-Si Xây dựng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt hợp kim Al-Mg-Si Sử dụng mô hình toán học nghiên cứu ảnh hởng nhiệt độ tôi, nhiệt độ biến dạng, nhiệt độ hoá già, thời gian hoá già, mức độ biến dạng đến tổ chức tính hợp kim Al-Mg-Si Giải toán xác định quy trình nhiệt luyện nhiệt độ cao hợp kim Al-Mg-Si, đảm bảo tối u đồng thời tiêu tính hàm nguyện vọng Harrington Nghiên cứu ứng dụng vào thực tế Liên hiệp Khoa học sản xuất - Cơ điện xác (KHSX- CĐCX) Phần II - Kết thực nghiệm Chơng - Chế tạo mẫu phơng pháp nghiên cứu 3.1 Thiết bị thực nghiệm Lò điện trở công suất, Lò cảm ứng trung tần CT 0,06, máy cán, thiết bị thử kéo SHIMADZU-JAPAN Máy đo độ cứng 10 Brinen Máy phân tích quang phỉ ARL -3460 cđa h·ng FISON Thơy SÜ ThiÕt bị chụp ảnh tế vi OLIMPUS-JAPAN JEOL- JSM 5300 Scanning microscope Phân tích nhiễu xạ VHU-HNSIEMENS D500 Phân tích nhiệt vi sai (NETZ SCH STA 409) 3.2 Quy tr×nh chÕ tạo mẫu nghiên cứu Nấu luyện hợp kim nghiên cứu Đợc tiến hành Trung tâm đúc, Viện công nghệ Bộ công nghiệp, lò trung tần CT 0,06; phối liệu hợp kim trung gian, phân tích thành phần quang phổ kế ARL - 3460 Kết thành phần hợp kim nghiên cứu đợc trình bày bảng 3.2 Bảng 3.2 Thành hợp kim Al-Mg-Si Al % Mg% Si% 98,764 0,769 0,467 Từ phôi đúc, chế tạo mẫu nghiên cứu động học tiết pha, nhiệt luyện nghiên cứu ứng dụng thực tế 3.3 Xác định hoạt tiết pha Xác định hoạt tiết pha từ hệ số động học chuyển pha (K) Trong phơng pháp cần xác định K nhiệt độ khác nhau, nhng nhiệt độ đặc điểm n (cùng điều kiện tạo mầm phát triển mầm) Xác định hoạt tiết pha từ tỷ phần chuyển pha (X) Trong phơng pháp cần biết t cho X nhiệt độ khác thờng lấy X mà dễ xác định 3.4 Xây dựng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt (CBĐN) có ý nghĩa quan trọng trình nhiệt luyện Dựa vào giản đồ CBĐN có 11 thể phân tích trình phân hủy dung dịch rắn bÃo hòa điều kiện đẳng nhiệt cho phép phán đoán đợc sản phẩm tạo thành, tổ chức tính hợp kim nhôm ứng với chế độ nhiệt luyện khác Có nhiều phơng pháp thực nghiệm để xây dựng giản đồ CBĐN, phơng pháp đợc nhiều ngời quan tâm có ý nghĩa thực tiễn lớn xây dung giản đồ CBĐN phơng pháp đo tính Nội dung phơng pháp bao gồm: - Xây dựng đờng cong biến ®ỉi cđa ®é cøng so víi ®é cøng chn HBTiτi / HBC , phụ thuộc vào thời gian giữ đẳng nhiệt HBC độ cứng mẫu đạt đợc sau chế độ nhiệt luyện chuẩn: nung mẫu 4800C giữ nhiệt để hòa tan pha thứ khuếch tán đồng hóa thành phần - nớc - hóa già 1200C - 72 giờ; HBTii độ cứng mẫu đạt đợc sau chế độ nhiệt luyện: nung lên 4800C giữ đồng hóa thành phần nh chế độ chuẩn - nguội đẳng nhiệt nhiệt độ Ti với thời gian giữ đẳng nhiệt i - n−íc - hãa giµ ë 1200C - 72 giê Ti gi¶m tõ 4500C xng 2000C víi b−íc gi¶m ΔΤ = 500C i - thời gian giữ đẳng nhiệt Ti - Xây dựng giản đồ CBĐN theo số liệu thu đợc nêu Trong hệ tọa độ nhiệt độ (T) thời gian (), đờng cong chữ C quỹ tích điểm (i, Ti) có gía trị (HBTii / HBC), chẳng hạn 0,98; 0,90; 0,80; 0,75 v.v hình (4.13) Hoàn toàn cứu vào giản đồ để xác định chế độ nhiệt luyện hợp kim đảm bảo độ cứng giá trị định đó, ví dụ 98% HBC ; 95% HBC ; 80% HBC.vv 12 3.5 Quy ho¹ch thực nghiệm trực giao bậc Đà tiến hành quy ho¹ch thùc nghiƯm trùc giao bËc víi biÕn số hệ thống gồm: nhiệt độ hoá già THG (0C) x1; nhiệt độ biến dạng TBD(0C) x2; mức độ biến dạng (%) x3; thời gian hoá già τ(h) lµ x4 Tỉng sè thÝ nghiƯm N = 25 Thùc hiƯn 25 thÝ nghiƯm theo ma trËn vµ thÝ nghiƯm ë t©m, xư lý sè liƯu víi sù trợ giúp PC để xác định phơng trình hồi quy tơng hợp có dạng: y = b0 + bj xj + ∑ bij xi xj + ∑ bjj xj2 (Với i < j ) (3.10) Các phơng trình håi quy nµy biĨu diƠn tin cËy mèi quan hƯ b, HB, hợp kim phụ thuộc biến số hệ thống chặng biến thiên đà chọn : x1 (1500C ÷ 2000C) ; x2 (3800C ÷ 4800C) ; x3 (55% ữ 85%) ; x4 (3hữ7h) Phơng pháp giải toán tối u đa tiêu tính b»ng hµm ngun väng Harrington gåm mét sè b−íc sau: a) Biến đổi giá trị tiêu có thứ nguyên thang đo nguyện vọng không thứ nguyên d b) Trên sở chủ quan ngời nghiên cứu (tức yêu cầu sản xuất) tiêu riêng đối tợng, xây dựng giá trị hàm nguyện vọng riêng phần d c) Đặt chặng nguyện vọng đợc số hoá từ đến Giá trị d = (hoặc D = 0) tơng ứng với nguyện vọng không chấp nhận đợc tiêu Với d = (hoặc D = 1) giá trị tốt tiêu (có nghĩa tốt đợc, giá trị quan tâm) Nếu tiếp tục d > (hoặc D > 1) đợc nghĩa 13 d) Các giá trị trung gian đợc gán trị số với tơng ứng d (hoặc D) e) Lập hàm nguyện vọng đặc trng D quy tắc trung bình: D= k d d d k (3.23) Hµm ngun väng đặc trng D đợc sử dụng để tối u hoá nh toán tối u tiêu Chơng - Kết bàn luận 4.1 Kết nghiên cứu động học tiết pha hoá già Phần lớn tác giả cho phân huỷ dung dịch rắn bÃo hoà xảy nh sau: Dung dịch rắn bÃo hoà qbh vùng GP → pha β’ → pha β Tuy nhiªn, phơ thc vào độ bÃo hoà, nhiệt độ hoá già số lợng pha giả ổn khác Phân tích kết nghiên cứu: nhiệt vi sai nhiễu xạ rơnghen, xác định vùng nghiên cứu hóa già 1200Cữ2500C, chế chuyển pha hợp kim nghiên cứu là: bÃo hòa (Mg2Si) Hình 4.1 Kết phân tích nhiệt vi sai hợp kim Al-Mg-Si 14 Xác định hệ số động học (K n) Tính toán EXCEL ta tìm đợc hệ số n, K phơng trình động häc tiÕt pha, kÕt qu¶ b¶ng 4.2 B¶ng 4.2 H»ng sè tèc ®é tiÕt pha k, hƯ sè n tC 1200C 1500C 1750C 2000C 2250C 2500C K 0,2682 0,2868 0,3127 0,3985 0,4431 0,5724 n 3,313 2,485 2,208 1,976 1,7019 1,1204 K, n Tõ b¶ng 4.2 cã thĨ nhËn xét: hoá già nhiệt độ 175ữ2000C có n dạng hình học dạng trụ, tất mầm đợc tạo từ đầu Từ trị số k nhiệt độ khác nhau, xác định hoạt chuyển pha Qtiếtpha = kCal/mol = 17 kJ/mol = 0,3 ev/nguyên tử Trị số nhỏ so với Qkhuéchtán Mg, Si Al Al (trong điều kiện nút trống cân bằng) Những ảnh tổ chức hiển vi quang học (h×nh 4.8, 4.9,) H×nh 4.8 AlMgSi, sau H×nh 4.9 AlMgSi, sau tôi, X500 tôi, hoá già 3h, X500 Từ kết phân tích biểu đồ nhiễu xạ rơnghen ta xác định đợc cờng độ vạch nhiễu xạ từ xác định đợc thông số mạng Trên phim rơnghen vạch dung dịch rắn thứ hai 15 Bàn luận 1) Trong vùng nhiệt độ hoá già 1200C, 1500C, 1750C 2000C hợp kim AlMgSi tiết pha theo chế: qbh (Mg2Si) trình thô hoá hạt 2) Đà xác định đợc K, n Q hợp kim AlMgSi từ số đo độ cứng nhiệt độ thời gian hoá già khác - vùng hoá già 175ữ2000C với n 2, nghĩ đến pha có dạng trụ tất mầm đợc tạo từ đầu - Giá trị K tăng theo nhiệt độ hoá già chứng tỏ nhiệt độ hoá già cao trình khuếch tán tăng - Trị số Q Kcal/mol nhỏ so với lợng dịch chun cđa nót trèng Al 3) KÕt qu¶ tÝnh toán số mạng a0 đà khẳng định với thời gian hóa già khác ảnh hởng Mg Si tới số mạng dung dịch rắn không đáng kể 4) Phơng pháp nghiên cứu động học hoá già hợp kim AlMgSi tham khảo áp dụng cho nghiên cứu tiết pha pha giả ổn định, pha trung gian hệ vật liệu khác 4.2 Xây dựng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt Quy trình xử lý nhiệt mẫu nghiên cứu đợc hình 4.11 Mẫu sau hoá già 72h đợc đem đo tính Từ số liệu nhận đợc đà dựng đờng cong động học chuyển pha Trên sở đờng cong động học chuyển pha hình 4.12 đà xây dựng giản đồ CBĐN giá trị HBTii / HBC = 98%, 90% 80% nh trình bày hình 4.13 16 t0 Tôi đẳng nhiƯt đ 520 480 50%NaNO3+ 50%KNO3 k tdn H2O Ho¸ già 120 (đn) 0,1 3,5 kk (h) 72 Hình 4.11 Quy trình nhiệt luyện mẫu nghiên cứu 100 § é c øng chuÈ n §N 450 90 §N 400 80 §N 300 §N 350 §N 250 §N 200 01 01 00 E+ 01 50 E+ 01 00 50 E+ 01 E+ 00 00 E+ 00 00 E+ 00 00 E+ 01 00 E+ 01 E- 67 E- E+ 00 30 00 70 Thời gian đẳng nhiệt Hình 4.12 Động học chuyển pha nhiệt độ đẳng nhiÖt 17 t 0C 400 ● 100% σ b = 19,5 kG/mmm2 ▲ ■ 80 90 ▲ ■ 98 ● 350 ▲ ● 300 ▲ ● 250 ■ ▲ ● 102 10 ■ ▲ ● ■ ph ■ 103 10 ph s 1h Hình 4.13 Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt Một số nhận xét Từ giản đồ CBĐN ta thấy vùng nhiệt độ dung dịch rắn bÃo hoà ổn định giao động khoảng 320ữ3500C Giữ đẳng nhiệt vùng nhiệt ®é cao pha β tiÕt chđ u trªn biªn giới hạt Trên ảnh tổ chức tế vi (hình 4.14, hình 4.15) ta thấy rõ điều Hình 4.15 X200, đẳng nhiệt 4000C NaNO3, thời gian 10 Hình 4.14 X200, đẳng nhiệt 4500C, dầu, thời gian 10 18 Từ giản đồ đà xác định đợc Vtoi han 280/ph Các mẫu đợc với v > vth = 280/ph hãa giµ 1200C - 72 h sÏ đạt độ cứng xấp xỉ độ cứng cực đại mà mẫu đạt nhiệt luyện theo quy trình chuẩn 4.3 Xác định chế độ HTMT tối u cho hợp kim nghiên cứu Xây dựng hàm mục tiêu - Xây dựng hàm mục tiêu Y1 Hàm mục tiêu y1 biĨu diƠn sù phơ thc cđa giíi h¹n bỊn hợp kim, b phụ thuộc vào nhiệt độ hoá già (x1), nhiệt độ biến dạng (x2), mức độ biến dạng (x3), thời gian hoá già (x4) Xử lý số liệu thí nghiệm thu đợc với trợ giúp PC, sau kiểm tra tính tơng hợp mô hình toán học theo tiêu Fisher, đà nhận đợc hàm mục tiêu Y1() có dạng: Y1() = 264,38 - 11,52 x2+ 8,48 x3 + 9,48 x4 +18,98 x2x3 + 7,7 x2x4 + 7,02 x3x4- 25,34 x12-10,19 x2 2-12,39 x32 22,89 x42 (4.33) Ta cã mét sè nhËn xÐt sau: Mức độ ảnh hởng thông số trình nhiệt luyện đến b hợp kim giảm dần theo thứ tự: Nhiệt độ hoá già, thời gian hoá già, mức độ biến dạng nhiệt độ biến dạng Kết xây dựng hàm mục tiêu biểu diễn độ cứng độ giÃn dài hợp kim phụ thuộc thông số trình HTMT Y2[HB]= 72,19 + 2,5x4 + 3,79x2x3 + 2,76x2x4-10,25x12- 3,7x42 (4.38) Y3 [δ] = 11,65 - 0,78x2 + 0,83x4 - 1,08x1x2 + 0,93x1x4 + 0,91x2x3 - 1,1x12 - 1,73 x22 - 1,44 x32 19 (4.39) Tối u hoá quy trình nhiệt luyện nhiệt độ cao hợp kim nghiên cứu Đại đa số trờng hợp gặp kỹ thuật, vật liệu kết cấu ngời ta thờng yêu cầu giới hạn bền (b, 0,2 ) cao giá trị tối thiểu đó, đồng thời tiêu dẻo (, ) phải có giá trị đủ lớn xác định Đây nội dung toán tối u đa tiêu Giải toán tối u đa tiêu hàm nguyện vọng Từ điều kiện thực tế sản xuất ta chọn giá trị A, B chØ tiªu y1; C, D cđa y3 nh− chØ bảng (4.9), Y1 giới hạn bền ( [MPa]), Y3 độ giÃn dài ([%]) Bảng 4.9 Giá trị gán hàm mục tiêu vào thang nguyện vọng Y1 [MPa] Độ lớn tiêu A, B Giá trị theo thang nguyện vọng d Y3 [%] 190 112 10,5 6,5 0,63 0,2 0,63 0,2 §iỊu kiện hạn chế y1 y3 có dạng y ymin, nên ta sử dụng hàm nguyện vọng riêng phần dạng: d = exp [-exp(-y)] (4.46) y = b0 + b1y (4.47) Sử dụng số liệu bảng 4.9, biến đổi biểu thức (4.46), (4.47) nhận đợc d1 = exp [- exp(2,268 - 0,016 y1)] (4.48) d3 = exp [-exp(2,504 - 0,312 y3)] (4.49) vµ 20 [ ( ) )] ( ⎫ ⎧ exp 2,268 − 0,016 y1 + exp 2,504 + 0,312 y ⎬ ⎭ ⎩ D = exp ⎨− ( 4.50) Tõ đà xây dựng đợc mô hình toán học hàm nguyÖn väng D: Y(D) = 0,7860 - 0,0516x2 + 0,0570x4 - 0,0627x1x2 + 0,0543x1x4 + 0,0727x2x3 - 0,0913x12 - 0,0974x22 - 0,1238x32 - 0,0633 x42 (4.52) áp dụng phơng pháp Compromise method xác định chế độ nhiệt luyện đảm bảo D tối u: nhiệt độ hoá già 1740C; nhiệt ®é biÕn d¹ng 4130C; ®é biÕn d¹ng 75%; thêi gian hoá già 6,76 h Kết thử tính đạt: Y1(σ) = 275 [MPa] ; Y2(HB) = 83[kG/mm2] ; Y3(δ) = 11,8 [%] So víi chÕ ®é nhiƯt lun trun thống ảnh (hình 4.16) thấy nhiệt luyện pha thứ hai nhỏ mịn, phân bố phân tán đồng Hình 4.16 X200, 5200C, hóa già 1750C, 4h Hình 4.17 Tổ chức sau HTMT, ε = 70%, (HV§TQ) 4.3.3 Mét sè nhËn xét Từ kết nghiên cứu cho phép rút kết luận sau: 21 1) Quy hoạch thực nghiệm đợc ứng dụng hiệu để nghiên cứu hệ chịu ảnh hởng nhiều yếu tố Bằng số lợng không nhiều thí nghiệm (28) đà xây dựng đợc hàm hồi quy tơng hợp 2) Khi HTMT hợp kim nghiên cứu: ảnh hởng thông số công nghệ đến giới hạn bền kéo () xếp theo thứ tự mạnh đến yếu: nhiệt độ hoá già, thời gian hoá già, độ biến dạng nhiệt độ biến dạng - Đối với độ giÃn dài tơng đối () thứ tự xếp là: nhiệt độ biến dạng, độ biến dạng, nhiệt độ hoá già thời gian hoá già 3) Phơng pháp hàm nguyện vọng Harrington để tối u hoá đa tiêu đợc áp dụng công trình tỏ hiệu Đà xác định đợc quy trình HTMT đảm bảo tối u đồng thời b hợp kim nghiên cứu là: nhiệt độ hoá già 1740C; nhiệt độ biến dạng 4130C ; độ biến dạng 75%; thời gian hoá già 6,76h Giá trị tối u đạt đợc: Y1() = 275 [MPa] ; Y2(HB) = 78 ; Y3(δ) = 11,8 [%] ; 4) Với chế độ HTMT đảm bảo tiêu tính bền dẻo đồng thời tơng đối cao đáp ứng nhu cầu sử dụng thực tế với sản phẩm nhôm định hình 5) Qua phân tích ảnh tổ chức tế vi mẫu hợp kim nhôm nghiên cứu sau HTMT đợc hoá già chế độ, ta thấy pha phân tán phân bố đặn bề mặt với kích thớc nhỏ, điều khẳng định khả tăng độ bền tính ổn định cao hợp kim sau nhiệt luyện 22 4.4 Nghiên cứu ứng dụng Chế tạo vật liệu nghiên cứu với thành phần theo hàm lợng hợp kim nghiên cứu thuộc hệ hợp kim AlMgSi Kích thớc chi tiết dạng ống 50x3, 70x3 Dùng để chế tạo khớp nối chuỗi dây mềm Nhiệt luyện chi tiết với qui trình: Nhiệt độ hoá già 175 0C, nhiệt độ biến dạng 430 0C thời gian hoá già 6,76 h Kết đo tính: b = 260 ữ 300 MPa ; HB = 70ữ90 Hình 4.20 Chi tiết 70x3 Hình 4.21 Chi tiÕt ∅70x3 4.5 KÕt luËn chung 1) Trong vïng nhiÖt độ hoá già 1200C, 1500C, 1750C 2000C hợp kim AlMgSi tiÕt pha theo c¬ chÕ: αqbh → β’→ β (Mg2Si) trình thô hoá hạt 2) Đà xác định đợc K, n Q hợp kim AlMgSi từ số đo độ cứng nhiệt độ thời gian hoá già khác - vùng hoá già 175ữ2000C với n 2, nghĩ đến pha có dạng trụ tất mầm đợc tạo từ đầu - Giá trị K tăng theo nhiệt độ hoá già chứng tỏ nhiệt độ hoá già cao trình khuếch tán tăng 23 - Trị số Q Kcal/mol nhỏ so với lợng dịch chuyển nút trống Al (~ 0,7eV/nguyên tử) nhỏ so với hoạt khuếch tán Al (~1,4eV/nguyên tử), nghĩ đến chế khuếch tán cặp phức : nút trống+ nguyên tử tạp (hợp kim) 3) Kết tính toán số mạng a0 đà khẳng định với thời gian hóa già khác ảnh hởng Mg Si tới số mạng dung dịch rắn không đáng kể 4) Đà xây dựng đợc giản đồ CBĐN hợp kim nghiên cứu với quy ớc điểm bắt đầu phân hoá dung dịch rắn ứng với 98%, 90%, 80%ĐCC Tốc độ nguội tới hạn hợp kim AlMgSi nghiên cứu 280C/phút ứng với 98%ĐCC 5) Đà mô hình hóa trình HTMT quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp Từ kết đà xác định đợc xu mức độ ảnh hởng thông số nhiệt độ, thời gian hóa già, nhiệt độ biến dạng mức độ biến dạng đến tiêu tính hợp kim nghiên cứu 6) Đà áp dụng hợp lý phơng pháp hàm nguyện vọng Harrington để giải toán tối u đồng thời tiêu tính xác định đợc chế độ HTMT phù hợp với thực tế ứng dụng 7) Những kết nghiên cứu HTMT đà khẳng định việc kết hợp hợp lý hai phơng pháp hoá bền biến dạng hoá bền tiết pha cho ta tính tổng hợp tối u Thực nghiệm điểm tối u đà xác định đợc giá trị hàm mục tiêu thực tÕ lµ: Y1(σ) = 275 [MPa]; Y2(HB) = 78 ; Y3(δ) = 11,8 [%] ; 24 ... hòa; công nghệ hoá bền, nhiệt luyện nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng v.v Mục tiêu đề tài nghiên cứu tối u hóa công nghệ hóa bền tổng hợp nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si khả ứng dụng. .. trờng ứng suất đàn hồi; hoá bền tiết pha, hoá bền phân tán Chơng 2- Cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm hệ Al- Mg- Si 2.1 Bản chất, đặc điểm phạm vi ứng dụng công nghệ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng Cơ. .. chuyển biến đẳng nhiệt hợp kim nhôm Al-Mg-Si, làm sở dự đoán chuyển biến xảy nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng Tác giả đà nghiên cứu ảnh hởng đồng thời thông số quy trình công nghệ nhiệt luyện nhiệt