Nghiên cứu ứng dụng chuyển biến mactenxit trong hệ hợp kim đồng nhôm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ ANH TUẤN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHUYỂN BIẾN MACTENXIT TRONG HỆ HỢP KIM ĐỒNG NHÔM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ ANH TUẤN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHUYỂN BIẾN MACTENXIT TRONG HỆ HỢP KIM ĐỒNG NHÔM Ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 9520309 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS PHẠM MAI KHÁNH PGS TS TRẦN ĐỨC HUY Hà Nội – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luậ n án Tiến sĩ Kỹ thuật Vậ t liệu “Nghiên cứu ứng dụng chuyển biến mactenxit hệ hợp kim đồng nhơm” cơng trình tơi nghiên cứu thực hi ện Các thông tin, kết sử dụng luận án hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tất giúp đỡ cho việc thực luận án cảm ơn thơng tin trích dẫn luận án ghi rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày 27 tháng 02 năm 2020 TM Tập thể hướng dẫn Tác giả luận án PGS.TS Phạm Mai Khánh Vũ Anh Tuấn i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến hai thầy PGS.TS Phạm Mai Khánh PGS.TS Trần Đức Huy tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tơi suốt q trình thực luận án Những kết có luận án giúp đỡ nhiệ t tình, thầy nhóm nghiên cứu ( Đặc biệt giúp đỡ quý báu cố Phó giáo sư Lê Thị Chiều giai đoạn đầu đầy khó khăn q trình làm luận án) nhóm nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn thầ y nhóm nghiên cứu hợp kim đồng giúp đỡ hỗ trợ tơi suốt q trình làm luận án Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến thầ y cô giáo Bộ môn Vật li ệu công nghệ đúc – Viện Khoa học kỹ thuật Vật liệu – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tận tình giúp đỡ tơi suốt q trình làm Nghiên cứu sinh Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô Viện Khoa học kỹ thuật Vật liệu – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội liên tục dạy suốt trình học Đại học đến làm xong nghiên cứu sinh Tôi xin bày tỏ bi ết ơn đến lãnh đạo Khoa Cơ Sở Cơ Bản , trường Đại học Hàng Hả i Việt Nam môn Sức Bền Vật liệu hỗ trợ, tạo điều kiên tốt cho tơi q trình tơi làm nghiên cứu sinh Tôi xin chân thành cảm ơn tới Viện Kỹ Thuậ t Hải Quân, Nhà máy đóng tàu X46, Chi cục đăng kiểm số 10_Hải Phòng tạo điều kiện để tơi phân tích, thu thập số liệu thực tế phục vụ nghiên cứu suốt thời gian qua Tôi xin chân thành c ảm ơn tới phịng thí nghiệm, vi ện nghiên cứu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội giúp đỡ tơi thực thí nghiệm Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn động viên giúp đỡ gia đình, người thân, bạn bè đồng nghiệp suốt thời gian qua Tác giả Vũ Anh Tuấn ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN………………………………………………………………… …………….…i LỜI CẢM ƠN………………………………………………………………………………………ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ……………………………………… ……iv DANH MỤC CÁC BẢNG…………………………………………………………………… ….vi DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ……………………………………………………….….vii MỞ ĐẦU Mục đích luận án Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án .1 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Phương pháp nghiên cứu Nội dung bố cục luận án CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM ĐỒNG NHÔM .3 1.1 Giới thiệu hợp kim Cu-Al 1.2 Tình hình nghiên cứu hệ hợp kim Cu-Al-Fe Cu-Al-Fe-Ni giới 1.3 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 19 1.4 Vấn đề tồn mục tiêu nghiên cứu luận án .20 CHƯƠNG II Q TRÌNH HỢP KIM HĨA VÀ CHUYỂN PHA HỢP KIM Cu-Al-Fe VÀ Cu-Al-Fe-Ni 22 2.1 Vai trò ảnh hưởng nguyên tố hợp kim đến tính chất hợp kim đồng nhơm Cu-AlFe Cu-Al-Fe-Ni 22 2.2 Đặc điểm chuyển pha tổ chức hệ hợp kim Cu-Al-Fe Cu-Al-Fe-Ni .25 2.3 Đặc điểm chuyển biến mactenxit hợp kim Cu-Al-Fe Cu-Al-Fe-Ni 31 2.4 Xử lý nhiệt hợp kim Cu-Al-Fe Cu-Al-Fe-Ni nhằm tăng tính 36 2.5 Vai trị chuyển biến mactenxit hợp kim đồng Cu-Al-Fe Cu-Al-Fe-Ni ứng dụng chịu mài mịn nhớ hình .38 CHƯƠNG III THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .51 3.1 Nội dung nghiên cứu 51 3.2 Chế tạo mẫu 51 3.3 Quá trình xử lý nhiệt 51 iii 3.4 Các phương pháp phân tích thành phần quan sát tổ chức tế vi 52 3.5 Các phương pháp thử tính 54 3.6 Phương pháp đánh giá hiệu ứng nhớ hình .55 CHƯƠNG IV TỔ CHỨC TẾ VI HỆ HỢP KIM ĐỒNG CuAl9Fe4, CuAl9Fe4Ni2 Ở CÁC TRẠNG THÁI KHÁC NHAU 57 4.1 Tổ chức tế vi hợp kim sau đúc .57 4.2 Tổ chức tế vi hợp kim sau 60 4.3 Tổ chức tế vi hợp kim sau hóa già 67 4.4 Sự biến đổi tổ chức pha mactenxit hợp kim CuAl9Fe4 thay đổi chế độ hóa già74 4.5 Sự biến đổi tổ chức pha mactenxit hợp kim CuAl9Fe4Ni2 thay đổi chế độ hóa già 82 4.6 Quá trình chuyển pha hợp kim thực biến dạng kết hợp với xử lý nhiệt 87 CHƯƠNG V: KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VỚI HỢP KIM CHỊU MÀI MỊN VÀ NHỚ HÌNH 96 5.1 Cơ tính hợp kim chịu mài mịn 96 5.2 Hiệu ứng nhớ hình .104 5.3 Đề xuất ứng dụng thực tiễn hai mác hợp kim nghiên cứu thực tế .106 KẾT LUẬN 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO 113 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Mđ – Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactenxit Mk – Nhiệt độ kết thúc chuyển biến mactenxit γ– Pha điện tử Cu9Al4 β – Hợp chất điện tử Cu3Al β’ – Pha mactenxit chuyển từ β thành β’ α – Dung dịch rắn đồng Fe(δ) – Pha liên kim Fe3Al K1,2,3,4 : Các pha liên kim niken-nhôm FCC – Mạng lập phương tâm mặt; Việt hóa: lptm BCC – Mạng lập phương tâm khối; Việt hóa: lptk HCP – Mạng sáu phương xếp chặt; Việt hóa: spxc TEM – Hiển vi điện tử truyền qua, xuyên; Việt hóa: HVĐTX SEM – Hiển vi điện tử quét; Việt hóa: HVĐTQ FESEM – hiển vi điện tử quét phát xạ trường EDS – Phổ phân tán lượng NL – Nhiệt luyện σe – Giới hạn đàn hồi d – Khoảng cách mặt tinh thể (hkl) θ – Góc nhiễu xạ λ – chiều dài bước sóng xạ rơn-ghen v DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.1: Thành phần mẫu hợp kim nghiên cứu Bảng 1.2 : Độ cứng tế vi pha nghiên cứu [13] 10 Bảng 1.3: Tốc độ ăn mòn hợp kim xử lý chế độ khác [14] 11 Bảng 1.4: Biểu thị thay đổi nhiệt độ chuyển biến hợp kim có tỷ lệ Cu/Fe khơng đổi cịn thành phần Al thay đổi [16] Bảng 2.1: Thành phần pha thông số tinh thể chúng hợp kim đồng nhôm CuAl10Fe3 [28] Bảng 2.2: Độ hòa tan sắt pha khác thay đổi theo nhiệt độ 14 Bảng 2.3: Xử lý nhiệt điển hình tính chất brơng nhơm α-β [2] 46 Bảng 3.1 Thành phần hóa học mẫu hợp kim đúc CuAl9Fe4, CuAl9Fe4Ni2 51 Bảng 5.1: Giá trị độ cứng chế độ khác 97 Bảng 5.2: Bảng độ hụt khối mẫu 99 Bảng 5.3: Bảng giá trị độ cứng 101 Bảng 5.4 Độ hụt khối chế độ khác 103 Bảng 5.5 Lượng nhớ hình HK CuAl9Fe4 104 Bảng 5.6 Lượng nhớ hình HK CuAl9Fe4Ni2 105 vi 28 28 DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1: Giản đồ Cu-Al (a) ảnh hưởng nhơm đến tính (b) Hình 2:Kiểu mạng lập phương tâm mặt pha α Hình 3:Kiểu mạng lập phương tâm khối với cấu trúc DO pha β Hình 4:Kiểu mạng lập phương phức tạp cP52 hợp chất điện tử Cu9Al4 Hình 5:Những sản phẩm lịch sử chế tạo từ đồng nhôm Hình 6: Giới hạn bền, độ dãn dài độ dai phá hủy hợp kim đúc nhiệt độ thử nghiệm Hình 1.7:ĐộcứngcủahợpkimđúcvớithànhphầnAlkhácnhau 8 Hình 8: Mơ tả dạng pha κ (hình a) hình thái ; phân bố pha κ tổ chức BA1055 sau đúc (b) ; ảnh SEM (c)[10] Hình 9: Giản đồ cân pha [11] 10 Hình 10: Tổ chức tế vi hợp kim CuAl11Fe5Ni6[11] 10 Hình 11: Sự hình thành pha hợp kim Cu-Al-Fe-Ni theo nhiệt độ 10 Hình 12: Tổ chức tế vi FSP NAB sau xử lý nhiệt 11 Hình 13: Ảnh TEM (a) (d) hợp kim FSP NAB sau xử lý nhiệt phương pháp ủ (b) (e) 02 ; (c) (f) 04 [12] 12 Hình 14: Tổ chức tế vi hợp kim CuAl9Fe4 13 Hình 15: Ảnh hiển vi điện tử chụp giai đoạn dầu gia tăng tải theo hướng [110] 14 Hình 16: Biểu thị thay đổi nhiệt độ chuyển biến hợp kim có tỷ lệ Cu/Fe khơng đổi cịn thành phần Al thay đổi [16] 15 Hình 17: Tổ chức tế vi hợp kim với tỷ lệ Cu/Fe không đổi thành phần Al thay đổi [16] 16 Hình 18: Độ cứng HV hợp kim C95200 C95300 khơng hóa già hóa già nhiệt độ khác 17 Hình 19: (a) Hợp kim C95200 (b) C95300 xử lý nhiệt 9000C 30 phút nước hóa già 350 C 120 phút nước 17 Hình 20: Độ cứng mài mịn hợp kim C95200 C95300 khơng hóa già hóa già nhiệt độ khác tác dụng tải 50N tốc độ mài mịn 1m/s 17 Hình 21: Ảnh hưởng nhiệt độ hóa già đến hệ số ma sát tác dụng tải 30N tốc độ mài mòn 1m/s 18 0 Hình 22: Bề mặt mài mịn hợp kim C95200 hóa già: (a) 250 C; (b) 350 C, x500 18 0 Hình 23: Bề mặt mài mòn hợp kim C95300 hóa già: (a) 250 C; (b) 350 C, x500 18 0 Hình 24: Bề mặt mài mịn hợp kim C95300 hóa già: (a) 250 C; (b) 350 C, x500 18 Hình 25: Ứng dụng hợp kim Cu-Al chi tiết bánh máy móc xác 19 Hình 26: Hợp kim ổ trượt làm việc môi trường nhiệt độ cao 19 Hình 1: Ảnh hưởng nhơm, sắt, niken tới tính đồng nhơm 22 Hình 2: Tổ chức Cu-Al trạng thái ủ (a) nguội nhanh (b) 23 Hình 3: Ảnh hưởng mangan tới tính đồng nhơm 24 vii Hình 4: Ảnh hưởng Mn Ni đến tổ chức Brong nhơm 25 Hình 5: Mặt cắt đứng hệ hợp kim nguyên Cu-Al-Fe vị trí 3% 5% Fe [27] 26 Hình 6: Ảnh hiển vi nghiên cứu tổ chức hợp kim đồng nhôm (8,6%Al 3,2%Fe) 0 0 làm nguội liên tục từ 1000 C: a) Tôi 1000 C ; b) Tôi 900 C; c) Tôi 860 C; d) Tôi 800 C; e) Tôi 550 C 27 Hình 7: Tổ chức đúc hợp kim đồng nhôm (8,6%Al 3,2%Fe) 27 Hình 8: Ảnh hưởng nhiệt độ nung khuôn khác ban đầu tới tổ chức hợp kim 0 CuAl10Fe3: a) 400 C – có lớp áo khn graphit 0,01mm; b) 280 C- lớp áo khuôn graphit 0,01mm; c) 1500C- lớp áo khuôn graphit 0,01mm; d) Không nung trước- lớp áo khuôn graphit 0,1mm; e) Có tơi nước 29 Hình 9: Ảnh hưởng nhiệt độ nung khn tới tốc độ làm nguội kích thước hạt: a) Ảnh hưởng tới tốc độ nguội (áo khuôn graphit 0,01mm); b) Ảnh hưởng tới tốc độ nguội (áo khn graphit 0,1mm); c) Ảnh hưởng tới kích thước hạt (áo khn graphit 0,01mm); d) Ảnh hưởng tới kích thước hạt (0,1mm) 30 Hình 10: Mặt cắt đứng giản đồ trạng thái hệ hợp kim Cu-Al-Fe (tại 4% Fe) 31 Hình 11: Giản đồ pha Cu-Al hợp kim hóa Fe 32 Hình 12: Các dạng chuyển biến mactenxit hợp kim Cu-Al-Fe 33 Hình 13: Tổ chức tế vi hai hệ hợp kim sau 33 Hình 14: Tổ chức tế vi hợp kim Cu-Al10-Fe4.8-Ni5-Mn1.5 sau tơi 34 Hình 15: Cấu trúc tinh thể Fe3Al với dạng DO3 34 Hình 16: Cấu trúc pha FeAl 35 Hình 17: Cấu trúc pha NiAl [38] 35 Hình 18: Brong nhôm C95400, đồng dung dịch rắn 9000C 02h, nước, ram 6500C 02h nước Hạt α (mactenxit màu trắng) nhỏ trạng thái đúc.[45] 39 Hình 19: Tổ chức Brong nhôm đúc khuôn kim loại Hợp kim với thành phần 5%Ni 5%Fe (tương tự C95500) Nguội nhanh, tổ chức Vit-man-tet (sáng) nhìn thấy tổ chức mactenxit (màu tối)[45] .39 Hình 20: a) Ảnh hiển vi cho mẫu hợp kim từ 1020 C ; b) Ảnh hiển vi điện tử 40 Hình 21: a) Phương pháp cacbon cho mẫu từ 10200C, cho thấy pha tiết dạng khối hộp ; b) Thực nhiễu xạ điện tử cho lượng pha tiết lớn hình 2.21a, cho cấu trúc B2 41 Hình 22: a) Ảnh nhiễu xạ điện tử dọc theo phương [0 0] thực mactenxit (cấu trúc 9R); b) Phép nhiễu xạ điện tử dọc theo phương [2 0], nhận từ nhóm mactenxit song song ghép đôi 41 Hình 23: a) Ảnh TEM cho mẫu tơi từ 850 C pha mactenxit β’1 γ’ b) Phép nhiễu xạ điện tử dọc theo phương [0 0] pha mactenxit β’1………………………………………… 42 0 Hình 24: Ảnh TEM mẫu từ 1020 C ram 500 C cho thấy pha tiết biên giới mactenxit bề mặt pha tiết giàu sắt bên mactenxit 42 Hình 25: a) Ảnh chụp pha β’-mactenxit theo trường sáng ; b) Ảnh chụp pha β’-mactenxit theo trường tối, cho thấy pha tiết giàu sắt.[53] 43 viii