Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến khả năng biến dạng và cơ tính của hợp kim nhôm ma giê

TỔNG QUAN VỀ NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM

Nhôm kim loại

Nhôm là một vật liệu kim loại nhẹ, chỉ nặng bằng một phần ba thép và nhẹ hơn đồng, với tỉ số độ bền trên khối lượng cao, giúp nó trở thành lựa chọn phổ biến trong sản xuất Trên toàn cầu, có hơn 1600 vật liệu kỹ thuật, trong đó có 300 loại nhôm và hợp kim nhôm, với hơn 50 mác nhôm thông dụng Hợp kim nhôm ban đầu được sử dụng để thay thế gang đúc và hợp kim đồng nhờ khả năng chống ăn mòn vượt trội Hiện nay, nhôm ngày càng thay thế nhiều vật liệu khác, đặc biệt trong ngành hàng không và vũ trụ, cũng như trong công nghiệp ô tô và hóa chất, nhờ vào khả năng chống ăn mòn khi làm việc trong môi trường nước biển Với tính ứng dụng cao, nhôm đang được sử dụng ngày càng rộng rãi, và các nghiên cứu về cải thiện tính chất cơ lý, hóa của vật liệu này đã thu hút sự quan tâm toàn cầu trong những năm gần đây.

Nhôm là một kim loại có độ dẻo và khả năng biến dạng lớn, cùng với tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt Đây là vật liệu được sử dụng rộng rãi thứ hai trên thế giới, chỉ sau thép, và là nguyên tố có trữ lượng lớn thứ ba trong vỏ trái đất, có nguồn gốc từ bauxite Bauxite được chuyển đổi thành oxit nhôm (alumina) qua quy trình Bayer, quy trình này đã được áp dụng để sản xuất nhôm công nghiệp từ năm 1886 Các tính năng cơ bản của nhôm nguyên chất vẫn giữ nguyên kể từ khi Karl Josef Bayer được cấp bằng sáng chế vào năm 1888 tại Đức.

Khi nhôm tiếp xúc với không khí, một lớp oxit nhôm được hình thành ngay lập tức trên bề mặt, giúp bảo vệ kim loại này khỏi sự ăn mòn Lớp oxit nhôm này có khả năng chống ăn mòn hiệu quả, đặc biệt trong môi trường kiềm và nước biển.

1.1.2 Độ dẫn nhiệt của nhôm Độ dẫn nhiệt của nhôm lớn gấp ba lần thép, tính chất này khiến nhôm trở thành vật liệu quan trọng ứng dụng trong truyền nhiệt kể cả làm mát và sưởi ấm.

Chuyên đề tốt nghiệp Kinh tế

Cùng với sự an toàn, không độc hại, đặc tính này giúp nhôm được dùng để chế tạo dụng cụ nấu ăn và đồ dùng nhà bếp.

1.1.3Độ dẫn điện của nhôm

Nhôm và đồng đều có khả năng dẫn điện cao, nhưng độ dẫn điện của nhôm chỉ đạt 62% so với đồng Tuy nhiên, nhôm nhẹ hơn nhiều, chỉ bằng 1/3 khối lượng của đồng trên cùng một chiều dài dây dẫn có đường kính giống nhau Điều này dẫn đến việc số lượng dây dẫn điện bằng nhôm trong ngành điện gấp đôi so với dây dẫn bằng đồng.

1.1.4 Độ phản xạ ánh sáng của nhôm

Nhôm có khả năng phản xạ mạnh mẽ các tia hồng ngoại và tia cực tím, với độ phản xạ ánh sáng lên đến 80% Nhờ đặc tính này, nhôm được ưa chuộng trong sản xuất thiết bị chiếu sáng Bên cạnh đó, nhôm còn là vật liệu cách nhiệt hiệu quả, giúp ngăn chặn tia sáng vào mùa hè và giữ nhiệt trong mùa đông, làm cho nhôm trở thành lựa chọn lý tưởng cho trang trí nội thất với độ sáng đẹp.

1.1.5Tính chất cơ học của nhôm

Nhôm là vật liệu có độ dẻo và khả năng biến dạng lớn, cho phép chế tạo các chi tiết phức tạp qua các công nghệ như cán, kéo, ép chảy và kéo dây Đặc biệt, nhôm có tính khả đúc cao nhờ nhiệt độ nóng chảy thấp và độ co ngót thấp, giúp việc đúc các chi tiết nhôm chính xác trở nên dễ dàng và mang lại hiệu quả kinh tế cao.

Giới hạn bền kéo của nhôm thông thường khoảng 90 MPa, nhưng có thể tăng lên tới 690 MPa khi nhôm được hợp kim hóa với một số kim loại khác.

Hợp kim nhôm

Khi nhôm được hợp kim hóa với các nguyên tố như đồng, thiếc, ma giê, silic, măng gan, cùng với một lượng nhỏ crom, titan, zirconi, chì, bismuth và niken, tính chất cơ, lý, hóa của hợp kim nhôm sẽ thay đổi đáng kể Những thay đổi này bao gồm độ dẫn điện, dẫn nhiệt, khả năng chống ăn mòn và đặc biệt là cơ tính Do đó, việc kiểm soát tỷ lệ phần trăm các nguyên tố hợp kim là rất quan trọng để điều chỉnh tính chất cơ học của hợp kim nhôm.

1.2.1Hệ thống ký hiệu hợp kim nhôm

Theo tiêu chuẩn Việt Nam 1659-75, ký hiệu hợp kim nhôm bắt đầu bằng chữ

Al, tiếp theo là ký hiệu của nguyên tố hợp kim cùng chỉ số % của nó, ví dụ AlCu5Mg, Al99, Al99,5.

Theo tiêu chuẩn Hoa kỳ (AA-Aluminum Association) xxxx (hợp kim nhôm biến dạng) và xxx.x (hợp kim nhôm đúc), theo bảng 1.1.

Bảng 1.1 Hệ thống ký hiệu hợp kim nhôm

Hợp kim nhôm biến dạng Hợp kim nhôm đúc

1 1xxx Al sạch 1xx.x Al sạch thương phẩm

2 2xxx Al-Cu; Al-Cu-Mg 2xx.x Al-Cu

3 3xxx Al-Mn 3xx.x Al-Si-Mn, Al-Si-Cu

4 4xxx Al-Si 4xx.x Al-Si

5 5xxx Al-Mg 5xx.x Al-Mg

6 6xxx Al-Mg-Si 6xx.x -

7 7xxx Al-Zn-Mg, Cu 7xx.x Al-Zn

8 8xxx Các nguyên tố khác

Hợp kim nhôm được phân chia thành hai loại chính: hợp kim nhôm biến dạng và hợp kim nhôm đúc, dựa trên giản đồ trạng thái của nhôm và các nguyên tố hợp kim Giản đồ hình 1.1 minh họa rõ ràng các vùng thành phần của hai loại hợp kim này.

Hình 1.1 Phân loại hợp kim Al theo giản đồ pha

1.2.2Tính chất của hợp kim nhôm

Hợp kim nhôm có khối lượng riêng nhỏ khoảng 2,7g/cm³, khiến nó trở thành vật liệu nhẹ, chỉ nặng bằng 1/3 trọng lượng của thép khi so sánh cùng thể tích Tính chất này rất quan trọng trong các lĩnh vực yêu cầu thiết bị nhẹ như hàng không, vũ trụ và vận tải.

Tính chống ăn mòn trong khí quyển của hợp kim nhôm rất cao nhờ vào lớp oxit nhôm xít chặt được hình thành trên bề mặt, cho phép sử dụng mà không cần sơn bảo vệ Để nâng cao khả năng chống ăn mòn, lớp oxit nhôm có thể được làm dày thêm thông qua quá trình anod hóa.

Tính dẫn điện của hợp kim nhôm chỉ bằng 2/3 so với đồng, nhưng nhờ vào trọng lượng nhẹ hơn, hợp kim nhôm được ưa chuộng sử dụng hơn Điều này giúp giảm tải trong các ứng dụng điện, đồng thời hạn chế hiện tượng quá nhiệt khi truyền dẫn điện.

Hợp kim nhôm có tính dẻo cao, cho phép dễ dàng kéo thành dây, tấm, lá và băng mỏng Điều này cũng giúp ép chảy thành các thanh có biên dạng đặc biệt, rất hữu ích cho việc sản xuất khung cửa và các loại tấm tản nhiệt.

Nhiệt độ nóng chảy của nhôm và hợp kim nhôm tương đối thấp, điều này giúp dễ dàng trong quá trình nấu chảy khi đúc Tuy nhiên, đặc điểm này cũng hạn chế khả năng sử dụng của chúng ở nhiệt độ cao hơn.

Chuyên đề tốt nghiệp Kinh tế Độ bền, độ cứng: Thấp hơn so với thép và có hóa bền để cải thiện tính chất này của hợp kim nhôm.

1.2.3 Xử lý nhiệt hợp kim nhôm

Ký hiệu trạng thái gia công và hóa bền của hợp kim nhôm, các nước phương

Tây dùng các ký hiệu sau:

 H- Hóa bền bằng biến dạng nguội, H11- H19 thuần thúy biến dạng nguội, H22-

H29 sau biến dạng nguội có ủ hồi phục, H32-H39 sau biến dạng nguội ủ ổn định hóa.

 T- Tôi và hóa già, T1- Sau biến dạng nóng tiến hành tôi rồi hóa già tự nhiên,

Trong quá trình xử lý vật liệu, các giai đoạn quan trọng bao gồm: T2 - Ủ, T3 - sau khi biến dạng nguội, vật liệu được hóa già tự nhiên; T4 - thực hiện hóa già tự nhiên; T5 và T6 - sau biến dạng nóng, vật liệu được hóa già tự nhiên; T7 - sau khi tôi, tiến hành hóa già; T8 - sau khi tôi, biến dạng nguội và hóa già nhân tạo; T9 - sau khi tôi, hóa già nhân tạo rồi thực hiện biến dạng nguội.

Mục đích của gia công nhiệt luyện là thay đổi tổ chức bên trong của chi tiết, từ đó cải thiện tính chất của nó Hợp kim nhôm không có chuyển biến thù hình, vì vậy quá trình nhiệt luyện hóa bền hợp kim nhôm dựa vào đặc tính hình thành dung dịch rắn quá bão hòa và quá trình phân hóa để tạo ra các pha phân tán bền Các phương pháp nhiệt luyện chính cho hợp kim nhôm bao gồm ủ, tôi và hóa già.

Ủ nhôm và hợp kim nhôm là quá trình nhiệt luyện quan trọng, bao gồm việc nung nóng hợp kim đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt và làm nguội chậm để đạt được tổ chức cân bằng Trong nhôm và hợp kim nhôm, các dạng tổ chức không cân bằng thường gặp có thể ảnh hưởng đến tính chất cơ học và hiệu suất của vật liệu.

- Tổ chức không cân bằng sau đúc gồm thiên tích, các tổ chức cùng tinh hoặc bao tinh thừa…

- Tổ chức không cân bằng sau biến dạng dẻo.

- Tổ chức không cân bằng sau nhiệt luyện.

Khử bỏ các dạng tổ chức không cân bằng này, có các công nghệ ủ tương ứng sau:

Đồng đều hóa là quá trình nhiệt luyện đầu tiên sau khi đúc, bao gồm việc nung nóng chi tiết đến nhiệt độ đồng đều hóa, giữ nhiệt trong một khoảng thời gian nhất định và sau đó tiến hành làm nguội.

Nguyên tắc chọn nhiệt độ ủ đồng đều hóa, cần đảm bảo năng suất cao, chất lượng tổ chức nhận được tốt.

Theo giản đồ hình 1.2, nhiệt độ ủ đồng đều hóa được chọn trong khoảng t 1< t đđ < t đúc

Hình 1.2 Giản đồ chọn nhiệt độ đồng đều hóa t đđ

Làm nguội sau khi giữ nhiệt có thể thực hiện trong lò hoặc ngoài không khí Việc nguội nhanh giúp đảm bảo độ dẻo cao và tăng hiệu ứng ép trong quá trình gia công áp lực.

Khi đồng đều hóa các hợp kim nhôm chứa kim loại chuyển tiếp, xảy ra hai quá trình:

Quá trình đầu tiên trong sản xuất hợp kim là sự hòa tan của các nguyên tố như Cu, Zn, Mg, Si vào dung dịch rắn, giúp đồng đều hóa thành phần trong thỏi kim loại.

 Quá trình thứ hai bao gồm tiết ra các nguyên tố kim loại chuyển tiếp như Mn,

Ti, Zr,… ở dạng hợp chất liên kim loại Sở dĩ xảy ra quá trình thứ hai vì các

Chuyên đề tốt nghiệp về kinh tế kim loại chuyển tiếp cho thấy khả năng tạo ra dung dịch rắn quá bão hòa trong nhôm ngay từ giai đoạn kết tinh từ thể lỏng.

Các pha liên kim loại chứa kim loại chuyển tiếp nhỏ mịn, phân bố đồng đều có tác dụng nâng cao độ bền và nhiệt độ kết tinh lại.

Chế độ đồng đều hóa không chỉ tăng độ dẻo mà còn có nhiều tác động tích cực khác, bao gồm việc làm nhỏ hạt và tăng hiệu ứng ép Đặc biệt, đối với nhiều hợp kim, quá trình này còn cải thiện khả năng chống ăn mòn dưới ứng suất.

Hợp kim nhôm hệ Al-Mg

Nhôm tương tác với magie (Mg) theo giản đồ pha dạng cùng tinh với thành phần 33% Mg Ở nhiệt độ cùng tinh, độ hòa tan của Mg đạt 17,4% Hợp chất hóa học giàu nhôm nhất là β (Al3Mg2) Khi kết tinh không cân bằng do làm nguội nhanh, cùng tinh α + β (Al3Mg2) sẽ xuất hiện trong những hợp kim có thành phần khoảng 5 đến 6%.

Mg [1] Để loại bỏ tổ chức không cân bằng này, người ta dùng phương pháp ủ đồng đều hóa.

Khi hợp kim chứa các thành phần như Mg, Si và Fe, trong cấu trúc của chúng có thể hình thành các pha như Al, Mn: Mg2Si và pha phức tạp AlFeSiMn.

Magie (Mg) có khả năng cải thiện độ bền của hợp kim một cách đáng kể Khi hàm lượng Mg tăng lên, độ bền của hợp kim cũng gia tăng, đạt mức tối đa khi chứa 16% Mg Mặc dù độ dẻo giảm khi hàm lượng Mg tăng, nhưng vẫn duy trì giá trị khá cao ở nồng độ từ 11-12% Mg.

Hiệu quả hóa bền của hợp kim nhôm qua quá trình nhiệt luyện đạt được tối ưu khi hàm lượng Mg vượt quá 8% Tuy nhiên, hàm lượng Mg cao cũng làm tăng độ nhạy cảm của hợp kim với hiện tượng ăn mòn do ứng suất, dẫn đến giảm khả năng ứng dụng thực tế.

Hình 1.5 Giản đồ pha Al-Mg

Hình 1.6 Ảnh hưởng của Mg đến cơ tính của Al

Tổ chức của những pha hợp kim này đặc trưng bởi mạng pha β ( Al 3 Mg 2 ) bao quanh hạt α

Trong kỹ thuật thường ứng dụng các hợp kim với lượng Mg nhỏ hơn 6%.

Do lượng Mg nhỏ và hiệu ứng hóa bền khi tôi và hóa già quá nhỏ, nên thực tế đã bị bỏ qua Để nâng cao chất lượng của hợp kim, người ta thường hợp kim hóa thêm các nguyên tố như Mn, Ti, Cr và Zr.

Mn, Cr làm tăng bền hợp kim Khoảng 0,3 ÷ 0,5%Mn hoặc 0,1 ÷ 0,2%Cr làm giới hạn bền tăng thêm 20 ÷ 25MPa Các nguyên tố này tương tác với Al tạo ra pha

Al 6 Mn , Al 7 Cr phân tán làm tăng nhiệt độ kết tinh lại, giảm kích thước hạt và gây hóa bền mạnh Ar và Ti có tác dụng làm nhỏ hạt, cản trở sự tạo vết nứt khi hàn và cải thiện cơ tính mối hàn Ngoài ra, các nguyên tố này còn ngăn cản pha β ( Al 3 Mg 2 ) phân bố ở dạng mạng theo biên giới hạt α Do vậy chúng nâng cao khả năng chống ăn mòn dưới tác dụng của ứng suất

Si với một lượng nhỏ có tác dụng tốt, cải thiện tính hàn.

Natri (Na) là một nguyên tố có hại, do độ hòa tan trong nhôm rất thấp Khi kết tinh, natri thường được tiết ra ở vùng giữa các nhánh cây, tạo thành lớp có nhiệt độ nóng chảy thấp, khoảng

96 ̊ C Tổ chức này là nguyên nhân gây ra nứt nóng.

Fe và Cu là những tạp chất có hại Đồng làm tăng bền hợp kim không đáng kể nhưng làm giảm mạnh khả năng chống ăn mòn.

Người ta quy định lượng Cu trong hợp kim nhôm với magie không vượt quá 0,05 ÷ 0,1%.

Kẽm với hàm lượng nhỏ giúp nâng cao giới hạn chảy và khả năng chống ăn mòn dưới ứng suất Hợp kim Al-Mg nổi bật với cơ tính tổng hợp tốt, độ bền cao, độ dẻo lớn, khả năng chống ăn mòn ổn định và tính hàn ưu việt Ngoài ra, các hợp kim này còn có khả năng chống rung động hiệu quả và giới hạn mỏi lớn, gần tương đương với họ đura.

Một nhược điểm của hệ hợp kim này là giới hạn chảy thấp Để cải thiện giới hạn chảy, có thể tăng hàm lượng Mg và sử dụng các nguyên tố hợp kim, đồng thời áp dụng biến cứng với mức độ biến dạng từ 20-30%.

Tổng quan về hợp kim nhôm AA5083

Hợp kim nhôm thương mại AA5083, thuộc hệ Al-Mg, được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và công nghiệp, đặc biệt trong chế tạo vỏ thùng, chi tiết xe hơi, các bộ phận phức tạp trên máy bay và vỏ tàu Do tính chất của hợp kim này là không thể xử lý nhiệt để tăng cường độ bền, phương pháp hóa bền biến dạng thường được áp dụng để cải thiện độ bền của vật liệu.

Hình 1.7 Thành phần hợp kim AA5083 Bảng 1.2 Tính chất vật lý và cơ tính của hợp kim nhôm AA5083

Giới hạn kéo (MPa) 242 Sự dãn nở nhiệt 23.7x10 -6 /K

Giới hạn chảy (Mpa) 145 Nhiệt độ sôi 650 o C Độ giãn dài tương đối 12% Hệ số dẫn nhiệt 138W/m.K

Mô đun đàn hồi (Gpa) 70 Điện trở 0.0495x10 -6 Ω.m

Hợp kim nhôm AA5083 là một loại hợp kim biến dạng không hóa bền thuộc hệ Al-Mg, được làm hóa bền qua quá trình làm lạnh Đây là loại hợp kim nhôm nhẹ nhất với độ bền trung bình, có thể được cải thiện thông qua biến dạng nguội Hợp kim này có khả năng hàn tốt và có khả năng biến dạng nóng, lạnh hiệu quả Ngoài ra, AA5083 còn có khả năng chống ăn mòn, bao gồm cả khả năng chống ăn mòn trong môi trường nước muối và nước biển, có thể được nâng cao thêm bằng phương pháp anod hóa.

1.4.2 Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim

Magiê (Mg) là nguyên tố quan trọng trong việc tăng cường độ bền của hợp kim nhôm, giúp giảm giới hạn bền mỏi mà không làm giảm độ dẻo Độ hòa tan của Mg trong Al đạt 17.4% ở 577 o C và 2.95% ở 250 o C, tạo ra dung dịch rắn α với độ bền cao hơn nhôm nguyên chất Tuy nhiên, hàm lượng Mg cao có thể dẫn đến sự hình thành pha kết tủa β (Mg2Al3) không có lợi, vì vậy thường chỉ sử dụng dưới 4% Mg để tránh ăn mòn Khi Mg và Si cùng hiện diện, pha Mg2Si có thể được tạo ra, giúp tăng cường độ bền cho hợp kim, nhưng nếu quá nhiều sẽ làm giảm độ dẻo Đối với hợp kim AA5052, do hàm lượng Si thấp, pha Mg2Si không nhiều nên tác dụng hóa bền không đáng kể.

Sắt (Fe) thường xuất hiện với hàm lượng 0.1-0.4% trong hợp kim nhôm, đặc biệt là các hợp kim nhôm biến dạng Sự xâm nhập của sắt vào hợp kim nhôm có thể xảy ra từ nguyên liệu đầu vào hoặc do hòa tan trong quá trình nấu luyện với nồi gang thép Sắt ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học và lý tính của hợp kim, tạo ra pha Al3Fe rất giòn, kết tinh dưới dạng hình kim thoi lớn Sự hiện diện của pha này (α + Al3Fe) có thể xảy ra ngay cả khi hàm lượng sắt thấp.

Chuyên đề tốt nghiệp về kinh tế nhỏ và phân bố đều theo biên giới hạt cho thấy rằng tổ chức này cải thiện độ bền và độ cứng của hợp kim nhôm, nhưng lại giảm tính dẻo, một chỉ tiêu quan trọng Đồng thời, sự hiện diện của sắt (Fe) trong hợp kim nhôm làm tăng nhạy cảm với ăn mòn điện hóa do chênh lệch thế điện cực giữa Al và FeAl3, và cũng làm tăng nhiệt độ kết tinh lại.

Silic (Si) hòa tan rất ít vào nhôm, chỉ 1.65% ở 577 o C và 0.05% ở 250 o C Trong hợp kim nhôm biến dạng, hàm lượng Si thường dao động từ 0.2-1.2% Si ở mức thấp hòa tan vào nhôm tạo ra dung dịch rắn với độ bền cao hơn nhôm nguyên chất và vẫn giữ được độ dẻo tốt Tuy nhiên, khi hàm lượng Si tăng, sẽ hình thành cùng tinh (α+Si) với các hạt Si dạng kim hoặc hạt (nếu biến tính), có độ bền cao hơn α nhưng độ dẻo kém Sự hiện diện đồng thời của Fe và Si dẫn đến sự hình thành các pha liên kim loại α(Al-Fe-Si) và β(Al-Fe-Si) giòn, làm giảm độ dẻo và tính ổn định chống ăn mòn của hợp kim nhôm Cuối cùng, khi hàm lượng Si tăng, hệ số giãn nở nhiệt và độ dẫn nhiệt của hợp kim cũng giảm.

Và cải thiện tính chảy lỏng của hợp kim

Mangan (Mn) có khả năng giảm thiểu tác động tiêu cực của sắt (Fe) và tăng cường khả năng chống ăn mòn ứng suất Theo giảng đồ pha Al-Mn, Mn có thể hòa tan trong nhôm, hình thành dung dịch α với độ hòa tan tối đa đạt 1.8% ở 650°C, nhưng giảm nhanh chóng trong khoảng nhiệt độ từ 450-650°C, là vùng nhiệt độ tôi của nhiều hợp kim nhôm công nghiệp Sự hiện diện của Fe và Si cũng làm giảm độ hòa tan của Mn trong dung dịch rắn α.

Chromium (Cr) được bổ sung để cải thiện độ dai va đập, độ cứng và khả năng chống ăn mòn tinh giới cũng như ăn mòn khí quyển, ngay cả trong môi trường nước biển Hàm lượng đồng (Cu) khoảng 0.10% giúp giảm thiểu ăn mòn cục bộ Kẽm (Zn) với hàm lượng khoảng 0.10% không ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn nhưng lại tăng cường khả năng đúc và độ bền của vật liệu.

1.4.3 Ủ đối với hợp kim nhôm AA5083

Hợp kim nhôm AA5083 sau khi đúc được ủ đồng đều hóa để giảm thiểu các thiên tích và tổ chức tinh thể thừa Phôi sau khi cán được ký hiệu là H1x (x từ 1 đến 9), cho thấy quá trình biến dạng nguội thuần túy với mức độ khác nhau.

Chuyên đề tốt nghiệp nghiên cứu về các loại biến dạng nguội H2x (x từ 2 đến 9) và quá trình ủ hồi phục, cùng với H3x (x từ 2 đến 9) liên quan đến ổn định hóa Sau khi hoàn tất, sản phẩm sẽ được đóng gói và đưa ra thị trường dưới dạng tấm thương mại Phôi được sử dụng đã trải qua biến dạng thuần túy H1x, dẫn đến quá trình hóa bền biến dạng, từ đó làm tăng độ bền cho hợp kim.

Nghiên cứu này tập trung vào quá trình ủ hồi phục và ủ kết tinh lại nhằm loại bỏ các yếu tố ảnh hưởng đến công nghệ gia công chế tạo sau này Cụ thể, nó khảo sát khoảng nhiệt độ tác động đến quá trình ủ hồi phục và ủ kết tinh lại của vật liệu, từ đó xác định nhiệt độ tối ưu cho các giai đoạn gia công tiếp theo Ủ hồi phục là quá trình nhiệt luyện giúp giảm sai lệch mạng, mật độ lệch và ứng suất dư, đồng thời ổn định tổ chức lệch mà không làm thay đổi đáng kể cơ tính của kim loại Trong khi đó, ủ kết tinh lại nhằm thu được tổ chức kết tinh cho hợp kim nhôm AA5083, thường được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết thúc kết tinh Quá trình này tạo ra các hạt mới đồng đều, hỗ trợ cho các quá trình biến dạng sau Đặc biệt, độ hạt trong quá trình ủ ảnh hưởng lớn đến cơ tính của vật liệu, với ba yếu tố chính tác động đến tổ chức tế vi cần được xem xét.

Mức độ biến dạng ảnh hưởng đến kích thước hạt sau khi ủ kim loại; kim loại biến dạng dẻo mạnh sẽ tạo ra hạt nhỏ hơn do sự xô lệch mạng mạnh mẽ tạo ra nhiều mầm Để đạt được năng suất cao, người ta thường áp dụng lượng ép lớn nhằm tạo ra hạt nhỏ khi kết tinh Ngược lại, biến dạng nhỏ với lượng ép chỉ từ 2-8% sẽ tạo ra ít vùng xô lệch, dẫn đến hạt lớn hơn Độ biến dạng này được gọi là độ biến dạng tới hạn và thường cần phải tránh.

 Nhiệt độ ủ: nhiệt độ ủ càng cao tốc độ tạo mầm và phát triển mầm đều tăng nhưng tốc độ phát triển tăng nhanh hơn nên hạt to nên.

 Thời gian giữ nhiệt: Thời gian giữ nhiệt tại nhiệt độ ủ càng dài càng có điều kiện cho hạt phát triển nên hạt càng lớn

Nhiệt độ kết tinh lại là nhiệt độ tối thiểu mà tại đó quá trình kết tinh (tạo mầm và phát triển mầm) diễn ra với tốc độ đáng kể Quá trình này phụ thuộc vào sự dịch chuyển xa của nguyên tử, vì vậy nhiệt độ kết tinh lại liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ nóng chảy của kim loại Mối quan hệ này được thể hiện qua một biểu thức cụ thể.

Hệ số a phụ thuộc vào độ sạch kim loại, mức độ biến dạng và thời gian giữ nhiệt, với Ts là nhiệt độ nóng chảy của kim loại Trong điều kiện thường gặp, khi mức độ biến dạng lớn (> 40-50%) và thời gian giữ nhiệt khoảng 1-2 tiếng, hệ số a cho kim loại nguyên chất kỹ thuật là khoảng 0.4, cho kim loại tinh khiết là 0.2−0.3, và cho hợp kim là 0.5-0.8 Độ biến dạng càng lớn và thời gian ủ càng dài thì hệ số a càng nhỏ Dựa trên lý thuyết này, có thể tính toán nhiệt độ ủ cần thiết để khôi phục các tính chất ban đầu của kim loại và hợp kim, điều này rất quan trọng trong công nghệ gia công kim loại Cần khảo sát khoảng nhiệt độ ủ thích hợp cho hợp kim nhôm AA5083.

Phương pháp hóa bền với hợp kim nhôm

Các phương pháp hóa bền tạo ra các yếu tố cản trở và sản sinh sự lệch đều, là nguyên nhân chính dẫn đến hóa bền cho vật liệu Một số phương pháp hóa bền đối với vật liệu kim loại đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi.

Hóa bền biến dạng xảy ra khi quá trình biến dạng tạo ra lệch không ngừng, làm tăng mật độ lệch Khi chuyển động trên nhiều hệ trượt khác nhau, lệch gặp chướng ngại vật hoặc cắt nhau, dẫn đến tình trạng dồn ứ và khó khăn trong chuyển động, hình thành rừng lệch Rừng lệch này cản trở sự chuyển động của các lệch khác, yêu cầu tăng ứng suất để tiếp tục di chuyển Trường ứng suất từ các lệch bị dồn ứ cũng góp phần vào hóa bền biến dạng Mối quan hệ giữa mật độ lệch và giới hạn bền của vật liệu được thể hiện qua công thức: Δσy = M.α.G.b√ ρ D.

Chuyên đề tốt nghiệp Kinh tế đề cập đến hệ số Taylor (M), một hằng số thường có giá trị từ 0,1 đến 0,5 Bên cạnh đó, G là mô đun cắt, b là véc tơ Burgers và ρD là mật độ lệch.

- Biên giới hạt vừa là nguồn lệch, vừa là chướng ngại vật ngăn cản sự chuyển động của lệch góp phần dẫn đến hóa bền biến dạng

Hóa bền dung dịch rắn là quá trình khi nguyên tố thứ hai hòa tan vào mạng tinh thể kim loại, tạo ra dung dịch rắn (thay thế hoặc xen kẽ), dẫn đến sự tăng xô lệch mạng, từ đó nâng cao độ bền và độ cứng của hợp kim Tuy nhiên, hiệu ứng này thường đi kèm với sự giảm độ dẻo và độ dai, vì vậy việc lựa chọn hàm lượng phần trăm nguyên tố hợp kim cần được tối ưu hóa để đạt được hóa bền cao nhất mà không làm giảm độ dẻo và độ dai của hợp kim.

Việc tạo ra các pha cứng phân tán trong hợp kim thông qua việc thêm một số nguyên tố với hàm lượng nhỏ có thể tạo ra các pha hợp chất cứng với kích thước rất nhỏ và độ phân tán cao Những pha này hoạt động như các chất cản trở sự chuyển động của lệch, góp phần tăng cường độ bền và độ cứng của hợp kim, đồng thời làm giảm độ dẻo của nó.

Làm nhỏ hạt trong hợp kim có thể tạo ra cấu trúc vi mô với các hạt tinh thể kích thước nhỏ hơn, từ đó làm tăng tổng diện tích bề mặt biên giới hạt Hiện tượng này dẫn đến hiệu ứng tăng cường độ bền, được giải thích qua biểu thức Hall-Petch.

Cơ chế tăng bền do làm nhỏ hạt mang lại nhiều lợi ích nổi bật, bao gồm việc cải thiện đồng đều tất cả các chỉ tiêu về độ bền, độ dẻo và độ dai của hợp kim Sự giảm kích thước hạt giúp giảm nguy cơ hình thành vết nứt tại biên giới hạt, nhờ vào việc giảm thiểu sự tập trung ứng suất cục bộ và sự tập trung các đường lệch.

Vai trò của biên giới hạt trong đa tinh thể là rất quan trọng, khi các lệch chuyển động bị dừng lại và tạo thành một tập hợp lệch Tập hợp lệch này tạo ra trường ứng suất bổ sung, tác động cùng với ngoại lực Khi hợp lực đủ lớn, nó kích thích nguồn lệch trong các hạt lân cận, cho phép quá trình biến dạng dẻo được truyền từ hạt này sang hạt khác Tuy nhiên, quá trình này trở nên khó khăn hơn khi kích thước hạt giảm, do số lượng lệch trong tập hợp giảm và trường ứng suất bổ sung yếu đi Mối quan hệ giữa ứng suất chảy của đa tinh thể và kích thước hạt d được mô tả bởi biểu thức Hall-Petch.

Chuyên đề tốt nghiệp Kinh tế σ y =σ 0 + k y d

Công thức (1.2) thể hiện mối quan hệ giữa độ bền vật liệu và kích thước hạt, cho thấy rằng độ bền tăng mà không làm thay đổi thành phần hóa học của vật liệu, áp dụng cho kích thước hạt từ 20 nm đến 10 microns Trong vật liệu cấu trúc nano, các hạt có kích thước nhỏ khiến sự hoạt động của lệch ở biên giới hạt trở nên tích cực hơn, dẫn đến độ bền cao hơn do chuyển động khó khăn của các lệch Độ cứng và độ bền của kim loại phụ thuộc vào kích thước hạt và cấu trúc vi mô, với kim loại có kích thước hạt nhỏ hơn 10 nm và cấu trúc dạng {111} có độ bền cao hơn Quy luật này được thể hiện qua lý thuyết Hall-Petch, khẳng định rằng việc cải thiện cơ tính của vật liệu thông qua phương pháp làm nhỏ hạt, đặc biệt là hạt siêu mịn, đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ.

Hợp kim nhôm AA5083 là loại hợp kim không thể cải thiện độ bền bằng các phương pháp hóa bền nhiệt luyện như hóa bền dung dịch rắn hay tạo pha cứng phân tán Để nâng cao độ bền của hợp kim này, hai phương pháp chính được áp dụng là hóa bền biến dạng và làm nhỏ hạt.

Tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm sau khi biến dạng

Hợp kim nhôm AA5083 nổi bật với độ dẻo cao, dễ dàng tạo hình trong gia công áp lực Quá trình biến dạng dẻo không chỉ tạo hình sản phẩm mà còn làm thay đổi cấu trúc tổ chức, ảnh hưởng đến tính chất vật liệu Sau khi biến dạng, hợp kim nhôm thể hiện các đặc điểm như định hướng hình học của hạt, sự hình thành các pha thứ hai, và tăng cường mật độ lệch, giúp giảm thiểu khuyết tật đúc và cải thiện độ đồng đều tổ chức.

Sự định hướng hình học của hạt và các phần tử pha thứ hai ảnh hưởng đến hình dạng của tinh thể trong quá trình gia công biến dạng Các phương pháp định hình khác nhau sẽ tạo ra các hình dạng tinh thể đa dạng; chẳng hạn, trong quá trình kéo dây, các dây kim loại tinh thể có dạng dẹt dài như sợi Các phần tử pha liên kim loại sẽ phân bố theo sự định hướng của hạt, sắp xếp kéo dài theo phương biến dạng chính.

Sự định hướng tinh thể học của nhôm sau khi gia công biến dạng chủ yếu là {111} , với quá trình cán cho thấy sự định hướng theo chiều trục các phương tinh thể [111] và [100] Đa số các hạt định hướng theo phương [111] song song với trục cán, trong khi 5-30% các hạt còn lại định hướng theo phương [100] Đối với các tấm cán, quan sát thấy sự định hướng TEXTUA (110) [112], trong đó các mặt (110) của hạt song song với mặt tấm cán và phương [112] song song với phương cán Mức độ TEXTUA biến dạng được xác định bởi số lượng các hạt có định hướng tinh thể theo phương biến dạng, và mức độ này tăng lên khi nhiệt độ và mức biến dạng tăng đến một giá trị giới hạn.

Trong trạng thái ủ, mật độ lệch trong hợp kim nhôm dao động từ 10^7 đến 10^8 cm^-2 Sau quá trình gia công biến dạng, mật độ lệch có thể tăng lên tới 10^10 - 10^11 cm^-2 Tổ chức lệch trong hợp kim nhôm phụ thuộc vào trạng thái biến dạng; trong biến dạng nguội, tổ chức này có dạng tổ ong với các búi lệch làm biên giới các ô Ở trung tâm ô, mật độ lệch nhỏ và bao gồm các lệch phân bố rời rạc Sau quá trình biến dạng nóng, tổ chức lệch thay đổi do sự hồi phục, với lệch tạo thành các vách lệch, hình thành biên giới siêu hạt, trong khi bên trong thể tích siêu hạt hầu như không chứa lệch Mật độ lệch trong hợp kim nhôm biến dạng nóng đạt khoảng 10^9 cm^-2.

Phôi sau khi đúc thường gặp khuyết tật như độ hạt không đồng đều, thiên tích thành phần, rỗ co, rỗ khí và vật lẫn xỉ hay oxit Trong quá trình gia công biến dạng, tổ chức của phôi đúc trở nên nhỏ mịn, sít chặt, với mật độ cao hơn và đồng nhất hơn so với trạng thái ban đầu Quá trình biến dạng nóng hoặc nguội giúp giảm thiểu tổ chức thiên tích dạng nhánh cây trong đúc, đồng thời làm liền các rỗ xốp và bọt khí Tính chất của hợp kim nhôm cũng có sự thay đổi đáng kể sau khi trải qua quá trình biến dạng.

Chuyên đề tốt nghiệp Kinh tế mạnh tập trung vào các hợp kim nhôm chứa kim loại chuyển tiếp, đặc trưng bởi tổ chức biến dạng ổn định do nhiệt độ kết tinh lại cao Nhiệt độ và phương pháp biến dạng có ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim nhôm Quá trình biến dạng nguội dẫn đến sự hóa bền nhờ tích tụ lệch, giúp tăng độ bền cho các chi tiết nhôm và hợp kim nhôm Tuy nhiên, sau biến dạng, hoạt động hóa học của nhôm gia tăng, làm cho nó nhạy cảm với một số dạng ăn mòn như ăn mòn biên giới và ăn mòn dưới ứng suất Tính chất của các chi tiết và bán thành phẩm nhôm thay đổi theo phương biến dạng, với độ bền, độ dẻo và tính ổn định chống ăn mòn cao nhất theo phương biến dạng chính Đối với tâm nhôm cán, độ bền theo phương tạo thành 45 độ so với phương cán là nhỏ nhất, cho thấy sự ảnh hưởng của tính dị hướng cơ tính chủ yếu do cấu trúc tinh thể học.

Ứng dụng của hợp kim nhôm ma giê

Hợp kim nhôm có ứng dụng phong phú trong đời sống hàng ngày và các ngành công nghiệp nhẹ cũng như nặng Vai trò của hợp kim nhôm rất quan trọng, với nhiều ứng dụng phổ biến trong các lĩnh vực khác nhau.

Hình 1.8 Các ứng dụng hợp kim nhôm trong đời sống Bảng 1.3 Ứng dụng của hợp kim nhôm [8]

AA5005 (0.8%Mg) Dụng cụ, kiến trúc, dẫn điện,…

AA5052 (0.25 Mg) Gia công tấm kim loại, ống thủy lực, dụng cụ,…

AA5056(5.1% Mg) Vỏ bọc cáp, lớp phủ ngoài cho tấm Magie, khóa kéo,…

Hàn ống áp lực, tàu, thiết bị giao thông vận tải, tháp truyền hình, giàn khoan, máy lạnh tự động,…

AA5154 (3.5% Mg) Bể chứa, bình áp lực,…

AA5152 (5% Mg) Vỏ thân ô tô,…

AA5454 (2.7% Mg) Bồn chứa cho các sản phẩm gia nhiệt, bình chịu áp lực,…

AA5456 (5.1% Mg) Bình chịu áp lực, hàng hải, cấu trúc hàn có độ bền cao,…

AA5652 (2.7% Mg) Bình đựng hóa chất,…

Tổng quan về đề tài nghiên cứu

Nghiên cứu về tính chất cơ học của hợp kim nhôm đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu trong những năm gần đây Mặc dù có nhiều công trình tập trung vào sự thay đổi cơ tính của hợp kim nhôm, nhưng vẫn còn hạn chế các công bố liên quan đến sự thay đổi cơ tính của hợp kim này trong điều kiện ủ.

Mhedhbiet et al [13] đã nghiên cứu sự thay đổi tổ chức của hợp kim nhôm 1050 qua quá trình cán nguội và kết hợp với ủ Nghiên cứu này tập trung vào cấu trúc, độ cứng vi mô và giới hạn bền của vật liệu, với kết quả quan trọng nhất là mức độ biến dạng được phân tích Các hạt kim loại kéo dài theo hướng cán, và mức độ biến dạng giảm dần trong mỗi lần cán do biến cứng gia tăng Điều này cho thấy độ bền của vật liệu tăng lên đáng kể trong khi độ dẻo giảm Cụ thể, khi mức độ biến dạng đạt 66%, giới hạn bền kéo của vật liệu đạt 160 MPa, với độ cứng vi mô tương ứng.

Sau quá trình cán nguội và xử lý nhiệt, hợp kim nhôm HV0.3 có độ giãn dài tăng lên 36%, mặc dù giới hạn bền kéo giảm xuống còn 86 MPa Nghiên cứu sử dụng chụp ảnh SEM và DRX để xác định sự hình thành pha thứ hai trong nền nhôm, cho thấy sự gia tăng hàm lượng pha thứ hai theo nhiệt độ Hiện tượng biến cứng giảm đi, cho thấy sự cải thiện rõ rệt về tính chất cơ học của hợp kim.

Nghiên cứu của Singh et al [14] đã chỉ ra sự thay đổi tính chất cơ học của nhôm 6061 qua các thí nghiệm trên nhiều chi tiết hàn khác nhau Kết quả cho thấy độ dính kết của các mối hàn khi sử dụng hợp kim nhôm cao hơn đáng kể Cơ tính của mối hàn được kiểm tra thông qua thí nghiệm kéo, cho thấy độ bền kéo của mối hàn phụ lớn nhất Ngoài ra, tốc độ hàn và hình dạng mối hàn cũng ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu hàn là hợp kim nhôm 6061.

Nghiên cứu của Patnaik et al [15] chỉ ra rằng hàm lượng Ti và B trong hợp kim nhôm ma giê có tác dụng làm nhỏ hạt và thay đổi cơ tính của vật liệu Cụ thể, độ cứng, độ bền và độ dai va đập của hợp kim chịu ảnh hưởng trực tiếp từ hàm lượng Al-5Ti-1B được thêm vào.

Nghiên cứu của Ertug & Kumruoglu [16] về khả năng chống ăn mòn của hợp kim nhôm 5083 và nhôm 1100 trong môi trường nước biển đã chỉ ra rằng hợp kim nhôm 5083 dễ bị ăn mòn hơn so với nhôm 1100 Điều này nhấn mạnh vai trò quan trọng của biên giới liên kim trong việc phá vỡ liên kết hạt trong môi trường nước biển Hơn nữa, nhôm 1100 cho thấy khả năng chống ăn mòn tốt hơn khi nhiệt độ dưới 60 °C Nghiên cứu cũng cho thấy rằng với sự gia tăng nhiệt độ, xu hướng vật liệu bị ăn mòn cũng tăng theo Kết quả thí nghiệm điện phân cho thấy tốc độ ăn mòn của cả hai loại hợp kim đều thấp dưới điều kiện áp suất cao.

Nikolaevich el at [17] đã nghiên cứu độ bền của các chi tiết ô tô chế tạo từ hợp kim 5xxx và 6xxx, so sánh với các chi tiết làm từ thép, đồng thời chỉ ra ưu nhược điểm của từng loại vật liệu Nghiên cứu cũng đề xuất các phương pháp cải thiện độ bền thông qua xử lý nhiệt như ủ, tôi, ram và hóa già Tuy nhiên, các khuyến cáo từ nghiên cứu chỉ mang tính dự báo và chưa có kết luận kiểm chứng.

Nghiên cứu của Wang et al [18] tập trung vào tác động của ma sát và mài mòn đối với độ bền của hợp kim nhôm 5083 sau khi cán nguội Các thí nghiệm được tiến hành trên các tấm nhôm có độ dày từ 3 đến 6 mm, được ủ ở các nhiệt độ khác nhau, trong khi giữ nguyên hệ số ma sát và điều kiện thí nghiệm Thí nghiệm cũng được thực hiện trong các điều kiện hệ thống tương đồng để đảm bảo tính chính xác của kết quả.

Chuyên đề tốt nghiệp về Kinh tế số tập trung vào nghiên cứu nhiệt độ ủ trong thí nghiệm Kết quả cho thấy hợp kim nhôm ma giê bị chia tách ở bề mặt và biên giới hạt, với độ bền vật liệu không cải thiện nhiều sau xử lý nhiệt Phân tích XRD không phát hiện sự chuyển biến pha khi thay đổi nhiệt độ ủ Đặc biệt, một lớp oxy hóa dày được hình thành trên bề mặt mẫu, và độ cứng của vật liệu giảm khi nhiệt độ ủ tăng.

Trong nghiên cứu về khả năng chống ăn mòn của các hợp kim nhôm AlMg2.5, AlMg5Mn và AlZn5Mg1, AlZn5Mg cho thấy khả năng chống ăn mòn tốt nhất Phương pháp đo độ ăn mòn được thực hiện bằng điện phân anot trong dung dịch 3,5% NaCl ở nhiệt độ phòng, sử dụng điện cực calomel bão hòa (SCE) và điện cực phụ bằng bạch kim Sau đó, mẫu được đo độ cứng để xác định tính chất cơ học, và bề mặt mẫu sau khi ăn mòn được kiểm tra bằng máy hiển vi điện tử quét DSM 940 OPTION Kết quả cho thấy mẫu AlZn5Mg1 bị ăn mòn nhiều nhất trong dung dịch 3,5% NaCl, và việc tăng hàm lượng ma giê trong vật liệu dẫn đến khả năng chống ăn mòn giảm.

Kết luận

Nhôm và hợp kim nhôm được sử dụng phổ biến nhờ khả năng chống ăn mòn, trọng lượng nhẹ và khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, đặc biệt trong ngành điện Tuy nhiên, độ bền thấp và khó khăn trong điều kiện nhiệt độ cao đã hạn chế ứng dụng của chúng Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để cải thiện những nhược điểm này, chủ yếu thông qua hợp kim hóa và thêm các nguyên tố đặc biệt Một số nghiên cứu đã xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến khả năng biến dạng và cơ tính của hợp kim nhôm ma giê, nhưng kết quả vẫn còn hạn chế và thiếu các giải thích thuyết phục về cơ chế tăng cường độ bền Luận văn này sẽ tập trung vào việc giải quyết những vấn đề này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO CHƯƠNG 1

[1] " J Polmear, Light Alloys, Metallurgy of the Light Metal Alloys, Third Edition, Butterworth-Heinemann: Oxford (1995)."

[3] "L.F Mondolfo, Aluminum alloys: structure and properties, Butherworth , London (1976)"

[4] N Dimitrov, J.A Mann and K Sieradzki, J Electrochem Soc., 146, 1, p 98

[5] "W S Miller, L Zhuang, J Bottema, A J Witterbrood, P De Smet, A. Haszler and K Vieregge, Mater Sci And Eng., A280, pp.37 (2000)"

[7] "M.J Robinson and N.C Jackson, Br Corros J.,5XXX aluminium alloys 34,

[8] "M C Carroll, P I Gouma, M J Mills, G S Daehn and B R Dunbar, Scripta Mater., 42,335-340 (2000)"

[9] "Metals Handbook Vol 2, Properties and selection: Non-ferrous alloys and special purpose materials, ASM international 10th edition (1990)"

[10] "W.D Fei and S.B Kang, Scripta Mater., 34, 3, p 357 (1996)"

[11] "Y A Filatov, V.I Yelagin and V.V Zakharov, Materials Science and Engineering A, 280, p 97 (2000)"

[12] "Z Ahmad, A Ul-Hamid and A Aleem, Corrosion Science, 43, p 1227 (2001)"

In their 2017 study published in the Journal of Materials and Environmental Sciences, Mhedhbi, Khlif, and Bradai investigated the evolution of microstructural and mechanical properties in AA1050 alloy sheets subjected to cold-rolling and heat treatment annealing Their research provides valuable insights into the effects of these processes on the material's characteristics.

[14] "Singh H., Verma M., SidhuH S., Singh D., (2016), Experimental

Investigation for Mechanical Properties of Aluminium Alloy Al 6061 Considering Different Parameters of FSW, International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), 3(2), pp 635-"

[15] "Amulya Bihari Pattnaik, S D (2015) Effect of Al–5Ti–1B grain refiner on the"

[16] "Ertug, B., & Kumruoglu, L C (2015) 5052 type Al-Mg and 6082 type Al- Mg-Si alloys for shipbuilding American Journal of Engineering Research, 146-150."

[17] "Nikolaevich, S A., Valerievich, A A., Igorevich, G A., Alexandrovich, S. A., & Alexandrovich, S M (2014) Advanced materials of automobile bodies in volume production European Transport, 1-27."

[18] "Wang, L., Strangwood, M., Balint, D., Lin, J., & Dean, T (2011) Formability and failure mechanisms of AA2024 under hot forming conditions Materials Science and Engineering, 2648–2656."

[19] "Kciuk, M., Kurc, A., & Szewczenko, J.(2010) Structure and corrosion resistance of aluminum AlMg2.5; AlMg5Mn and AlZn5Mg1 alloys Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 74-81."

[20] "Tiryakioglu and Staley Handbook of Aluminum: Vol 1, G.E Totten and D. Scott Mackenzie Editors, Marcel Dekker, Inc (2003)"

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Thực nghiệm quá trình kiểm tra cơ tính

Phương pháp nghiên cứu khoa học là công cụ thiết yếu trong quá trình thu thập dữ liệu và thông tin, giúp người nghiên cứu phát hiện quy luật và xu hướng mới Nghiên cứu thực nghiệm, một phương pháp truyền thống từ thế kỷ 17, đã được cải tiến qua thời gian và hiện nay cung cấp kết quả tin cậy trong các nghiên cứu khoa học.

2.1.1Thuật ngữ và định nghĩa

Chiều dài cữ (gauge length), ký hiệu L, là chiều dài của đoạn song song trên mẫu thử, nơi mà độ giãn dài được đo lường tại bất kỳ thời điểm nào trong quá trình thử nghiệm.

Chiều dài cữ ban đầu (Original gauge length), ký hiệu là Lo, được xác định là chiều dài giữa các vạch dấu trên mẫu thử, và được đo ở nhiệt độ phòng trước khi tiến hành thử nghiệm.

Chiều dài cữ cuối cùng sau khi đứt (Lu) là chiều dài giữa các vạch dấu của mẫu thử được đo ở nhiệt độ phòng sau khi đứt Hai mảnh của mẫu thử được ghép lại cẩn thận để đảm bảo các đường trục của chúng nằm trên một đường thẳng.

Chiều dài phần song song (Lc) là chiều dài của phần có tiết diện giảm đi của mẫu thử Độ giãn dài (elongation) là sự tăng lên của chiều dài cữ ban đầu tại bất kỳ thời điểm nào trong quá trình thử Độ giãn dài tương đối (percentage elongation) được tính bằng tỷ lệ phần trăm của chiều dài cữ ban đầu, Lo Độ giãn dài dư tương đối (percentage permanent elongation) là sự tăng chiều dài cữ ban đầu của mẫu thử sau khi dỡ bỏ ứng suất, cũng được biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm của chiều dài cữ ban đầu, Lo Độ giãn dài tương đối sau khi đứt (percentage elongation after fracture, A) là độ giãn dài dư của chiều dài cữ sau khi đứt (Lu - Lo), được tính bằng tỷ lệ phần trăm của chiều dài cữ ban đầu, Lo Đối với các mẫu thử tỷ lệ, nếu chiều dài đo không bằng

Trong công thức 5,65 √ S o 1), với So là diện tích mặt cắt ngang ban đầu của đoạn song song, nên thêm chỉ số dưới dòng cho ký hiệu A để chỉ rõ hệ số tỷ lệ sử dụng Ví dụ, A11,3 thể hiện độ giãn dài theo tỷ lệ phần trăm của chiều dài đo Lo.

Chiều dài cữ của máy đo độ giãn (extensomenter gauge length), Le

Chiều dài cữ ban đầu (Le) của máy đo độ giãn cần được tối ưu hóa để đảm bảo phát hiện chính xác các hiện tượng chảy trong mẫu thử Để đo các thông số giới hạn chảy và giới hạn dẻo, Le nên lớn hơn 0,50 Lo nhưng nhỏ hơn 0,9Lc Đối với các thông số “tại” hoặc “sau khi đạt được” lực lớn nhất, Le nên xấp xỉ bằng Lo Độ giãn (extension) là sự tăng chiều dài cữ (Le) trong quá trình thử nghiệm, trong khi độ giãn tương đối (strain) được tính bằng tỷ lệ phần trăm của Le Độ giãn dư tương đối (percentage permanent extension) là sự tăng chiều dài cữ sau khi dỡ bỏ ứng suất, còn độ giãn tương đối tại điểm chảy (Ae) biểu thị độ giãn giữa lúc bắt đầu chảy và bắt đầu có sự tăng bền cơ học đồng đều Cuối cùng, độ giãn tương đối tổng tại lực lớn nhất (Agt) là tổng độ giãn dài (độ giãn đàn hồi cộng với độ giãn dẻo) tại lực lớn nhất, cũng được tính bằng tỷ lệ phần trăm của chiều dài cữ (Le).

Chuyên đề tốt nghiệp Kinh tế đề cập đến độ giãn dẻo tương đối tại lực lớn nhất, được thể hiện qua tỷ lệ phần trăm chiều dài cữ của máy đo độ giãn (Le) Độ giãn dẻo ở lực lớn nhất (Ag) phản ánh khả năng biến dạng của vật liệu trước khi đứt, trong khi độ giãn tương đối tổng khi đứt (At) bao gồm cả độ giãn đàn hồi và độ giãn dẻo, cũng được biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm chiều dài cữ của máy đo độ giãn (Le).

- Tốc độ thử (Testing rate)

Tốc độ biến dạng (strain rate) được xác định bằng độ tăng của biến dạng, được đo bằng máy đo độ giãn trong chiều dài cữ của máy đo độ giãn (Le) trong một đơn vị thời gian.

Tốc độ biến dạng được đánh giá trên chiều dài đoạn song song, (estimated strain rate over the parasel length), e˙ L c

Giá trị độ tăng của biến dạng trên chiều dài phần song song, Lc, của mẫu thử được xác định theo thời gian, dựa trên tốc độ con trượt đầu kéo và chiều dài phần song song của mẫu thử.

Tốc độ con trượt đầu kéo (crosshead separation rate), vc

Khoảng dịch chuyển của con trượt đầu kéo trên (đơn vị) thời gian.

Tốc độ ứng suất (stress rate) R là độ tăng của ứng suất theo đơn vị thời gian, trong khi độ thắt tương đối (percentage reduction area) Z thể hiện sự thay đổi lớn nhất của diện tích mặt cắt ngang trong quá trình thử nghiệm, được biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm so với diện tích mặt cắt ngang ban đầu.

Lực lớn nhất (Fm) là lực tối đa mà mẫu thử phải chịu trong quá trình thử nghiệm, đặc biệt đối với các vật liệu có hiện tượng chảy không liên tục, sau khi bắt đầu xuất hiện sự tăng bền cơ học.

Trong chuyên đề tốt nghiệp về Kinh tế Ứng suất, tỷ số giữa lực và diện tích mặt cắt ngang ban đầu S0 của mẫu thử được xác định là yếu tố quan trọng tại bất kỳ thời điểm nào trong quá trình thử nghiệm.

Giới hạn bền kéo (tensile strength), Rm: Ứng suất tương ứng với lực lớn nhất,

Giới hạn chảy (yield strength) là ứng suất mà vật liệu kim loại đạt được khi bắt đầu xảy ra hiện tượng chảy, tại điểm này, vật liệu trải qua biến dạng dẻo mà không có sự gia tăng lực.

Giới hạn chảy trên (upper yield strength), ReH: Giá trị lớn nhất của ứng suất trước khi có sự giảm lần đầu tiên của lực.

Giới hạn chảy dưới (lower field strength) hay ReL là giá trị tối thiểu của ứng suất trong quá trình chảy dẻo, không tính đến các ảnh hưởng chuyển tiếp ban đầu Trong khi đó, giới hạn dẻo và độ giãn dẻo (poof strength, plastic extension), ký hiệu là Rp, là ứng suất tại đó độ giãn dẻo đạt một tỷ lệ phần trăm nhất định của chiều dài cữ của máy đo độ giãn, Le.

Đo độ cứng

Độ cứng của kim loại là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi chịu tác động của lực, và có thể được đo dễ dàng bằng các thiết bị không phá hủy mẫu Phương pháp đo độ cứng mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm tính chính xác cao và khả năng kiểm tra nhanh chóng.

Độ cứng của kim loại dẻo có thể phản ánh độ bền của chúng, cho phép chúng ta tính toán độ bền một cách gián tiếp thông qua giá trị độ cứng Brinell Phương pháp đo độ cứng này đơn giản và nhanh chóng, chỉ mất từ vài giây đến vài phút, không yêu cầu chuẩn bị mẫu thử đặc biệt và không gây hư hại cho mẫu trong quá trình thử nghiệm.

Có thể đo được chi tiết rất lớn hoặc rất nhỏ, rất dày hoặc rất mỏng (các lớp mạ, thấm…).

Tùy theo tác dụng của mũi đâm lên bề mặt mẫu, mà người ta chia ra làm nhiều phương pháp đo độ cứng khác nhau:

 Phương pháp đo độ xước

2.2.1Phương pháp đo độ cứng Brinell: Ấn một viên bi bằng thép đã được tôi cứng, lên bề mặt mẫu dưới tác dụng của tải trọng để thu được vết lõm hình chỏm cầu trên bề mặt mẫu Nếu gọi tải trọng tác động là P(N), diện tích vết lõm là S(mm2), thì số đo Brinell được tính:

Sử dụng mũi đo là viên bi thép.

Bề mặt mẫu thử phải sạch không có khuyết tật.

Hoặc có thể tính độ cứng HB theo công thức (2.8)

2.2.2 Phương pháp đo Rockwell Ấn mũi đâm kim cương hoặc hợp kim cứng hình côn, có góc ở đỉnh là hoặc viên bi thép có đường kính 1/16”, 1/8”, 1/4”, 1/2” lên bề mặt vật liệu Số đo độ cứng Rockwell được xác định bằng hiệu số chiều sâu khi tác dụng tải trọng sơ bộ

Theo dạng mũi đâm và tải trọng, độ cứng Rockwell được phân chia thành ba thang: Độ cứng Rockwell C (HRC) sử dụng mũi kim cương với tải trọng 1500N; Độ cứng Rockwell A (HRA) cũng sử dụng mũi kim cương nhưng với tải trọng 600N; Độ cứng Rockwell B (HRB) sử dụng mũi bi ỉ 1,588nm với tải trọng 1000N.

Có thể đo độ cứng của các mẫu có độ cứng cao hơn 450HB hoặc các mẫu mỏng có độ dày nhỏ hơn 1,2mm Độ cứng Rockwell có thể được xác định bằng cách sử dụng các máy chuyên dụng hoặc máy đo vạn năng.

Hình 2.13 Phương pháp đo độ cứng Brinell

Hình 2.14 Phương pháp đo độ cứng Rockwell

Phương pháp Vicker về nguyên lý đo giống như phương pháp Brinell Tải trọng sử dụng PP÷1500N phụ thuộc chiều dày mẫu đo

Thay mũi bi bằng mũi kim cương hình tháp giúp cải thiện độ chính xác trong các phép đo Phương pháp đo Vicker là kỹ thuật phổ biến để xác định độ cứng của các vật liệu mỏng và lớp thấm Đặc biệt, phương pháp này không phụ thuộc vào tải trọng, mang lại sự linh hoạt trong ứng dụng.

Diện tích vết lõm S (mm 2 ) Để thuận tiện, người ta có thể tính S thông qua đường chéo d:

Chụp ảnh hiển vi quang học

Để nghiên cứu tổ chức tế vi của kim loại, người ta sử dụng kính hiển vi kim tương, một thiết bị quang học đặc biệt Phương pháp này, gọi là phương pháp phân tích kim tương, được áp dụng để đánh giá và phân tích tổ chức tế vi của các loại kim loại.

Kính hiển vi kim tương có độ phóng đại từ 80 đến 2000 lần.

Nhờ vào kính hiển vi, chúng ta có khả năng quan sát tổ chức của các pha, sự phân bố, hình dáng và kích thước của chúng Đối với gang, việc xác định hình dáng và kích thước trở nên dễ dàng hơn.

Hình 2.15 Phương pháp đo độ cứng Vicker

Chuyên đề tốt nghiệp về kinh tế đồ thị của graphit nêu rõ những khuyết tật của vật liệu, bao gồm nứt tế vi, rỗ và các tạp chất.

Tùy theo nhiệm vụ nghiên cứu và thí nghiệm mà chúng ta chọn mẫu Yêu cầu mẫu phải đặc trưng cho vật cần nghiên cứu.

Mẫu nên ủ để có thể thể hiện các pha tốt hơn.

Mẫu có dạng hình trụ với kích thước Ф 10 ÷ 15mm, chiều cao h = 15÷20mm, hoặc hình hộp có kích thước 10 x 10 x 10mm và 15 x 15 x 15mm.

Sau khi cắt, mẫu cần được mài thô bằng đá mài hoặc giấy nhám, từ thô đến mịn Giấy nhám được phân loại theo số từ nhỏ đến lớn, với số càng lớn tương ứng với độ hạt càng mịn Các số thông dụng cho giấy nhám bao gồm 80, 100, 150, 180 và lên đến 400.

2.3.2Đánh bóng Để đánh bóng mẫu, người ta tiến hành trên máy đánh bóng Cũng tương tự như ở máy mài thô, người ta gắn một miếng dạ hay nỉ lên trên, khi đánh bóng, người ta phải cho dung dịch mài nhỏ liên tục lên miếng nỉ. Đánh bóng kéo dài cho đến khi bề mặt không còn vết xước nào Không nên đánh bóng quá lâu, dễ làm tróc các pha quá cứng hoặc quá mềm Nếu thấy trên kính hiển vi vẫn còn nhiều vết xước thì nên đánh bóng lại.

2.3.3 Đánh bóng bằng dung dịch

Nguyên tắc của đánh bóng điện phân là dùng phương pháp hòa tan anod trong dung dịch điện phân dưới tác dụng của dòng điện một chiều.

Tùy thuộc vào chế độ điện, việc đánh bóng và tẩm thực mẫu có thể thực hiện ngay trên máy Phương pháp đánh bóng điện phân mang lại bề mặt rất bóng và không gây ra lớp biến dạng, đồng thời thời gian thực hiện cũng tương đối nhanh.

Sau khi đánh bóng, mẫu cần được rửa sạch, thấm khô và sấy khô trước khi quan sát dưới kính hiển vi Qua quan sát, có thể nhận thấy trên mẫu xuất hiện các vết xước nhỏ do quá trình đánh bóng không đạt yêu cầu, cùng với các vết nứt vi mô, rỗ khí, xỉ tạp chất và một số pha tổ chức như cacbit, graphit, và chì.

Tẩm thực là quá trình sử dụng dung dịch hóa học để ăn mòn bề mặt mẫu, dẫn đến sự biến đổi hình dáng và kích thước của các pha tổ chức Trong quá trình này, các biên giới pha và vùng tổ chức bị ăn mòn với tốc độ khác nhau, tạo ra bề mặt lồi lõm đặc trưng Kết quả là, hình dáng, kích thước và sự phân bố của các pha có thể được nhận diện một cách rõ ràng.

Kết luận

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm là công cụ đánh giá chính xác nhất cho kết quả nghiên cứu Do đó, tác giả luận văn đã áp dụng phương pháp này để phân tích và đưa ra kết quả đáng tin cậy.

TÀI LIỆU THAM KHẢO CHƯƠNG 2

[1] ISO 3183, Petroleum and natural gas industries - Steel pipe for pipeline transportation systems

[2] ISO 11960, Petroleum and natural gas industries - steel pipes for use as casing or tubing for wells

[3] ISO/TR 25679, Mechanical testing of metals - Symbols and definitions in published standards

[4] ISO/IEC Guide 98-3, Uncertainty of measurement - Part 3: Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM:1995)

[5] ISO/TTA 2, Tensile tests for discontinuously reinforced metal matrix composites at ambient temperatures

[6] ASTM A370, standard test methods and definitions for mechanical testing of steel products

[7] ASTM E8M, standard test methods for tension testing of metallic materials

[8] ASTM E1012, standard practice for verification of test frame and specimen alignment under tensile and compressive axial force application

[9] CWA 15261-2:2005, Measurement uncertainties in mechanical tests on metallic materials- The evaluation of uncertainties in tensile testing

[10] DIN 50125, Testing of metallic materials - Tensile test pieces

[11] EN 10291, Metallic materials - Uniaxial creep testing in tension - Methods of test

[12] GB/T 228, Metallic materials - Tensile testing at ambient temperature

[13] IACSW2, Test specimens and mechanical testing procedures for materials In:

Requirements concerning materials and welding, pp W2-1 to W2-10 International

Association of Classification Societies, London, 2003 Available (2008-06-26) at: http://www.iacs.org.uk/document/public/publications/unified requirements/pdf/ur w pdf159.pdf

[14] JIS Z2201, Test pieces for tensile test for metallic materials

[15] NIS 80:1994, Guide to the expression of uncertainty in testing

[16] NIS 3003:1995, The expression of uncertainty and confidence in measurement

[17] DEAN, G.D., LOVEDAY, M.S., COOPER, P.M Aspects of modulus measurement In: DYSON, B.G., LOVEDAY, M.S., GEE, M.G., editors Materials metrology and standards for structural performance, pp 150-209 Chapman & Hall,

[18] ROEBUCK, B., LORD, J.D., COOPER, P.M., MCCARTNEY, L.N Data acquisition and analysis of tensile properties for metal matrix composites J Test.

[19] SONNE, H.M., B HESSE, B Determination of Young’s modulus on steel sheet by computerised tensile test - Comparison of different evaluation concepts In: Proceedings of Werkstoffprüfung [Materials testing] 1993 DVM, Berlin

The article by Aegerter, Keller, and Wieser discusses a standardized test procedure for conducting and evaluating tensile tests specifically for aluminum and its alloys Published in the Proceedings of Werkstoffprüfung in 2003, this research provides essential guidelines for materials testing, ensuring accurate assessment of the mechanical properties of aluminum materials The publication is a valuable resource for professionals in the field of materials science and engineering, contributing to improved testing methodologies.

[21] RIDES, M., LORD, J TENSTAND final report: Computer-controlled tensile testing according to EN 10002-1: Results of a comparison test programme to validate a proposal for an amendment of the standard National Physical

[22] LORD, J LOVEDAY, M.S., RIDES, M., MCENTAGGART, I TENSTAND

WP2 final report: Digital tensile software evaluation: Computer-controlled tensile testing machines validation of European standard EN 10002-1 National Physical

The document titled "Guidelines for Evaluating and Expressing the Uncertainty of NIST Measurement Results" by B.N Taylor and C.E Kuyatt, published by NIST in 1994, serves as a comprehensive resource for understanding measurement uncertainty This technical note, designated as NIST Technical Note 1297, consists of 25 pages and provides essential guidelines for researchers and practitioners in the field For further details, the guidelines can be accessed online.

QUY TRÌNH VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM

Sơ đồ quy trình thí nghiệm

Nghiên cứu lý thuyết và khảo sát điều kiện thí nghiệm đã dẫn đến quy trình thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến cơ tính và khả năng biến dạng của hợp kim nhôm ma giê AA5083, như được trình bày trong sơ đồ hình 3.1.

Hình 3.16 Sơ đồ thực nghiệm quá trình cán-ủ

Các mẫu sau khi ủ sẽ được cán nguội trên máy cán tại bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại phòng 101-C5, thực hiện 5 lần cán với lượng ép mỗi lần khoảng 15%, tổng lượng ép đạt 75-80% Lượng ép nhỏ nhằm ngăn quá trình tỏa nhiệt và hạn chế hồi phục động Quá trình cán được bôi trơn bằng dầu máy để giảm ma sát và phát sinh nhiệt Sau khi cán xong, mẫu sẽ được ủ hồi phục để ổn định tổ chức và sắp xếp lại các lệch.

Mẫu sau khi cán sẽ được soi tổ chức tế vi bằng kính hiển vi quang học theo các hướng ngang và dọc Để tạo ra các mẫu này, quy trình mài, đánh bóng và tẩm thực bằng dung dịch Keller (gồm 100ml H2O, 1,1ml HF, 1,7ml HCl, và 11,5ml HNO3) được sử dụng.

Các tính chất cơ học của mẫu sau khi ủ và cán được xác định qua thử nghiệm độ cứng và độ bền kéo Độ cứng được đo bằng thang đo Vickers thông qua máy đo Duramin 2 Độ bền kéo và độ giãn dài được đánh giá bằng máy thử kéo nén Tất cả các mẫu thử đều được lấy theo hướng cán.

Mẫu nghiên cứu

Trong thí nghiệm này, các mẫu nghiên cứu được sử dụng là tấm hợp kim AA5083 thương mại, như được thể hiện trong hình 1.7 Kích thước của mẫu là 3x60x150mm, theo hình 3.2.

Hình 3.17 Mẫu hợp kim nhôm AA5083 trước khi cán

Biến dạng (%) Ứng suất (Mpa)

Hình 3.18 Đồ thị ứng suất – biến dạng của hợp kim nhôm AA5083 ban đầu

Hình 3.19 Ảnh tổ chức tế vi của mẫu AA5083 ban đầu

Nghiên cứu lý thuyết về đặc điểm mạng tinh thể và giản đồ pha của hệ nhôm ma giê đã dẫn đến việc thực hiện các thí nghiệm với tấm hợp kim AA5083 dày 3mm Các tấm này được ủ ở nhiều nhiệt độ khác nhau, với ba mẫu giống nhau được thực hiện tại mỗi nhiệt độ Điều kiện thí nghiệm và ký hiệu mẫu được trình bày chi tiết trong bảng 3.1.

Bảng 3.1 Ký hiệu mẫu và điều kiện thí nghiệm

TT Nhiệt độ ủ Thời gian ủ

Thiết bị thí nghiệm

Máy cán tại phòng thí nghiệm C4-5.101, bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội có công suất 7.5 KW-380V và tốc độ trục cán đạt 5m/phút.

Lò nung để ủ mẫu là thiết bị sử dụng điện trở, được điều khiển nhiệt độ bằng rơle nhiệt, cho phép kiểm soát chênh lệch nhiệt độ trong khoảng ±5 o C.

Lò điện trở công suất 5KW-220V-1000 o C

Máy mài – đánh bóng BUEHLER Beta grinder – polisher

- Có khả năng dùng cho mài/đánh bóng tay.

- Nâng cấp thành máy mài/đánh bóng tự động với đầu mài tự động Vector

- Có thể mài 1 hoặc nhiều mẫu

- Tốc độ đĩa mài: 30-600 vòng/phút

- Đường kính đĩa mài: 8/10” (203/254mm)

Hình 3.22 Máy mài-đánh bóng Buehler Beta grinder-polisher

Máy soi tổ chức là kính hiển vi quang học được đặt tại phòng C1 trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Thông số kỹ thuật:

- Điều kiện môi trường (vận hành và bảo quản):

+Nhiệt độ môi trường xung quanh cho phép từ +10 đến 35 0 C

+ Độ ẩm tương đối cho phép

Tiêu đề	Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến khả năng biến dạng và cơ tính của hợp kim nhôm ma giê
Tác giả	Nguyễn Quang Toàn
Người hướng dẫn	TS. Đặng Thị Hồng Huế
Trường học	Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Khoa học vật liệu
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2020
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	78
Dung lượng	2,31 MB