Nghiên ứu ảnh hưởng của mức độ biến dạng tới hiệu ứng hóa già hợp kim nhôm b95 ứng dụng trong quân sự

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN ĐÌNH CHIẾN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỨC ĐỘ BIẾN DẠNG TỚI HIỆU ỨNG HÓA GIÀ HỢP KIM NHÔM B95 ỨNG DỤNG TRONG QUÂN SỰ Chuyên ngành : Khoa học kỹ thuật vật liệu LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Khoa học kỹ thuật vật liệu NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2018 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204843411000000 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS TS PHÙNG THỊ TỐ HẰNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu trình bày luận văn hồn tồn trung thực tơi, khơng vi phạm điều luật sở hữu trí tuệ pháp luật Việt Nam Nếu sai, tơi hồn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Đình Chiến Học viên: Nguyễn Đình Chiến Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS TS PHÙNG THỊ TỐ HẰNG LỜI CẢM ƠN Được phân công Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu trường Đại học Bách khoa Hà Nội đồng ý giáo viên hướng dẫn PGS TS Phùng Thị Tố Hằng, kèm theo định số 5030/QĐ-ĐHBK-SĐH, định việc giao đề tài luận văn thạc sĩ, thực đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng mức độ biến dạng tới hiệu ứng hóa già hợp kim nhơm B95 ứng dụng quân sự” Xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình, chu đáo giáo viên hướng dẫn PGS TS Phùng Thị Tố Hằng giúp đỡ thầy, anh chị phịng thí nghiệm môn Vật liệu học Xử lý nhiệt bề mặt - Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu - Đại học Bách khoa Hà Nội Bộ môn Vật liệu Cơng nghệ Vật liệu - Khoa Cơ khí - Học viện Kỹ thuật Quân trình thực luận văn Do hạn chế mặt thiết bị, thời gian nghiên cứu kinh nghiệm, luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót định Kính mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn đồng nghiệp để luận văn hồn chỉnh Tơi xin chân thành cảm ơn! Học viên: Nguyễn Đình Chiến Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS TS PHÙNG THỊ TỐ HẰNG MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM NHÔM HỆ Al-Zn-Mg-Cu .2 1.1 Hợp kim nhôm độ bền cao hệ Al-Zn-Mg-Cu .2 1.2 Tổng quan hợp kim nhôm B95 1.2.1 Tính chất vật lý hợp kim nhôm B95 1.2.2 Cơ tính hợp kim nhơm B95 1.2.3 Tổ chức tế vi hợp kim nhôm B95 1.2.4 Chế độ nhiệt luyện hợp kim nhôm B95 .8 1.3 Công nghệ nhiệt luyện hợp kim nhôm 1.3.1 Ủ 1.3.2 Tôi 11 1.3.3 Hóa già 14 1.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới q trình hóa già 23 1.3.5 Kết hợp biến dạng với hóa già (cơ nhiệt luyện) 28 CHƢƠNG 30 THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30 2.1 Sơ đồ quy trình thực nghiệm .30 2.2 Mẫu thực nghiệm quy trình cơng nghệ nhiệt luyện .30 2.2.1 Mẫu nghiên cứu .30 2.2.2 Quy trình cơng nghệ nhiệt luyện .32 2.3 Thiết bị nghiên cứu 35 2.4 Phƣơng pháp nghiên cứu 38 2.4.1 Phương pháp hiển vi quang học .38 2.4.2 Phương pháp hiển vi điện tử 39 2.4.3 Phương pháp phổ tán sắc lượng (EDS) 39 2.4.4 Phương pháp nhiễu xạ tia Rơnghen 39 2.4.5 Phương pháp đo độ cứng 40 Học viên: Nguyễn Đình Chiến Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS TS PHÙNG THỊ TỐ HẰNG 2.4.6 Phương pháp xác định độ bền, độ dẻo 41 2.4.7 Phương pháp đo đường cong phân cực theo phương pháp dòng tĩnh 41 CHƢƠNG 43 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN .43 3.1 Khảo sát mẫu hợp kim nhôm nghiên cứu trạng thái cung cấp 43 3.2 Khảo sát chế độ ủ kết tinh lại 46 3.2.1 Khảo sát nhiệt độ ủ kết tinh lại .46 3.2.2 Khảo sát thời gian ủ kết tinh lại 50 3.3 Khảo sát tơi hóa già truyền thống 54 3.3.1 Khảo sát hợp kim nhôm B95 54 3.3.2 Khảo sát hóa già truyền thống 59 3.4 Khảo sát mức độ biến dạng sau kết hợp với hóa già nhiệt luyện hợp kim nhôm B95 67 3.5 Khảo sát ảnh hƣởng mức độ biến dạng kết hợp với hóa già đến tính bền ăn mịn hợp kim nhơm B95 74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76 CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ .78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 Học viên: Nguyễn Đình Chiến Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS TS PHÙNG THỊ TỐ HẰNG DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thành phần hóa học hợp kim nhôm B95 theo tiêu chuẩn Nga (ΓOCT 4784-97) theo tiêu chuẩn hiệp hội nhôm Mỹ (AA) .4 Bảng 1.2 Tính chất vật lý hợp kim nhơm biến dạng 7075 theo tiêu chuẩn hiệp hội nhôm Mỹ (AA) Bảng 1.3 Tính chất vật lý hợp kim nhôm biến dạng B95 theo tiêu chuẩn (ΓOCT) Nga .6 Bảng 1.4 Cơ tính hợp kim nhơm biến dạng 7075 theo tiêu chuẩn hiệp hội nhôm Mỹ (AA) Bảng 1.5 Cơ tính hợp kim nhơm biến dạng B95 theo tiêu chuẩn 1497-84 (ΓOCT) Nga .6 Bảng 1.6 Các pha liên kim loại thường gặp hợp kim nhôm B95 [29], [32] .7 Bảng 1.7 Chế độ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng 7075 theo tiêu chuẩn hiệp hội nhôm Mỹ (AA) Bảng 1.8 Chế độ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng B95 theo tiêu chuẩn (ΓOCT) Nga Bảng 2.1 Thành phần hóa học hợp kim B95 (Tiêu chuẩn ΓOCT) thành phần hóa học mẫu nghiên cứu .31 Bảng 2.2 Kích thước mẫu thử kéo (TCVN 197-1:2014) [2] 32 Bảng 3.1 Thành phần hóa học số điểm hình 3.3 phân tích EDS 45 Bảng 3.2 Cơ tính mẫu hợp kim nhơm B95 trạng thái cung cấp .46 Bảng 3.3 Thành phần hóa học số điểm hình 3.5 phân tích EDS 49 Bảng 3.4 Độ cứng mẫu hợp kim nhôm B95 sau ủ kết tinh lại nhiệt độ khác 49 Bảng 3.5 Độ cứng hợp kim sau ủ kết tinh lại thời gian khác .53 Bảng 3.6 Độ cứng mẫu sau thời gian khác 57 Bảng 3.7 Sự thay đổi độ cứng theo nhiệt độ thời gian hóa già 59 Bảng 3.8 Kết thử kéo mẫu hợp kim nhơm B95 hóa già 120 oC với thời gian hóa già khác 65 Bảng 3.9 Sự thay đổi độ cứng theo thời gian hóa già mẫu với mức độ biến dạng khác .69 Bảng 3.10 Kết thử kéo mẫu cán với mức độ khác .71 Bảng 3.11 Kết thông số ăn mịn mẫu hợp kim nhơm B95 chế độ khác 75 Học viên: Nguyễn Đình Chiến Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS TS PHÙNG THỊ TỐ HẰNG DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim đến nhiệt độ kết tinh lại nhơm 10 Hình 1.2 Ngun tắc chọn nhiệt độ hợp kim nhôm 12 Hình 1.3 (a) Hợp kim hệ nguyên Al-Zn-Mg-Cu với 6%Zn 460 oC, θ: CuAl2, Z: Mg 2Zn11; (b) Đồ thị hòa tan pha S (Al2CuMg/Al6CuMg4) khoảng nhiệt độ từ 440- 490ºC 12 Hình 1.4 Đường cong chuyển biến đẳng nhiệt số hợp kim nhôm [23] .14 Hình 1.5 Sơ đồ giải thích phân hóa dung dịch rắn q bão hịa theo chế tạo mầm phát triển mầm 15 Hình 1.6 Sơ đồ tổ chức trạng thái pha mẹ pha tiết ra: a) liền mạng hoàn toàn; b) liền mạng phần; c) khơng liền mạng hồn tồn 16 Hình 1.7 Sơ đồ cấu tạo vùng GP1 GP2 .18 Hình 1.8 Ơ mạng tinh thể pha ổn định θ pha giả ổn định θ’,θ’’ 19 Hình 1.9 Phương pháp Mapping nguyên tố 3DAP (a) vùng dạng cầu điển hình hợp kim bốn nguyên (b) vùng dạng elipxôit hợp kim bốn nguyên [35] .21 Hình 1.10 Gradien nồng độ nguyên tố hợp kim dung dịch rắn α phần tử lớn phần tử nhỏ pha tiết β .22 Hình 1.11 Đường cong chữ “C” hình thành vùng GP, pha β’ β phân hóa dung dịch rắn bão hòa T GP, Tβ’, T β nhiệt độ hòa tan sản phẩm tiết vùng GP, β’ β 24 Hình 1.12 Đường cong hóa già 24 Hình 1.13 Giản đồ TTT hợp kim nhôm B95 25 Hình 1.14 Độ cứng hợp kim Al-Cu hóa già 190 oC [15] .27 Hình 1.15 Sơ đồ nhiệt luyện nhiệt độ thấp - Tôi; - Biến dạng nguội; - Hóa già nhân tạo; - Hóa già tự nhiên 28 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình thực nghiệm 30 Hình 2.2 Mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn TCVN 197-1:2014 .32 Hình 2.3 Quy trình cơng nghệ khảo sát ủ kết tinh lại hợp kim nhơm B95 33 Hình 2.4 Quy trình cơng nghệ khảo sát hợp kim nhôm B95 33 Hình 2.5 Quy trình cơng nghệ khảo sát hóa già 120oC 160oC cho B95 34 Hình 2.6 Quy trình cơng nghệ tơi, biến dạng mức độ khác hóa già 120oC hợp kim nhôm B95 .34 Hình 2.7 Lị ủ hóa già N65/HA- Nabertherm - Đức 36 Hình 2.8 Lị tơi N31/H - Nabertherm - Đức 36 Học viên: Nguyễn Đình Chiến Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS TS PHÙNG THỊ TỐ HẰNG Hình 2.9 Máy cán tiểu hình - Việt Nam sản xuất khảo sát biến dạng với mức độ cán khác .36 Hình 2.10 Máy phân tích quang phổ Q4 TASMAN (Xí nghiệp X59/Z127) 36 Hình 2.11 Kính hiển vi Axio Imager A2M (có phần mềm chụp ảnh) - Đức 36 Hình 2.12 Kính hiển vi điện tử quét Đại học Shimane - Nhật Bản 36 Hình 2.13 a) Máy đo độ cứng Brinell HP-250- Đức; b) Máy đo độ cứng Rockwell TK-2- Liên Xơ (tại Khoa Cơ khí - Học viện Kỹ thuật Quân sự); c) Máy thử kéo-nén M500 - 100AT (X59/Z127) 37 Hình 2.14 Thiết bị chụp nhiễu xạ Rơnghen Bruker D8 Advance 38 Hình 2.15 Máy đo ăn mịn điện hóa PGSTAT12/30/302 38 Hình 2.16 Sơ đồ thiết bị đo đường cong phân cực (Galvanostatic) .42 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu B95 ban đầu sau ủ kết tinh lại 44 Hình 3.2 Ảnh tổ chức tế vi mẫu B95 trạng thái cung cấp, X500 44 Hình 3.3 Ảnh SEM, EDS mẫu B95 trạng thái cung cấp, X2000 45 Hình 3.4 a-e) Ảnh tổ chức tế vi hợp kim sau ủ kết tinh lại nhiệt độ khác nhau, giữ nhiệt 2h với độ phóng đại 500 lần f) ảnh SEM 415 oC giữ nhiệt 2,5h, X2000 .47 Hình 3.5 Phân tích EDS mẫu sau ủ kết tinh lại số điểm với độ phóng đại X100.000 lần .48 Hình 3.6 Ảnh tổ chức tế vi mẫu hợp kim nhôm B95 sau ủ kết tinh lại 415oC với thời gian giữ nhiệt khác với độ phóng đại 500 lần 52 Hình 3.7 Quy trình cơng nghệ ủ kết tinh lại hợp kim nhơm B95 54 Hình 3.8 Ảnh tổ chức tế vi hợp kim sau 470 oC với thời gian giữ nhiệt khác nhau, độ phóng đại 500 lần (X500) .56 Hình 3.9 Đồ thị thay đổi độ cứng với thời gian giữ nhiệt khác 58 Hình 3.10 Quy trình cơng nghệ tơi hợp kim nhôm B95 58 Hình 3.11 Đường cong hóa già 120oC, 130oC 160 oC 60 Hình 3.12 Ảnh tổ chức tế vi mẫu hóa già 120 oC (X500) với thời gian giữ nhiệt khác nhau: (a) giờ; (b) 11 giờ; (c) 24 giờ; (d) 26 63 Hình 3.13 Ảnh chụp SEM mẫu sau tơi + hóa già 120 oC/ 24h, X100.000 lần 64 Hình 3.14 Đồ thị quan hệ giá trị giới hạn bền độ dẻo mẫu sau hóa già truyền thống (tại 120oC) với thời gian hóa già 65 Hình 3.15 Quy trình cơng nghệ hóa già truyền thống hợp kim nhôm B95 67 Hình 3.16 Tổ chức tế vi sau + mức độ cán + hóa già 120 oC/24h .67 Học viên: Nguyễn Đình Chiến Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS TS PHÙNG THỊ TỐ HẰNG Hình 3.17a Chụp SEM phân tích EDS mẫu sau tơi + hóa già 120 oC/24h với độ phóng đại X2000 (trái) X100.000 lần vị trí ô vuông đỏ (phải) .68 Hình 3.17b Chụp SEM phân tích EDS mẫu sau tơi + cán 6% + hóa già 120 oC /24h với độ phóng đại X2000 (trái) X100.000 lần vị trí vng đỏ (phải) .68 Hình 3.18 Đường cong hóa già 120oC với mức độ cán khác 70 Hình 3.19 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giới hạn bền, độ giãn dài tương đối theo thời gian hóa già 120oC 71 Hình 3.20 Ảnh chồng phổ X-ray mẫu tơi + hóa già 120 oC/24h mẫu tơi + cán 6% + hóa già 120oC/24h 72 Hình 3.21 Quy trình cơng nghệ nhiệt luyện hợp kim nhơm B95 73 Hình 3.22 Đường cong phân cực mẫu hợp kim nhôm B95 74 Học viên: Nguyễn Đình Chiến Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS TS PHÙNG THỊ TỐ HẰNG MỞ ĐẦU Hiện nhơm hợp kim nhơm chiếm vị trí quan trọng thứ hai (sau thép) phương diện sản xuất ứng dụng Chúng sử dụng làm đồ dùng hàng ngày, chế tạo máy xây dựng Đặc biệt, chúng ứng dụng ngày nhiều quân để chế tạo chi tiết vũ khí, khí tài, máy bay, tên lửa Hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao B95 (tiêu chuẩn Nga) tương đương mác 7075 (Mỹ) sử dụng phổ biến hệ hợp kim Al-Zn-Mg-Cu Hợp kim B95 vượt hợp kim đura Д16 (hợp kim Al-Cu-Mg) độ bền, hợp kim nhơm có nhiều tiềm khai thác, sử dụng hàng không, chế tạo vũ khí, dụng cụ thể thao Tại xí nghiệp X59 (Nhà máy Z127, Tổng cục Cơng nghiệp Quốc phịng) chế tạo phôi B95, nhiên hợp kim sau chế tạo có độ bền, độ cứng chưa cao Do đó, nâng cao tính hợp kim B95 yêu cầu cấp thiết cho ứng dụng hợp kim Đã có nhiều hướng nghiên cứu nhằm nâng cao tính hệ hợp kim như: hợp kim hóa vi lượng nguyên tố kim loại chuyển tiếp, kim loại đất hiếm, chất biến tính kích thước nano, hóa già phân cấp… Tuy nhiên phương pháp kết hợp tơi, biến dạng với hóa già (xử lý nhiệt kết hợp với biến dạng) phương pháp chưa nghiên cứu Việt nam, công bố đầy đủ công nghệ giới, tài liệu tham khảo cho công nghệ bổ sung Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng mức độ biến dạng tới hiệu ứng hóa già hợp kim nhơm B95 ứng dụng quân sự” gồm nghiên cứu ủ kết tinh lại nhằm đưa hợp kim nhôm trạng thái ban đầu khử bỏ ảnh hưởng biến dạng cán nguội trước đó, chuẩn bị tổ chức cho tơi tiếp theo; Nghiên cứu xây dựng quy trình cơng nghệ tơi kết hợp biến dạng với mức độ khác nhau, sau tiến hành hóa già nhiệt độ giống nhiệt độ hóa già truyền thống hợp kim Từ kết nghiên cứu đánh giá ưu điểm công nghệ này, rút ngắn thời gian sản xuất nâng cao độ bền, hứa hẹn hiệu ứng tăng bền chế tạo sản phẩm từ hợp kim nhôm B95 Xí nghiệp X59 Học viên: Nguyễn Đình Chiến Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A