Độ phản xạ ánh sáng của nhôm Trang 14 3 Tính chất cơ học của nhôm Nhôm có độ dẻo và khả năng biến dạng lớn mà không bị phá hủy nên vật liệu này được sử dụng trong chế tạo nhiều chi ti
TỔNG QUAN VỀ NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM
Nhôm kim loại
Nhôm là một kim loại nhẹ, chỉ bằng một phần ba trọng lượng của thép và nhẹ hơn đồng, với tỉ số độ bền trên khối lượng cao, giúp nó trở thành vật liệu 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 phổ biến Hợp kim nhôm ban đầu được phát triển để thay thế gang đúc và đồng do khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường Ngày nay, nhôm ngày càng được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong ngành hàng không và vũ trụ, nhằm giảm trọng lượng Trong ngành công nghiệp ô tô và hóa chất, nhôm cũng thay thế thép nhờ khả năng chống ăn mòn, đặc biệt là trong môi trường nước biển Với tính ứng dụng cao, nhôm đang trở thành vật liệu được ưa chuộng, và nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc cải thiện các tính chất cơ lý, hóa để đáp ứng tốt hơn các yêu cầu kỹ thuật.
Nhôm là một kim loại có độ dẻo và khả năng biến dạng cao, cùng với tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt Nó 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 Nhôm được chiết xuất từ bauxite, qua quy trình Bayer để chuyển đổi thành oxit nhôm (alumina) Kể từ năm 1886, tất cả nhôm trong công nghiệp đều được sản xuất theo quy trình này, và các tính năng cơ bản của nhôm nguyên chất vẫn không thay đổi từ khi Karl Josef Bayer được cấp bằng sáng chế tại Đức.
Khi tiếp xúc với không khí, nhôm hình thành lớp oxit nhôm trên bề mặt, giúp chống ăn mòn hiệu quả, đặc biệt trong môi trường kiềm và nước biển Nhôm có độ dẫn nhiệt lớn gấp ba lần thép, làm cho nó trở thành vật liệu quan trọng trong ứng dụng truyền nhiệt, bao gồm cả làm mát và sưởi ấm Với tính an toàn và không độc hại, nhôm được ưa chuộng trong việc chế tạo dụng cụ nấu ăn và đồ dùng nhà bếp.
Nhôm và đồng đều có khả năng dẫn điện cao, nhưng độ dẫn điện của nhôm chỉ đạt 62% so với đồng Tuy nhiên, khối lượng của nhôm nhẹ hơn, chỉ bằng 1/3 khối lượng của đồng khi so sánh dây dẫn có cùng đường kính Do đó, trong ngành điện, số lượng dây dẫn bằng nhôm gấp hai lần so với dây dẫn bằng đồng.
Nhôm có khả năng phản xạ cao với khoảng 80% ánh sáng, giúp nó trở thành vật liệu lý tưởng cho thiết bị chiếu sáng Ngoài ra, nhôm còn có tính năng cách nhiệt hiệu quả, bảo vệ khỏi tia sáng mùa hè và ngăn mất nhiệt trong mùa đông, làm cho nó trở thành lựa chọn tuyệt vời cho trang trí nội thất với độ sáng đẹp.
Tính chất cơ học của nhôm
Nhôm là vật liệu có độ dẻo và khả năng biến dạng lớn, cho phép chế tạo nhiều chi tiết phức tạp thông qua các công nghệ như cán, kéo, ép chảy và kéo dây Ngoài ra, nhôm còn có tính khả đúc cao nhờ nhiệt độ nóng chảy thấp và độ co ngót thấp, giúp việc đúc chính xác các chi tiết trở nên dễ dàng và hiệu quả về kinh tế.
Giới hạn bền kéo của nhôm thường là khoảng 90 MPa, nhưng có thể tăng lên đến 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 phổ biến như đồng, thiếc, ma giê, silic, măng gan và một lượng nhỏ crom, titan, zirconi, chì, bismuth, niken, các tính chất cơ, lý, hóa của hợp kim nhôm sẽ thay đổi đáng kể, 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 và thành phần của các nguyên tố hợp kim là rất quan trọng để tạo ra hợp kim nhôm có tính chất phù hợp với nhu cầu sử dụng.
% các nguyên tố hợp kim đóng vai trò quan trọng trong việc thay đổi tính chất cơ học của hợp kim nhôm
Hệ 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 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 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
Tính chất của hợp kim nhôm
Tính chống ăn mòn của hợp kim nhôm trong khí quyển rất cao nhờ vào lớp oxit nhôm bền chắc được hình thành trên bề mặt Điều này cho phép hợp kim nhôm được sử dụng trong nhiều lĩnh vực mà không cần lớp sơn bảo vệ Để cải thiện hơn nữa 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 đạt khoảng 2/3 so với đồng, nhưng nhờ vào trọng lượng nhẹ hơn, hợp kim nhôm được ưa chuộng hơn trong việc truyền dẫn điện Việc sử dụng dây nhôm nhẹ giúp giảm thiểu sức cản và cải thiện hiệu suất truyền tải điện năng.
Hợp kim nhôm có tính dẻo cao, giúp dễ dàng kéo thành dây, tấm, lá, băng, và màng mỏng Điều này cho phép ép chảy thành các thanh với biên dạng đặc biệt, thường được sử dụng cho khung cửa và các loại tấm tản nhiệt.
Nhiệt độ nóng chảy của nhôm và hợp kim nhôm tương đối thấp, thuận lợi cho quá trình nấu chảy khi đúc, nhưng hạn chế khả năng sử dụng ở nhiệt độ cao trên
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,
T2 - Ủ, T3 - sau tôi đưa biến dạng nguội rồi hóa già tự nhiên, T4 - tôi và hóa già tự nhiên, T5 – sau biến dạng nóng mang đi tôi rồi hóa già tự nhiên, T6
Sau quá trình biến dạng nóng, tôi đã trải qua quá trình hóa già tự nhiên ở T7 Tiếp theo, ở T8, tôi thực hiện hóa già T9 chứng kiến tôi trải qua biến dạng nguội và sau đó là quá trình hóa già nhân tạo Cuối cùng, ở giai đoạn T9, tôi hoàn thành hóa già nhân tạo trước khi tiếp tục với biến dạng nguội.
Mục đích của gia công nhiệt luyện là thay đổi cấu trúc bên trong của chi tiết, từ đó cải thiện các tính chất cơ học của nó Hợp kim nhôm, với khả năng chịu lực và trọng lượng nhẹ, là một trong những vật liệu được ưa chuộng trong ngành công nghiệp Quá trình này không chỉ tăng cường độ bền mà còn nâng cao khả năng chống ăn mòn, giúp sản phẩm có tuổi thọ cao hơn.
Ủ nhôm và hợp kim nhôm là quy trình nhiệt luyện quan trọng, bao gồm việc nung nóng hợp kim đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt và làm nguội chậm nhằm đạt được tổ chức cân bằng Trong quá trình này, các dạng tổ chức không cân bằng thường gặp ở nhôm và hợp kim nhôm có thể ảnh hưởng đến tính chất cơ lý 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:
Ủ 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
Hình 1.2 Giản đồ chọn nhiệt độ đồng đều hóa đđ
Làm nguội sau khi giữ nhiệt có thể thực hiện bằng lò hoặc ngoài không khí Quá trình nguội nhanh giúp duy trì độ dẻo cao và tăng cường hiệu quả ép trong 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 liên quan đến việc hòa tan các nguyên tố hợp kim phổ biến như Cu, Zn, Mg, Si vào dung dịch rắn, từ đó 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
Các kim loại chuyển tiếp như Mn, Ti, Zr có khả năng tạo ra các hợp chất liên kim loại Quá trình này xảy ra do các kim loại này có khả năng hình thành dung dịch rắn 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
Hợp kim nhôm hệ Al-Mg
Nhôm tương tác với magie (Mg) theo giản đồ pha dạng cùng tinh với thành phần 33% Mg Độ hòa tan của Mg ở nhiệt độ cùng tinh đạt 17,4% Hợp chất hóa học giàu nhôm nhất trong hệ này là β Al3Mg2 Khi kết tinh không cân bằng do làm nguội nhanh, cùng tinh α + β (Al3Mg2) sẽ xuất hiện ở những hợp kim có thành phần khoảng 5-6%.
Mg [2] 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, có thể xuất hiện các pha Al, Mn, bao gồm Mg2Si và pha phức tạp AlFeSiMn trong tổ chức của chúng.
Magie (Mg) có khả năng tăng cường độ bền cho hợp kim một cách đáng kể Khi hàm lượng Mg được tăng lên, độ bền của hợp kim cũng tăng, đạt mức tối đa khi có 16% Mg Mặc dù độ dẻo giảm khi hàm lượng Mg tăng, nhưng vẫn duy trì giá trị khá cao ở nồng độ 11-12% Mg.
Hiệu quả hóa bền của hợp kim nhôm nhờ nhiệt luyện có thể đạt được mức cao khi hàm lượng Mg vượt quá 8% Tuy nhiên, việc tăng cường Mg cũng làm cho hợp kim trở nên nhạy cảm 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 thêm Mn và Ti vào thành phần.
Mangan (Mn) và Chromium (Cr) là hai nguyên tố quan trọng giúp tăng cường độ bền của hợp kim, với tỷ lệ khoảng 0,3-0,5% Mn hoặc 0,1-0,2% Cr có thể nâng cao giới hạn bền thêm 20-25 MPa Những nguyên tố này tương tác với nhôm (Al) để tạo ra pha Al6Mn và Al7Cr phân tán, từ đó làm tăng nhiệt độ kết tinh lại, giảm kích thước hạt và cải thiện tính chất cơ học Đồng thời, Ar và Ti giúp làm nhỏ hạt, ngăn chặn sự hình thành vết nứt trong quá trình hàn và nâng cao tính chất của mối hàn Hơn nữa, các nguyên tố này cũng ngăn chặn sự phân bố của pha β (Al3Mg2) dưới dạng mạng ở biên giới hạt, từ đó cải thiện khả năng chống ăn mòn dưới tác động của ứng suất.
Si với một lượng nhỏ có tác dụng tốt, cải thiện tính hàn
Na là nguyên tố có hại Do độ hòa tan trong nhôm vô cùng nhỏ, khi kết tinh
Na 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% ÷
Khi được sử dụng với hàm lượng nhỏ, kẽm (Zn) có khả năng nâng cao giới hạn chảy và chống ăn mòn dưới tác động của ứng suất Hợp kim Al-Mg nổi bật với các đặc tính cơ học vượt trội, bao gồm độ bền cao, độ dẻo tốt, khả năng chống ăn mòn ổn định và tính hàn tốt 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 nhỏ Để cải thiện giới hạn chảy, có thể tăng hàm lượng Mg và sử dụng nguyên tố hợp kim, đồng thời áp dụng biến cứng với mức độ biến dạng khoảng 20-30%.
Tổng quan về hợp kim nhôm AA5083
Hợp kim nhôm AA5083, thuộc hệ Al-Mg, được ứng dụng rộng rãi trong đời sống nhờ vào vai trò nổi bật trong công nghiệp, như chế tạo vỏ thùng, chi tiết xe hơi, và các bộ phận phức tạp trên máy bay và tàu Đặc điểm của hợp kim này là không thể hóa bền bằng nhiệt luyện, vì vậy để cải thiện độ bền, phương pháp hóa bền biến dạng thường được áp dụng.
Si Fe Cu Mn Cr Zn Mg Al
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 nhôm biến dạng không hóa bền thuộc hệ Al-Mg, được làm hóa bền qua quá trình làm lạnh Đây là hợp kim nhôm nhẹ nhất với độ bền trung bình, có thể cải thiện độ bền thông qua biến dạng nguội Hợp kim này có tính hàn tốt và khả năng biến dạng nóng, nguội hiệu quả Ngoài ra, AA5083 cũng có khả năng chống ăn mòn, bao gồm khả năng chống ăn mòn trong môi trường nước muối và nước biển, có thể được cải thiện thêm bằng phương pháp anod hóa.
Magiê (Mg) là nguyên tố quan trọng trong việc cải thiện độ bền của hợp kim nhôm, giúp giảm giới hạn bền mỏi mà không làm giảm độ dẻo Ở nhiệt độ 577 o C, độ hòa tan của Mg trong Al đạt 17.4%, trong khi ở 250 o C chỉ là 2.95% Với hàm lượng thấp, Mg hòa tan hoàn toàn trong Al, tạo ra dung dịch rắn α có độ bền cao hơn nhôm nguyên chất Trong các hợp kim tăng cường dung dịch rắn, Mg cũng ảnh hưởng đến tốc độ đông đặc Tuy nhiên, hàm lượng Mg cao có thể dẫn đến sự hình thành pha kết tủa β (Mg2Al3) ở ranh giới hạt, gây bất lợi Để tránh hiện tượng này, thường chỉ sử dụng dưới 4% Mg nhằm giảm nhạy cảm với ăn mòn tinh giới và ăn mòn ứng suất Khi có mặt đồng thời Mg và Si, pha Mg2Si có thể được hình thành từ dung dịch rắn α, giúp tăng cường độ bền cho hợp kim.
Việc sử dụng nhiều hợp kim sẽ làm giảm đáng kể tính dẻo của chúng Đối với hợp kim AA5052, do hàm lượng Si không cao nên sự hình thành pha Mg2Si là không nhiều, dẫn đến tác dụng hóa bền không đáng kể.
Sắt (Fe) thường được xem là tạp chất trong hợp kim nhôm với hàm lượng 0.1-0.4%, xâm nhập từ nguyên liệu hoặc do hòa tan trong quá trình nấu luyện Sắt ảnh hưởng mạnh đến tính chất cơ học, lý tính và công nghệ của hợp kim, tương tác với nhôm tạo ra pha Al3Fe giòn, kết tinh dưới dạng kim thoi lớn Sự xuất hiện của pha (α + Al3Fe) ngay cả với hàm lượng Fe nhỏ làm tăng độ bền và độ cứng nhưng giảm đáng kể tính dẻo, một chỉ tiêu quan trọng của hợp kim nhôm biến dạng Hơn nữa, hợp kim nhôm chứa sắt còn làm tăng sự nhạy cảm với ăn mòn điện hóa do chênh lệch thế điện cực giữa Al và FeAl3 Cuối cùng, sắt cũng làm tăng nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim nhôm.
Silic (Si) hòa tan rất ít vào nhôm, chỉ đạt 1.65% ở 577 oC và 0.05% ở 250 oC Trong hợp kim nhôm biến dạng, hàm lượng Si thường dao động từ 0.2-1.2% Khi hàm lượng Si thấp, nó hòa tan vào nhôm, tạo ra dung dịch rắn có độ bền cao hơn nhôm nguyên chất mà vẫn giữ được độ dẻo tốt Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng Si, sẽ hình thành cùng tinh (α+Si) với các hạt Si dạng kim hoặc hạt (nếu được biến tính), có độ bền cao hơn α nhưng độ dẻo lại kém Sự hiện diện đồng thời của Fe và Si dẫn đến sự hình thành các pha liên kim loại dạng xương cá α(Al-Fe-Si) và β(Al-Fe-Si), gây ra tình trạng giòn và kết tinh ở dạng tấm thô lớn, làm giảm độ dẻo và tính ổn định chống ăn mòn của hợp kim nhôm.
Mangan (Mn) đóng vai trò quan trọng trong việc giảm tác hại của sắt (Fe) và tăng cường khả năng chống ăn mòn ứng suất Theo giảng đồ pha Al-Mn, Mn có khả năng hòa tan trong nhôm, tạo thành dung dịch α với độ hòa tan tối đa đạt 1.8% ở 650°C Tuy nhiên, độ hòa tan này giảm nhanh chóng trong khoảng nhiệt độ từ 450-650°C, đây là vùng nhiệt độ tôi của hầu hết các hợp kim nhôm công nghiệp Ngoài ra, 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 vào hợp kim nhôm AA5083 nhằm tăng cường độ dai va đập, độ cứng và khả năng chống ăn mòn, cả trong môi trường nước biển và khí quyển Đồng (Cu) với hàm lượng khoảng 0.10% giúp giảm thiểu ăn mòn cục bộ, trong khi kẽm (Zn) cũng với khoảng 0.10% không ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn nhưng lại cải thiện khả năng đúc và độ bền của hợp kim.
Hợp kim nhôm AA5083 sau khi đúc được ủ đồng đều hóa nhằm giảm bớt các thiên tích và tổ chức tinh thừa Các phôi sau khi cán có các dạng ký hiệu như H1x (x từ 1 đến 9) thể hiện sự biến dạng nguội khác nhau, H2x (x từ 2 đến 9) là biến dạng nguội kèm theo ủ hồi phục, và H3x (x từ 2 đến 9) là biến dạng nguội với quá trình ổn định hóa Sau đó, các phôi này được đóng gói thành tấm thương mại để bán ra thị trường Do đó, phôi được mua về thường ở trạng thái biến dạng thuần túy H1x, qua đó thực hiện quá trình hóa bền biến dạng, giúp tăng cường độ bền cho hợp kim.
Cần khảo sát quá trình ủ hồi phục và ủ kết tinh để loại bỏ các yếu tố ảnh hưởng đến nghiên cứu công nghệ gia công chế tạo Nghiên cứu này sẽ tìm hiểu về khoảng nhiệt độ và tác động của nó đến quá trình này.
Quá trình ủ hồi phục và ủ kết tinh lại là hai giai đoạn quan trọng trong xử lý vật liệu, nhằm tìm ra nhiệt độ tối ưu cho gia công tiếp theo Ủ hồi phục 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, đặc biệt với hợp kim nhôm AA5083, nhằm tạo ra tổ chức kết tinh không hoàn toàn, giúp cải thiện độ đồng đều của hạt Nhiệt độ ủ thường thấp hơn nhiệt độ kết thúc kết tinh, dẫn đến cấu trúc đa cạnh, đẳng trục và giảm thiểu hình dạng hạt méo Độ hạt là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cơ tính của vật liệu, và ba yếu tố chính tác động đến tổ chức tế vi trong quá trình ủ cần được xem xét kỹ lưỡng.
Mức độ biến dạng của kim loại ảnh hưởng đến kích thước hạt sau khi ủ kết tinh Kim loại biến dạng dẻo mạnh sẽ tạo ra hạt nhỏ hơn do sự xô lệch mạng mạnh, dẫn đến nhiều mầm hình thành Do đó, việc áp dụng lượng ép lớn không chỉ nâng cao năng suất mà còn giúp tạo ra hạt nhỏ hơn khi kết tinh Ngược lại, biến dạng nhỏ với lượng ép từ 2-8% chỉ tạo ra ít vùng xô lệch, dẫn đến ít mầm và hạt lớn, tình trạng này thường được gọi là độ biến dạng tới hạn và cần được 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 nơi quá trình kết tinh xảy ra với tốc độ đáng kể, bao gồm việc tạo mầm và phát triển mầm Quá trình này phụ thuộc vào sự dịch chuyển xa của nguyên tử, do đó, nhiệt độ kết tinh lại liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ nóng chảy của kim loại, và mối quan hệ này được thể hiện qua một biểu thức cụ thể.
Hệ số a trong công thức Tktl=a.Ts phụ thuộc vào độ sạch kim loại, mức độ biến dạng và thời gian giữ nhiệt Đối với kim loại nguyên chất kỹ thuật, a khoảng 0.4, trong khi kim loại tinh khiết có a ≈ 0.2 − 0.3, và hợp kim ở dạng dung dịch rắn có a từ 0.5-0.8 Mức độ biến dạng lớn hơn (trên 40-50%) và thời gian giữ nhiệt lâu hơn (1-2 tiếng) sẽ làm giảm hệ số a Từ đó, 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 là rất quan trọng trong công nghệ gia công kim loại Cần khảo sát khoảng nhiệt độ ủ thích hợp cho hợp kim nhôm AA5083 để đạt được hiệu quả tối ưu.
Phương pháp hóa bền với hợp kim nhôm
Các phương pháp hóa bền tạo ra các yếu tố cản trở và sản sinh lệch, là nguyên nhân chính dẫn đến hóa bền cho vật liệu Một số phương pháp hóa bền cho vật liệu kim loại đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi.
Hóa bền biến dạng xảy ra khi mật độ lệch tăng lên trong quá trình biến dạng, dẫn đến sự cản trở chuyển động của các lệch khác Khi chuyển động trên nhiều hệ trượt, các lệch gặp chướng ngại vật hoặc cắt nhau, tạo ra rừng lệch, làm khó khăn cho sự di chuyển Để tiếp tục chuyển động, các lệch cần phải vượt qua nhau, điều này yêu cầu tăng ứng suất Trường ứng suất từ các lệch bị dồn ứ cản trở sự hình thành và di chuyển của các lệch khác, 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, trong đó M là hệ số Taylor, 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 xảy ra khi nguyên tố thứ hai hòa tan vào mạng tinh thể kim loại, tạo nên dung dịch rắn, từ đó làm tăng độ bền và độ cứng của vật liệu Tuy nhiên, hiệu ứng này thường dẫn đến sự giảm độ dẻo và độ dai của hợp kim Do đó, việc lựa chọn hàm lượng phần trăm nguyên tố hợp kim cần được thực hiện một cách tối ưu để đạt được sự hóa bền cao nhất mà không làm suy 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 giúp hình thành các pha hợp chất cứng với kích thước nhỏ và độ phân tán cao Những pha này hoạt động như các chất cản trở, làm giảm sự chuyển động trong cấu trúc của hợp kim, từ đó cải thiện tính chất cơ học của chúng.
24 của lệch, gây hiệu ứng tăng độ bền và độ cứng, đồng thời làm giảm độ dẻo của hợp kim
Cơ chế tăng bền do làm nhỏ hạt mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm việc cải thiện đồng đều các chỉ tiêu độ bền, độ dẻo và độ dai của hợp kim Khi kích thước hạt nhỏ hơn, nguy cơ hình thành vết nứt tại biên giới hạt do sự tập trung ứng suất cục bộ và các đường lệch cũng được giảm thiểu.
Biên giới hạt trong đa tinh thể đóng vai trò quan trọng trong việc hoá bền, khi các lệch chuyển động bị dừng lại tạo thành một tập hợp lệch Tập hợp này tạo ra trường ứng suất bổ sung cùng với ngoại lực, và khi hợp lực đủ lớn, nó kích thích nguồn lệch trong các hạt lân cận hoạt động, dẫn đến việc truyền quá trình biến dạng dẻo giữa các hạt 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.
Công thức (1.2) mô tả mối quan hệ giữa độ bền vật liệu và kích thước hạt, trong đó σy đại diện cho giới hạn chảy của vật liệu, σ0 là ứng suất ban đầu, và ky là hằng số liên quan đến cấu trúc của biên giới hạt Độ bền của vật liệu có thể tăng lên mà không làm thay đổi thành phần hóa học của nó.
Công thức này áp dụng cho kích thước hạt từ 20 nm đến 10 microns, mô tả mối quan hệ giữa lệch và kích thước hạt Vật liệu cấu trúc nano có hạt nhỏ, khiến sự hoạt động của lệch ở biên giới hạt mạnh mẽ hơn bên trong hạt Với kích thước hạt siêu nhỏ, vật liệu nano có độ bền cao nhờ sự khó khăn trong chuyển động của 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 (dưới 10 nm) và cấu trúc dạng {111} đạt độ cứng và bền cao hơn Quy luật này được thể hiện qua lý thuyết Hall-Petch, khẳng định rằng việc cải thiện cơ tính vật liệu thông qua phương pháp làm nhỏ hạt và phát triển hạt siêu mịn ngày càng được chú trọng nghiên cứu.
Hợp kim nhôm AA5083 không thể được cải thiện độ bền bằng các phương pháp hóa bền nhiệt như hóa bền dung dịch rắn hay tạo các pha cứng phân tán Do đó, để nâng cao độ bền của hợp kim này, người ta chủ yếu áp dụng hai phương pháp 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, đặc biệt là hợp kim AA5083, có 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 biến đổi tổ chức vật liệu, ảnh hưởng đến tính chất của nó Sau khi biến dạng, hợp kim nhôm thể hiện các đặc điểm như định hướng hình học của hạt, tạo ra định hướng tinh thể học và tăng mật độ lệch, đồng thời giảm thiểu khuyết tật đúc.
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 khác nhau; chẳng hạn, trong quá trình kéo dây, các dây kim loại có dạng dẹt dài như sợi, thớ 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 diễn ra theo hệ trượt {111} Quá trình cán cho thấy sự định hướng theo chiều trục các phương tinh thể [111] và [100], với phần lớn các hạt định hướng theo phương [111] song song với trục cán, trong khi 5-30% hạt còn lại định hướng theo phương [100] Đối với các tấm cán, 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 được nâng cao 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 đến 10^10 - 10^11 cm^-2 Tổ chức lệch trong hợp kim nhôm phụ thuộc vào trạng thái biến dạng, với tổ chức dạng tổ ong trong biến dạng nguội, nơi biên giới các ô là các búi lệch và mật độ lệch nhỏ ở trung tâm ô Sau quá trình biến dạng nóng, tổ chức lệch thay đổi do hồi phục, tạo ra các vách lệch và biên giới siêu hạt, trong khi thể tích siêu hạt hầu như không chứa lệch Mật độ lệch trong hợp kim nhôm biến dạng nóng thường cao, đạt khoảng giá trị đáng kể.
Here is the rewritten article in paragraph form, complying with SEO rules:Sau khi đúc, phôi thường tồn tại các dạng khuyết tật như độ hạt không đồng đều, thiên tích thành phần, rỗ co, rỗ khí và vật lẫn xỉ hay oxit Tuy nhiên, qua quá trình gia công biến dạng, tổ chức trở nên nhỏ mịn, sít chặt, mật độ cao hơn và đồng nhất hơn so với trạng thái đúc Biến dạng nóng hay nguội đều làm giảm các rỗ xốp và bọt khí, đồng thời tính chất của hợp kim nhôm sau biến dạng thay đổi mạnh mẽ Đặc điểm của các hợp kim nhôm chứa kim loại chuyển tiếp là tổ chức biến dạng khá ổn định do nhiệt độ kết tinh lại khá cao Nhiệt độ và phương pháp biến dạng có ảnh hưởng lớn tới nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim nhôm, và khí biến dạng nguội, sự hóa hóa bền xảy ra do quá trình tích tụ lệch.
Ứng dụng của hợp kim nhôm ma giê
Hợp kim nhôm có ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày và nhiều ngành công nghiệp, từ công nghiệp nhẹ đến công nghiệp 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
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) được sử dụng cho bồn chứa các sản phẩm gia nhiệt và bình chịu áp lực AA5456 (5.1% Mg) phù hợp cho bình chịu áp lực trong ngành hàng hải và các cấu trúc hàn có độ bền cao AA5652 (2.7% Mg) chuyên dùng cho bình đựng hóa chất.
Tổng quan về đề tài nghiên cứu
Trong những năm gần đây, nhiều nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát tính chất cơ học của hợp kim nhôm Mặc dù có nhiều công trình tập trung vào sự thay đổi cơ tính của hợp kim nhôm, nhưng vẫn còn ít nghiên cứu đề cập đến sự biến đổi cơ tính của hợp kim này dưới điều kiện ủ.
Nghiên cứu của Mhedhbiet et al [8] đã chỉ ra sự thay đổi tổ chức của hợp kim nhôm 1050 dưới điều kiện cán nguội và kết hợp cán nguội với ủ Kết quả cho thấy, khi mức độ biến dạng đạt 66%, giới hạn bền kéo là 160 MPa, độ cứng vi mô đạt 53 HV0.3, nhưng độ giãn dài chỉ đạt 1,75% Qua quá trình cán nguội kết hợp với xử lý nhiệt, cơ tính của hợp kim nhôm đã thay đổi rõ rệt, với sự hình thành pha thứ hai trong nền nhôm được xác định qua ảnh SEM và DRX Đồng thời, khi nhiệt độ tăng, hàm lượng pha thứ hai cũng tăng, dẫn đến hiện tượng biến cứng giảm và độ giãn dài cải thiện đáng kể, đạt 36%, trong khi giới hạn bền kéo giảm xuống.
86 MPa sau khi ủ ở 350 o C trong 1 giờ
Nghiên cứu của Singh et al [9] 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 được cải thiện đáng kể khi sử dụng hợp kim nhôm Cuối cùng, cơ tính của mối hàn được xác định thông qua thử nghiệm kéo.
Độ bền kéo tối đa của mối hàn phụ là 30, và tốc độ hàn ảnh hưởng đến hình dạng của mối hàn Vật liệu được hàn trong quá trình này là hợp kim nhôm 6061.
Nghiên cứu của Patnaik et al [10] chỉ ra rằng hàm lượng Ti và B trong hợp kim nhôm ma giê ảnh hưởng đến kích thước hạt và các cơ tính của vật liệu Cụ thể, độ cứng, độ bền và độ dai va đập của hợp kim nhôm chịu tác động trực tiếp từ hàm lượng Al-5Ti-1B được thêm vào.
Nghiên cứu của Ertug & Kumruoglu chỉ ra rằng hợp kim nhôm 5083 có khả năng chống ăn mòn kém hơn so với nhôm 1100 trong môi trường nước biển Điều này cho thấy biên giới liên kim trong hợp kim nhôm ảnh hưởng lớn đến sự phá vỡ liên kết hạt Đặc biệt, nhôm 1100 cho thấy khả năng chống ăn mòn tốt hơn khi nhiệt độ dưới 60 độ C, trong khi xu hướng ăn mòn tăng lên khi nhiệt độ tăng Thí nghiệm điện phân cũng xác nhận rằng cả hai loại vật liệu đều có tốc độ ăn mòn thấp dưới điều kiện áp suất cao.
Nikolaevich el at [12] đã nghiên cứu độ bền của các chi tiết ô tô chế tạo từ hợp kim 5xxx và 6xxx, so sánh ưu nhược điểm với chi tiết bằng thép, đồng thời đề xuất các phương pháp cải thiện độ bền qua xử lý nhiệt như ủ, tôi, ram và hóa già Tuy nhiên, các khuyến cáo từ nghiên cứu này chỉ mang tính dự báo và chưa được kiểm chứng.
Wang et al [13] đã nghiên cứu tác động của ma sát và mài mòn đối với độ bền của hợp kim nhôm 5083 sau quá trình cán nguội Thí nghiệm được tiến hành trên các tấm nhôm có độ dày từ 3 đến 6 mm, được ủ ở nhiều nhiệt độ khác nhau, nhằm xác định hệ số ma sát và các điều kiện liên quan.
Trong nghiên cứu này, 31 kiện thí nghiệm được thực hiện với điều kiện ma sát và nhiệt độ thay đổi, tập trung vào nhiệt độ ủ Kết quả cho thấy hợp kim nhôm ma giê bị chia tách bề mặt và biên giới hạt, đồng thời độ bền vật liệu không cải thiện nhiều qua xử lý nhiệt Phân tích XRD không phát hiện chuyển biến pha khi thay đổi nhiệt độ ủ, và lớp oxy hóa dày trên bề mặt mẫu được ghi nhận Đặc biệt, khi nhiệt độ ủ tăng, độ cứng của vật liệu giảm Nghiên cứu của Kciuk et al cho thấy khả năng chống ăn mòn của hợp kim AlZn5Mg cao nhất trong số các loại hợp kim AlMg2.5, AlMg5Mn, và AlZn5Mg1 Phương pháp đo độ ăn mòn được thực hiện bằng điện phân anot trong dung dịch 3,5% NaCl, sử dụng điện cực calomel bão hòa và điện cực phụ là bạch kim Sau khi đo độ cứng và kiểm tra bề mặt bằng máy hiển vi điện tử quét, kết quả cho thấy mẫu AlZn5Mg1 bị ăn mòn nhiều nhất và hàm lượng ma giê cao làm giảm khả năng chống ăn mòn của vật liệu.
Kết luận
Nhôm và hợp kim nhôm được sử dụng phổ biến nhờ khả năng chống ăn mòn, trọng lượng nhẹ, và 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 nhằm cải thiện độ bền của hợp kim nhôm, chủ yếu thông qua hợp kim hóa và bổ sung 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 công bố còn hạn chế và thiếu giải thích thuyết phục về cơ chế tăng cường độ bền Luận văn này tập trung vào những vấn đề chưa được giải quyết này.
QUY TRÌNH VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM
Sơ đồ quy trình thí nghiệm
Sau khi nghiên cứu lý thuyết và khảo sát điều kiện thí nghiệm, quy trình thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến cơ tính và khả năng biến dạng của hợp kim nhôm ma giê AA5083 đã được thiết lập theo sơ đồ hình 2.1.
Hình 2.1 Sơ đồ thực nghiệm quá trình cán-ủ
34 nhiệt Sau khi cán mẫu xong mẫu được mang đi ủ hồi phục để ổn định tổ chức sắp xếp lại các lệch
Mẫu sau khi cán 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 bao gồm mài, đánh bóng và tẩm thực với dung dịch Keller, bao gồm 100ml H₂O, 1,1ml HF, 1,7ml HCl và 11,5ml HNO₃.
Các tính chất cơ học của mẫu sau khi ủ và cán được xác định thông qua các thử nghiệm độ cứng và độ bền kéo Độ cứng được đo bằng thang đo Vickers với máy đo độ cứng tế vi Duramin 2, trong khi độ bền kéo và độ giãn dài được đánh giá qua thử nghiệm kéo bằng máy thử kéo nén Tất cả các mẫu thử nghiệm độ cứng và độ bền kéo đều được lấy dọc theo hướng cán.
Mẫu nghiên cứu
Nghiên cứu này sử dụng các mẫu tấm hợp kim AA5083 thương mại, với kích thước 3x60x150mm, như thể hiện trong hình 1.7 và hình 2.2.
Hình 2.2 Mẫu hợp kim nhôm AA5083 trước khi cán
Hình 2.3 Đồ thị ứng suất – biến dạng của hợp kim nhôm AA5083 ban đầu
Hình 2.4 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 ở nhiều điều kiện khác nhau Trong đó, các tấm hợp kim AA5083 thương mại có độ dày 3mm được sử dụng làm mẫu thí nghiệm Tấm hợp kim AA5083 đã được ủ ở các nhiệt độ khác nhau, với mỗi nhiệt độ ủ thực hiện 3 mẫu giống nhau Thông tin về điều kiện thí nghiệm và ký hiệu mẫu được trình bày trong bảng 2.1.
Bảng 2.1 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, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội có công suất 7.5 KW-380V, với tốc độ trục cán đạt 5m/phút và đường kính 0mm.
Lò nung để ủ mẫu là thiết bị điện trở được điều khiển nhiệt độ bằng rơle nhiệt, có khả năng kiểm soát chênh lệch nhiệt độ trong khoảng ±5 o C.
Lò điện trở công suất 5KW-220V-1000 o C
Hình 2.6 Lò nung điện trở
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 Power Head
- Có thể mài 1 hoặc nhiều mẫu
- Tốc độ đĩa mài: 30-600 vòng/phút
- Đường kính đĩa mài: 8/10” (203/254mm)
Hình 2.7 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