nghiên cứu công nghệ cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng 6061 hệ al – mg – si

Một vật phẩm hợp kim Al có độ bền cao có thể là sản phẩm của nhiều quátrình công nghệ nh nấu luyện, đảm bảo thành phần các nguyên tố hợp kim chínhxác, quá trình gia công cơ, quá trình gi

Lời nói đầu

Nói đến kim loại mầu không thể không nói tới Al và hợp kim của nó –một Vật Liệu đợc sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp và vật dụnghàng ngày của con ngời Sở dĩ Al và hợp kim Al có nhiều u việt về cơ tính nh độbền riêng cao có tính đàn hồi tơng đối tốt, truyền nhiệt tốt, tính hàn tốt và chống

ăn mòn tốt do đó nó đợc ứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp chế tạo cácphơng tiện giao thông vận tải nh ô tô tàu thuỷ canô, toa xe, máy bay…nó chonó chophép tăng hệ số tải trọng có ích, tăng tốc độ giảm lợng tiêu hao nhiên liệu…nó chovànâng cao những chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật khác

Nhờ đặc tính có độ bền riêng cao, khả năng chống ăn mòn khí quyển tốt vàkhả năng biến dạng dẻo cao, hợp kim Al ngày càng đợc sử dụng khá rộng rãitrong xây dựng và trang trí Ngoài ra Al và hợp kim Al còn đợc sử dụng trongnhiều lĩnh vực khác nh các ngành điện, điện tử, chế biến thực phẩm, công nghiệphoá chất, công nghiệp quốc phòng…nó cho

Mục đích nghiên cứu chế tạo các hợp kim Al và đa ra qui trình công nghệtối u để tăng hiệu quả ứng dụng trong thực tế công nghiệp cũng nh trong đời sốnghàng ngày

Một vật phẩm hợp kim Al có độ bền cao có thể là sản phẩm của nhiều quátrình công nghệ nh nấu luyện, đảm bảo thành phần các nguyên tố hợp kim chínhxác, quá trình gia công cơ, quá trình gia công biến dạng, gia công nhiệt luyện…nó cho

Trong thực tế Al đợc sử dụng dới dạng hợp kim Hợp kim Al có cơ tính tốthơn, độ bền cao hơn, dễ chế tạo và rẻ hơn Al nên ngày càng đợc sử dụng rộng rãi.Những u điểm này đã khiến hợp kim Al thành vật liệu kết kấu giầu tiềm năng vàthu hút nhiều công trình nghiên cứu hiện nay Do đó mà công nghiệp sản xuấthợp kim Al ngày càng phát triển không ngừng

Đối với các hợp kim Al biến dạng hoá bền bằng nhiệt luyện thì sự tác độngcủa quá trình gia công biến dạng và gia công nhiệt luyện là yếu tố quan trọngquyết định đến chất lợng sản phẩm Vì lẽ đó, đề tài: “Nghiên cứu công nghệ cơnhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng 6061 hệ Al – Mg – Si” đợc tiến hànhcũng là để góp phần làm phong phú thêm ngân hàng dữ liệu về thông số công

nghệ các hợp kim Al biến dạng nói chung và hợp kim hệ Al – Mg – Si nóiriêng.

Mục đích của công trình này là nghiên cứu quá trình công nghệ hợp lý,chủ yếu là cơ nhiệt luyện để nhận đợc sản phẩm có cơ tính cao từ hợp kim 6061thuộc hệ hợp kim Al – Mg – Si để đa vào sản xuất trong công nghiệp

Em xin trân thành cảm ơn cô Phạm Minh Phơng, thày Trần Thanh Tùng,các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn trong bộ môn Vật liệu học và Nhiệt luyện

đã tận tình giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành bản luận án này Song do thời giancũng nh sự hiểu biết của bản thân còn hạn chế nên trong bản luận án này khôngtránh khỏi những thiếu sót Rất mong đợc các thầy cô giúp đỡ thêm

Phần một Cơ sở lý thuyết

Chơng i Nhôm và hợp kim nhôm

i.các tính chất của nhôm.

Nhôm kí hiệu hoá học là Al thuộc phân nhóm chính nhóm 3, chu kỳ 3, sốthứ tự 13 trong bảng hệ thống tuần hoàn của Mendeleep Al có một đồng vị duynhất ổn định và không phóng xạ là A27

- Al+1 dới dạng Al2O, AlCl, AlF đợc dùng để chế tạo nhôm nguyên chất,sạch nhng rất kém ổn định.

- Al+3 dới dạng oxit Al2O3 thờng gặp trong kỹ thuật

1 Lý tính của nhôm.

Nhôm là kim loại có độ dẫn điện và dẫn nhiệt tơng đối cao(=2,66.10-6.cm ) Độ dẫn đện tuỳ thuộc vào độ sạch của nhôm và bằng 62 66% của đồng

Nhiệt độ nóng chảy của nhôm là 6600C Nhiệt độ chảy tăng theo độ sạchcủa nhôm:

Trong môi trờng axit, tốc độ ăn mòn tăng theo nhiệt độ Còn ảnh hởng củanồng độ axit thì tuỳ theo từng axit cụ thể Ví dụ nh với axit nitric loãng thì khảnăng ăn mòn cao hơn khi đậm đặc, trái lại với dung dịch H2SO4 thì quá trình ănmòn lại xảy ra chậm hơn Nhng với hỗn hợp các axit HCl và HF thì nhôm bị ănmòn rất nhanh.

Khả năng chống ăn mòn trong dung dịch kiềm rất kém (trong NaOH tốc

độ ăn mòn rất nhanh )

Nhôm khá ổn định trong nhiều dung dịch axit hữu cơ

Nhôm có thể hấp thụ và hoà tan các loại khí khác nhau, trong đó khí H2

hoà tan vào nhôm mạnh nhất Mức độ hoà tan phụ thuộc vào nhiệt độ

Nhiệt độ (0C) Lợng H2 hoà tan trong 100g Al(cm3 )

3 Cơ tính của nhôm.

Cơ tính của nhôm phụ thuộc vào độ sạch của nhôm, nhôm có độ dẻo cao,khả năng chịu biến dạng dẻo ở nhiệt độ thờng và nhiệt độ cao tốt nên dễ gia công

áp lực nh cán, dập, kéo, rèn ép ở trạng thái nguội và trạng thái nóng ( ở 400 

4500C ) Khi gia công nguội xong thì thờng đem ủ ở nhiệt độ 350  5000C

Nhiệt độ nóng chảy của nhôm tơng đối thấp (6600C) Đây là một thuận lợicho quá trình nấu luyện hợp kim khi đúc Hơn nữa nhờ ẩn nhịêt kết tinh lớn,nhôm lỏng đông đặc chậm, có thể tiến hành biến tính và tinh luyện tơng đối dễdàng, độ co ngót của nhôm lớn do vậy sự điền đầy khuôn kém nên tính đúc củanhôm không cao

Nhôm nguyên chất không bền, cơ tính thấp:

Với nhôm 99,6% có b = 7kg/mm2, HB = 19,  = 2,3%

II Công dụng của nhôm.

Nhôm tinh khiết thờng rất quý nên thờng dùng cho các công trình nghiêncứu và ứng dụng cho các công việc đặc biệt

Nhôm có độ dẫn điện cao nên thờng đợc ứng dụng cho các ngành kỹ thuật

điện để chế tạo tụ điện, dây cáp, vật dẫn

Nhôm có tính dẫn nhiệt cao nên thờng đợc dùng làm thiết bị trao đổi nhiệt.Nhôm có độ bền thấp nên nhôm thờng đợc dùng cho các chi tiết khôngchịu tải, tính hàn, tính dẻo cao nên thờng để sản xuất cánh cửa, ống dẫn

Nhôm có mầu sáng nên khả năng phản xạ cao, đợc sử dụng nhiều tronglĩnh vực đèn chiếu, tấm phản xạ , ngoài ra nhôm còn đợc sử dụng trong các lĩnhvực khác nh công nghệ hoá học, chế tạo các hợp kim, trong các phản ứng nhiệtnhôm, dát mỏng thành tấm bọc, làm bột sơn, các đồ bình ống, đồ nấu ăn…nó cho

III phân loại nhôm.

Thông thờng ngời ta phân loại nhôm căn cứ theo độ sạch của nhôm (đợctrình bày ở Bảng 1): Nhôm siêu sạch, nhôm sạch và nhôm sạch kỹ thuật (Theotiêu chuẩn của Liên xô  11069-64)

A999 99,999 - - - - - 0,001

Độ sạch caoA995

0,00150,0030,015

0,0010,0030,005

0,0010,0030,004

0,0010,0020,002

0,00500,0100,030

A95 99,95 0,030 0,030 0,01 0,005 0,002 0,050

Độ sạch kỹ thuậtA85

0,060,100,160,250,300,500,500,12

0,010,010,010,010,020,020,030,02

0,020,040,050,060,060,080,080,05

0,010,020,020,030,030,030,030,01

0,150,200,300,400,501,001,000,50

1vạchxanhdatrời2vạchxanhdatrời1vạch trắng

Hợp kim nhôm có cơ tính tốt hơn nhôm nguyên chất, độ bền riêng cao, dễchế tạo và rẻ hơn nên ngày càng đợc sử dụng rộng rãi trong các ngành côngnghiệp và đời sống hàng ngày

Hợp kim không hoá

bền bằng nhiệt luyện

Hợp kim nhiệt luyện hoá bền

Hợp kim Al biến dạng

pha thứ hai L

L



L

Hình 1 Phân loại hợp kim Al theo giản đồ pha.

Phụ thuộc vào bản chất của nguyên tố hợp kim hoá và thành phần củachúng mà chúng có các tính chất khác nhau

Hợp kim nhôm chia thành 2 loại: Hợp kim nhôm biến dạng và hợp kimnhôm đúc đợc phân biệt theo giản đồ trạng thái nhôm – các nguyên tố hợp kim.Trên giản đồ hình 1 chỉ rõ các vùng thành phần của hai loại hợp kim này

I Hợp kim nhôm biến dạng.

Là hợp kim nhôm có thành phần với hàm lợng nguyên tố hợp kim nằm ởtrong giới hạn của dung dịch rắn, tức bên trái điểm C’

Hợp kim nhôm biến dạng đợc dùng khá phổ biến Biến dạng với hai mục

đích: biến dạng tạo hình, biến dạng làm thay đổi tổ chức dẫn đến làm thay đổitính chất của hợp kim

Dựa vào khả năng có hoặc không thể hoá bền bằng nhiệt luyện, hợp kimnhôm biến dạng lại đợc chia ra làm hai loại:

- Hợp kim nhôm biến dạng hoá bền đợc bằng nhiệt luyện.

- Hợp kim nhôm biến dạng không hoá bền đợc bằng nhiệt luyện

Với hợp kim nhôm hoá bền đợc bằng nhiệt luyện, muốn tăng bền ngời ta

có thể tôi + hoá già

Với hợp kim nhôm không hoá bền đợc bằng nhiệt luyện thì để tăng bềnngời ta thờng đem biến dạng hoặc tạo pha thứ hai nhỏ mịn

1.1 Hợp kim nhôm biến dạng không hoá bền đợc bằng nhiệt luyện

Mn có thể tạo với Al hợp chất liên kim loại Al6Mn, pha này khi phân tánnhỏ mịn trong nền dung dịch rắn  sẽ gây hoá bền Nhng do ảnh hởng của cáctạp chất thờng có là Fe và Si lên đọ hoà tan của Mn trong dung dịch rắn  cũnggiảm đi rất nhanh và chúng tạo lên pha phức tạp (Fe,Mn)Al3 thay cho MnAl6, màpha (Fe,Mn)Al3 không hoà tan vào nhôm khi nung nóng Với sự có mặt chừng0,1%Fe và 0,65%Si thì dung dịch rắn  chỉ có thể hòa tan đợc khoảng 0,05%Mn

ở 5000C [1] Đó cũng chính là lý do tại sao hệ Al – Mn lại không hoá bền đợcbằng nhiệt luyện Các hợp kim Al – Mn chịu biến dạng nóng, nguội tốt, có tínhhàn và chống ăn mòn trong khí quyển cao hơn Al sạch kỹ thuật, nhờ vậy chúng

đợc sử dụng rộng rãi hơn

1.1.2 Hợp kim hệ Al – Mg.

Theo giản đồ trạng thái Al – Mg các hợp kim có thành phần ít hơn1,4%Mg có tổ chức chỉ gồm dung dịch rắn, không thể hoá bền đợc bằng nhiệtluyện Magiê hoà tan nhiều nhất là 14,9% ở nhiệt độ 4510C, khi hạ nhiệt độ thì

độ hoà tan này giảm và pha  - (Al3Mg2) tiết ra từ dung dịch rắn có xu hớng phân

bố dạng lới theo biên giới hạt Tổ chức dạng lới  liên tục rất nhạy cảm với ăn

mòn ứng suất Khi nung nóng Mg2Al3 hoà tan vào  gây ra hoá bền, tuy nhiênhiệu quả rất thấp nên coi nh không thể hoá bền bằng nhiệt luyện.

Các tạp chất Fe, Si gây ảnh hởng xấu đến cơ tính, làm giảm chất lợng bềmặt khi gia công, do đó cần phải hạn chế đến mức có thể Để tăng bền cho hợpkim ngời ta đa thêm vào đó các kim loại chuyển tiếp nh Cr, Mn…nó cho

Các hợp kim Al – Mg thuộc một trong những hệ hợp kim Al nhẹ nhất, cótính hàn tốt, ổn định chống ăn mòn khí quyển, giới hạn bền mỏi (1) tơng đốilớn Chúng đợc dùng rất rộng rãi, đặc biệt trong công nghiệp chế tạo ôtô và xâydựng công trình

1.2 Hợp kim nhôm biến dạng hoá bền đợc bằng nhiệt luyện.

Hợp kim nhôm biến dạng hoá bền đợc bằng nhiệt luyện là hợp kim nhômquan trọng nhất, là loại vật liệu kết cấu đợc ứng dụng nhiều nhất trong kỹ thuật,

điển hình là hệ Al với 4%Cu và Al – Cu – Mg

1.2.1 Hợp kim nhôm với 4%Cu.(Hình 7)

Độ hoà tan của Cu trong nhôm giảm theo nhiệt độ, khi lợng Cu chứa 54%

sẽ tạo thành hợp chất CuAl2 () Từ giản đồ trạng thái, ta thấy hợp kim có tổ chứcgồm dung dịch rắn (có 5%Cu) và các phân tử pha CuAl2 II tiết ra từ dung dịch rắn

đó Khi nung nóng hợp kim này lên đến nhiệt độ cao hơn đờng hoà tan giới hạn

CD (nhiệt độ 5480C) các phân tử CuAl2 II sẽ hoà tan hết vào dung dịch rắn nên saukhi tôi có đợc dung dịch rắn  quá bão hoà chứa tới 4%Cu Tổ chức tế vi của hợpkim sau khi tôi chỉ là dung dịch rắn (+), các pha CuAl2 II khi hoá già đã tiết ra

để hoá bền

1.2.2 Hợp kim Al – Mg – Cu (Đuara).

Theo giản đồ pha (hình 4) ta thấy độ hoà tan của các pha (CuAl2) vàS(CuMgAl2) tăng lên khi tăng nhiệt độ Do đặc điểm này, có thể dễ dàng nhận đ-

ợc dung dịch rắn  quá bão hoà bằng cách tôi Khi hoá già phụ thuộc vào nhiệt

độ và thời gian giữ nhiệt Sự tiết pha xảy ra có thể ở các trạng thái khác nhau nhvùng GP Các pha chuyển tiếp giả ổn định ’, S’ hoặc các pha ổn định (CuAl2)

và S(CuMgAl2) kích thớc nhỏ, phân tán đều trong nền dung dịch rắn  Tất cảcác pha này đều tạo ra hiệu ứng hoá bền đáng kể Tuy vậy, sự hình thành tổ chứcgồm hỗn hợp vùng GP với các pha giả ổn định ’, S’ sẽ cho ta các chỉ tiêu về cơtính lớn nhất

lệ của chúng để tạo ra các pha dạng (Al-Fe-Si-Mn) kết tinh thành hạt nhỏ, ít

ảnh hởng đến độ dẻo, không làm giảm hiệu quả hoá bền khi tôi và hoá già

Đa thêm Mn với hàm lợng nhỏ 0,8%, Cr nhơ hơn 0,3% sẽ làm nhỏ hạt,tăng cơ tính, đặc biệt là độ dai phá huỷ Đồng với hàm lợng nhỏ hơn 0,5% có tácdụng tốt làm tăng cơ tính, nhng nếu vợt quá giá trị này sẽ làm giảm khả năngchống ăn mòn của hợp kim.

1.2.3 Hợp kim hệ Al – Mg – Si.

Ngợc lại với đuara hệ hợp kim Al – Mg – Si có tính chống ăn mòn tốt.Với hàm lợng 1 - 2% Si có tác dụng cải thiện tính đúc, tuy nhiên để gia tăng cơtính có thể tăng hàm lợng Si, Sự hình thành pha Mg2Si và độ hoà tan Mg2Si trongdung dịch rắn  tăng lên khi tăng nhiệt độ sẽ nhận đợc hiệu ứng hoá bền khi hoágià tiết pha phân tán

%khối lợng

Hình5 Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ pha Al-Mg-Si ở 200 0 C (a) và 550 0 C (b)

Tạp chất Fe chứa trong hệ Al – Mg – Si tồn tại ở dạng pha Al3Fe Nếupha Al3Fe ở dạng hạt nhỏ, thì ảnh hởng của Fe tới độ bền kéo là tốt, còn nếu hạtlớn thì làm xấu cơ tính và làm giảm tính ăn mòn của hợp kim

Đa thêm Mn với lợng nhỏ 0,8%, Cr nhỏ hơn 0,3% sẽ làm nhỏ hạt, tăng cơtính, đặc biệt là độ dai phá huỷ Cu với lợng nhỏ hơn 0,5% có tác dụng làm tăngcơ tính, nhng nếu vợt qua giá trị này sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn củahợp kim

0,40,2

Hợp kim này có độ dẻo cao, chịu biến dạng khá tốt đặc biệt ở trạng tháinóng.

2.1 Hợp kim hệ Al- Si.

Theo giản đồ pha thành phần cùng tinh ứng với 12,7%Si thực tế thì thờng

sử dụng những hợp kim có %Si dao động từ 5 - 20%, phổ biến là các hợp kimcùng tinh hoặc trớc cùng tinh

Thờng tổ chức của Si có dạng hình kim làm cho cơ tính không cao đặc biệt

là độ dai phá huỷ Tuy nhiên với kỹ thuật biến tính bao gồm hỗn hợp muối NaF +NaCl theo tỷ lệ 2/1 kết hợp với khuấy trộn đều trớc khi rót khuôn, ngời ta có thểbiến các kim Si thành các hạt nhỏ có dạng cầu dẫn đến hợp kim có cơ tính caohơn

Nếu đa thêm Mg (0,3 - 1%) và Cu (3 - 5%) làm cải thiện khả năng hoá bền

đồng thời khi có mặt Cu tính bền, tính đúc tăng; đặc biệt hệ số giãn nở nhiệt nhỏ,

chống mòn tốt, thờng dùng mác AlSi12CuMg1Mn0,6Ni1Đ để chế tạo pittông

động cơ đốt trong

2.2 Hợp kim hệ Al- Cu.

Trong thực tế hệ Al - Cu không đợc ứng dụng nhiều do tính đúc rất kém,tuy nhiên trên cơ sở Al - Cu ngời ta đa thêm các nguyên tố khác làm thay đổi tính

đúc, thờng thì các nguyên tố đợc đa vào nh Mg, Ni, Mn hoặc Ti HệAlCu5Mg2Ni3Mn0,2A dùng chế tạo các chi tiết nhẹ, hình dáng phức tạp và làmviệc ở nhiệt độ cao từ 300-5500C

Tóm lại hệ Al - Cu có độ bền nóng cao, có giới hạn mỏi lớn, độ dẻo cao.Tuy nhiên tính chịu ăn mòn kém, tính đúc xấu

Chơng II nhiệt luyện hợp kim nhôm.

577 C°1,65

Hình 6 Sự thay đổi độ hòa tan của

Si trong Al theo nhiệt độ

60080010001200

Phần trăm nguyên tử SiC

°

Cũng giống nh thép, nhôm và hợp kim của nó cũng có các chế độ nhiệtluyện khác nhau để đạt đợc những yêu cầu kỹ thuật khác nhau Nhôm là kim loạikhông có chuyển biến thù hình, nên nhiệt luyện hợp kim nhôm là dựa trên cơ sở

sự tạo ra dung dịch rắn quá bão hoà và quá trình phân hoá tiết pha phân tán tiếptheo có tác dụng hoá bền Để làm căn cứ cho việc chọn hợp kim với các chế độnhiệt luyện đạt hiệu quả thì chúng ta dùng giản đồ pha (đã đợc trình bày ở chơng

I ) Các dạng nhiệt luyện hợp kim nhôm là ủ, tôi và hoá già Từ giản đồ ta cũng

có thể chọn nhiệt độ tôi và các dạng nhiệt luyện khác nhau cho mỗi hợp kim

2.1 ủ nhôm và hợp kim nhôm.

Nguyên công nhiệt luyện này bao gồm nung nóng vật liệu lên đến nhiệt độxác định, giữ nhiệt sau đó làm nguội chậm Các tổ chức không cân bằng thờnggặp là chi tiết sau khi đúc (thiên tích, cùng tinh ), sau khi biến dạng dẻo hoặcsau khi nhiệt luyện

- ủ phục hồi: Nhằm mục đích khử bỏ xô lệch mạng đàn hồi do biến dạngdẻo hoặc do điều kiện kết tinh lại và phụ thuộc vào từng hợp kim

- ủ kết tinh lại: thờng đợc tiến hành ở nhiệt độ cao hơn và ứng dụng vớicác chi tiết bán thành phẩm đã bị biến dạng Đối với các hợp kim đúcthì quá trình kết tinh lại xảy ra khó khăn và chậm hơn so với hợp kimbiến dạng và thời gian cần dài hơn, nhiệt độ cần cao hơn

- ủ đồng nhất hoá: Mục đích của ủ đồng nhất hoá là làm cho hàm lợngcác nguyên tố hợp kim phân bố đều và phá huỷ tổ chức dạng mạngtrong khi đúc ủ đồng nhất hoá đợc tiến hành ở nhiệt độ khoảng 420

 5000C, trong quá trình ủ xảy ra khuếch tán mạnh do vậy thay đổi sự

phân bố lại các pha, thành phần đều hơn Kết quả là độ dẻo tăng lênnhiều.

2.2 Tôi các hợp kim nhôm

Trong hợp kim nhôm, mục đích của tôi là nhằm tạo ra dung dịch rắn quábão hoà các nguyên tố hợp kim hóa và sau đó là quá trình hoá già tiếp theo để tiếtpha phân tán nhằm đạt đợc độ bền nhất định Đặc điểm của hợp kim nhôm là saukhi tôi cơ tính tăng lên không nhiều và khi hoá già tiếp theo thì cơ tính của nótăng lên đáng kể

Việc chọn nhiệt độ tôi các hợp kim nhôm căn cứ vào nhiều yếu tố nh dựavào giản đồ pha, nh căn cứ vào thành phần các nguyên tố hợp kim, số lợng vàhàm lợng các nguyên tố đó cũng nh tính chất các pha liên kim loại mà chúng cóthể tạo thành Nguyên tắc chọn nhiệt độ nung tôi là lấy nhiệt độ tôi thấp hơnnhiệt độ cùng tinh từ 5 – 100C và tùy từng hợp kim cụ thể khoảng dung sai nhiệt

độ nung nóng để tôi cũng khác nhau[4]

Thời gian giữ nhiệt khi tôi là để hòa tan các phần tử pha thứ hai vào dungdịch rắn  Khoảng thời gian giữ nhiệt này phụ thuộc vào độ lớn của phần tử phathứ hai và hệ số khuếch tán của các nguyên tố hợp kim hóa trong hợp kim

Đối với các hợp kim nhôm biến dạng, các phần tử này phân tán nhỏ mịnbởi vậy thời gian giữ nhiệt không dài, song các chi tiết có kích thớc khác nhaunên thời gian giữ nhiệt cũng khác nhau Bảng 2 và Bảng 3 cho ta biết thời giangiữ nhiệt để tôi các chi tiết

Chiều dày tấm

Mm

Thời gian giữ nhiệt (phút)

Trong bể muối Nitrat Trong không khí

Bảng 2 Thời gian giữ nhiệt để tôi các bán thành phẩm

(ngoài rèn khuôn) của các hợp kim nhôm biến dạng[4].

Bảng 3 Thời gian giữ nhiệt khi tôi các dạng bán thành phẩm dập và rèn[4].

Tốc độ nguội tới hạn của hầu hết các hợp kim nhôm nhỏ hơn tốc độ nguộitrong nớc và nh vậy hầu hết các hợp kim nhôm công nghiệp đều có thể dùng nớclàm môi trờng tôi, đặc biệt ở một số trờng hợp thì hợp kim nhôm có thể làmnguội ngoài không khí Sau khi tôi hiệu quả tăng bền của hợp kim không lớn, bởivậy để tăng bền ngời ta phải tiến hành hoá già ở những nhiệt độ và thời gian khácnhau để nhận đợc cơ tính tổng hợp tốt nhất theo yêu cầu kỹ thuật đặt ra

2.3 Hóa già các hợp kim nhôm.

Hoá già là quá trình gia công nhiệt luyện các hợp kim sau khi tôi không cóchuyển biến thù hình, mà nó chủ yếu là quá trình phân hoá dung dịch rắn quábão hoà dới tác dụng của nhiệt độ và thời gian, đa tổ chức của hợp kim về trạngthái năng lợng ổn định hơn Thực chất của quá trình hoá già là chuyển hệ thống

từ trạng thái có năng lợng cao và không cân bằng về trạng thái có năng lợng thấphơn (vì quá trình hoá già là quá trình tự xảy ra) Cơ sở lý thuyết về quá trình hoágià đợc áp dụng cho tất cả các hợp kim tạo trên cơ sở kim loại có chuyển biến thùhình

2.3.1 Sự thay đổi tổ chức khi hoá già.

Quá trình hóa già xảy ra có khuếch tán Các yếu tố nh nhiệt độ, thời gianhoá già, bản chất hợp kim, thành phần các nguyên tố cơ bản, tạp chất, trạng thái

tổ chức và đặc tính biến dạng trớc khi hoá già có vai trò rất lớn Các yếu tố nàygây ảnh hởng đến mức độ, hình thức phân hoá dung dịch rắn, độ phân tán cácphần tử tiết ra, hình dạng của chúng và đặc tính tổ chức khác

2.3.2 Các giai đoạn phân hoá dung dịch rắn quá bão hoà

Nghiên cứu bản chất tổ chức tạo ra khi hoá già, các giai đoạn và đặc tính

động học của quá trình phân hoá dung dịch rắn quá bão hoà có ý nghĩa lý thuyết

và thực tiễn rất quan trọng Đặc điểm tổ chức hình thành khi phân hoá dung dịchrắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đến nay nhiều công trình nghiên cứu dựa trênnhững phơng tiện hiện đại cũng đang nghiên cứu để làm sáng tỏ bản chất độnghọc quá trình hoá già Từ đầu thế kỷ 20, hợp kim Al - 4%Cu đã đợc nghiên cứunhiều và đợc làm hợp kim tiêu biểu cho sự nghiên cứu về động học quá trình hoágià Cơ chế hoá bền hợp kim nhôm cũng đợc giải thích trên cơ sở của các côngtrình nghiên cứu về hợp kim này

Sau khi tôi hợp kim sẽ nhận đợc dung dịch rắn  quá bão hoà, ở nhiệt độthờng tổ chức này không ổn định và có xu hớng phân hoá Khi ta tăng nhiệt độ(khi nhiệt độ lớn hơn1500C) hoặc kéo dài thời gian, giữ cho nhiệt độ không đổithì sự thay đổi tổ chức bắt đầu hình thành các vùng Guinier – Preston (VGP),tiếp theo là sự tạo pha ” (VGP2), pha ’ và pha (CuAl2)

VGP là vùng của dung

dịch rắn quá bão hoà đợc làm

giầu nguyên tố hợp kim Tất

nhiên nó có cùng kiểu mạng tinh

với CuAl2) ở đây các nguyên tử

Cu chiếm một trong số các mặt của họ 100, còn trên các mặt song song về haiphía với nó chỉ có nguyên tử Al Vì bán kính nguyên tử Cu (rCu) nhỏ hơn bán kínhnguyên tử Al (rAl) Do vậy dẫn đến mặt nguyên tử Al dịch ép về phía mặt nguyên

tử Cu, khoảng 14 lớp tính theo

mỗi phía chịu ảnh hởng xê dịch vị

trí do xuất hiện mặt phẳng nguyên

thuộc vào thành phần hợp kim,

nhiệt độ và thời gian hoá già, giá

trị trung bình khoảng 10 

100A0

Tùy thuộc vào thành phần

hợp kim, nhiệt độ và thời gian hoá

già mà vùng VGP có đờng kính

khoảng 100A0

200 400 600

T, C °

VGP

L L+

L

5,7% 548 C° 33% 52,5%L+

Về mặt động học VGP đợc coi nh trạng thái pha giả ổn định So với vùngtạo ra ban đầu tạo ra do ba động thành phần, VGP khác hẳn Vùng ba động thànhphần không ổn định thì VGP lại ổn định hơn theo thời gian VGP có thể lớn lênbằng cách “thiên tích” các vùng nhỏ lân cận theo cơ chế khuyếch tán Thànhphần VGP ở nhiệt độ nhất định không phụ thuộc vào thành phần hợp kim Mộttrong những điểm quan trọng nhất về mặt nhiệt động học có thể coi VGP nhtrạng thái pha giả ổn định, là sự tồn

tại của đờng hoà tan VGP tơng tự nh

đờng hoà tan pha  trên giản đồ pha

(hình 8.2) và tồn tại đờng cong vòm

biểu thị sự cân bằng giả ổn định của

ở chỗ mạng tinh thể của nó hoàn toàn liên tục với nền

Pha ’ có thành phần ứng với công thức CuAl2, kiểu mạng chính phơng,Theo mặt (001) có hằng số mạng a = 4,04A0 và hoàn toàn liền mạng với nền .Theo mặt (100) hằng số mạng tơng ứng là a = 4,04A0 và c = 5,80A0 Nh vậy ’liền mạng một phần với  Trờng hợp ứng suất đàn hồi sinh ra do tạo VGP và pha

” lớn hơn so với trờng hợp tạo ’.Pha  (CuAl

2) là pha hoàn toàn độc lập với nền, kiểu mạng chính phơngvới các thông số mạng a = 6,06A0 và c = 4,87A0

Về cơ chế sinh mầm của các pha ”, ’ ngời ta cho rằng chúng tạo ra ởtrên các lệch, biên giới siêu hạt, khuyết tật xếp và ở các vùng nút trống, đồng thời

% (nguyên tử) Cu

Đ ờng hoà tan vùng GP

Cu 30

20 10

Al 200

Hình 8.2 Giản đồ pha hệ Al-Cu với

đ ờng hoà tan VGP (theo Beton và Rollason)

chúng còn sinh ra trên các pha ” hoặc ’ đã xuất hiện trớc Nh vậy, về thứ tự cácpha ”, ’ có thể sinh ra bằng cách tiếp tục phát triển các VGP hoặc cũng có thểsinh ra hoàn toàn độc lập không phụ thuộc vào các vùng đó Pha  (CuAl2) cũngvậy Nó có thể kế tục các pha trung gian ”, ’ hoặc cũng có thể sinh ra độc lậpvới các pha đó.

Sự biến đổi năng lợng tự do khi chuyển biến pha trong trạng thái rắn biểudiễn bằng công thức:

F = - Fv + Fbm + Fđh.Hai thành phần Fbm và Fđh có giá trị dơng làm ngăn cản quá trình tạomầm khi chuyển biến pha Sự tạo hình thành VGP, ”, ’ trên lệch, biên giới hạt,siêu hạt, khuyết tật xếp, vùng nút trống làm giảm bớt đại lợng Fđh, trong khi đótiết ra pha ổn định  làm tăng Fbm Khi các mầm  đợc tạo trên biên giới hạthoặc các pha ”, ’ sẽ làm giảm giá trị Fbm

Trên giản đồ pha hình 8.3, vị trí hoà tan VGP thấp nhất rồi đến pha ”, pha

’ và cao nhất là đờng hoà tan vùng  Do vậy các sản phẩm phân hoá VGP, pha

’, pha  sẽ có giản đồ chữ C của nó (hình 9)

200 400 600

T, C °

VGP

L L+

Nhánh trên của đờng cong chữ C tiến tới nhiệt độ hoà tan tơng ứng TVGP,

T’, T Nếu ta tiến hành hoá già ở nhiệt độ T1 < TVGP lần lợt sẽ tạo ra các sảnphẩm qbh  VGP  ’  

Khi hoá già ở nhiệt độ T2 > TVGP: qbh  ’  

Còn nếu hoá già ở nhiệt độ T3 > T: qbh  

TVGP, T’, T là nhiệt độ hoà tan các sản phẩm tiết ra VGP,’ và 

2.3.3 Sự kết tụ các phần tử tiết pha.

Khi thành phần pha mẹ đạt tới cân bằng trong quá trình phân huỷ dungdịch rắn quá bão hoà, khối lợng của các pha tăng lên và nồng độ các nguyên tốhợp kim trong dung dịch rắn giảm xuống, khi dung dịch rắn đạt đợc nồng độ cânbằng ở mỗi nhiệt độ xác định, việc sinh mần sẽ ngừng lại, tổng thể tích của các

Hình 9 Đ ờng cong chữ C hình thành VGP, pha '

và  khi phân hóa dung dịch rắn quá bão hòa[5].

pha tách ra không thay đổi nhng tổ chức của hợp kim cha ổn định, chúng có xuhớng kết tụ lại và lớn lên và làm giảm năng lợng của hệ thống Động lực của quátrình là sự chênh lệch năng lợng tự do của các phân tử tiết ra Sự thay đổi năng l-ợng tự do tính cho một nguyên tử có thể xác định theo công thức:

f = - FV +

r

3

Đối với độ quá nguội đã cho Fv và  là hằng số Từ đó cho thấy năng ợng tự do tính cho một nguyên tử (f) tỷ lệ nghịch với kích thớc của cácphần tửtiết ra, bán kính của các phần tử tiết ra càng nhỏ, năng lợng tự do của nó càng lớn

l-và do đó nó cân bằng với dung dịch rắn xung quanh l-và có nồng độ cao hơn Khicác phần tử tiết ra có bán kính lớn, thì có sự chênh lệch nồng độ nguyên tố hoàtan nên sẽ có dòng nguyên tử các nguyên tố hoà tan di chuyển từ vùng xungquanh phần tử nhỏ đến vùng xung quanh phần tử lớn Kết quả là các phần tử nhỏhoà tan và các phần tử lớn tiếp tục phát triển, kéo theo là năng l ợng tự do của hệthống giảm quá trình này đợc gọi là quá trình tích tụ các phần tử tiết ra

2.3.4 Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình hoá già

Hóa già chịu ảnh hởng của nhiều yếu tố Các yếu tố ảnh hởng mạnh và rựctiếp đến động học hóa già là nhiệt độ, thời gian, thành phần hóa học và tổ chứccủa hợp kim trớc khi hóa già

a ảnh hởng của các nguyên tố hợp kim:

ảnh hởng của sắt.

Trong các hợp kim nhôm nói chung và các hợp kim nhôm biến dạng nóiriêng, thờng có tạp chất sắt với hàm lợng 0,1 0,35% Sắt xâm nhập vào hợp kimnhôm từ nguyên liệu ban đầu hoặc do sự hoà tan sắt vào hợp kim lỏng trong quátrình nấu luyện khi sử dụng nồi nấu bằng gang, thép Sắt là nguyên tố có ảnh h-ởng mạnh đến tính chất cơ học, lý học và tính công nghệ của hợp kim, sắt cótrong hợp kim nhôm sẽ tơng tác với nhôm tạo pha Al3Fe rất giòn, kết tinh ở dạnghình kim thô to Cùng tinh (Al-Al3Fe) xuất hiện ngay cả khi hàm lợng Fe rất nhỏ

và phân bố đều theo biên giới hạt Tổ chức này làm tăng độ bền, độ cứng nhng lạilàm giảm mạnh tính dẻo – một chỉ tiêu quan trọng của hợp kim nhôm biếndạng; mặt khác nó còn làm tăng sự nhạy cảm với ăn mòn điện hoá do chênh lệchthế điện cực giữa Al và FeAl3 khá lớn

Để hạn chế hàm lợng sắt có trong hợp kim nhôm nói chung và trong hợpkim nhôm biến dạng nói riêng cần áp dụng các biện pháp nh: dùng nguyên liệu

chứa ít sắt, sơn phủ mặt trong của nồi (nếu dùng nồi gang hoặc nồi thép) và cần

áp dụng các phơng pháp khử sắt thích hợp

ảnh hởng của Si.

Silic hoà tan rất ít vào trong nhôm, ở 5770C là 1,65%, còn ở 2500C là0,05%(hình 6) Đối với hợp kim nhôm biến dạng, hàm lợng Silic thờng dao độngtrong khoảng 0,2  1,2% Nếu hàm lợng Silic ở mức thấp, nó sẽ hoà tan vàonhôm tạo ra dung dịch rắn có độ bền cao hơn nhôm nguyên chất và vẫn giữ đợc

độ dẻo cao Khi tăng hàm lợng Silic sẽ tạo ra cùng tinh ( + Si) gồm những hạtSilic dạng kim hoặc dạng hạt (nếu đợc biến tính) trên nền , cùng tinh có độ bềncao hơn  nhng độ dẻo lại kém

Khi tồn tại đồng thời cả Sắt và Silic sẽ xuất hiện các pha liên kim loại dạng

 (Al-Fe-Si) và(Al-Fe-Si) giòn và kết tinh ở dạng tấm thô to Trong trờng hợpnày, độ dẻo và tính ổn định chốn ăn mòn của hợp kim nhôm cũng bị giảm mạnh.Khi tăng hàm lợng Si thì hệ số giãn nở nhiệt và độ dẫn nhiệt của hợp kim giảm

đi

ảnh hởng của magie

Trong trờng hợp nhôm biến dạng (hình 3), hàm lợng magie thờng ở mức0,4  4,9% độ hoà tan của magie trong nhôm: ở 5770C là 17,4%, ở 2500C là2,95%(cao hơn so với Silic) Với hàm lợng thấp, Mg hoàn toàn hoà tan vào trongnhôm tạo ra dung dịch rắn  có độ bền cao hơn nhôm nguyên chất nhng vẫn giữ

đợc độ dẻo Khi tăng hàm lợng Mg có thể tạo thành pha (Al3Mg2) tiết ra từ dungdịch rắn, có xu hớng phân bố dạng lới theo biên giới hạt tổ chức dạng lới  liêntục rất nhạy cảm với ăn mòn ứng suất, vì vậy trong công nghiệp thờng sử dụngloại hợp kim có chứa ít Mg (phổ biến hơn cả là loại dới 4%Mg)

Nếu hàm lợng Mg nhỏ, hiệu ứng hoá bền khi tôi và hoá già quá nhỏ nênthực tế có thể bỏ qua Khi có mặt đồng thời Mg và Si (hệ hợp kim Al-Mg-Si) cóthể tạo ra pha Mg2Si đợc tiết ra từ dung dịch rắn  có tác dụng tăng bền cho hợpkim Tuy nhiên nếu lợng Mg2Si nhiều thì sẽ làm giảm mạnh tính dẻo của hợpkim

Hợp kim Al – Si có thêm một lợng nhỏ Mg (khoảng 0,3 – 0,9%) sẽ cókhả năng nhiệt luyện vì có Mg2Si hoà tan vào nhôm nhiều Sau khi nhiệt luyện độbền của hợp kim nhôm có thể tăng gấp đôi Ví dụ hợp kim Al – Mg – Si có0,7%Mg, 0,5%Si, sau khi tôi và ủ tiết pha ở 1750C sẽ có tính chất cơ học nh sau:

R = 220 – 280 MPa, R = 160 – 240 MPa,

A5 = 12 – 18%, HB = 70 – 85.

ảnh hởng của mangan

Mn làm giảm tác hại của sắt và làm giảm độ nhạy cảm với ăn mòn dới ứngsuất Theo giản đồ pha Al – Mn (hình 2) thì Mn có thể hoà tan trong nhôm vàtạo thành dung dịch rắn  Độ hoà tan lớn nhất của Mn trong dung dịch rắn  đạt1,8% ở 6500C và giảm rất nhanh trong vùng nhiệt độ từ 450 – 6500C Đây làvùng nhiệt độ tôi của phần lớn các hợp kim nhôm công nghiệp Do ảnh hởng của

Fe và Si thì độ hoà tan của Mn trong dung dịch rắn  cũng giảm đi Với sự cómặt của Fe (0,1%) và Si (0,65%) dung dịch rắn  chỉ có thể hoà tan đợc khoảng0,05%Mn ở 5000C Điều này giải thích tại sao các hợp kim nhôm biến dạng Al– Mn không thể hoá bền bằng nhiệt luyện Để tăng bền trong trờng hợp này việc

sử dụng phơng pháp biến dạng nguội sẽ rất hiệu quả, vì hiệu ứng hoá bền do biếndạng đạt đợc khá lớn, thêm nữa thì sự hình thành pha  (Al– Fe –Si–Mn), khikết tinh ở dạng nhỏ mịn phân tán, nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim tăng lên gópphần duy trì ổn định kết quả hoá bền đã tạo ra[1]

Một đặc điểm rất đáng chú ý của hợp kim Al – Mn là có xu hớng thiêntích Mn và tạo dung dịch rắn quá bão hoà bất thờng khi kết tinh Sự phân bố Mnkhông đồng đều có thể dẫn đến những kết quả xấu nh làm giảm cơ tính, độ dai va

đập thấp do tạo thành tổ chức hạt thô với sự phân bố độ hạt chênh lệch giữa cácvùng của mẫu sau kết tinh lại, Mn còn có thể tạo với nhôm hợp chất liên kim loại

Al6Mn

Các hợp kim Al – Mn chịu gia công biến dạng nóng và nguội tốt, có tínhhàn và chống ăn mòn trong khí quyển cao hơn Al sạch kỹ thuật

ảnh hởng của đồng.

ở nhiệt độ cao (5480C) nhôm có khả năng hoà tan tới 5,65%Cu (Hình 7)

và tạo dung dịch  nhng ở nhiệt độ thờng chỉ hoà tan đựoc khoảng 0,2% Đồnglàm tăng bền cho hợp kim nhôm mạnh hơn so với Silic Khi hạ nhiệt độ, dungdịch rắn  tiết ra pha CuAl2 có độ cứng 530HB (tơng đơng với Mg2Si) làm tăng

độ bền, độ cứng cho hợp kim nhôm nhng lại làm giảm độ dẻo của hợp kim

Trong các hợp kim nhôm biến dạng, hàm lợng Cu thờng ở mức 0,1– 4,9% Với hàm lợng nh vậy thì tổ chức của hợp kim nhôm biến dạng ở nhiệt

độ thờng sẽ là  + CuAl2II

Hàm lợng Cu nhỏ hơn 0,5% sẽ có tác dụng làm tăng cơ tính nhng nếu vợtquá giá trị này thì nó sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn của hợp kim

ảnh hởng của kẽm.

Kẽm có khả năng hoà tan vào nhôm, tạo ra dung dịch rắn  Ngoài ra nócòn tạo với Mg (nếu trong hợp kim có Mg) các pha trung gian MgZn2 vàT(Al2Mg3Zn3) Khi nung nóng độ hoà tan của MgZn2 và Al2Mg3Zn3 trong  tănglên rất mạnh, khi làm nguội chậm tiếp theo (có thể tiến hành nguội trong khôngkhí) sẽ dễ dàng tạo ra dung dịch rắn  quá bão hoà

Trong các hợp kim nhôm biến dạng, hàm lợng Zn thờng ở mức 0,1–0,25%

Họ hợp kim Al – Zn – Mg và Al – Zn – Mg – Cu có độ bền cao và

có tính đàn hồi tốt Nhợc điểm cơ bản của chúng là có xu hớng nhạy cảm với ănmòn dới ứng suất và thải bền nhanh khi nâng nhiệt độ quá 1200C

b ảnh hởng của nhiệt độ và thời gian hoá già

Độ bền (b) và độ cứng (HB) của hợp kim tăng lên khi ta tăng thời gianhoá già (hình 10), chúng sẽ đạt cực đại sau một thời gian nhất định rồi lại giảm(đờng cong T2, T3) Đờng cong thay đổi độ cứng theo thời gian hoá già có thểchia làm hai phần Bên

trái cực đại là nhánh hoá

bền, bên phải cực đại

ứng với giai đoạn thải

bền (quá già) Khi đó

xảy ra hiện tợng thải

bền: độ bền, độ cứng

giảm[5]

Nếu nhiệt độ hoá

già đủ thấp thì giai đoạn

quá già không xảy ra và

sự hoá bền hợp kim là

do sự tăng mật độ của pha tiết ra (đờng cong T1), điều này có thể thấy khi hoá già

đuara ở nhiệt độ thờng Nếu tăng nhiệt độ hoá già, giai đoạn quá già xảy ra càngsớm khi nhiệt độ hoá già càng tăng

Với đa số hợp kim nhôm biến dạng thì cực đại độ bền, đọ cứng ứng với tổchức gồm VGP, pha trung gian giả ổn định ’ với tỷ lệ xác định nào đó giữachúng Chẳng hạn trong hệ hợp kim Al–4% Cu, sự hoá già thải bền đợc bắt đầubằng sự tách ra của pha  từ nền và sự tích tụ của chúng Khi nhiệt độ hoá già cao

c

b a

d e f

T 1

T 2

T 3

Thời gian hoá già

Hình 10 Sự phụ thuộc của cơ tính của hợp kim

thì thời gian đạt tới độ bền càng ngắn và tất nhiên giai đoạn quá già xảy ra càngsớm.

c ảnh hởng của tổ chức hợp kim trớc khi hoá già.

- ảnh hởng của lệch:

Lệch ảnh hởng đến động học quá trình hoá già, xung quanh lệch tồn tại ờng ứng suất Để giảm năng lợng của hệ do tồn tại các trờng ứng suất, nguyên tửcủa nguyên tố hợp kim có xu hớng phân bố vào các vùng xung quanh lệch

tr-Nh vậy lệch là một trong những nhân tố quan trọng gây ra sự không đồngnhất của dung dịch rắn quá bão hoà sau khi tôi Các vùng khí quyển cottrellchính là tâm mần để tạo VGP và pha trung gian khi hoá già Biến dạng dẻo làmtăng mật độ lệch, do vậy nó thúc đẩy quá trình hoá già

- ảnh hởng của nút trống:

ở nhiệt độ tôi, số lợng nút trống khá lớn, khi làm nguội nhanh chúng đợcgiữ lại trong dung dịch rắn qbh, dung dịch sau khi tôi bão hoà cả các nguyên tốhợp kim và nút trống Các nút trống liên kết với các nguyên tố hợp kim xungquanh và tạo ra liên hợp: Nút trống – các nguyên tố hợp kim, các liên hợp nàychuyển động dễ dàng, khuyếch tán đến nơi hình thành VGP, nồng độ nút trốngtại lân cận biên giới hạt bị giảm xuống mạnh bởi quá trình khuếch tán và tự huỷnút trống trên tinh giới hạt Do nồng độ nút trống giảm thấp hơn giá trị tới hạnnên quá trình hoá già không xảy ra, kết quả tạo thành vùng trắng ven biên giớihạt Nh vậy, nút trống vừa đóng vai trò thúc đẩy khuếch tán, tăng cờng hoá già,vừa là yếu tố cần thiết để cho quá trình hoá già xảy ra đợc

- ảnh hởng của biên giới hạt và biên giới siêu hạt:

Biên giới hạt cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình hoá già Côngtạo mầm ở biên giới hạt nói chung là nhỏ vì khi ấy năng lợng đàn hồi và năng l-ợng bề mặt nhỏ Do đặc điểm này mà quá trình phân hoá sẽ không giống nhau ởbiên giới hạt và ở bên trong hạt Biên giới siêu hạt cũng có tác dụng thúc đẩy quátrình tiết pha Nh vậy qua xét sự ảnh hởng của tổ chức hợp kim trớc khi hoá già

ta nhận thấy biến dạng dẻo làm tăng nồng độ nút trống, tăng mật độ lệch, tăngchiều dài biên giới hạt và tăng mật độ sai lệch xếp Do vậy nó có tác dụng làmtăng nhanh quá trình hoá già

- ảnh hởng của khuyết tật xếp:

Sự phát sinh khuyết tật xếp gắn liền với sự thay đổi thứ tự phân bố mặt xếpchặt Kiểu mạng ở vùng sai lệch xếp cũng khác đi, độ hoà tan các nguyên tố hợpkim giữa dung dịch rắn và vùng mạng sai lệch là khác nhau.

Trong mạng tinh thể nhôm, mặt (111) có thứ tự ABC ABC…nó cho tại vùng sailệch xếp, thứ tự mặt xếp chặt có thể thay đổi thành ABC AB AB ABC…nó cho thứ tựtrong vùng sai lệch xếp tơng ứng với kiểu mạng ‘sáu phơng xếp chặt’ (spxc), độhoà tan các nguyên tố hợp kim trong ‘sáu phơng xếp chặt’ khác với trong ‘lập ph-

ơng diện tâm’ (Lpdt) Vì vậy tại vùng sai lệch xếp sẽ xảy ra quá trình phân hoá.Sai lệch xếp không những chỉ có tác dụng thúc đẩy quá trình hoá già, nó còn làmthay đổi cả dạng mạng tinh thể của pha tiết ra

d Sự thay đổi tính chất của hợp kim khi hoá già.

Sự thay đổi cơ tính khi hoá già:

Hiện tợng hoá bền xảy ra khi hoá già là kết quả của sự hãm lệch do các sảnphẩm tạo ra trong quá trình phân hoá Hiện tợng hãm lệch chủ yếu ở đây có thể

là do trờng ứng suất xung quanh phần tử tiết ra, trạng thái lệch cắt qua các phần

tử hoặc ôm vòng xung quanh các phần tử pha hoá bền Trờng ứng suất đàn hồiphát sinh do khác nhau về kiểu mạng và thông số mạng giữa pha tiết ra liền mạng

và pha nền

Các yếu tố về sự chênh lệch thể tích giữa hai pha, độ lớn của mô đun đànhồi pha mẹ cũng gây ảnh hởng đến cờng độ trờng ứng suất đàn hồi Lệch muốnchuyển động cần có năng lợng lớn hơn năng lợng của trờng ứng suất Nói chung

ở trạng thái tổ chức VGP và pha trung gian giả ổn định trờng ứng suất đàn hồi làlớn nhất, và do vậy hãm lệch xảy ra mạnh nhất Khi lệch cắt ngang qua mạng phatiết ra sẽ làm thay đổi trật tự xắp xếp nguyên tử ở mặt trợt trong vùng cắt Kếtqủa các phần tử tiết ra bị biến dạng cùng với nền, sự chuyển động của lệch bịngăn cản Khi tổ chức của pha tiết ra tại vùng mặt cắt càng khác nhau với tổ chứccủa nền thì hiệu quả hoá bền càng tăng mạnh

Trờng hợp tổ chức hợp kim hoá già gồm các VGP năng lợng trên mặt cắt

nó khoảng 102erg/cm2, còn khi cắt qua các phần tử tiết ra không liền mạng với

nền giá trị năng lợng này khoảng103erg/cm2 Khi lệch không cắt qua các phần tửtiết ra nó có thể chuyển động bằng cách ôm vòng quanh các phần tử ấy Trongquá trình biến dạng, số vòng lệch xung quanh phần tử tiết ra tăng lên, khả nănghãm lệch cũng tăng lên và xu hớng hoá bền tăng (hình 10.2).

Đối với các hợp kim nhôm công nghiệp, do thành phần phức tạp nên sựphụ thuộc các chỉ tiêu cơ tính và nhiệt độ hoá già là rất khác nhau

Thay đổi điện trở:

Khi tăng thời gian hoá già, điện trở lúc đầu tăng nhanh, sau đó tăng chậmlại Giai đoạn đầu đợc gọi là giai đoạn phản ứng nhanh, lúc này do độ quá bãohoà nút trống lớn, tốc độ khuyếch tán tạo vùng xảy ra mạnh, do vậy điện trở tăngnhanh Giai đoạn hai đợc gọi là giai đoạn phản ứng chậm điện trở tăng từ từ vàtiến tới ổn định

Khi tăng thời gian hoặc nâng nhiệt độ hoá già thì điện trở giảm xuống.Theo Mott.N.F sự tăng điện trở khi hoá già ở giai đoạn đầu có liên quan tới hiệntợng tán xạ điện tử tự do bởi các vùng kích thớc nhỏ và phân tán ngoài ra sự xôlệch mạng xung quanh VGP và các sai lệch mạng tạo ra trên biên giới /VGPcũng góp phần làm tăng điện trở

Chơng Iii cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm

Trên cơ sở những quan điểm hiện đại về mối quan hệ giữa tổ chức và tínhchất của các vật thể tinh thể, độ bền của kim loại chính là khả năng chốngchuyển động của lệch khi ở một trạng thái chịu tải trọng nhất định – là ứng suấtcần thiết để khắc phục các trở ngại khi lệch chuyển động làm thay đổi tổ chứccủa vật liệu theo hớng ổn định, nó chính là ý nghĩa vật lý của sự hoá bền kimloại

Các phơng pháp hoá bền dựa trên cơ sở điều khiển cấu trúc lệch bằng cáctác động tổng hợp cơ - nhiệt đối với các đối tợng gia công, đợc gọi là cơ nhiệtluyện, còn sự tăng bền đạt đợc do kết quả của tác động hỗn hợp nh vậy gọi là sựhoá bền cơ - nhiệt luyện

Cơ sở của phơng pháp cơ - nhiệt luyện là bằng tác động cơ - nhiệt tổng hợptạo ra trong tinh thể kim loại những siêu bề mặt ổn định, gây cản trở sự chuyển

động tự do của lệch Do đặc điểm này, ngời ta còn gọi hoá bền cơ - nhiệt luyện làhoá bền siêu cấu trúc Khác với các dạng hoá bền khác, hoá bền cơ - nhiệt tạo ra

sự tăng năng lợng của vật liệu trong khi nó vãn giữ đợc hoặc làm tăng tính ổn

định của trạng thái cấu trúc

Các siêu bề mặt hoặc biên giới siêu hạt hình thành từ các ‘vách’ lệch, phânchia tinh thể thành những vùng thể tích siêu nhỏ này còn đợc gọi là siêu hạt cótính ổn định nhiệt cao Sự hoá bền siêu cấu trúc do tác động cơ- nhiệt là nội dungchính của cơ - nhiệt luyện

3.1 Cơ - nhiệt luyện nhiệt độ thấp.

( Low thermo – mechanical Treatment – LTMT ),

3.1.1 khái niệm

Phơng pháp gia công này bao gồm tôi, biến dạng dẻo ở nhiệt độ thấp hơnnhiệt độ bắt đầu kết tinh lại và hoá già tự nhiên (hay hoá già nhân tạo) Dạng giacông này thực hiện trên các vật liệu khác nhau sẽ cho hiệu quả khác nhau(hình 11).

Chi tiết tiến hành tôi sau đó biến dạng dẻo rồi hoá già, so với trờng hợp tôi

và hoá già, sau khi cơ - nhiệt luyện nhiệt độ thấp đạt đợc giới hạn bền và giới hạnchảy cao hơn nhng độ dẻo dai lại thấp hơn

Gia công biến dạng có thể là gia công biến dạng nóng hoặc gia công biếndạng nguội Biến dạng dẻo không chỉ là phơng pháp gia công tạo hình, mà nócòn gây ra sự biến đổi cơ bản đến tổ chức và do đó dẫn đến sự thay đổi về tínhchất của hợp kim nhôm

Sự định hớng của các hạt và phần tử pha thứ hai:

Khi biến dạng, phụ thuộc vào phơng pháp biến dạng và hình dạng chi tiết,tinh thể có hình dạng khác nhau Nh trong các dây kim loại do biến dạng kéo,kim loại tinh thể có dạng sợi, thớ, còn trong các tấm cán nó có dạng vẩy, dạngtấm và trong các vật rèn, dập trong khuôn thì lại có hình dạng phức tạp hơn Cácphần tử liên kim loại sẽ phân bố tơng ứng với sự định hớng của hạt, chúng thờngxếp thành hàng theo phơng biến dạng chính

Hình 11 Sơ đồ Cơ-Nhiệt luyện nhiệt độ thấp.