quá trình già hóa AlCu

TIỂU LUẬN 5:QUÁ TRÌNH GIÀ HÓA Al-Cu Trước khi xem xét quá trình hóa già hợp kim Al-Cu chúng ta sẽ xem hóa già là gì : Sự biến cứng phân tán, còn gọi là hóa già, là một kỹ thuật dùng để x

TIỂU LUẬN 5:

QUÁ TRÌNH GIÀ HÓA Al-Cu

Trước khi xem xét quá trình hóa già hợp kim Al-Cu chúng ta

sẽ xem hóa già là gì :

Sự biến cứng phân tán, còn gọi là hóa già, là một kỹ thuật dùng để xử lý nhiệt được sử dụng để làm tăng độ dẻo của vật liệu dễ uốn, bao gồm hầu hết các kim loại và hợp kim kết cấu như nhôm, magiê, niken, titan, và một số loại thép không gỉ Trong hợp kim chịu nhiệt cao nó được biết là gây ra giới hạn đàn hồi bất thường cung cấp sức chịu đựng ở nhiệt độ cao rất tốt

Sự biến cứng ( sự hóa già ) dựa trên những thay đổi trong khả năng hòa tan chất rắn có nhiệt độ để tạo ra các hạt nhỏ của một pha tạp chất, gây cản trở cho sự phát triển của các đứt gãy, hoặc khuyết tật trong mạng tinh thể của một tinh thể nào đó Sự đứt gãy thường

là đặc điểm nổi bật của dẻo, điều này có ứng dụng để làm cứng các vật liệu.Các tạp chất đóng vai trò tương tự như những hạt trong vật liệu composite để tăng cường hạt Cũng như sự hình thành nước đá trong không khí dùng để tao nên mây, tuyết, mưa , phụ thuộc vào nhiệt được giữ của một phần nhất định của khí quyển, kết tủa trong các chất rắn có thể tao nên nhiều kích cỡ khác nhau của các hạt, có đặc tính hoàn toàn khác nhau Không giống như ủ bình thường, hợp kim phải được giữ ở nhiệt độ cao trong nhiều giờ để cho phép kết

1

tủa xảy ra hoàn toàn Thời gian trễ này được gọi là "hóa già" Dung dịch xử lý hóa già được viết tắt là "STA"

Độ bền và độ cứng của một số hợp kim của kim loại có thể được tăng cường bởi sự hình thành của các hạt phân tán đồng đều cực nhỏ của một pha thứ hai trong ma trận pha ban đầu

Hình dưới là một quá trình biến cứng của kim loại:

Hình ảnh về một tổ chức pha của Al-Mg có thể được dùng để biến cứng hay hóa già:

Cơ chế của sự hóa cứng xảy ra trong phạm vi biến dạng dẻo

Có những vùng trong tinh thể hoặc chất kết tủa sẽ làm cản trở việc chuyển động lệch mạng do vậy ứng suất phải được tăng lên để

"đẩy" các lệch mạng thông qua việc phân bố các chất kết tủa Do đó các hợp kim trở nên rất cứng và bền hơn Đó là cơ chế của sự hóa già

Bây giờ chúng ta tìm hiểu sự hóa già trong hợp kim Al-Cu

Hợp kim Al-Cu4% và nhiệt luyện hóa bền

Để xét nhiệt luyện hóa bền của hệ Al - Cu nói riêng và của các

3

hệ hợp kim nhôm khác nói chung, hãy xét cơ chế hóa bền khi nhiệt luyện hợp kim Al chứa 4%Cu

Sơ đồ cân bằng Al-Cu:

Thành phần hóa học (%) và cơ tính của các hợp kim nhôm

Giảm đồ pha hợp kim Al-Cu với thành phần Cu là 4%

Cấu trúc

hóa già

Từ giản đồ pha Al - Cu thấy rằng Cu hòa tan đáng kể ở trong

Al ở nhiệt độ cao (cực đại là 5,65% ở 5480C), song lại giảm mạnh khi hạ nhiệt độ (còn 0,5% ở nhiệt độ thường) Khi vượt quá giới hạn hòa tan lượng Cu thừa được tiết ra ở dạng CuAl2II (trong đó II là để chỉ pha này được tiết ra từ trạng thái rắn như Fe3C II -Xementite II trong thép sau cùng tích) Như vậy hợp kim Al-Cu4%C :

Lúc đầu ở nhiệt độ thường và ở trạng thái cân bằng (ủ) có tổ chức gồm dung dịch rắn α - Al (0,5%Cu) và một lượng (khoảng 7%) là pha CuAl2II , có độ cứng và độ bền thấp nhất (σb =200MPa)

Khi nung nóng lên quá đường giới hạn hòa tan (5200C), các phần tử CuAl2II hòa tan hết vào α - Al và chỉ có tổ chức một pha α

là Al(4%Cu) và khi làm nguội nhanh tiếp theo (tôi) CuAl2II không kịp tiết ra, tổ chức α giàu Cu được cố định lại ở nhiệt độ thường

Như vậy sau khi tôi, ở nhiệt độ thường hợp kim có tổ chức khác hẳn lúc đầu, là dung dịch rắn quá bão hòa (với giới hạn hòa tan

là 0,5%Cu thì 4%Cu là quá bão hòa) với độ bền tăng lên đôi chút (do mạng bị xô lệch nhất định), σb = 250 - 300MPa và vẫn còn khá dẻo (có thể sửa, nắn được)

Song lại thấy hiện tượng đặc biệt khác thép: sau khi tôi, theo thời gian độ bền, độ cứng tăng lên dần và đạt đến giá trị cực đại sau

5 - 7 ngày, σb = 400MPa tức đã tăng gấp đôi so với trạng thái ủ (hình 6.5) Quá trình nhiệt luyện hóa bền như vậy được gọi là tôi + hóa già tự nhiên (để lâu ở nhiệt độ thường)

7

Cơ chế hóa bền khi tôi + hóa già của hợp kim Al-Cu

Cơ chế giải thích sự hóa bền của hợp kim nhôm khi tôi + hóa già do Gunier và Preston đưa ra một cách độc lập nhau từ đầu thế kỷ

20 sau đó đã được chứng minh bằng phân tích tia X là đúng Có thể giải thích sự hóa bền đó như sau

Dung dịch rắn quá bão hòa tạo thành sau khi tôi là không ổn định, luôn có khuynh hướng trở về trạng thái cân bằng, bằng cách tiết ra Cu và tập trung lại dưới dạng CuAl2II Sự trở về trạng thái cân bằng này xảy ra khá chậm ở nhiệt độ thường và càng nhanh ở nhiệt độ cao hơn với các giai đoạn như sau

Giai đoạn I Khi lượng Cu tập trung quá 4% ở một số vùng

gọi là vùng G.P có kích thước rất bé (hình đĩa bán kính khoảng 5nm) với sự xô lệch mạng cao nên có độ cứng cao, nhờ đó nâng cao

độ bền, độ cứng

Giai đoạn II Các nguyên tử Cu trong vùng G.P tiếp tục tập

trung và dần dần đạt đến mức 1Cu - 2Al và vùng G.P to lên tạo nên pha V" (kích thước 10nm, khoảng cách các pha 20nm) rồi V' (với kích thước lớn hơn) Độ bền đạt được giá trị cao nhất là ứng với sự tạo nên pha V", khi tạo nên pha V' độ bền bắt đầu giảm đi ở nhiệt

độ thường quá trình kết thúc bằng sự tạo thành pha V" và đạt độ

bền cực đại sau 5 - 7

ngày và duy trì trạng

thái này mãi mãi

(xem đường hóa già

tự nhiên - 200C - trên

hình dưới )

Giai đoạn III ở nhiệt độ cao hơn, 50 – 1000C hay hơn, pha V' chuyển biến thành V với cấu trúc đúng với CuAl2II như trên giản đồ pha Do ở trạng thái cân bằng và pha V có kích thước lớn hơn nên

độ bền giảm nhanh đến mức thấp nhất (xem đường hóa già nhân tạo

- 100, 2000C trên hình dưới ) Có thể coi V’’ và V’ là các tiền pha của V - CuAl2II

Qua đó thấy rõ

Pha CuAl2II có vai trò rất lớn đối với hóa bền hợp kim nhôm: hòa tan vào dung dịch rắn khi nung nóng, tạo nên dung dịch rắn quá bão hòa khi làm nguội và chuẩn bị tiết ra lại ở dạng rất phân tán khi hóa già Không có nó hợp kim không thể hóa bền được, nên người

ta gọi nó là pha hóa bền

9

Hình : Sự thay đổi giới hạn bền theo thời gian (hóa già) sau

khi tôi của hợp kim AlCu4

Nhiệt luyện hóa bền bằng cách tôi rồi tiếp theo sau là:

Hóa già tự nhiên: bảo quản ở nhiệt độ thường trong 5 - 7

ngày, hoặc muốn nhanh hơn

Hóa già nhân tạo: nung nóng ở 100 - 200oC trong thời gian

thích hợp (chừng vài chục h tùy theo từng nhiệt độ cụ thể) để đạt đến độ bền cao nhất do tạo nên tiền pha θ (nhưng nếu kéo dài quá quy định độ bền sẽ giảm đi và không đạt được giá trị cực đại do tạo nên pha θ)

Hình ảnh về Các sai lệch và biến dạng khi hóa già:

Biến dạng mạng tinh thể Al –Cu khi hóa già

Hình a dung dịch rắn Al-α quá bão hòa

Hình b Miền hoặc kết tủa pha (hóa già )với sự biến dạng mạng tinh thể

Hình c Pha cân bằng (trung bình) không biến dạng

Hình ( a) Một kết tủa không thống nhất không có mối quan hệ với

các cấu trúc tinh thể của các ma trận xung quanh

11

Hình (b) Một hình thức kết tủa thống nhất có một mối quan hệ nhất

định giữa các kết tủa và cấu trúc tinh thể của ma trận

Thay đổi cấu trúc vi

mô xảy ra trong các hợp

kim hóa già trong hàn :

Hình (a) cấu trúc vi mô

trong mối hàn ở nhiệt độ

cao, và Hình (b) cấu trúc vi

mô trong mối hàn sau khi

từ từ nguội đến nhiệt độ phòng

Nghiên cứu tính chất đặc điểm của 1 tổ chức hóa già

Một tổ chức hóa già điển hình giữa Nhôm và Đồng với tỉ lệ

Al-3.5–5.5%Cu-Mg-Mn cho ra hợp kim Đuyra đây là một hợp kim

điển hình của nhôm và đồng với sự thêm vào của nguyên tố khác .Về tính chất vật lí hợp kim này có độ bền hơn nhôm 4 lần ( gần bằng độ bền của thép ) có tỉ khối xấp xỉ 27.5 g / cm3

Duralumin (còn có tên gọi khác là duraluminum , duralum , duraluminium , duralium or dural ) là tên gọi thương mại của

một trong các kiểu tên đầu tiên của hợp kim nhôm-hardenable

Việc sử dụng nó như là một tên thương mại giờ đã lỗi thời, và ngày nay thuật ngữ này được sử dụng chủ yếu để mô tả các hợp kim

nhôm-đồng, tên gọi Duyra được sử dụng từ nhưng năm 2000 do Hệ thống Alloy Designation System (IADS)

Ngoài nhôm, vật liệu chính cấu thành nên duralumin là đồng, mangan và magiê

Duralumin đã được tạo ra bởi nhà luyện kim của Đức là

Alfred Wilm ở phòng thí nghiệm tại Dürener Metallwerke Aktien Gesellschaft.Năm 1903, Wilm phát hiện ra rằng làm nguội, một hợp kim nhôm chứa 4% đồng ở nhiệt độ phòng dần dần cứng lại trong vài ngày Tiếp tục nghiên cứu và phát triên ông đã Cải thiện hơn nữa dẫn đến sự ra đời của duralumin vào năm 1909 Hiện nay cái Tên này đã lỗi thời , và chủ yếu được sử dụng trong khoa học với múc đích là phổ biến hệ thống hợp kim Al-Cu

Vào những năm 1920 và 1930 người ta sử dụng chúng lần đầu tiên để làm những cái khung khí cầu cứng chắc Cho tới khi chúng được sử dụng để làm khung máy bay chuyên chở các phi công của

Đức như chiếc LZ 127 Graf Zeppelin, LZ 129 Hindenburg, LZ

130 Graf Zeppelin II, và không quân Mĩ như U.S

Navy airships USS Los Angeles (ZR-3, ex-LZ

126), USS Akron (ZRS-4) and USS Macon (ZRS-5) các thành phần

và khả năng chịu nhiệt đều là một bí mật vào thời chiến ( hình bên

là một mẫu duyra từ USS Akron (ZRS-4) ) Với những hỗn hợp tạo mồi rip-resistant , duralumin nhanh chóng được đưa vào và lan

13

rộng khắp ngành công nghiệp máy bay trong đầu những năm 1930 ở đây chúng được sử dụng rất phù hợp với các

kỹ thuật chế tạo các khung giàn bao quanh

duy nhất – monocoque(đây là một từ thuật

ngữ trong tiếng Pháp có nghĩa là “khung

duy nhất” ) Duralumin cũng được sử dụng

rất phổ biến để chế tạo các dụng cụ có độ

chính xác vì trọng lượng nhẹ và sự cứng chắc của nó Các thí

nghiệm đầu tiên để sử dụng duralumin cho một kiểu máy bay nặng hơn không khí đã được tiến hành vào năm 1916, khi Hugo Junkers lần đầu tiên đã giới thiệu việc sử dụng nó trong việc tạo ra các

khung máy bay Junkers J 3

Đuyrra dễ biến dạng ở trạng thái nóng cũng như ở trạng thái nguội Đuyra sau khi tôi , được hóa già tự nhiên để tăng khả năng chống mài mòn , Các bán thành phẩm ép của duyra có độ bền lớn hơn độ bền của tấm cán nhờ hiệu ứng ép Đuyra nói chung dễ gia công cắt gọt sau khi tôi già hóa , nhưng ở trạng thái ủ lại rất khó cắt gọt

Nhược điểm : tính chống ăn mòn kém Khắc phục bằng cách

phủ lớp nhôm nguyên chất với chiều dày 4~8% chiều dày hay

đường kính của tấm hay dây đuyra …

Việc bổ sung các đồng sẽ tăng thêm độ cứng ,nhưng nó cũng làm cho các hợp kim dễ bị ăn mòn Đối với các sản phẩm dạng tấm, việc chống ăn mòn có thể được nâng cao đáng kể bằng luyện kim

với việc cho một lớp bề mặt nhôm có độ tinh khiết cao lên trên Những tấm phủ lên đó được gọi là alclad, và thường được sử dụng bởi những ngành công nghiệp máy bay

Hình ảnh về alclad

Ứng dụng của chúng là lõi dây điện

15

Mũi khoan cho máy bắn vít

Khung máy bay quân sự và dân dụng …

Đinh tán

Dụng cụ cơ khí

dụng cu phẫu thuật y học

……… Hết………

17