Ảnh hưởng của biến dạng sau tôi và thời gian chờ đến nhiệt luyện hóa bền kết thúc của hợp kim 6063 (hệ AL MG SI)

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: HỢP KIM NHÔM HỆ Al - Mg - Si 1.1.Giới thiệu hệ hợp kim nhôm biến dạng Al – Mg – Si : 1.2.Công nghệ gia công chế tác 1.3 Phƣơng pháp nâng cao tính tổng hợp 15 1.4.Đặt vấn đề nghiên cứu 20 CHƢƠNG II:PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 21 2.1.Phƣơng pháp nghiên cứu: 21 2.1.1.Phƣơng pháp phân tích lý thuyết 21 2.1.1.1.Thí nghiệm phân tích nhiệt vi sai DSC 21 2.1.1.2.Thí nghiệm đo độ cứng HV 24 2.1.2.Thực nghiệm mẫu 25 2.1.2.1 Chuẩn bị phôi mẫu 25 2.1.2.2 Xử lý nhiệt mẫu 26 2.1.2.3 Thử độ cứng kiểm tra tổ chức kim tƣơng 26 2.2.Thiết bị thí nghiệm 27 CHƢƠNG III: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH TIẾT PHA KHI HÓA GIÀ HỢP KIM Al - Mg - Si 31 3.1 Tiết pha hóa bền 31 3.1.1.Vùng Guinier – Preston (VPG) 32 3.1.2 Pha  ‟ 34 3.1.3 Pha  (Mg2Si) 35 3.1.4.Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình tiết pha 35 3.2.Động học chuyển pha 37 3.2.1.Biểu thức kinh nghiệm 37 3.2.2.Động học chuyển pha tiết pha cân 38 3.3.Xác định hoạt tiết pha 41 3.3.1.Xác định hoạt tiết pha từ hệ số động học chuyển pha (K) 41 3.3.2 Xác định hoạt tiết pha từ tỷ phần chuyển pha (X) 42 3.4.Kết nghiên cứu động học tiết pha hóa già 42 3.4.1Đặt vấn đề 42 3.4.2 Xác định thông số động học tiết pha 43 3.4.2.1 Xác định tỷ phần chuyển pha (X) chế chuyển pha 43 3.4.2.2.Xác định hệ số động học ( K n) 48 3.4.2.3 Xác định K n mẫu biến dạng  = 5%, HGTN giờ, HGNT 175 0C 51 3.5.Bàn luận 52 CHƢƠNG IV: ẢNH HƢỞNG CỦA BIẾN DẠNG DẺO VÀ THỜI GIAN CHỜ ĐẾN TỔ CHỨC, CƠ TÍNH HỢP KIM Al - Mg - Si KHI NHIỆT LUYỆN KẾT THÚC 53 4.1 Kết nghiên cứu ảnh hƣởng biến dạng nguội trƣớc hóa già thời gian hóa già tự nhiên đến tính hợp kim Al - Mg - Si 53 4.2.Ảnh hƣởng hóa già tự nhiên (thời gian chờ) 54 4.3 Tác dụng biến dạng nhỏ trƣớc hóa già 54 4.4.Bàn luận 56 4.5 Đề xuất giải pháp kỹ thuật 59 KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VGP – vùng Guinier Preston b – Giới hạn bền kéo [ MPa] HV – Độ cứng [kG/mm2 ] X – Đông học chuyển pha [ không thứ nguyên] k – Hằng số tốc độ chuyển pha [1/sec] n – hệ số mã không thứ nguyên, phụ thuộc vào điều kiện tạo mầm, dạng hình học mầm, chỗ tạo mầm biên hạt Q – hoạt chuyển pha [kCal/mol] HKNBD – hợp kim nhôm biến dạng LTMT – (Low thermo mechanical treatment) nhiệt luyện nhiệt độ thấp HTMT – (Hight thermo mechanical treatment) nhiệt luyện nhiệt độ cao HGNT – hóa già nhân tạo HGTN – hóa già tự nhiên DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Độ hòa tan Si Mg vào Al [11] (theo trọng lƣợng) Bảng 1.2 Một số hợp kim hệ Al - Mg - Si nƣớc [14] Bảng 1.3 Tính chất vật lý hợp kim Al - Mg - Si có (%Mg + %Si = 1%) Bảng 1.4 Thành phần số avian công nghiệp 10 Bảng 1.5 Các phần tử cấu trúc tổ chức ảnh hƣởng đến độ bền [4] 16 Bảng 3.1 Hình dạng VGP hệ hợp kim khác [16] 33 Bảng 3.2 Hệ số n tiết pha………………………………………………… 34 Bảng 3.3 Kết đo độ cứng mẫu biến dạng 5% HGTN + HGNT 175 0C 40 Bảng 3.4 Hằng số tốc độ tiết pha K, hệ số n 50 Bảng 3.5 Kết đo độ cứng mẫu biến dạng 5% HGTN giờ, đƣợc HGNT 175 0C 51 Bảng 4.1 Kết đo độ cứng 53 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 0.1 So sánh số đặc điểm nhôm thép Hình 0.2 Dự báo tiêu thụ nhôm giới 2020 Hình 1.1 Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ pha Al - Mg - Si Hình 1.2 Mặt cắt giả hệ Al - Mg - Si qua Al-MgSi2 Hình 1.3 Sơ đồ dạng LTMT 133 Hình 1.4 Một số quy trình HTMT hợp kim nhôm phụ thuộc vào phƣơng pháp phối hợp nguyên công biến dạng nhiệt độ cao 144 Hình 1.5 Cách chọn độ bền tối ƣu cho vật liệu 155 Hình 1.6 Khả nâng cao độ bền vật liệu ( sơ đồ) 17 Hình 1.7 Sơ đồ tƣơng tác lệch pha thứ hai: a) cắt nhau, b) vòng 20 Hình 1.8 Ảnh hƣởng kích thƣớc hạt phân tán đến tƣơng tác lệch pha thứ hai 20 Hình 2.1 Ví dụ đƣờng cong thu đƣợc phân tích DSC 23 Hình 2.2 Kết DSC hợp kim sau HGNT 23 Hình 2.3 Mũi đâm vết lõm đo Vicker 24 Hình 2.4 Sơ đồ trình thực nghiệm 25 Hình 2.5 Quy trình nhiệt luyện mẫu………………………………………………26 Hình 2.6 Tổ chức hợp kim Al - Mg – Si 27 Hình 2.7 Tổ chức hợp kim Al - Mg – Si 27 Hình 2.8 Máy đo độ cứng 28 Hình 2.9 Kính hiển vi điện tử 29 Hình 2.10 Hình ảnh thiết bị DSC phòng thí nghiệm 315-C5 30 HÌnh 2.11 Sơ đồ khối thiết bị đo DSC 31 Hình 3.1 Sơ đồ minh họa trình chuyển pha [18] 32 Hình 3.2 Ô mạng tinh thể pha ổn định  pha giả ổn  ‟ 33 Hình 3.3 Vùng Guinier - Preston 33 Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc mạng [17] 34 Hình 3.5 Vùng trắng ven biên giới hạt 36 Hình 3.6 Đƣờng cong động học với trị số k khác 38 Hình3.7 Giản đồ tiết pha cân 39 Hình 3.8 Ảnh hƣởng nồng độ đến phát triển mầm 39 Hình 3.9 Xác định hoạt tiết pha từ hệ số động học chuyển pha 41 Hình 3.10 Xác định hoạt tiết pha từ tỷ phần chuyển pha 42 Hình 3.11 Độ cứng hợp kim hóa già 1h 45 Hình 3.12 Độ cứng hợp kim hóa già 2h 46 Hình3.13 Độ cứng hợp kim hóa già 3h 46 Hình3.14 Độ cứng hợp kim hóa già 4h 46 Hình3.15 Độ cứng hợp kim hóa già 5h 47 Hình 3.16 Độ cứng hợp kim hóa già 6h 47 Hình 4.1 Đồ thị phân bố độ cứng hợp kim nhôm 6063 hóa già tự nhiên sau hóa già 175 0C 54 Hình 4.2 Đồ thị phân bố độ cứng hợp kim nhôm 6063 sau hóa già 175 0C thời gian khác nhau: a) sau tôi; b) có biến dạng 5% HGTN + ngày; c) sau + HGTN ngày 55 Hình 4.3 Đồ thị phân bố độ cứng hợp kim nhôm 6063 175 0C nhiệt độ khác nhau: a) sau + ngày; b) biến dạng  = 5% + HGTN + ngày; c) biến dạng  = 10% + HGTN ngày……………………………………………… 56 Hình 4.4 Mẫu sau biến dạng  = 5% đƣợc hóa già nhân tạo 3000 .58 MỞ ĐẦU Nhôm hợp kim nhôm vật liệu kỹ thuật quan trọng, không lĩnh vực ứng dụng thực tế rộng rãi mà trữ lƣợng vỏ trái đất nhôm lớn Ngày nhịp độ sản xuất nhôm tăng lên mạnh hơn, vị trí vật liệu kim loại đƣợc đƣa lên hàng thứ hai sau thép Nhôm hợp kim nhôm có tính chất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau, số trƣờng hợp ứng dụng hợp kim nhôm thay đƣợc nhƣ công nghệ chế tạo máy bay nói riêng thiết bị giao thông vận tải nói chung Những ƣu điểm so với thép đƣợc thể sơ đồ (hình 0.1) Hình 0.1 So sánh số đặc điểm nhôm thép Hợp kim nhôm đời năm 1906 hợp kim Alfred Wienmer tìm đƣợc phát triển thành đura sở hệ Al-Cu-Mg đƣợc sử dụng rộng rãi Sản lƣợng nhu cầu ứng dụng nhôm so với kim loại kết cấu khác tăng lên không ngừng (hình 0.2) Về mặt trữ lƣợng, nhôm nhiều sắt Theo tính toán, nhôm chiếm 8,8% sắt chiếm 5,1% trọng lƣợng vỏ trái đất Hình 0.2.Dự báo tiêu thụ nhôm giới 2020 Nhôm kim loại nhẹ với khối lƣợng riêng  = 2,71g/cm2, có hoạt tính hóa học cao Ở không khí nhôm bị vẻ sáng lóng lánh tạo màng oxyt có độ xít chặt cao rỗ xốp liên kết bền với kim loại Nhôm nguyên chất dẻo  = 85%,  = 40% nhƣng độ bền không cao sau cán ủ có b = 60Mpa, 0,2 = 20 Mpa Vì vậy, để nâng cao tính nhôm ngƣời ta sử dụng nhôm trạng thái hợp kim Hợp kim nhôm loại vật liệu nhẹ có độ bền riêng cao, có tính ổn định chống ăn mòn cao nhiều môi trƣờng hóa học, có tính hàn tƣơng đối tốt, dẫn nhiệt, dẫn điện tốt Độ bền riêng hợp kim nhôm đura khoảng 16,5 Km, thép (cacbon trung bình) 15,4 Km Hiện giới nhiều mác hợp kim nhôm biến dạng ( HKNBD) đƣợc sản xuất hàng loạt phục vụ cho xây dựng công trình, công nghiệp hàng không, vũ trụ, dùng để chế tạo loại máy bay, tên lửa v.v hay thiết bị quân khác Các hợp kim nhôm đƣợc sử dụng công nghiệp đời sống tăng lên với tốc độ ngày lớn Trong công trình xây dựng, nhiều kết cấu đƣợc chế tạo hợp kim nhôm đáp ứng tiêu kinh tế kĩ thuật, nhẹ, bền, rẻ đồng thời thỏa mãn yêu cầu trang trí, thẩm mỹ Do yêu cầu chất lƣợng vật liệu ngày tăng đặc biệt lĩnh vực công nghệ cao, nhiệm vụ hàng đầu đặt cho hợp kim nhôm phải tăng tính để đáp ứng yêu cầu quan trọng vật liệu kết cấu bền nhẹ Có nhiều phƣơng án để tăng độ bền độ bền riêng hợp kim nhôm nhƣ: hợp kim hóa nguyên tố nhẹ (Mg, Li…), + hoá già (hóa bền tiết pha phân tán), hóa bền học (biến dạng nguội), làm mịn hạt (biến tính, biến dạng mãnh liệt…) biến cứng phân tán ( nanocompozit – SAP) v.v Các hƣớng nghiên cứu đƣợc quan tâm để phát huy ƣu điểm vốn có hợp kim nhôm nhƣ vật liệu kết cấu nhẹ là: - Hợp kim hoá nhôm nguyên tố nhẹ nhƣ Mg, Li - Cải tiến công nghệ nấu luyện theo hƣớng xác thành phần, giảm thiểu tạp chất Kết hợp hiệu khâu xử lý: biến tính, nhiệt luyện (tôi + hoá già) với nguyên công gia công khác (biến dạng) - Phát huy ảnh hƣởng tốt hợp kim hoá vi lƣợng kim loại chuyển tiếp (Ti, Mn, Cr, Zr ) - Kết hợp hợp kim hoá chế độ nhiệt luyện hoá bền tổng hợp - Phát triển vật liệu compozit hợp kim nhôm - Phát triển công nghệ phụ trợ nâng cao hiệu ứng dụng hợp kim nhôm vào mục đích đặc biệt nhƣ: công nghệ hàn ma sát để chế tạo thiết bị khí tài quân hợp kim nhôm Bằng kỹ thuật kết hợp biến dạng dẻo làm tăng khuyết tật mạng đặc biệt mật độ lệch biên giới hạt với nhiệt luyện hóa bền tiết pha phân tán, ngƣời ta nâng cao chất lƣợng trƣớc hết tiêu tính hợp kim nhôm biến dạng hóa bền nhiệt luyện Mục tiêu công trình nghiên cứu ảnh hƣởng kết hợp biến dạng nhiệt luyện đến tổ chức tính chất hợp kim biến dạng hóa bền đƣợc nhiệt luyện hệ Al-Mg-Si (mác 6063) Cụ thể hơn, nội dung đƣợc đề cập đến công trình gồm: xác định ảnh hƣởng biến dạng dẻo sau tôi, thời gian chờ (nghỉ) chế độ hóa già kết thúc đến tổ chức tính hợp kim 6063 hệ Al - Mg – Si Vấn đề cần tìm hiểu sâu vai trò lệch (đƣợc hình thành thông qua biến dạng dẻo nhẹ mẫu tôi) trình tiết pha phân tán Nhƣ luận văn tiếp cận vấn đề động học trình tiết pha từ dung dịch bão hòa có mặt lệch tạo thành nhờ lƣợng biến dạng Kết nghiên cứu nhằm đề xuất giải pháp kỹ thuật hợp lý hỗ trợ giảm thiểu ảnh hƣởng xấu thời gian chờ đến tính hợp kim nhôm khâu nhiệt luyện hóa bền kết thúc 3.4.2.2.Xác định hệ số động học ( K n) K & n đƣợc xác định từ biểu thức (3.17) nhƣ sau: Chuyển giá trị đo độ cứng (bảng 3.3) mã không thứ nguyên, coi x = ứng với giá trị cực đại (HVmax ), x = ứng với độ cứng cực tiểu (HVmin ) giá trị xi ( i = 1n, n số mẫu thí nghiệm) đƣợc xác định nhƣ sau: xi  HVi  HVmin HVmax  HVmin (3.20) Đặt y = lnln[1/(1-x)], x = lnt; b = n.lnK; a = n ta có phƣơng trình y = a.x + b (3.21) Từ giá trị xi tính đƣợc thời điểm t i tƣơng ứng ta xác định đƣợc cặp giá trị (xi, yi) theo (3.17) Và từ (3.21) xác định giá trị a b từ điểm giá trị thực nghiệm (xi, yi) phƣơng pháp bình phƣơng bé Gọi di k=hoảng cách từ điểm (xi, yi) đến đƣờng thẳng ( y =ax +b), ta có: di  yi  a.xi  b  y n n d i 1 Để n d i 1 i i  i 1 (3.22) a2 1 i  a.xi  b a2 1   F ( a, b) (3.23) nhỏ đạo hàm riêng F theo a b phải 0: F F  0 a b n 2(a.xi  yi  b).( xi  ayi  ab) F  a i 1 (a  1) n 2(a.xi  yi  b) F  b i 1 (a  1) (3.24) (3.25) (3.26) Giải hệ phƣơng trình (3.25) (3.26) ta có: 48 n n n n n n n i 1 i 1 i 1 i 1 i 1 i 1 i 1 a. xi2   xi yi  b. xi  a  xi yi  a. yi2  2.ab. yi  a b xi  n.a.b =0 (3.27) n n i 1 i 1 n.b   yi  a. xi (3.28) Biến đổi (3.27) ta có: n n n n n i 1 i 1 i 1 i 1 i 1 a.n. xi2  n. xi yi  b.n. xi  a n. xi yi  a.n. yi2  n n i 1 i 1  2ab.n. yi  a b.n. xi  n a.b  (3.29) Thay (3.28) vào (3.29) ta đƣợc: n n n n n n  n a.n. xi2  n xi yi   yi  a xi . xi  a n. xi yi  a.n. yi2  i 1 i 1 i 1 i 1 i 1  i 1  i 1 n n n n  n n  n n   2a. yi  a xi . yi  a  yi  a xi . xi  a. yi  a x1   (3.30) i 1 i 1 i 1  i 1  i 1  i 1  i 1  i 1  Biến đổi (3.30) ta đƣợc n n n n n  n   n  2 n x y  ( x ).( y ) a  ( y )  n x  ( x )  n yi2 .a         i i i i i i i    i 1 i 1 i 1 i 1 i 1  i 1   i 1  n n n i 1 i 1 i 1  ( xi ).( yi )  n. xi yi  (3.31) Đặt: n n  n  A  n. xi yi  ( xi ).( yi ) i 1 i 1  i 1  (3.32) n n n  n  B  ( yi )  n. xi2  ( xi )  n. yi2  i 1 i 1 i 1  i 1  n n n i 1 i 1 i 1 C  ( xi ).( yi )  n. xi yi (3.33) (3.34) Từ (3.31) biết A,B C theo giá trị (xi, yi), tính toán EXCEL ta tìm đƣợc a b từ giá trị thực nghiệm Tức tìm đƣợc hệ số n, K phƣơng trình động học tiết pha, kết bảng 3.4 49 Bảng3.4: Hằng số tốc độ tiết pha K, hệ số n K,n to C 120 150 175 200 225 250 K 0,2682 0,2868 0,3127 0,3985 0,4431 0,5724 N 3,313 2,485 2,208 1,976 1,7019 1,204 Từ bảng 3.4 nhận xét : Hóa già nhiệt độ 175  200 C có n  theo [25] dạng hình học ‟ dạng trụ, tất mầm đƣợc tạo từ đầu, kết phù hợp với công bố khác, (ví dụ [11]) phù hợp với kết phân tích nhiệt vi sai hợp kim nghiên cứu  Từ trị số K nhiệt độ khác nhau, xác định đƣợc hoạt chuển pha Qtiếtpha từ biểu thức: k  const exp(  đó: Qtietpha RT  Qtietpha  ln K  const.   R T   (3.35a) ) (3.35b) Và cuối Qtietpha  Hay d (ln K ) R d( ) T (3.36) Qtiếtpha = - RT.lnK (3.37) Với R = 1,98 Cal/mol  0,9163 eV Thay trị số K từ bảng 3.4 nhận đƣợc vào (3.37) ta xác định đƣợc : Qtiếtpha = kCal/mol = 17kJ/mol = 0,3 eV/nguyên tử Trị số nhỏ so với Qkhuếch tan Mg,Si Al Al (trong điều kiện nút trống cân bằng), nhận xét có công bố [11] Điều đƣợc giải thích sau nồng độ nút trống đủ lớn để tăng khuếch tán nguyên tử, có cặp nguyên tử hòa tan – nút trống 50 3.4.2.3 Xác định K n mẫu biến dạng  = 5%, HGTN giờ, HGNT 175 0C Từ kết đo độ cứng mẫu biến dạng 5%, hóa già nhân tạo trực tiếp sau 175 0C kết hợp với sử dụng công thức 3.20 3.21 ta có kết bảng 3.5 : Bảng 3.5 : Kết đo độ cứng mẫu biến dạng 5% HGTN giờ, HGNT 175 0C HGNT (h) HVi xi yi xi.yi xi2 yi2 0,5 81,67 - - - - - 88,83 0,47 -0,45 -0,22 0,22 0,20 1,5 90,25 0,565 - 0,18 -0,1 0,32 0,033 93,19 0,759 0,35 0,267 0,576 0,124 2,5 94,86 0,87 0,71 0,616 0,755 0,50 96,85 3,57 3,656 12,71 96,07 0,95 1,089 1,032 0,9 1,18 95,54 0,913 0,9 0,82 0,84 0,80 93,62 0,787 0,44 0,35 0,62 0,19 93,0 0,746 0,32 0,24 0,56 0,199 90,47 0,58 - 0,14 - 0,08 0,336 0,020 Tính toán dựa theo phƣơng pháp bình phƣơng bé đƣợc trình bày phần 3.4.2.2 ta tìm đƣợc giá trị a, b phƣơng trình 3.21 Tức tìm đƣợc K = 0,4813 n = 1,932 Nhận xét : Với K xác định đƣợc, sử dụng công thức (3.37) ta xác định đƣợc hoạt chuyển pha: Qtiếtpha = - RT.lnK (3.37) = 2,53 kCal/mol = 0,2 eV/nguyên tử Với R = 1,98 Cal/mol  0,9163 eV 51 So với mẫu sau không biến dạng lƣợng tiết pha trƣờng hợp có biến dạng sau 5% nhỏ Điều giải thích lệch (tạo thành biến dạng) có tác dụng hỗ trợ trình sinh mầm làm giảm công tạo mầm 3.5.Bàn luận 1) Trong vùng nhiệt độ hóa già 120 C, 150 0C, 175 0C 200 0C hợp kim Al - Mg - Si tiết pha theo chế: qbh ‟   (Mg2Si) trình thô hóa hạt 2) Đã xác định đƣợc K,n Q hợp kim Al - Mg - Si từ số đo độ cứng nhiệt độ thời gian hóa già khác - Kết xác định n  vùng hóa già 175 0C  200 0C, kết hợp với phƣơng pháp phân tích nhiệt vi sai, hiển vi quang học, pha ‟ có dạng trụ tất mầm đƣợc tạo từ đầu - Giá trị K tăng theo nhiệt độ hóa già chứng tỏ nhiệt độ hóa già cao trình khuếch tán tăng - Trị số Q  Kcal/mol nhó so với lƣợng dịch chuyển nút trống Al ( 0,7 eV/nguyên tử) nhỏ so với hoạt khuếch tán Al (1,4 eV/nguyên tử), điều nút trống bão hòa tạo với tạp chất cặp nút trống – tạp chất 3)Khi mẫu biến dạng 5% mật độ lệch tăng lên, có mặt lệch hỗ trợ trình sinh mầm tiết pha lƣợng tiết pha Q giảm 4) Kết nghiên cứu động học trình hóa già khẳng định pha ‟ có dạng trụ tạo thành cách sinh mầm từ đầu Điều khẳng định khả nâng cao hiệu hóa bền tiết pha ‟ hợp kim kỹ thuật cho phép tăng cƣờng mật độ trung tâm sinh mầm (vùng có lƣợng thấp) nhƣ: lệch, biên giới hạt, siêu hạt, sai lệch xếp, tổ hợp nút trống v.v…Biến dạng công nghệ nhiệt luyện kỹ thuật tiềm 52 CHƢƠNG IV: ẢNH HƢỞNG CỦA BIẾN DẠNG DẺO VÀ THỜI GIAN CHỜ ĐẾN TỔ CHỨC, CƠ TÍNH HỢP KIM Al - Mg - Si KHI NHIỆT LUYỆN KẾT THÚC 4.1 Kết nghiên cứu ảnh hƣởng biến dạng nguội trƣớc hóa già thời gian hóa già tự nhiên đến tính hợp kim Al - Mg - Si Đã tiến hành thí nghiệm theo sơ đồ trình thực nghiệm 2.4 kết thu đƣợc trình bày bảng 4.1 Bảng 4.1 Kết đo độ cứng HGT N =0  = 5%  = 10% (giờ) 1ngày 7ngày 7ngày 7ngày 45,38 - - - - - 0,5 68,62 62,71 60,23 81,67 79,36 82,17 87,53 75,20 68,80 88,83 85,24 87,36 1,5 89,17 78,07 70,34 90,25 86,15 89,79 90,72 79,68 71,92 93,19 88,43 92,17 2,5 92,28 80,23 73,89 94,86 90,16 90,28 94,11 81,84 76,37 96,85 92,37 88,07 93,54 82,98 80,01 96,07 84,74 83,46 93,07 82,61 80,98 95,54 82,86 80,00 90,25 81,56 79,85 93,62 81,97 70,26 92,67 82,09 78,19 93,00 79,48 68,89 90,87 79,57 76,48 90,47 78,85 65,09 53 4.2.Ảnh hƣởng hóa già tự nhiên (thời gian chờ) Trên hình 4.1 biểu diễn kết đo độ cứng mẫu hóa già nhân tạo 1750C sau xong, sau thời gian chờ ngày ngày 100 Độ cứng, HV (100g) 90 80 70 HGTN 0h 60 HGTN 1ngay 50 HGTN 7ngay 40 10 Thời gian hóa già , Hình 4.1 Đồ thị phân bố độ cứng hợp kim nhôm 6063 hóa già tự nhiên sau hóa già 175 0C Nhận thấy mẫu đƣợc hóa già tự nhiên có độ cứng thấp so với mẫu hóa già tự nhiên Mẫu hóa già tự nhiên ngày đạt độ cứng cực đại HV  83 MPa sau giờ, mẫu hóa già tự nhiên ngày cần đạt đƣợc độ cứng cực đại HV  81MPa Trong mẫu thời gian chờ hóa già nhân tạo có đƣờng phân bố độ cứng cao hẳn, đạt cực đại HV  95MPa sau Nhƣ thời gian chờ lâu ảnh hƣởng xấu đến tính nhận đƣợc sau hóa già kết thúc mạnh 4.3 Ảnh hƣởng biến dạng nhỏ sau Độ cứng mẫu sau tôi, sau chờ ngày có biến dạng 5% sau + chờ ngày hóa già kết thúc 175 0C với thời gian khác đƣợc trình bày bảng 4.1 hình 4.2 54 100 Độ cứng HV (MPa) 90 80 a) b) 70 c) 60 50 40 10 Thời gian hóa già, Hình 4.2.Đồ thị phân bố độ cứng hợp kim nhôm 6063 sau hóa già 1750C thời gian khác nhau.- a) sau tôi; b) có biến dạng 5% HGTN + ngày; c) sau + HGTN ngày Nhận thấy đƣợc biến dạng 5%, tăng độ cứng theo thời gian hóa già nhanh so với mẫu không biến dạng Trong mẫu không biến dạng đạt độ cứng cực đại HV = 94,11 MPa sau độ cứng mẫu biến dạng 5% cần sau 2,5 đạt cực đại HV = 94,86 MPa Thời gian chờ gây ảnh hƣởng đến độ cứng cực đại đạt đƣợc hóa già mẫu không biến dạng lớn (hình 4.1) Độ cứng cực đại mẫu + ngày chờ đạt HV = 80,89 MPa so với mẫu hóa già trực tiếp sau giảm 13,95% Ảnh hƣởng xấu thời gian chờ trƣờng hợp mẫu đƣợc biến dạng 5% sau giảm rõ rệt Độ cứng cực đại mẫu + biến dạng 5% + ngày chờ so với mẫu + biến dạng 5% + thời gian chờ giảm khoảng 4,6% Kết độ cứng đạt đƣợc mẫu sau biến dạng  = 0% + ngày chờ,  = 5% + ngày chờ,  = 10% + ngày chờ hóa già 175 0C với thời gian khác trình bày hình 4.3 Mẫu không đƣợc biến dạng, độ cứng cực đại đạt HV = 80,98 MPa với thời gian hóa già 55 100 Độ cứng HV (MPa) 90 80 a) b) 70 c) 60 50 40 10 Thời gian hóa già, Hình 4.3 :Đồ thị phân bố độ cứng hợp kim nhôm 6063 175 0C nhiệt độ khác nhau: - a) sau +7 ngày; b) biến dạng  = 5% + HGTN ngày; c) biến dạng  = 10% + HGTN ngày Khi mức độ biến dạng tăng đồng nghĩa với mật độ lệch tăng, thời gian đạt độ cứng cực đại đƣợc rút ngắn (hình 4.3) từ mẫu biến dạng  = 5% xuống mẫu biến dạng  = 10% 4.4.Bàn luận Hóa già tự nhiên kiểu hóa già nhiệt độ thấp (thƣờng nhiệt độ phòng) Chuỗi tiết pha xảy thời gian dài Các sản phẩm hợp kim nhôn 6063 sản xuất đùn ép sau song điều kiện sản xuất không cho phép hóa già nhân tạo mà thƣờng có thời gian chờ Trong thời gian chờ hợp kim diễn trình hóa tự nhiên Thời gian chờ dài ảnh hƣởng xấu đến tính cuối hợp kim Đây ảnh hƣởng xấu trình hóa già tự nhiên hóa già nhân tạo hợp kim Al - Mg - Si có tỉ lệ Mg/Si = 1,73 Nguyên nhân điều liên quan tới kích thƣớc VGP hình thành trình hóa già tự nhiên Hóa già nhân tạo làm tăng kích thƣớc VGP, VGP có dạng gây khó khăn hình thành mầm ‟ Số lƣợng mầm tiết giảm thô làm cho độ cứng 56 hợp kim sau hóa già nhân tạo giảm Hình 4.4 tổ chức tế vi mẫu sau + HGTN ngày + HGNT 5h 175 0C Hình 4.4 Tổ chức tế vi mẫu sau + HGTN ngày + HGNT 5h 175 0C X 500 Thời gian hóa già tự nhiên (thời gian chờ) dài ảnh hƣởng xấu đến tính cuối hợp kim Mẫu có HGT N = đạt độ cứng cực đại 94,11 HV với thời gian HGNT 3h, mẫu có HGT N = ngày cần 5giờ HGNT để đạt đƣợc độ cứng cực đại 80,89 HV Biến dạng làm tăng mật độ lệch mẫu Sự có mặt lệch làm tăng động học hóa già tự nhiên Lỗ trống hình thành bị tiêu hủy dần nhờ lệch hóa già tự nhiên Lệch vị trí thuận lợi cho sinh mầm tiết pha lƣợng sinh mầm giảm (nhƣ xác định chƣơng 3).Điều cững đƣợc khẳng định từ kết nghiên cứu công trình [20] Lệch có tác động thúc đẩy trình khuếch tán nguyên tố hợp kim, nơi thu hút nút trống nguyên tử nguyên tố hợp kim (cơ chế khí Cottrell) Do có mặt lệch gây ảnh hƣởng đến vùng thể tích rộng xung quanh nó, cấu trúc VGP sau hóa già tự nhiên phát triển, ổn định đủ lớn để hình thành mầm ‟ Mặt khác điều gây ảnh hƣởng tới thứ tự trình tiết pha cạnh tranh hai chế tiết pha sinh mầm tự sinh sinh mầm kí sinh (dị pha) Ở hợp kim không biến dạng trình tiết pha diễn : vùng VGP hình thành đƣợc thay pha giả ổn ‟ hợp kim đạt độ cứng cực đại sau đƣợc 57 chuyển thành pha ổn đinh  Khi hợp kim đƣợc biến dạng trƣớc hóa già, chuỗi tiết pha có thay đổi: pha ‟ không đƣợc hình thành từ mầm VGP mà nhờ lệch Tính ổn định sản phẩm tiết pha sai lệch mạng (lệch) cao so với trƣờng hợp pha giả ổn định (tự sinh) Một số tác giả [20] nghiên cứu tiết pha lệch hợp kim nhôm hệ Al-Mg-Si cho kết : thay sinh pha ổn định ‟, lệch trực tiếp hình thành pha cân  Ảnh hƣởng lệch đến thứ tự tiết pha tính hóa già phụ thuộc vào hệ hợp kim Đối với hệ Al-Cu-Li, Al – Mg –Si có mặt lệch làm tăng tính gây nên thay đổi trình tiết pha Nguyên công biến dạng làm nâng cao mật độ lệch phôi điều gây ảnh hƣởng đến động học trình tiết pha Pha ‟ không đƣợc hình thành từ VGP mà nhờ lệch Biến dạng nhỏ sau có tác dụng tích cực làm giảm ảnh hƣởng xấu đến tính hợp kim Với nhiệt độ thời gian hóa già, tổ chức tế vi mẫu sau +  5% + HGTN ngày không khác nhiều so với tổ chức tế vi mẫu sau đƣợc hóa già (hình 4.5) a) b) Hình 4.5.Tổ chức tế vi mẫu hóa già nhân tạo 175 0C – 3h X 500: a)sau + HGNT ; b) sau +  = 5% + HGTN ngày 58 Khi chụp ảnh với cấp phóng đại 3000 lần thiết bị REYENCE VHZ450, ta đo đƣợc kích cỡ pha tiết ra: Hình 4.6 Mẫu sau biến dạng  = 5% hóa già nhân tạo 3000 Kết đo đƣợc kích cỡ nhỏ hạt tiết (180-200) nm 4.5 Đề xuất giải pháp kỹ thuật Trong trình sản xuất bán thành phẩm từ hợp kim 6063 hệ Al - Mg - Si nhà máy, nguyên nhân khác nhau, phôi sau thoát đƣợc phải chờ nhiệt độ phòng với thời gian khác nhau: 1)Để tránh ảnh hƣởng xấu ứng suất sau tôi, phôi cần đƣợc biến dạng với mức biến dạng nhỏ  = 5% 2)Biến dạng nhỏ ( = 5%) hóa già kết thúc (thời gian chờ  = giờ) làm tăng hiệu ứng hóa bền  3% 3)Biến dạng nhẹ ( = 5%) phôi sau cho phép kéo dài thời gian chờ Phôi biến dạng 5% sau + ngày chờ, hóa già 175 0C – đạt HV = 92,37 MPa, giảm 1,8% so với độ cứng cực đại phôi: + hóa già 175 C, không qua thời gian chờ 59 KẾT LUẬN 1) Trong vùng nhiệt độ hóa già 120 0C, 150 0C, 1750C 200 0C hợp kim Al - Mg - Si tiết pha theo chế: qbh ‟   (Mg2Si) trình thô hóa hạt 2) Đã xác định đƣợc K,n Q hợp kim Al - Mg - Si từ số đo độ cứng nhiệt độ thời gian hóa già khác - Ở vùng hóa già 175  200 C với n  2, pha ‟ có dạng trụ tất mầm đƣợc tạo từ đầu - Giá trị K tăng theo nhiệt độ hóa già chứng tỏ nhiệt độ hóa già cao trình khuếch tán tăng - Trị số Q  Kcal/mol nhỏ so với lƣợng dịch chuyển nút trống Al ( 0,7 eV/nguyên tử) nhỏ so với hoạt khuếch tán Al (1,4 eV/nguyên tử), nghĩ đến chế khuếch tán cặp phức : nút trống – nguyên tử tạp (hợp kim ) 3) Thời gian hóa già tự nhiên (thời gian chờ) dài ảnh hƣởng xấu đến tính cuối hợp kim Mẫu có HGT N = 0h đạt độ cứng cực đại 94,11 HV với thời gian HGNT 3h, mẫu có HGT N = ngày cần 5h HGNT để dạt đƣợc độ cứng cực đại 80,89 4) Biến dạng nguội nhỏ sau xong có tác dụng tích cực làm giảm ảnh hƣởng xấu thời gian chờ nhờ làm tăng mật độ lệch mẫu Mức độ biến dạng lý tƣởng  = 5% 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt 1.Nguyễn Khắc Cƣờng, Trần Quốc Thắng, Đỗ Minh Nghiệp & Nguyễn Văn Sứ (1990), Các phương pháp nghiên cứu kim loại hợp kim, tập I &II, Đại học Bách Khoa Hà Nội 2.Lê Công Dƣỡng (chủ biên) (1986), Kim loại học, ĐH Bách Khoa Hà Nội 3.Lê Công Dƣỡng (1997), Vật liêu học, nxb Khoa học kỹ thuật Hà Nội 4.Lê Công Dƣỡng, Phạm Thị Minh Phƣơng, Nguyễn Văn Sứ (1990), “ Sự phân hủy dung dịch rắn bão hòa hợp kim Al-4% Cu hóa già kết thúc”, Tạp chí khí, tháng 5.Lê Công Dƣỡng, Phạm Minh Phƣơng, Nguyễn Văn Sứ (1990), “ Ảnh hƣởng hóa già sơ đến tính chất hợp kim Al-4%Cu hóa già kết thúc”, tạp chí khí tháng tr 25  27 Phùng Thị Tố Hằng (1996), Nghiên cứu công nghệ anot hóa ứng dụng để xử lý bề mặt chi tiết nhôm hợp kim nhôm, Luận án PTS Khoa học kỹ thuật, Đại học Bách Khoa HN Đoàn Châu Long (2003), “ Quá trình hóa già hệ hợp kim Al - Mg - Si nung liên tục”, Hội nghị khoa học chuyên ngành “vật liệu xử lý vật liệu kim loại”, tr 105  115 Phạm Minh Phƣơng, Tạ Văn Thất (2000), Công nghệ nhiệt luyện, Nxb giáo dục 9.Phạm Minh Phƣơng (1996), Nghiên cứu ứng dụng tối ưu nhiệt luyện nâng cao tính số hệ hợp kim phổ biến Việt Nam, Luận án PTS Khoa học kỹ thuật , ĐH Bách Khoa Hà Nội 10 Phạm Minh Phƣơng, Tạ văn Thất (2000), Công nghệ nhiệt luyện, Nxb giáo dục 10.Nguyễn Khắc Thông (2001), Nghiên cứu ảnh hưởng công nghệ nhiệt luyện đến tổ chức tính chất hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg, Al - Mg - Si , Luận văn cao học, ĐH Bách Khoa Hà Nội 61 11.Nguyễn Khắc Thông, (2006), Nghiên cứu tối ưu hóa công nghệ hóa bền tổng hợp nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng hệ Al - Mg - Si khả ứng dụng, Luận án TS kỹ thuật, ĐH Bách Khoa Hà Nội 12 Nguyễn Khắc Xƣơng (1983) Kim loại học nhiệt luyện kim loại hợp kim mầu ,Nxb ĐH Bách Khoa Hà Nội 13 Nguyễn Khắc Xƣơng (1983), Giáo trình kim loại học nhiệt luyện, ĐH Bách Khoa Hà Nội 14 Nguyễn Khắc Xƣơng (2003) Vật liệu kim loại mầu, Nxb khoa học kỹ thuật Hà Nội 15 Nguyễn Khắc Xƣơng, Phạm Minh Phƣơng (1996), “Ảnh hƣởng biến dạng dẻo tới tính hợp kim AlMg1Si1 hóa già”, Tạp chí Khoa học Công nghệ, tập 34, số 5, tr51-54 Tài liệu Tiếng Anh 16 Afseth A, Nordlien.JH, Scamans GM, Nisancioglu K (2001), “ Effect of heat treatment on filiform corrosion of aluminium alloy AA3005”, Corrosion science; Vol.43; No.11; pp 2093 ÷2109 17.WD.Callister, JR (1990), “ Materials science and engineering”, Second edition, pp 354 ÷356 18 C.W.Sinclair (1999), Phase Equilibria, vol(20),pp 361 ÷ 369 19.C.H.Shen and B.L.Ou (2008) „ Effect of pre-straining and natural aging on precipitation behavior of aluminum allyo 6022’, Journal of the chinese institute of engineers Vol.31,No1, pp (181÷187) 20.R.S.Yassar (2005), „Characterzation and modeling of dislocation- precipitation in teractions in aluminum alloys’, Doctor of philoshopy 62 ... NHIỆT LUYỆN KẾT THÚC 53 4.1 Kết nghiên cứu ảnh hƣởng biến dạng nguội trƣớc hóa già thời gian hóa già tự nhiên đến tính hợp kim Al - Mg - Si 53 4.2 .Ảnh hƣởng hóa già tự nhiên (thời gian. .. nhiệt luyện đến tổ chức tính chất hợp kim biến dạng hóa bền đƣợc nhiệt luyện hệ Al- Mg- Si (mác 6063) Cụ thể hơn, nội dung đƣợc đề cập đến công trình gồm: xác định ảnh hƣởng biến dạng dẻo sau tôi, thời. .. đúc hợp kim nhôm biến dạng Hợp kim nhôm biến dạng hợp kim nhôm có thành phần nguyên tố hợp kim nằm giới hạn dung dịch rắn α Hợp kim nhôm biến dạng đƣợc chia thành hợp kim nhôm biến dạng không hóa