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)

Do những yêu cầu về chất lượng của vật liệu ngày càng tăng đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ cao, nhiệm vụ hàng đầu đặt ra cho các hợp kim nhôm là phải tăng cơ tính để đáp ứng yêu cầu

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: HỢP KIM NHÔM HỆ Al - Mg - Si 5

1.1.Giới thiệu về hệ hợp kim nhôm biến dạng Al – Mg – Si : 5

1.2.Công nghệ gia công chế tác 9

1.3 Phương pháp nâng cao cơ tính tổng hợp 15

1.4.Đặt vấn đề nghiên cứu 20

CHƯƠNG II:PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 21

2.1.Phương pháp nghiên cứu: 21

2.1.1.Phương 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 trên 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 và kiểm tra tổ chức kim tương 26

2.2.Thiết bị thí nghiệm 27

CHƯƠNG 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 hưởng đến quá 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 trong tiết pha cân bằng 38

3.3.Xác định hoạt năng tiết pha 41

3.3.1.Xác định hoạt năng tiết pha từ hệ số động học chuyển pha (K) 41 3.3.2 Xác định hoạt năng tiết pha từ tỷ phần chuyển pha (X) 42

3.4.Kết quả nghiên cứu động học tiết pha khi 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) và cơ chế chuyển pha 43

3.4.2.2.Xác định hệ số động học ( K và n) 48

3.4.2.3 Xác định K và n của mẫu biến dạng  = 5%, HGTN 0 giờ, HGNT tại 1750 C 51

3.5.Bàn luận 52

CHƯƠNG IV: ẢNH HƯỞNG 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 quả nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng nguội trước hóa già và thời gian hóa già tự nhiên đến cơ tính của hợp kim Al - Mg - Si 53

4.2.Ảnh hưởng của hóa già tự nhiên (thời gian chờ) 54

4.3 Tác dụng của biến dạng nhỏ trước khi 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 giữa các biên hạt

Q – hoạt năng chuyển pha [kCal/mol]

HKNBD – hợp kim nhôm biến dạng

LTMT – (Low thermo mechanical treatment) cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp

HTMT – (Hight thermo mechanical treatment) cơ 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 của Si và Mg vào trong Al [11] (theo trọng lượng) 5

Bảng 1.2 Một số hợp kim hệ Al - Mg - Si của các nước [14] 8

Bảng 1.3 Tính chất vật lý của hợp kim Al - Mg - Si có (%Mg + %Si = 1%) 9

Bảng 1.4 Thành phần một số avian công nghiệp 10

Bảng 1.5 Các phần tử cấu trúc và tổ chức ảnh hưởng đến độ bền [4] 16

Bảng 3.1 Hình dạng của VGP của các hệ hợp kim khác nhau [16] 33

Bảng 3.2 Hệ số n trong tiết pha……… 34

Bảng 3.3 Kết quả đo độ cứng của mẫu biến dạng 5% HGTN 0 giờ + HGNT ở 1750C 40

Bảng 3.4 Hằng số tốc độ tiết pha K, hệ số n 50

Bảng 3.5 Kết quả đo độ cứng của mẫu biến dạng 5% HGTN 0 giờ, được HGNT ở 1750C trong 3 giờ 51

Bảng 4.1 Kết quả đo độ cứng 53

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 0.1 So sánh một số đặc điểm của nhôm và thép 1

Hình 0.2 Dự báo tiêu thụ nhôm của thế giới 2020 2

Hình 1.1 Mặt cắt đẳng nhiệt của giản đồ pha Al - Mg - Si 6

Hình 1.2 Mặt cắt giả hệ Al - Mg - Si qua Al-MgSi2 7

Hình 1.3 Sơ đồ các dạng LTMT 133

Hình 1.4 Một số quy trình HTMT của hợp kim nhôm phụ thuộc vào phương pháp phối hợp nguyên công tôi và biến dạng ở nhiệt độ cao 144

Hình 1.5 Cách chọn độ bền tối ưu cho vật liệu 155

Hình 1.6 Khả năng nâng cao độ bền của vật liệu ( sơ đồ) 17

Hình 1.7 Sơ đồ tương tác lệch và pha thứ hai: a) cắt nhau, b) đi vòng 20

Hình 1.8 Ảnh hưởng của kích thước hạt phân tán đến tương tác giữa lệch và pha thứ hai 20

Hình 2.1 Ví dụ về đường cong thu được khi phân tích DSC 23

Hình 2.2 Kết quả DSC của hợp kim sau tôi HGNT ngay 23

Hình 2.3 Mũi đâm và vết lõm khi đo Vicker 24

Hình 2.4 Sơ đồ quá trình thực nghiệm 25

Hình 2.5 Quy trình nhiệt luyện mẫu………26

Hình 2.6 Tổ chức của hợp kim Al - Mg – Si 27

Hình 2.7 Tổ chức của 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 tại phòng thí nghiệm 315-C5 30

HÌnh 2.11 Sơ đồ khối của thiết bị đo DSC 31

Hình 3.1 Sơ đồ minh họa quá trình chuyển pha khi tôi [18] 32

Hình 3.2 Ô mạng tinh thể của pha ổn định  và 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 Đường cong động học với các trị số k khác nhau 38

Hình3.7 Giản đồ tiết pha cân bằng 39

Hình 3.8 Ảnh hưởng của nồng độ đến phát triển mầm 39

Hình 3.9 Xác định hoạt năng tiết pha từ hệ số động học chuyển pha 41

Hình 3.10 Xác định hoạt năng tiết pha từ tỷ phần chuyển pha 42

Hình 3.11 Độ cứng của hợp kim khi hóa già 1h 45

Hình 3.12 Độ cứng của hợp kim hóa già 2h 46

Hình3.13 Độ cứng của hợp kim hóa già 3h 46

Hình3.14 Độ cứng của hợp kim hóa già 4h 46

Hình3.15 Độ cứng của hợp kim hóa già 5h 47

Hình 3.16 Độ cứng của hợp kim hóa già 6h 47

Hình 4.1 Đồ thị phân bố độ cứng của hợp kim nhôm 6063 hóa già tự nhiên và sau tôi khi hóa già ở 1750 C 54

Hình 4.2 Đồ thị phân bố độ cứng của hợp kim nhôm 6063 sau khi hóa già ở 17 50C ở các thời gian khác nhau: a) sau tôi; b) có biến dạng 5% HGTN + 7 ngày; c) sau tôi + HGTN 7 ngày 55

Hình 4.3 Đồ thị phân bố độ cứng của hợp kim nhôm 6063 ở 1750C ở các nhiệt độ khác nhau: a) sau tôi + 7 ngày; b) biến dạng  = 5% + HGTN + 7 ngày; c) biến dạng  = 10% + HGTN 7 ngày……… 56

Hình 4.4 Mẫu sau tôi biến dạng  = 5% được hóa già nhân tạo 4 giờ 3000 .58

MỞ ĐẦU

Nhôm và hợp kim nhôm là vật liệu kỹ thuật quan trọng, không chỉ vì lĩnh vực ứng dụng trong thực tế rất rộng rãi mà còn do trữ lượng trong vỏ trái đất của nhôm rất lớn Ngày nay khi nhịp độ sản xuất nhôm tăng lên mạnh hơn, vị trí của vật liệu kim loại này được đưa lên hàng thứ hai sau thép Nhôm và hợp kim nhôm có các tính chất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau, trong một số trường hợp ứng dụng của hợp kim nhôm là không thể thay thế được như trong công nghệ chế tạo máy bay nói riêng và các thiết bị giao thông vận tải nói chung

Những ưu điểm hơn so với thép được thể hiện ở sơ đồ (hình 0.1)

Hình 0.1 So sánh một số đặc điểm của nhôm và thép

Hợp kim nhôm đầu tiên ra đời năm 1906 đó là hợp kim do Alfred Wienmer tìm ra và hiện nay được phát triển thành các đura trên cơ sở hệ Al-Cu-Mg đang được sử dụng rộng rãi

Sản lượng và nhu cầu ứng dụng nhôm so với các kim loại kết cấu khác tăng lên không ngừng (hình 0.2) Về mặt trữ lượng, nhôm nhiều hơn sắt Theo tính toán, nhôm chiếm 8,8% còn sắt chỉ chiếm 5,1% trọng lượng vỏ trái đất

Hình 0.2.Dự báo tiêu thụ nhôm của thế giới 2020

Nhôm là kim loại nhẹ với khối lượng riêng bằng  = 2,71g/cm2, có hoạt tính hóa học cao Ở ngoài không khí nhôm bị mất vẻ sáng lóng lánh do tạo màng oxyt

có độ xít chặt cao không có rỗ xốp và liên kết bền với nền kim loại Nhôm nguyên chất rất dẻo  = 85%,  = 40% nhưng độ bền không cao sau khi cán và ủ có b = 60Mpa, 0,2 = 20 Mpa Vì vậy, để nâng cao cơ tính của nhôm người ta sử dụng nhôm ở trạng thái hợp kim

Hợp kim nhôm là loại vật liệu nhẹ có độ bền riêng cao, có tính ổn định chống ăn mòn khá cao trong nhiều môi trường hóa học, có tính hàn tương đối tốt, dẫn nhiệt, dẫn điện tốt Độ bền riêng của hợp kim nhôm đura khoảng 16,5 Km, trong khi của thép (cacbon trung bình) là 15,4 Km Hiện nay trên thế giới nhiều mác hợp kim nhôm biến dạng ( HKNBD) đã được sản xuất hàng loạt phục vụ cho xây dựng công trình, công nghiệp hàng không, vũ trụ, dùng để chế tạo các loại máy bay, tên lửa v.v hay các thiết bị quân sự khác Các hợp kim nhôm được sử dụng trong công nghiệp và đời sống tăng lên với tốc độ ngày càng lớn Trong các công trình xây dựng, rất nhiều kết cấu được chế tạo bằng hợp kim nhôm đã đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật, nhẹ, bền, rẻ đồng thời thỏa mãn yêu cầu trang trí, thẩm mỹ

Do những yêu cầu về chất lượng của vật liệu ngày càng tăng đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ cao, nhiệm vụ hàng đầu đặt ra cho các hợp kim nhôm là phải tăng cơ tính để đáp ứng yêu cầu quan trọng đối với vật liệu kết cấu là bền hơn

và nhẹ hơn Có nhiều phương án để tăng độ bền và độ bền riêng của hợp kim nhôm như: hợp kim hóa bằng nguyên tố nhẹ (Mg, Li…), tôi + hoá già (hóa bền tiết pha phân tán), hóa bền cơ học (biến dạng nguội), làm mịn hạt (biến tính, biến dạng mãnh liệt…) biến cứng phân tán ( nanocompozit – SAP) v.v

Các hướng nghiên cứu chính đang được quan tâm hiện nay để phát huy ưu điểm vốn có của hợp kim nhôm như một vật liệu kết cấu nhẹ là:

- Hợp kim hoá nhôm bằng các nguyên tố nhẹ như Mg, Li

- Cải tiến công nghệ nấu luyện theo hướng chính xác thành phần, giảm thiểu tạp chất Kết hợp hiệu quả các khâu xử lý: biến tính, nhiệt luyện (tôi + hoá già) với các nguyên công gia công khác (biến dạng)

- Phát huy ảnh hưởng tốt của hợp kim hoá vi lượng các kim loại chuyển tiếp (Ti, Mn, Cr, Zr )

- Kết hợp hợp kim hoá và chế độ cơ nhiệt luyện hoá bền tổng hợp

- Phát triển vật liệu compozit nền hợp kim nhôm

- Phát triển các công nghệ phụ trợ nâng cao hiệu quả ứng dụng hợp kim nhôm vào các mục đích đặc biệt như: công nghệ hàn ma sát để chế tạo các thiết bị khí tài quân sự bằng hợp kim nhôm

Bằng kỹ thuật kết hợp biến dạng dẻo làm tăng khuyết tật mạng đặc biệt là mật độ lệch và biên giới hạt với nhiệt luyện hóa bền tiết pha phân tán, người ta có thể nâng cao chất lượng trước hết là các chỉ tiêu cơ tính của hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện

Mục tiêu của công trình này chính là nghiên cứu ảnh hưởng kết hợp của biến dạng và nhiệt luyện đến tổ chức và tính chất của các hợp kim biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện hệ Al-Mg-Si (mác 6063)

Cụ thể hơn, nội dung được đề cập đến trong công trình này gồm: xác định ảnh hưởng của biến dạng dẻo sau tôi, thời gian chờ (nghỉ) tiếp theo và chế độ hóa già kết thúc đến tổ chức và cơ tính của hợp kim 6063 hệ Al - Mg – Si

Vấn đề cần tìm hiểu sâu là vai trò của lệch (được hình thành thông qua biến dạng dẻo nhẹ mẫu đã tôi) trong quá trình tiết pha phân tán Như vậy luận văn sẽ tiếp cận vấn đề động học quá trình tiết pha từ dung dịch quá bão hòa khi có mặt của lệch tạo thành nhờ năng lượng biến dạng

Kết quả nghiên cứu nhằm đề xuất giải pháp kỹ thuật hợp lý hỗ trợ giảm thiểu ảnh hưởng xấu của thời gian chờ đến cơ tính của hợp kim nhôm trong khâu nhiệt luyện hóa bền kết thúc

CHƯƠNG I: HỢP KIM NHÔM HỆ Al - Mg - Si

1.1.Giới thiệu về hệ hợp kim nhôm biến dạng Al – Mg – Si :

Nhờ độ bền cao hơn, nên nhôm thường được dùng ở trạng thái hợp kim Theo giản đồ pha các hợp kim nhôm được chia thành hợp kim nhôm đúc và hợp kim nhôm biến dạng Hợp kim nhôm biến dạng là hợp kim nhôm có thành phần các nguyên tố hợp kim nằm trong giới hạn của dung dịch rắn α Hợp kim nhôm biến dạng được chia thành hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền bằng nhiệt luyện và hợp kim nhôm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện Các hợp kim nhôm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện ở nhiệt độ thường ngoài dung dịch rắn α còn có pha thứ hai, khi nung nóng pha này hòa tan vào dung dịch rắn, khi làm nguội nhanh sẽ nhận được dung dịch rắn quá bão hòa; khi được cung cấp năng lượng (nung nóng, biến dạng) dung dịch rắn quá bão này sẽ bị phân hóa tiết

ra các pha phân tán làm tăng độ bền của hợp kim

Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện hệ Al – Mg –

Si được tìm ra sau chiến tranh thế giới thứ nhất (~1920) ở Thụy sĩ Các nguyên tố hợp kim chính gồm Mg và Si đều là các nguyên tố nhẹ Độ hòa tan của chúng vào dung dịch rắn  tăng theo nhiệt độ (bảng 1.1)

va đập và chống uốn Mn với hàm lượng lớn (>0,8) sẽ làm giảm hiệu quả hóa bền

và gây thô hạt khi nung nóng Cr với hàm lượng khoảng 0,3% cũng tạo ra hiệu quả tương ứng Cu có tác dụng tăng bền nhưng nếu hàm lượng vượt quá 0,5% sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn của hợp kim

Hình 1.1 là giản đồ pha Al-Mg-Si với các mặt cắt đẳng nhiệt ở 5500

Hình 1.2.Mặt cắt giả hệ Al - Mg - Si qua Al-MgSi 2 Các hợp kim thuộc hệ hai nguyên giả, tức là tỉ lệ i = %Mg/%Si = 1,73 chỉ chứa hai pha  và Mg2Si Pha Mg2Si nóng chảy ở 10870C, độ cứng tế vi H = 4500Mpa mạng lập phương tâm khối thuộc nhóm Fm3m với 12 nguyên tử trong một ô cơ bản, thông số mạng a = 6,351 oA Với hàm lượng thích hợp pha Mg2Si sẽ làm tăng bền hợp kim, nhưng khi quá nhiều sẽ làm hợp kim biến dòn, khó gia công

áp lực

Lượng Si dư khi tạo ra pha Mg2Si làm tăng bền và ảnh hưởng xấu đến khả năng chịu ăn mòn Với lượng Mg dư (khi tạo pha Mg2Si sẽ ảnh hưởng xấu đến cơ tính do Mg2Si tiết ra ở trên tinh giới hạt)

Ngày nay người ta thường sử dụng hợp kim Al-Mg-Si với tổng lượng Si và

Mg đạt giá trị lớn nhất là 2%, trong đó hàm lượng Si( 0,3  1,0%) và Mg (0,4  0,9%)

Ở bảng 1.2 giới thiệu một số hệ hợp kim Al-Mg-Si của các nước Trong các

hệ hợp kim này, người ta có xu hướng tăng hàm lượng Si so với tỉ lệ i = %Mg/%Si

0,40,9 0,61,4

0,30,7 0,61,6

0,40,9 0,40,15

0,30,7 0,61,3

0,450,9 0,81,2

0,20,6 0,40,8

0,30,7 0,40,8 0,81,2

*Giá trị có thể coi là tạp chất

Sắt là tạp chất có hại trong hệ hợp kim Al-Mg-Si Tăng hàm lượng sắt sẽ làm cho độ bền của hợp kim bị giảm, giới hạn bền kéo của hợp kim với 0,7% Si và 0,6% Mg sẽ bị giảm khoảng 10Mpa khi tăng hàm lượng sắt từ 0,1% lên 0,4 % [11] Tạp chất Fe làm giảm khả năng chống ăn mòn của hợp kim Kẽm với một lượng nhỏ (<0,05%) không gây ảnh hưởng đến độ bền của hợp kim

Độ bền ăn mòn của hợp kim Al-Mg-Si khá tốt so với các vật liệu nhẹ khác

có độ bền tương tự Một số tính chất vật lý của hợp kim hệ Al-Mg-Si có tổng lượng (%Mg + %Si = 1%) – mác 6063 trình bày trong bảng 1.3

Bảng1.3.Tính chất vật lý của hợp kim Al - Mg - Si có (%Mg + %Si = 1%)

Khối lượng riêng, g/cm3

2,71 Khoảng nhiệt độ nóng chảy, 0

Modun đàn hồi, kG/mm2

6500÷7500

Hệ số giãn nở nhiệt trong khoảng (20 †2000C), 1/độ 22,7.10-63,0.10-6

Điện trở suất, Ωmm2

* 1Ωmm2/m = 1µΩm

1.2.Công nghệ gia công chế tác

Hệ hợp kim biến dạng Al-Mg-Si còn được gọi là avian, nghĩa là hợp kim nhôm dùng để chế tạo máy bay Thành phần một số avian công nghiệp cho trong bảng 1.4 Do có tính công nghệ tốt, đặc biệt là khả năng biến dạng dẻo cho phép ép đùn với tốc độ 60m/ph nên thường được đúc thành thỏi có kích thước 10 † 14 cm sau đó cán hay ép ở nhiệt độ 5000

C ÷ 5400C và làm nguội trong nước hoặc không khí

Sau quá trình gia công tạo hình, vật phẩm đƣợc đem hóa già ở trong một thời gian nhất định để thu đƣợc độ bền mong muốn Cuối cùng là xử lý bề mặt hay còn gọi là anốt hóa để tăng tính thẩm mỹ, trang trí, đồng thời tăng thêm khả năng chống mài mòn và ăn mòn

Bảng 1.4 Thành phần một số avian công nghiệp

Do các ƣu điểm này, hợp kim biến dạng Al-Mg-Si có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp Ví dụ:

Trong máy bay : khung cửa sổ, nội thất…

Trong ô tô : vỏ xe, bánh xe, khung xe, nội thất …

Trong xây dựng : khung cửa, cửa cuốn, thang …

Ở Việt Nam, hợp kim biến dạng Al-Mg-Si được sử dụng nhiều trong xây dụng dân dụng và kiến trúc, các nhà máy thường áp dụng quy trình cơ nhiệt luyện trong sản xuất

Cơ nhiệt luyện là quá trình công nghệ, trong đó biến dạng dẻo và nhiệt luyện được kết hợp một cách hợp lý nhằm phát huy đồng thời hiệu quả hoá bền do các nguyên công này tạo nên

Biến dạng dẻo làm tăng mật độ khuyết tật mạng tinh thể như lệch, nút trống, khuyết tật xếp cũng như thay đổi đặc tính phân bố của chúng Các khuyết tật mạng tinh thể ảnh hưởng mạnh đến sự hình thành tổ chức hợp kim khi chuyển pha

Cơ sở của phương pháp cơ nhiệt luyện là bằng các tác động cơ – nhiệt tổng hợp nhằm tạo ra trong tinh thể kim loại những siêu bề mặt ổn định gây cản trở sự chuyển động tự do của lệch Các siêu bề mặt hoặc biên giới siêu hạt hình thành từ các „vách‟ lệch, phân chia tinh thể thành những vùng thể tích siêu nhỏ còn được gọi là siêu hạt có tính ổn định nhiệt cao

Vì thế có thể dùng biến dạng dẻo trước để điều khiển sự tạo thành tổ chức tối ưu cho hợp kim sau khi nhiệt luyện

Trong quá trình cơ nhiệt luyện không thể phối hợp một cách tuỳ tiện các nguyên công biến dạng, nung nóng và làm nguội Nếu biến dạng dẻo tiến hành sau khi nhiệt luyện kết thúc thì đó không phải là cơ nhiệt luyện mà chỉ là dạng nhiệt luyện thông thường kết hợp với gia công áp lực Biến dạng dẻo trong trường hợp này không có ảnh hưởng trực tiếp đến chuyển pha khi nhiệt luyện mà chỉ là quá trình biến dạng dẻo thông thường

Điểm đặc trưng của cơ nhiệt luyện là chuyển biến pha xảy ra trong điều kiện

có mật độ sai lệch mạng tinh thể cao

Tuỳ theo nhiệt độ biến dạng dẻo, người ta chia cơ nhiệt luyện thành hai

dạng: 1) Cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp (Low thermo mechanical treatment – LTMT), hình 1.3; 2) Cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao (High thermo mechanical treatment –

HTMT), hình 1.4

LTMT mà một số sơ đồ chỉ ra trên hình 1.3 được áp dụng rất hiệu quả đối với các hợp kim hóa già Trong trường hợp này biến dạng dẻo được tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại Dung dịch rắn quá bão hòa sau tôi chứa mật

độ sai lệch mạng rất cao do biến dạng dẻo gây ra sẽ tiếp tục chuyển biến khi hóa già Nhờ vậy khi LTMT các chỉ tiêu cơ tính đặc biệt là b và 0,2 đạt những giá trị rất cao Sau khi LTMT kích thước hạt khá nhỏ mịn, do vậy cùng với đạt được độ bền cao, độ dẻo dai cũng giữ được ở mức tương đối cao

1- Tôi; 2- Biến dạng nguội; 3- Hoá già nhân tạo; 4- Hoá già tự nhiên

HTMT khác với LTMT ở chỗ nguyên công biến dạng (hình 1.4) được tiến hành ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại Khi HTMT, biến dạng sẽ gây hóa bền

do xô lệch mạng tăng, đập nhỏ hạt, trong khi đó kết tinh lại làm thải bền, giảm mật

độ lệch, khử xô lệch mạng và làm hạt lớn lên Ƣu điểm của HTMT là đồng thời có thể tăng cả độ bền và khả năng chống sự phát triển của vết nứt

Hình 1.4 Một số quy trình HTMT của hợp kim nhôm phụ thuộc vào phương pháp phối hợp nguyên công tôi và biến dạng ở nhiệt độ cao

1-Nung và giữ nhiệt để tôi;

2- Nguyên công biến dạng bằng áp lực

3-Làm nguội phôi đến nhiệt độ biến dạng ;

4-Làm nguội nhanh;

5-Nung tức thời lần hai để tôi;

6-Khoảng nhiệt độ đồng đều hóa hợp kim ;

7- Khoảng nhiệt độ gia công biến dạng [11]

1.3 Phương pháp nâng cao cơ tính tổng hợp

Độ bền nói chung là khả năng chống biến dạng dẻo, chống mở rộng vết nứt

và chống mài mòn bề mặt Khả năng chống biến dạng dẻo được đặc trưng bằng mật

độ năng lượng đàn hồi echảy ở giới hạn c là:

Gphá hủy =

E

K IC2

; [J2 /m3 ] (1.2) Như vậy độ bền tỷ lệ với tích echảy.Gphá hủy :

K IC2

; [ J2/ m5] (1.3) Trong kỹ thuật thường dùng tích c.KIC đặc trưng cho độ bền do KIC và cphụ thuộc lẫn nhau (hình 1.5a) nên phải chọn sự thỏa hiệp để độ bền được tối ưu (KIC c )* ở giá trị hợp lý c* (hình 1.5b)

Hình 1.5.Cách chọn độ bền tối ưu cho vật liệu

Về nguyên tắc có hai phương pháp đạt độ bền cao: 1- chế tạo các vật liệu hoàn toàn không có lệch (gần như lý tưởng) đạt độ bền gần lt; 2- tạo một cấu trúc gồm nhiều hãm lệch chống lại biến dạng dẻo

Theo phương pháp thứ nhất thực hiện bằng nuôi đơn tinh thể dạng râu (Whisker) dùng làm cốt sợi trong vật liệu compozit có nền mềm như chất dẻo, kim loại Trong thực tế phương pháp thứ 2 khả thi và đảm bảo giá thành sẽ rẻ hơn phương pháp 1 nhiều Nội dung của nó là tạo ra một trạng thái tổ chức vừa hãm lệch hiệu quả vừa tích thoát kịp thời sự tập trung ứng suất bằng biến dạng dẻo hoặc các chướng ngại “mềm”

Trong bảng 1.5 giới thiệu, một số phần tử cấu trúc và tổ chức cơ bản có thể tham gia vào các cơ chế hóa bền của vật liệu

Bảng 1 5 Các phần tử cấu trúc và tổ chức ảnh hưởng đến độ bền [4]

N0 Phần tử cấu trúc hoặc

tổ chức

Kích thước

4 Hạt tiết pha, đa pha 3 H

Hóa bền tiết pha, hóa bền phân

tán / H

5 Dị hướng (tinh thể, tổ

Hóa bền định hướng (textual, đơn tinh thể, sợi, hạt dài)/D

Biến dạng bằng chuyển pha Mactenxit / M

Đối với vật liệu kim loại giới hạn chảy c có thể xác đinh theo công thức sau:

2 / 1

2 / 1 2 0

d

k n

i ci m

0 - ứng suất cần để lệch chuyển động khi d  

m – Số gia ứng suất do hóa bền bởi chướng ngại “mềm”

 ci - Số gia ứng suất do hóa bền bởi chướng ngại “cứng” thứ i

k – hằng số biểu thị cấu trúc của biên hạt; d- kích thước hạt

Đối với vật liệu thực, giới hạn c tính là:

Những khả năng tăng bên thực tế

độ biến dạng cao như sợi, tấm, thanh… nhưng nhược điểm của nó là khi mật độ lệch tăng đến 1012

cm-2 sẽ phát sinh xu hướng tạo vết nứt tế vi làm giảm độ dẻo của chúng Cần chú ý ảnh hưởng của hiệu ứng Baushiger khi biến dạng nhiều lần ngược chiều nhau

Số gia ứng suất do hạt nhỏ tỷ lệ nghịch với kích thước hạt d là :

B  kd-1/2

(1.7)

 Tạo trường ứng suất đàn hồi

Có thể tạo trường ứng suất đàn hồi dư do xô lệch mạng tinh thể bằng khuyết tật điểm (nút trống, nguyên tử nguyên tố hợp kim) trong dung dịch rắn Sự tập hợp các nguyên tử lạ xung quanh đường lệch hình thành nên khí quyển kiểu Cottrell, Suzuki, Snock gây cản trở rất mạnh đối với chuyển động của lệch Số gia ứng suất

tỷ lệ với nồng độ nguyên tử lạ C, sự sai khác tương đối kích thước nguyên tử và năng lượng liên kết α:

D = α G C 1/2

(1.8)

 Hóa bền tiết pha, hóa bền tiết pha phân tán

Các hạt hoặc phần tử tiết ra của pha thứ hai gây hóa bền; hoặc gián tiếp bằng cách ổn định hóa tổ chức hạt mịn của pha nền nếu chúng thô, cách xa nhau và nhất

là có dạng tấm hoặc mảnh; hoặc trực tiếp cản trở chuyển động của lệch nếu chúng rất mịn rất gần nhau và có dạng cầu hoặc đồng trục

Thực tế vai trò hóa bền đạt tối ưu khi kích thước của các phần tử d ≤ 0,01μm với khoảng cách L ≤ 0,1μm

Khi gặp các phần tử (chướng ngại) trên mặt trượt, lệch có thể vượt chướng ngại bằng hai cách: hoặc lệch cắt phần tử đó (hình 1.7a) hoặc lệch đi vòng qua nó (hình 1.7b) Trong cả hai trường hợp đều cần phải gia tăng ứng suất H để lệch có thể tiếp tục chuyển động Độ lớn của H phụ thuộc vào bản chất, số lượng, hình dáng, kích thước và phân bố của phần tử tiết ra

Nếu lệch không linh động lắm, phần tử tiết ra có dạng cầu, nhỏ, liền mạng,

“mềm” thì dễ xảy ra phương án cắt qua Ứng suất cần để thực hiện phương án này bằng :

bL

d c

H

.



 (1.9) Trong đó  - năng lượng bề mặt bị cắt

Trường hợp lệch đi vòng xảy ra khi lệch không thể xâm nhập vào phần tử (lớn mà không hoặc ít liền mạng, hay nhỏ mà cứng) và lệch linh động hơn Khi đó đường lệch sẽ uốn cong giữa các phần tử với bán kính (L – d)/2 Sau khi vượt qua

sẽ để lại các đường vòng lệch bao quanh hạt

Ứng suất cần để lực uốn bằng :

)(L d

Gb u

 với L >> d (1.10)

Đây chính là cơ chế Orovan

Hình 1.7 Sơ đồ tương tác lệch và pha thứ hai: a) cắt nhau, b) đi v òng

Việc lựa chọn cơ chế nào tùy

thuộc tương quan giữa Hc

và  Hu

Nếu Hc

>  Hu

thì lệch sẽ đi vòng, ngược lại khi Hc <  Hu

thì

cơ chế cắt sẽ xảy ra Trên thực tế sẽ

có điểm chuyển tiếp giữa hai cơ chế,

tương ứng với một kích thước tới hạn

của phần tử pha thứ hai dth (hình 1.8)

1.4.Đặt vấn đề nghiên cứu

Tiết pha từ dung dịch rắn quá bão hòa và hiệu ứng hóa bền kèm theo là một trong những lĩnh vực được quan tâm nghiên cứu nhiều [19], [11] Đó là vấn đề có ý nghĩa không chỉ về phương diện lý thuyết, mà trên quan điểm thực tiễn, còn là vấn

đề gắn với thiết kế vật liệu (hợp kim) và điều khiển tối ưu quy trình công nghệ

Trong sản xuất, khi ép nóng / ép đùn, các phôi hợp kim tại cửa thoát khuôn thường được tôi ngay Ứng suất tồn tại trong phôi có thể gây mất ổn định kích thước phôi khi gia công cơ khí tiếp theo và trong thời gian chờ trước khi hóa già kết thúc Mặt khác khoảng thời gian chờ từ khi phôi thoát cửa tôi gây ảnh hưởng rất mạnh đến nguyên công nhiệt luyện kết thúc Thực chất thời gian chờ là thời gian hóa già tự nhiên, làm biến đổi khá mạnh tổ chức phôi

Biến dạng nhẹ phôi sau tôi là nguyên công được áp dụng trong thực tế sản xuất nhằm trung hòa ảnh hưởng của ứng suất tôi

Từ thực tiễn công nghệ nêu trên, trong luận văn này đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu như sau:

- Xác định ảnh hưởng của mức độ biến dạng  lên mẫu sau tôi đến hóa già kết thúc

- Xác định ảnh hưởng của thời gian chờ (khi mẫu không bị biến dạng và

có bị biến dạng nhẹ) đến cơ tính khi hóa già kết thúc

- Phân tích quá trình động học ở các trạng thái tương ứng để thấy rõ hơn vai trò của lệch đối với quá trình tiết pha

- Đề xuất các giải pháp kỹ thuật (mức độ biến dạng và thời gian chờ) hợp

lý hỗ trợ nâng cao chất lượng bán thành phẩm từ hợp kim 6063 trong sản xuất

CHƯƠNG II

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

2.1.Phương pháp nghiên cứu:

Trong luận văn này, hai phương pháp nghiên cứu được sử dụng là phân tích

lý thuyết và thực nghiệm trên mẫu

2.1.1.Phương pháp phân tích lý thuyết

Vấn đề liên quan đến động học tiết pha được phân tích dựa vào lý thuyết và các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực này, biến đổi các công thức tính toán về dạng phù hợp để có thể áp dụng các số liệu thu được từ thực nghiệm nhằm tính toán các thông số của quá trình như thông số động học ( K, n) và hoạt năng tiết pha

Q

Để đạt mục tiêu đặt ra, đã kết hợp các thực nghiệm để cung cấp thêm luận

cứ cho phân tích lý thuyết (thực nghiệm phân tích nhiệt vi sai DSC) và số liệu cho tính toán (thực nghiệm đo độ cứng HV)

2.1.1.1.Thí nghiệm phân tích nhiệt vi sai DSC

Phương pháp phân tích nhiệt là phương pháp phân tích mà trong đó, các tính chất vật lý hóa học của mẫu được đo một cách liên tục như là những hàm của nhiệt

độ (nhiệt độ được thay đổi có quy luật) Trên cơ sở lý thuyết về nhiệt động học, từ

sự thay đổi các tính chất đó ta có thể xác định được các thông số yêu cầu của viêc phân tích

Có các phương pháp chính sau:

- Phân tích nhiệt vi sai ( DTA: Differential Thermal Analysis )

- Quét nhiệt vi sai ( DSC: Differential Scannsy Calorimetry)

- Phân tích nhiệt trong lượng (TGA: Thermo Gravimetric Analysis)

Khi nghiên cứu quá trình chuyển pha trong vật liệu, phương pháp DSC thường được ứng dụng nhiều hơn cả

DSC là phương pháp phân tích mà ở đó độ chêch lệch về nhiệt độ giữa mẫu chuẩn và mẫu đo luôn bằng không Trong quá trình chuyển pha của mẫu, năng lượng sẽ được bổ sung vào mẫu hay có thể mất đi từ mẫu, ta sẽ xác định được năng lượng đó thông qua tính diện tích giới hạn bởi đồ thị mà ta thu được Phương pháp DSC cho ta thông tin về sự chuyển pha của mẫu

*Nguyên tắc của phương pháp

DSC đánh giá dòng nhiệt vào (nhiệt hấp thụ) hoặc ra (nhiệt tỏa) từ một mẫu với tư cách là một hàm của nhiệt độ và thời gian Một mẫu nhỏ được đặt trong gá nung (ví dụ mẫu nhôm) và được nung nóng hay làm nguội theo một quy trình xác định Một vật liệu được chọn làm mẫu chuẩn (biết trước các chỉ tiêu vật lý, hóa học) cũng được nung nóng hay làm nguội cùng lúc để so sánh Lượng nhiệt sinh ra hay hấp thụ trong quá trình đó được ghi lại

Khi xuất hiện sự chuyển pha trên mẫu, năng lượng sẽ được thêm vào hoặc mất đi trong mẫu đo hoặc mẫu chuẩn, để duy trì nhiệt độ ở mẫu đo và mẫu chuẩn luôn bằng nhau Năng lượng cân bằng này được ghi lại và cung cấp kết quả đo trực tiếp của năng lượng chuyển pha

* Các ứng dụng nghiên cứu chuyển pha:

Sử dụng phương pháp DSC ta có thể thu được khá nhiều thông tin để :

- xác định nhiệt dung của mẫu

- xác định nhiệt độ nóng chảy

- phân tích quá trình thô hóa

- phân tích động học quá trình tiết pha v.v

Trong luận văn này DSC được sử dụng để xác định các hiệu ứng nhiệt trong mẫu gắn với quá trình tiết pha

- Tm: nhiệt độ chảy của mẫu, lúc này mẫu đã hấp thụ một lƣợng nhiệt

*Kết quả ứng dụng nghiên cứu tiết pha hợp kim Al - Mg - Si

Hình2.2 Kết quả DSC của hợp kim sau tôi HGNT ngay

Hình 2.2 là kết quả phân tích nhiệt vi sai hợp kim khi tôi được hóa già nhân tạo ở 1750C trong vòng 3 giờ

Quan sát được ở vùng nhiệt độ 1000C÷ 1750C khi hóa già có một quá trình chuyển pha Hiệu ứng ở đây là thu nhiệt, chứng tỏ tại vùng nhiệt độ trên có chuyển pha từ pha có năng lượng cao sang pha có năng lượng thấp hơn (từ pha kém ổn định sang pha ổn định hơn) Điều đó chứng tỏ pha sản phẩm trong vùng 1000

Hình 2.3 Mũi đâm và vết lõm khi đo Vicker

Độ cứng Vicker dược xác định theo đường chéo vết lõm d (mm) bằng công thức :

Việc đo độ cứng Vicker được thực hiện trên thiết bị trên hình 2.8 với tải trọng khi đo là Pt = 1kG Kết quả đo là trung bình cộng của số đo nhận được từ (57) lần đo trên các vùng khác nhau của mẫu

2.1.2.Thực nghiệm trên mẫu

Nội dung liên quan tới xác định ảnh hưởng của biến dạng dẻo và thời gian chờ đến cơ tính khi nhiệt luyện hợp kim 6063 được nghiên cứu bằng thực nghiệm trên mẫu

2.1.2.1 Chuẩn bị phôi mẫu

Quy trình thực nghiệm theo sơ đồ hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ quá trình thực nghiệm

Mẫu nghiên cứu được lấy từ các billet hợp kim nhôm 6063 hệ Al-Mg-Si tại nhà máy cơ khí Đông Anh

Thành phần các hợp kim này cho trong bảng 1.4

Trước khi được nhiệt luyện mẫu nhôm được cắt thành các tấm có chiều dày

4 mm từ các billet đem đi ủ đồng đều hóa ở nhiệt độ (5300

1 ngày và hóa già tự nhiên trong 7 ngày

Hình 2.5 Quy trình nhiệt luyện mẫu: 1.Nung tôi ở 530 0 C trong 30 phút,làm nguội

C

2.1.2.3 Thử độ cứng và kiểm tra tổ chức kim tương

Mẫu sau khi nhiệt luyện được đánh bóng và tẩm thực để đo độ cứng và khảo sát tổ chức kim tương Kết quả đo độ cứng được cho trong bảng 3.3 và bảng 3.5

Những ảnh tổ chức bằng hiển vi quang học ( hình 2.6 và 2.7) không khác nhau nhiều, chứng tỏ khó sử dụng hiển vi quang học để nghiên cứu động học hóa già hợp kim nhôm

Những nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại

Phòng thí nghiệm công nghệ vật liệu kim loại 315-C5, trường đại học Bách Khoa Hà Nội

Phòng thí nghiệm cán & biến dạng kim loại, trường đại học Bách Khoa Hà Nội Sử dụng máy cán có công suất 7,5 KW – 380V, Vtrục cán = 5m/ phút ( 0,8 m/s)