Nghiên cứu tối ưu hóa công nghệ hoá bền tổng hợp bằng cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng hệ al mg si và khả năng ứng dụng

Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học Bách khoa Hà nội ***** Nguyễn Khắc Thông Đề tài nghiên cứu tối ưu hoá công nghệ hoá bền tổng hợp nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si khả ứng dụng Chuyên ngành : Kim loại học gia công kim loại Mà số: 2.09.01 Ln ¸n tiÕn sÜ kü tht TËp thĨ h­íng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Khắc Xương PGS.TS Nguyễn Văn Chi Hà nội 2006 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận án trung thực Những kết luận luận án chưa công bố công trình khác Tác giả luận án Nguyễn Khắc Thông Danh mục ký hiệu chữ viết tắt {111} - ký hiƯu hä mỈt (111) [111] - ký hiƯu ph­¬ng 111 [110] - ký hiƯu ph­¬ng 110 sfxc - sáu phương xếp chặt lftm - lập phương tâm mặt VGP - vïng Guinier Preston σ b - Giíi h¹n bền kéo [MPa] - Độ giÃn dài tương đối [%] HB - ®é cøng [kG/mm2] X- ®éng häc chun pha [không thứ nguyên] k - số tốc độ chuyển pha [1/sec] n tạo mầm - tốc độ tạo mầm v phát triển - tốc độ phát triển mầm n- hệ số mà 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] HCHH - hợp chất hoá học HKNBD - hợp kim nhôm biến dạng LTMT - (Low thermo mechanical treatment) nhiệt luyện nhiệt độ thấp HTMT - (High thermo mechanical treatment) nhiệt luyện nhiệt độ cao MMTO - nhiệt luyện nhiều lần HVĐTQ - hiển vi ®iƯn tư qt HVQH - hiĨn vi quang häc CB§N - chuyển biến đẳng nhiệt ĐCC - độ cứng chuẩn Danh mục bảng Trang Bảng 1.1 Đặc tính tương tác số nguyên tố thường gặp với nhôm 13 Bảng 1.2 Độ hòa tan Si Mg vào Al (theo trọng lượng) 17 Bảng 1.3 Mét sè hỵp kim hƯ Al - Mg - Si nước 18 Bảng 1.4 Khả chịu uốn hợp kim Al-Mg-Si với %Mn khác 19 Bảng 1.5 Các tính chất vật lý hợp kim AlMgSi có (%Mg+%Si = 1%) 20 Bảng 1.6 Cơ tính thỏi ép hợp kim nhôm theo phương 27 Bảng 1.7 Ký hiệu trạng thái gia công hợp kim nhôm 28 Bảng 1.8 Chế độ gia công nhiệt luyện chi tiết dạng tấm, phiến, hệ 29 Al-Cu Al-Mg-Si Bảng 1.9 Chế độ gia công nhiệt luyện chi tiết cán ép thanh, dải, định 29 hình ống từ hợp kim nhôm hệ Al-Mg-Si Bảng 1.10 Chế độ gia công nhiệt luyện bán thành phẩm cán kéo (sợi, 29 thanh, dải, định hình ống) từ hệ Al-Cu-Mg Al-Mg-Si Bảng 1.11 Chế độ gia công nhiệt luyện chi tiết rèn, dập khuôn rèn tự 30 từ hợp kim Al-Mg-Si [114] Bảng 1.12 Cơ tính điển hình hợp kim nhôm hệ Al - Mg - Si lo¹i kÕt cÊu, 30 kiÕn tróc trang trí Bảng 1.13 Chế độ ủ đồng hóa điển hình số hợp kim nhôm 31 Bảng1.14 Thời gian giữ nhiệt dạng bán thành phẩm dập rèn 34 Bảng 1.15 Thời gian giữ nhiệt để bán thành phẩm (ngoài rèn khuôn) 34 hợp kim nhôm biến dạng Bảng 1.16 Hình dạng VGP hệ hợp kim khác 40 Bảng 1.17 Hệ số n tiết pha 52 Bảng 1.18 Các phần tử cấu trúc tổ chức ảnh hưởng đến độ bền [4] 54 Bảng 2.1 Sự thay đổi tính theo chế độ gia công nhiệt khác 66 Bảng 3.1 Lượng cháy hao nguyên tố hợp kim trình nấu 69 Bảng 3.2 Thành hợp kim Al-Mg-Si 71 Bảng 3.3 Một vài đặc điểm sử dụng HVQH, HVĐTQ 75 B¶ng 3.4 Ma trËn thÝ nghiƯm 84 B¶ng 3.5 Thông số trình htMt 85 Bảng 3.6 Giá trị thang nguyện vọng 87 Bảng 3.7 Giá trị trung gian hàm mục tiêu 88 Bảng 4.1 Kết đo ®é cøng HB [kG/mm2] phơ thc vµo nhiƯt ®é vµ thời 93 gian hoá già Bảng 4.2 Hằng số tốc ®é tiÕt pha k, hƯ sè n 98 B¶ng 4.3 Bảng xác định thông số mạng a góc nhiễu xạ 101 Bảng 4.4 Kết tính số mạng a dung dịch rắn (hợp kim 101 AlMgSi) Bảng 4.5 Kết đo tính mẫu sau đẳng nhiệt, hoá già72h 1200C 105 Bảng 4.6 Kết thí nghiệm HTMT 109 Bảng 4.7 So sánh kết giới hạn bền kéo tính toán theo phương trình 116 (4.28) thực nghiệm HTMT Bảng 4.8 So sánh kết độ cứng, độ giÃn dài tính toán theo phương 118 trình (4.38), (4.39) kết thực nghiệm HTMT Bảng 4.9 Giá trị gán hàm mục tiêu vào thang nguyện vọng d 120 Bảng 4.10 Xác định hệ số b b 121 Bảng 4.11 Giá trị hàm nguyện vọng đặc trưng D 122 Bảng 4.12 So sánh kết tính toán kết thực nghiệm hàm 124 nguyện vọng D Danh mục hình vẽ, đồ thị Trang Hình 1.1 Hợp kim nhôm biến dạng theo giản đồ pha 14 Hình 1.2 Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ pha Al-Mg-Si 2000C (a) 16 5500C (b) Hình 1.3 Mặt cắt giả hệ Al-Mg-Si qua Al-Mg Si 16 Hình 1.4 Sự ảnh hưởng hàm lượng Mn đến giới hạn bền kéo hợp 17 kim Al-Mg-Si, với hàm lượng Si khác (hàm lượng Mg 0,8%) Hình 1.5 Sự ảnh hưởng Mn ®Õn ®é dai va ®Ëp cđa hỵp kim Al-Mg-Si 17 với 1% Si, Mg 0,75% Hình 1.6 Sự giảm độ bền độ giÃn dài hợp kim AlMgSi so với hợp 19 kim AlCuMg1 AlZnMg (Zn 4,5%; Mg 1%) môi trường ăn mòn dung dịch muối ăn Hình 1.7 Xét kết tinh hợp kim hệ tinh 22 Hình 1.8 Xét kết tinh hợp kim hệ bao tinh 22 Hình 1.9 Giản đồ pha hệ thống giả định AB với đường phân hóa Spinodal 36 RKV (a) đường cong lượng tự ứng víi ba nhiƯt ®é T < T < T (b) Hình 1.10 Sơ đồ giải thích chế phân hóa cách sinh mầm phát 37 triển mầm Hình 1.11 Đường hòa tan VGP, Pha , hệ Al-Cu 43 Hình 1.12 Đường cong chữ C vùng VGP, pha phân hóa dung 43 dịch rắn bÃo hòa Hình 1.13 Sự thay đổi lượng tự dung dịch rắn phụ thuộc vào 44 kích thước phân tử tiết Hình 1.14 ảnh hưởng bán kính phần tử tiết đến nồng độ cân 44 dung dịch Hình 1.15 Gradien nồng độ nguyên tố hợp kim dung dịch rắn phần tử lớn phần tư nhá cđa pha tiÕt θ 44 H×nh 1.16 Đường cong động học với trị số k khác 49 Hình 1.17 Giản đồ tiết pha cân 50 Hình 1.18 ảnh hưởng nồng độ đến phát triển mầm 50 Hình 1.19 Cách chọn độ bền tối ưu cho vật liệu 53 Hình 1.20 Khả nâng cao độ bền vật liệu (sơ đồ) 55 Hình 1.21 Sơ đồ tương tác lệch pha thứ hai: a) cắt nhau; b) vòng 57 Hình 1.22 ảnh hưởng kích thước hạt phân tán đến tương tác lệch 57 pha thứ hai Hình 2.1 Sơ đồ dạng LTMT 59 Hình 2.2 Một số quy trình HTMT hợp kim nhôm phụ thuộc vào phương 60 pháp phối hợp nguyên công biến dạng nhiệt độ cao Hình 2.3 Sự phụ thuộc giới hạn chảy vào mức độ biến dạng nguội (1), 61 nhiệt (2) biến dạng nóng (3) Hình 2.4 Sự thay đổi tính biến dạng kéo với tốc độ 6,4.10-3 cm/s, 62 sau 5200C Hình 2.5 Sự thay đổi tính vào nhiệt độ biến dạng cán với tốc độ 63 100mm/s, độ biến dạng 10% Hình 2.6 Sơ đồ nhiệt luyện tận dụng hai chế hoá già vùng pha 65 H×nh 2.7 Sù phơ thc cđa σ b sau nhiệt luyện hợp kim nhôm 66 Hình 3.1 Sơ đồ chế tạo hợp kim nghiên cứu 69 Hình 3.2 Sơ đồ nấu luyện 72 Hình 3.3 Xác định hoạt tiết pha từ hệ số động học chuyển pha 76 Hình 3.4 Xác định hoạt tiết pha từ tỷ phần chuyển pha 76 Hình 3.5 Các khu vực giản đồ trạng thái hệ Al- nguyên tố hợp kim 78 Hình 3.6 Sự phụ thuộc lượng tự cña pha α, pha β (F α , F ) vào 78 thành phần hệ hai cấu tử Hình 3.7 Quan hệ hàm nguyện vọng tiêu chất lượng 88 Hình 4.1 Kết phân tích nhiệt vi sai hợp kim Al-Mg-Si 92 Hình 4.2 Độ cứng hợp kim hóa già 1h, nhiệt độ khác ( qbh ) 94 Hình 4.3 Độ cứng hợp kim hóa già 2h, nhiệt độ khác ( qbh ) Hình 4.4 Độ cứng hợp kim hóa già 3h nhiệt độ khác ( qbh ) Hình 4.5 Độ cứng hợp kim hóa già 4h nhiệt độ khác t < 1750C ( α qbh → β’), ë t > 1750C (β’ ) Hình 4.6 Độ cứng hợp kim hóa già 5h nhiệt độ khác t < 1500C ( α qbh → β’); ë t > 1500C ( ) Hình 4.7 Độ cứng hợp kim hóa già 6h nhiệt độ khác ( thô hoá) Hình 4.8 Tổ chức hợp kim AlMgSi, sau tôi, X500 94 102 Hình 4.9 Tổ chức hợp kim AlMgSi, sau tôi, hoá già 3h, X500 102 Hình 4.10 Tổ chức hợp kim AlMgSi, sau tôi, hoá già 7h, X500 102 Hình 4.11 Quy trình nhiệt luyện mẫu nghiên cứu 104 Hình 4.12 Động học chuyển pha nhiệt độ đẳng nhiệt 106 Hình 4.13 Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt 106 Hình 4.14 ảnh HVQH hợp kim AlMgSi, X200, đẳng nhiƯt 4500C,dÇu, 108 94 95 95 95 thêi gian 10’ Hình 4.15 ảnh HVQH hợp kim AlMgSi, X200, đẳng nhiÖt 4000C 108 NaNO , thêi gian 10’ Hình 4.16 Hợp kim AlMgSi, X200, tổ chức sau 5200C, hóa già 127 1750C, 4h Hình 4.17 Tỉ chøc sau HTMT, ε = 70%, chơp song song với phương 127 biến dạng (ảnh HVĐTQ) Hình 4.18 Tổ chức tế vi X200, sau HTMT, hoá già 1750C, 6,76h 127 Hình 4.19 Chi tiết vành xe đạp 130 Hình 4.20 Chi tiết nghiên cứu 70x3 130 Hình 4.21 Chi tiết nghiên cứu 70x3 130 Mở đầu Trong vật liệu kim loại nhôm hợp kim nhôm ứng dụng rộng rÃi, sau sắt thép, công nghiệp lĩnh vực khác đời sống xà hội Nhôm hợp kim nhôm vật liệu nhẹ có độ bền riêng cao, có tính hàn tương đối tốt, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt chống ăn mòn tốt, số trường hợp vật liệu thay Hiện giới nhiều mác hợp kim nhôm biến dạng (HKNBD) đà 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, đa, ống phóng, khớp nối v.v hay thiết bị quân khác Các hợp kim nhôm sử dụng công nghiệp đời sống ngày tăng lên với tốc độ ngày lớn Trong công trình xây dựng, nhiều kết cấu chế tạo hợp kim nhôm đà đáp ứng tiêu kinh tế, kỹ thuật, nhẹ, bền, rẻ đồng thời thoả mÃn yêu cầu trang trí, thẩm mỹ Cùng với tăng trưởng kinh tế, thời gian vừa qua nước ta đà nhập vài dây chuyền sản xuất kết cấu nhôm hợp kim nhôm Một số đà đưa vào sử dụng, số giai đoạn sản xuất thử chuyển giao công nghệ Chúng ta đà có nhiều thành công việc nghiên cứu chế tạo mác hợp kim nhôm biến dạng phục vụ cho ngành quốc phòng, công nghiệp chế tạo máy, công nghiệp xây dựng v.v Việt Nam số mác HKNBD đà Viện công nghƯ thc Bé c«ng nghiƯp, ViƯn c«ng nghƯ Bé qc phòng, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội , nghiên cứu chế tạo đà có số thành công ban đầu Để nâng cao chất lượng sản phẩm công nghệ sản xuất hàng loạt lớn, việc nghiên cứu cần phải đầu tư tiếp tục có liên quan tới nhiều vấn đề như: thành phần hóa học, động häc chuyÓn pha: kÕt tinh tõ pha láng, tiÕt pha từ dung dịch rắn bÃo hòa; công nghệ hoá bền, nhiệt luyện nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng Mục tiêu đề tài 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 Nghiên cứu tiến hành theo nội dung sau: 1) Nghiên cứu động học tiết pha hóa già, xây dựng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt hợp kim nhôm Al-Mg-Si 2) Tối ưu hóa công nghệ hóa bền tổng hợp nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si phương pháp quy hoạch thực nghiệm 3) Từ kết nghiên cứu ứng dụng vào thực tế Liên hiệp Khoa học sản xuất - Cơ điện xác thuộc Trung tâm khoa học kỹ thuật - Công nghệ quân Điểm luận án: - Việc nghiên cứu hóa già hợp kim nhôm hiển vi điện tử truyền qua sử dụng nhiều [1] [11] [23], nhiên phương pháp khó xác định thông số động học trình Để khắc phục điều tác giả nghiên cứu chế động học lượng sinh mầm tiết pha hóa già hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si phương pháp đo tính kết hợp với phương pháp bổ trợ khác: phân tích nhiễu xạ Rơnghen, phân tích nhiệt vi sai, hiển vi quang học SEM, sở lập phương trình để xác định đặc trưng động học hóa già Phân tích kết đà rằng, pha giả ổn định tạo phân hoá dung dịch rắn bÃo hoà theo chế sinh mầm từ đầu, có dạng trụ gây hoá bền cực đại hoá già Điều tạo sở vững cho công nghệ nhiệt luyện mà hiệu ứng hoá bền đạt thông qua hiệu tăng mật độ lệch phân bố tọa độ nhân tố thuận lợi cho sinh mầm - Đà xây dựng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt hợp kim nhôm AlMg-Si, làm sở dự đoán chuyển biến xảy nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng - Để nâng cao tính mở rộng phạm vi sử dụng nó, nhà khoa học vật liệu [3] [16] [48] hướng tới giải pháp kỹ thuật công nghệ hợp kim hãa, hãa bỊn tiÕt pha, hãa bỊn biÕn d¹ng làm tăng mật độ lệch phối hợp hợp lý dạng hóa bền quy trình công nghệ thống Tác giả đà xây dựng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt hợp kim nhôm Al-Mg-Si phương pháp đo tính kết hợp với hiển vi điện tử quét, làm sở để nghiên cứu chế chuyển biến đẳng nhiệt hợp kim Al-Mg-Si 172 Phô lôc 24 173 DANH SÁCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN ÁN CẤP NHÀ NƯỚC 174 NHẬN XÉT CỦA PHẢN BIỆN 175 NHẬN XÉT CỦA PHẢN BIỆN 176 NHẬN XÉT CỦA PHẢN BIỆN 177 NHẬN XÉT CỦA PHẢN BIỆN 178 179 180 181 182 183 184 185 Mục lục Danh mục ký hiệu chữ viÕt t¾t Danh mục bảng Danh mơc c¸c hình vẽ, đồ thị .4 Mở đầu .7 PhÇn I- Tỉng quan 10 Ch­¬ng 1- C¬ së lý thuyÕt 10 1.1 Nhôm hợp kim nhôm biến dạng .10 1.1.1 Đặc điểm tổ chức tính chất nhôm 10 1.1.2 Quy lt t¸c dơng cđa nguyên tố hợp kim với nhôm .12 1.1.3 Hợp kim nhôm biến dạng hệ Al- Mg- Si 14 1.1.4 Hỵp kim nhôm - magiê - silic (Al-Mg-Si) .15 1.1.5 Tổ chức tính chất hợp kim nhôm trạng thái đúc 21 1.1.6 Tổ chức tính chất hợp kim nhôm sau gia công áp lực 24 1.2 Đặc điểm nhiệt luyện hợp kim nhôm 27 1.2.1 ủ nhôm hợp kim nhôm .31 1.2.2 Tôi hợp kim nhôm .33 1.2.3 Hóa già hợp kim nhôm 35 1.2.4 §éng häc chuyÓn pha 49 1.2.5 BiĨu thøc kinh nghiƯm .50 1.2.6 §éng häc chun pha tiÕt pha c©n b»ng 51 1.3 Một số Phương pháp nâng cao tính tổng hợp 53 1.3.1 Đặc trưng tính tổng hợp 53 1.3.2 Những khả thực tÕ 56 Chương 2- Cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm hệ Al-Mg, Al- Mg- Si 59 2.1 Bản chất, đặc điểm phạm vi ứng dụng công nghệ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng 59 2.1.1 C¬ nhiƯt lun 59 2.1.2 Phân loại dạng biến dạng 62 2.2 Một số phương pháp nhiệt luyện đặc biệt .63 2.2.1 LTMT với biến dạng vùng nhiệt độ thay đổi đột biÕn c¬ tÝnh 63 2.2.2 LTMT víi ba chÕ độ hoá già 65 2.3 Đặt vấn đề nghiên cứu .68 PhÇn II - KÕt qu¶ thùc nghiƯm .69 Chương - Chế tạo mẫu phương pháp nghiên cứu .69 3.1 Thiết bị thùc nghiÖm 69 186 3.2 Quy trình chế tạo mẫu nghiên cøu 70 3.2.1 ChÕ t¹o hợp kim nghiên cứu 70 3.2.2 Xác định tiêu tÝnh cña mÉu .74 3.3 xác định hoạt tiết pha 76 3.3.1 Xác định hoạt tiÕt pha tõ hƯ sè ®éng häc chun pha (k) .77 3.3.2 Xác định hoạt tiết pha từ tû phÇn chun pha (X) 77 3.4 xây dựng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt 78 3.4.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng giản ®å 78 3.4.2 Xây dựng giản đồ CBĐN phương pháp đo tính 80 3.5 Mô hình toán học xác định quy trình HTMT tối ưu .81 3.5.1 Ma trËn thÝ nghiÖm 81 3.5.2 Phương pháp giải toán tối ưu đa tiêu tính 88 Chương - kết bàn luận 92 4.1 kết nghiên cứu Động học tiết pha hoá già 92 4.1.1 Đặt vấn đề 92 4.1.2 Xác định thông số động học tiết pha 92 4.1.3 Bµn luËn 105 4.2 Xây dựng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt 106 4.2.1 Kết đo ®é cøng 106 4.2.2 Dùng ®­êng ®éng häc chun pha giản đồ CBĐN 107 4.2.3 Một sè nhËn xÐt .109 4.3 Xác định chế độ HTMT tối ưu cho hợp kim nghiên cứu 111 4.3.1 Xây dựng hàm mục tiêu 111 4.3.2 Tối ưu hoá quy trình nhiệt luyện nhiệt độ cao hợp kim nghiên cứu 121 4.3.3 Mét sè nhËn xÐt .130 4.5 KÕt luËn 133 danh mục công trình tác giả .135 Tµi liƯu tham kh¶o .136 Phô lôc 148 ... hợp kim biến dạng hệ AlMg -Si 1.1.4 Hợp kim nhôm - magiê - silic (Al- Mg- Si) Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền nhiệt luyện hệ Al- Mg- Si tìm sau chiến tranh giới thứ (~ 1920) Thuỵ Sĩ Các nguyên tố hợp. .. thành hợp kim nhôm đúc hợp kim nhôm biến dạng (hình 1.1) L A L+ L+ C D Hợp kim hoá bền nhiệt luyện Hợp kim nhôm đúc Cùng tinh Hợp kim nhôm biến dạng + pha thứ hai B + C'' Hợp kim không hoá bền nhiệt. .. σk [%] 12 AlCuMg AlZnMg AlMgSi Sù hao hôt δ δk [%] 60 AlCuMg AlZnMg 40 AlMgSi 20 0 Tháng 12 Hình 1.6 Sự giảm độ bền độ giÃn dài hợp kim AlMgSi so với hợp kim AlCuMg1 AlZnMg (Zn 4,5%; Mg 1%) môi