Nghiên cứu chế tạo vật liệu có cấu trúc dị biệt trên cơ sở hợp kim al si

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ MINH ĐỨC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CÓ CẤU TRÚC DỊ BIỆT TRÊN CƠ SỞ HỢP KIM Al-Si Chuyên ngành : Khoa học kỹ thuật vật liệu LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Khoa học kỹ thuật vật liệu NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Hồng Hải Hà Nội - Năm 2017 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải Lời cam đoan: Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu trình bày luận văn hồn tồn trung thực tơi, khơng vi phạm điều luật sở hữu trí tuệ pháp luật Việt Nam Nếu sai, tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước pháp luật TÁC GIẢ LUẬN VĂN Lê Minh Đức Học viên: Lê Minh Đức Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Tác giả luận văn: Lê Minh Đức Đề tài luận văn: "Nghiên cứu chế tạo vật liệu có cấu trúc dị biệt sở hợp kim Al-Si" Chuyên ngành: Khoa học kỹ thuật vật liệu Mã số học viên: CA160007 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 05 tháng 01 năm 2018 với nội dung sau: Bổ sung tóm tắt kết nghiên cứu nước vấn đề đúc bán lỏng phần mở đầu luận văn (trang 1) Bổ sung thiết bị đo độ cứng Vicker thô đại thay cho độ dai va đập (hình 41 trang 41) Việt hóa hình vẽ: hình trang 8; hình trang 10; hình 11 trang 15; hình 12 trang 16; hình 14 trang 17; hình 15 trang 18; hình 16 trang 19; hình 20 trang 22; hình 21 trang 24; hình 24 trang 26 Bổ sung tóm tắt quy trình thơng số cơng nghệ vào phần "kết luận" (trang 73) Chỉnh sửa lỗi biên tập thuật ngữ: Độ bền kéo → giới hạn bền kéo; xạ siêu âm → phát sóng siêu âm; dão → rão; độ dãn dài → độ giãn dài Ngày 08 tháng 01 năm 2018 Giáo viên hƣớng dẫn Tác giả luận văn Lê Minh Đức PGS.TS Nguyễn Hồng Hải CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS Phạm Mai Khánh Học viên: Lê Minh Đức Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục bảng Danh mục hình ảnh MỞ ĐẦU .1 Chƣơng TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM NHÔM – SILIC 1.1 Giới thiệu chung hợp kim Nhôm-Silic 1.2 Thành phần tổ chức Silumin 1.3 Các tính chất Silumin Chƣơng CÁC BIỆN PHÁP CẢI THIỆN TỔ CHỨC TẾ VI CỦA HỢP KIM Al-Si .7 2.1 Kiểm soát pha Si 2.1.1 Cải thiện hình dáng kích thước Si tinh 2.1.2 Cải thiện hình dáng kích thước Si thứ (sơ cấp) 13 2.2 Cải thiện tổ chức pha 15 2.2.1 Rung học 15 2.2.2 Rung siêu âm 16 2.2.3 Rung điện từ 17 2.2.4 Đúc gần nhiệt độ lỏng (Liquidus/Near-Liquidus Casting) 18 2.2.5 Đúc lưu biến 18 2.2.6 Phương pháp bán lỏng sục khí (Gas Induced Semi-Solid- GISS) 19 2.3 Tạo tổ chức dị biệt (heterostructure) sóng siêu âm 20 2.3.1 Khuấy bán lỏng hợp kim Al-Si sau tinh rung siêu âm 20 2.3.2 Sự hình thành hạt α-Al khơng cân hợp kim Al-Si sau tinh thông qua tác động siêu âm đến q trình đơng đặc 23 2.3.3 Đúc bán lỏng hợp kim sau tinh Al-Si-Cu kết hợp áp dòng siêu âm suốt q trình đơng đặc 26 Học viên: Lê Minh Đức Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải 2.4 Hình thành tổ chức dị biệt lớn lên cạnh tranh nhánh tinh 29 Chƣơng THỰC NGHIỆM 33 3.1 Thiết bị thí nghiệm 33 3.1.1 Lò nấu 33 3.1.2 Thiết bị đo ghi liệu 33 3.1.3 Khuôn đúc 34 3.1.4 Máng nghiêng làm nguội 35 3.2 Đối tƣợng nghiên cứu 36 3.3 Quy trình thí nghiệm 38 3.4 Mẫu thiết bị phân tích 40 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42 4.1 Sự hình thành tổ chức tế vi 42 4.1.1 Hợp kim Al-Si trước tinh (A380.0) 42 4.1.2 Hợp kim Al-Si tinh (A413.0) 47 4.1.3 Hợp kim Al-Si sau tinh (A390.0) 54 4.2 Phân tích ảnh hƣởng tốc độ nguội 61 4.2.1 Hợp kim trước tinh (A380.0) 61 4.2.2 Hợp kim Al-Si tinh (A413.0) 62 4.2.3 Hợp kim sau tinh (A390.0) 63 4.3 Khảo sát tính hợp kim Al-Si có cấu trúc dị biệt 65 4.3.1 Hợp kim A413.0 65 4.3.2 Hợp kim A390.0 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO .75 Học viên: Lê Minh Đức Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Ảnh hưởng USV đến tính 23 Bảng Thành phần hóa học hợp kim 36 Bảng So sánh giới hạn bền kéo độ giãn dài tương đối hợp kim A413.0 (bậc 2) nghiên cứu tiêu chuẩn ASM 65 Bảng Các tiêu tính hợp kim A413.0 phương pháp đúc khác 69 Bảng Tốc độ mài mòn độ cứng hợp kim A413.0 phương pháp đúc 69 Bảng So sánh giới hạn bền kéo độ giãn dài tương đối hợp kim A390.0 (bậc 3) nghiên cứu tiêu chuẩn ASM 70 Bảng Các tiêu tính hợp kim A390.0 phương pháp đúc khác 72 Bảng Tốc độ mài mòn độ cứng hợp kim A390.0 phương pháp đúc bậc 72 Học viên: Lê Minh Đức Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Giản đồ trạng thái Al-Si Hình So sánh (a) tổ chức tinh không biến tính, (b) tổ chức tinh biến tính Sr, (c) tổ chức tinh biến tính Sb Hình Hình ảnh SEM tinh thể Si hợp kim A356 khơng biến tính: a) x100; b) x1000 Hình Vị trí mặt song tinh tinh thể Si Hình Hình ảnh SEM tinh thể Si hợp kim A356 biến tính: a) x100; b) x1000 Hình Sự hấp thụ chất biến tính bề mặt tinh thể Si 10 Hình Sơ đồ mơ tả phát triển song tinh Si tinh biến tính 10 Hình Tổ chức tế vi (a) đúc áp lực thông thường (b) đúc bán lỏng hợp kim Al7Si đông đặc dòng siêu âm 12 Hình Tổ chức tế vi (a) đúc áp lực thông thường (b) đúc bán lỏng hợp kim Al17Si đông đặc thông thường 12 Hình 10 Cấu trúc tinh thể Si AlP 14 Hình 11 Biểu đồ biểu diễn trình biến tính phần tử Si sơ cấp hợp kim Al20%wtSi phần tử nano Al2O3 15 Hình 12 Mơ hình thiết bị rung học khn lị điện cảm ứng 16 Hình 13 Hình ảnh SEM hợp kim A356 đơng đặc khơng (a) có (b) áp dụng q trình rung siêu âm 16 Hình 14 Sự thay đổi đường kính đương lượng phần tử Si sơ cấp hợp kim Al-18%wtSi rung điện từ với mật độ dịng điện từ thơng khác 17 Hình 15 Sơ đồ phương pháp đúc hãng UBE 18 Hình 16 Mơ tả thiết bị cắt kim loại cường độ cao 19 Hình 17 Sơ đồ minh họa bước phương pháp đúc GISS 19 Hình 18 Mơ tả thiết bị thí nghiệm 20 Học viên: Lê Minh Đức Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải Hình 19 Tổ chức tế vi hợp kim A390.0 khuấy bán lỏng USV (a) không USV (b) 21 Hình 20 Ảnh hưởng USV đến phân bố kích thước phần tử Si sơ cấp 22 Hình 21 Q trình đơng đặc hợp kim Al-Si lỏng rung siêu âm 24 Hình 22 Các tổ chức tế vi chủ yếu đông đặc (a) không dùng (b) dùng rung siêu âm đơng đặc hồn tồn Al-18%wtSi 24 Hình 23 Các cặp tinh riêng rẽ Al-18%wtSi xuất khuấy mãnh liệt tỷ phần pha rắn gần 50% 25 Hình 24 Mơ hình mơ tả thiết bị đúc bán lỏng kết hợp đơng đặc dịng siêu âm 26 Hình 25 Tổ chức tế vi đặc trưng hợp kim Al-17Si-4Cu đúc bán lỏng (a) kết hợp đông đặc siêu âm (b) đông đặc thông thường 27 Hình 26 Giới hạn bền kéo độ giãn dài mẫu đúc bán lỏng (a) hợp kim Al-7Si (b) hợp kim Al-7Si-4Cu đông đặc siêu âm sau nhiệt luyện chế độ T6 28 Hình 27 Những dạng khơng ổn định mặt phân cách tinh 29 Hình 28 Vùng hình thành tinh 30 Hình 29 Sự hình thành pha tùy thuộc tốc độ nguội (độ nguội) 30 Hình 30 Vùng cặp đôi xiên 31 Hình 31 Lị điện trở nấu đúc 33 Hình 32 Thiế t bi ̣đo nhiệt 33 Hình 33 Cấu tạo hình ảnh khn đúc 34 Hình 34 Hệ thống thiết bị 35 Hình 35 Máng nghiêng làm nguội (450) 35 Hình 36 Bản vẽ máng nghiêng làm nguội 36 Hình 37 Giản đồ pha thành phần hợp kim 37 Hình 38 Quy trình thực nghiệm 39 Hình 39 Kính hiển vi Axiovert A2M Axiovert 25CA - Carl Zeiss 40 Hình 40 Mẫu thử kéo hợp kim nghiên cứu 40 Học viên: Lê Minh Đức Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải Hình 41 Thiết bị đo độ cứng Vicker thô đại Wolpert Wilson Instruments 432 SVD 41 Hình 42 Kích thước mẫu thử mài mịn thiết bị thử 41 Hình 43 Tổ chức tế vi hợp kim A380.0 rót thường mặt khn đồng (x100) 42 Hình 44 Đường nguội tốc độ nguội hợp kim A380 rót thường 43 Hình 45 Phân tích hình ảnh hợp kim trước tinh (A380.0) 43 Hình 46 Tổ chức tế vi hợp kimA380.0 rót qua máng nghiêng làm nguội (x200) 44 Hình 47 Đường nguội tốc độ nguội hợp kim A380.0 rót qua máng nghiêng 45 Hình 48 Phân tích hình ảnh hợp kim A380.0 rót qua máng nghiêng 45 Hình 49 So sánh tổ chức tế vi phương pháp đúc mặt khuôn đồng bậc 46 Hình 50 So sánh tốc độ nguội hợp kim A380.0 theo phương pháp 46 Hình 51 Tổ chức tế vi hợp kim tinh (A413.0) rót thường (x200) 47 Hình 52 Đường nguội tốc độ nguội hợp kim A413.0 rót thường 48 Hình 53 Phân tích hình ảnh hợp kim A413.0 tại: a) bậc b) bậc 48 Hình 54 Tổ chức tế vi A413.0 rót qua máng nghiêng (x200) mặt khn đồng 49 Hình 55 Đường nguội tốc độ nguội hợp kim A413.0 rót qua máng nghiêng 50 Hình 56 Phân tích hình ảnh hợp kim A413.0 rót qua máng nghiêng 50 Hình 57 Tổ chức tế vi hợp kim A413.0 sục khí Ar phút (x200)mặt khn đồng 51 Hình 58 Đường nguội tốc độ nguội hợp kim A413.0 sục khí Ar 52 Hình 59 Phân tích hình ảnh hợp kim A413.0 tại: a) bậc 1, b) bậc 52 Hình 60 So sánh tổ chức phương pháp đúc bậc mặt khuôn đồng 53 Hình 61 So sánh tốc độ nguội bậc phương pháp đúc 54 Hình 62 Tổ chức tế vi hợp kim A390.0 rót thường (x200) mặt khn đồng 55 Hình 63 Đường nguội tốc độ nguội hợp kim A390.0 rót thường 55 Hình 64 Phân tích hình ảnh hợp kim A390.0 rót thường tại: a) bậc b) bậc 56 Hình 65 Tổ chức tế vi hợp kim A390.0 rót qua máng nghiêng (x200) mặt khn đồng tại: a) bậc 1, b) bậc 2, c) bậc bậc 57 Hình 66 Đường nguội tốc độ nguội hợp kim A390.0 rót qua máng nghiêng 57 Học viên: Lê Minh Đức Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải Hình 67 Phân tích hình ảnh hợp kim A390.0 rót qua máng nghiêng 58 Hình 69 Đường nguội tốc độ nguội hợp kim A390.0 sục khí Ar 59 Hình 68 Tổ chức tế vi hợp kim A390.0 sục khí Ar phút (x200) mặt khuôn đồng tại: a) bậc 1, b) bậc c) bậc 59 Hình 70 Phân tích hình ảnh hợp kim A390.0 sục khí Ar: a) bậc b) bậc 60 Hình 71 So sánh tổ chức tế vi hợp kim A390.0 phương pháp khác 60 Hình 72 Tổ chức tế vi hợp kim A380.0 mặt khn đồng thép, rót thường 61 Hình 73.Tổ chức tế vi hợp kim A380.0 mặt khn đồng thép, rót qua máng nghiêng 62 Hình 74 Tở chức tế vi hợp kim A413.0 mặt đồng thép, rót thường 62 Hình 75 Tở chức tế vi mă ̣t đồ ng và thép , rót qua máng nghiêng 63 Hình 76 Tở chức tế vi mă ̣t đờ ng và thép , máng làm nguội 64 Hình 77 Đường cong ứng suất-biến dạng hợp kim A413.0 sục khí Ar, bậc 65 Hình 78 Đường cong ứng suất-biến dạng hợp kim A413.0, rót qua máng nghiêng 66 Hình 79 Đường cong ứng suất-biến dạng phương phác đúc hợp kim A413.0.67 Hình 80 Tổ chức hợp kim A413.0 rót qua máng nghiêng (a) sục khí (b) rót thường (c) – bậc 68 Hình 81 Đường cong ứng suất-biến dạng hợp kim A390.0 rót qua máng nghiêng 70 Hình 82 Đường cong ứng suất-biến dạng hợp kim A390.0,sục khí Ar 71 Hình 83 Biểu đồ ứng suất-biến dạng hợp kim A390.0, bậc 3, phương pháp đúc khác 71 Học viên: Lê Minh Đức Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải 4.3 Khảo sát tính hợp kim Al-Si có cấu trúc dị biệt 4.3.1 Hợp kim A413.0  So sánh hợp kim nghiên cứu với tiêu chuẩn ASM (American Society of Metals) Giới hạn bền kéo bậc hợp kim A413.0 sục khí Ar 286 MPa (hình 77), so sánh với giá trị theo tiêu chuẩn ASM [29] hợp kim A413.0 đúc khn kim loại 295 MPa giá trị thấp 3,1 % Nguyên nhân hạt α-Al hình thành nhiều bậc dạng trục, phân tán với tỷ phần khoảng 70%, điều làm giảm giới hạn bền kéo hợp kim A413.0 Tuy nhiên độ giãn dài tương đối hợp kim nghiên cứu 4,47 %, cao gần gấp đôi so với giá trị theo tiêu chuẩn ASM (4,43 % so với 2,5 %- bảng 3) Ứng suất ζ, MPa Hợp kim A413.0 sục khí Ar, Bậc 300 200 100 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 Biến dạng ε, % Hình 77 Đường cong ứng suất-biến dạng hợp kim A413.0 sục khí Ar, bậc Bảng So sánh giới hạn bền kéo độ giãn dài tương đối hợp kim A413.0 (bậc ) nghiên cứu tiêu chuẩn ASM Hợp kim Giới hạn bền kéo Độ giãn dài tương đối (%) (MPa) Hợp kim A413.0 nghiên cứu 286 4,47 Hợp kim A413.0 tiêu chuẩn 295 2,5 Chênh lệch Giảm 3,1% Tăng 78,8% Có thể thấy độ bền giảm khơng đáng kể độ giãn dài tương đối tăng gần gấp đôi, chứng tỏ tính tổng hợp hợp kim cải thiện rõ rệt Học viên: Lê Minh Đức 65 Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải  So sánh bậc Ta thấy rằng, giới hạn bền kéo bậc 254 MPa, cao so với giới hạn bền kéo bậc - 236 MPa (hình 78), điều hoàn toàn phù hợp với tổ chức tế vi trình bày (hình 54) α-Al hình thành hai bậc kích thước bậc nhỏ mịn so với bậc So sánh bậc hợp kim A413.0 rót qua máng nghiêng Ứng suất ζ, MPa 300 250 200 150 Bậc 3, MN Bậc 4, MN 100 50 0.0 1.0 2.0 3.0 Độ dãn dài tƣơng đối ε, % 4.0 Hình 78 Đường cong ứng suất-biến dạng hợp kim A413.0,rót qua máng nghiêng Mặt khác, độ giãn dài tương đối tăng: bậc ε(bậc 4) = 2,7 %, giá trị bậc ε(bậc 3) = 3,04 % Nếu so sánh với tiêu chuẩn ASM độ giãn dài tương đối hợp kim nghiên cứu (có cấu trúc dị biệt xuất tinh thể -Al) cải thiện đáng kể (3,04% so với 2,5%) Một điều đáng ý giá trị giới hạn bền kéo độ giãn dài bậc cao bậc 4, tức tính tổng hợp có xu hướng tăng (thơng thường độ bền tăng độ dẻo giảm) Bậc 2, tổ chức tế vi nhỏ mịn nhiều nên tin rằng, tính tổng hợp hợp kim có xu hướng tăng Các kết tương tự nhận hợp kim tinh (A413.0) rót thường sục khí Ar Học viên: Lê Minh Đức 66 Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải  So sánh phƣơng pháp đúc Hình 79 biểu diễn mối quan hệ ứng suất biến dạng hợp kim Al-Si tinh với phương pháp rót khác bậc 3, ta thấy giới hạn bền kéo tăng lên rõ rệt từ phương pháp rót thƣờng ζb = 212 MPa, sau tới rót qua máng nghiêng làm nguội ζb = 254 MPa phương pháp sục khí Ar trước rót ζb = 253 MPa So sánh phƣơng pháp đúc hợp kim A413.0 Ứng suất ζ, MPa 300 250 200 150 Bậc 3, T Bậc 3, MN Bậc 3, Ar 100 50 0.0 1.0 2.0 Biến dạng ε, % 3.0 4.0 Hình 79 Đường cong ứng suất-biến dạng phương phác đúc hợp kim A413.0 Có thể thấy độ bền phương pháp rót qua máng nghiêng sục khí tương đương, tỷ phần tinh hoàn toàn khác nhau: phương pháp máng nghiêng 36% so với 19% sục khí Ar, hay độ bền trường hợp rót máng nghiêng nhẽ phải cao Nguyên nhân điều tìm thấy khác biệt tổ chức: trường hợp rót qua máng nghiêng pha -Al có kích thước mịn hình dáng trịn hơn, ngồi pha Si tinh mịn (hình 80) Độ giãn dài tương đối tăng lên theo thứ tự phương pháp rót trên: εthƣờng = 2,52 %, εmáng nghiêng = 3,04 %, εsục khí = 3,26 % (bảng 4) Nếu so sánh tỷ phần tinh trường hợp rót thường sục khí ta thấy chúng (19%) độ giãn dài tương đối lại chênh tới 23% (3,26 so với 2,52) Điều lần giải thích khác biệt tổ chức: trường hợp rót thường tinh thể -Al có dạng nhánh rõ rệt (hình 80c) chúng thường “khóa” lẫn khiến độ dẻo giảm Đúc lưu biến (rót qua máng nghiêng sục khí) cho tổ chức phi nhánh điều Học viên: Lê Minh Đức 67 Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải cho phép cải thiện độ bền lẫn độ dẻo Còn so sánh chúng thấy có mặt khoảng 80% pha α-Al phương pháp sục khí Ar so với khoảng 60% phương pháp rót qua máng nghiêng nhân tố làm cho độ giãn dài phương pháp sục khí Ar cao đáng kể (3,26 % so với 3,04 %) Một điều đáng ý giá trị giới hạn bền kéo độ giãn dài bậc tăng dần, tức tính tổng hợp có xu hướng tăng (thơng thường độ bền tăng độ dẻo giảm) a) b) c) Hình 80 Tổ chức hợp kim A413.0 rót qua máng nghiêng (a) sục khí (b) rót thường (c) – bậc Tốc độ mài mòn (khảo sát bậc 3) tăng theo chiều hướng: 1,26.10-5 mm/phút phương pháp rót thường, 2,45.10-5 mm/phút rót qua máng nghiêng 3,3.10-5 mm/phút theo phương pháp sục khí Ar (bảng 5) So sánh giá trị độ cứng ta thấy, độ dãn tương đối tăng độ cứng giảm, nhiên chênh lệch khơng nhiều Điều hồn tồn phù hợp với tổ chức tế vi đạt được, tỷ phần α-Al tăng làm Học viên: Lê Minh Đức 68 Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải giảm độ cứng khả chịu mài mòn hợp kim (bảng 5) Trong trường hợp A413.0 (hợp kim tinh), tỷ phần SiI không đáng kể, chúng có khả tác động đến độ chịu mài mịn Một điều khẳng định là, có mặt α-Al không cân hợp kim tinh cải thiện đáng kể tính tổng hợp chúng (bảng bảng 5) Bảng Các tiêu tính hợp kim A413.0 phương pháp đúc khác Stt Tên mẫu Giới hạn bền kéo (MPa) Bậc Bậc Độ giãn dài tương đối, (%) Bậc Bậc A413.0 rót thường 212 165 2,52 1,61 A413.0 rót qua máng nghiêng A413.0 sục khí Ar 254 236 3,04 2,7 253 - 3,26 - Tiêu chuẩn ASM ζb, MPa ε, % 295 2,5 Bảng Tốc độ mài mòn độ cứng hợp kim A413.0 phương pháp đúc Tốc độ mài mòn, (.10-5mm/phút) Bậc Bậc 0,267 1,26 Stt Tên mẫu Độ cứng HV3 (kG/mm2) Bậc Bậc 121 125 A413.0 rót thường A413.0 rót qua máng nghiêng 2,45 1,29 115 117 A413.0 sục khí Ar 3,3 - 112 113 4.3.2 Hợp kim A390.0  So sánh hợp kim nghiên cứu với tiêu chuẩn ASM Giới hạn bền kéo sau đúc bậc hợp kim A390.0 rót qua máng nghiêng làm nguội 228 MPa (as-cast) (hình 81), giá trị theo tiêu chuẩn ASM [29] hợp kim A390.0 đúc khuôn kim loại 200 MPa (F, T5) 260 MPa (F, T7) Kết cho thấy độ bền hợp kim nghiên cứu tương đương so với tiêu chuẩn ASM, Học viên: Lê Minh Đức 69 Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải nhiên độ giãn dài tương đối lại cao gấp đôi so với tiêu chuẩn ASM - 2,13 % so với % - bảng Điều giải thích có mặt α-Al tổ chức Hợp kim A390.0 rót qua máng nghiêng, bậc Ứng suất ζ, MPa 250 200 150 100 50 0.0 0.5 1.0 1.5 Độ dãn dài tƣơng đối ε, % 2.0 2.5 Hình 81 Đường cong ứng suất-biến dạng hợp kim A390.0 rót qua máng nghiêng Bảng So sánh giới hạn bền kéo độ giãn dài tương đối hợp kim A390.0 (bậc 3) nghiên cứu tiêu chuẩn ASM Hợp kim Giới hạn bền kéo Độ giãn dài tương đối (%) (MPa) Hợp kim A390.0 nghiên cứu 228 2,13 Hợp kim A390.0 tiêu chuẩn 200- 260 1,0 Tƣơng đƣơng Tăng 113% Chênh lệch  So sánh bậc Ta thấy rằng, bậc giới hạn bền kéo đạt giá trị 233 MPa, độ giãn dài tương đối 2,16% (hình 82) Các giá trị bậc 215 MPa 1.64%, cho thấy độ bền chênh không đáng kể độ dẻo bậc cao nhiều so với bậc (24 %) Điều nói lên có mặt α-Al (75 % 60 %, bậc bậc 3, tương ứng) nguyên nhân dẫn đến độ dẻo cải thiện Nếu so sánh với kết nghiên cứu nhóm Tsunekawa [27] (ζb = 193 MPa δ = 0,2%) điều kiện đặt dịng siêu âm vào q trình đơng đặc thấy giới hạn bền kéo độ giãn dài Học viên: Lê Minh Đức 70 Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải tương đối nghiên cứu cao nhiều; điều phản ánh số hạn chế phương pháp áp sóng siêu âm phân tích chương So sánh bậc hợp kim A390.0 sục khí Ar Ứng suất ζ, MPa 250 200 150 100 Bậc 2, Ar Bậc 3, Ar 50 0.0 0.5 1.0 1.5 Biến dạng, % 2.0 2.5 Hình 82 Đường cong ứng suất-biến dạng hợp kim A390.0,sục khí Ar  So sánh phƣơng pháp đúc Ứng suất ζ, MPa 250 So sánh phƣơng pháp đúc hợp kim A390.0 bậc 200 150 100 Bậc 3, MN Bậc 3, Ar 50 0.0 0.5 1.0 1.5 Biến dạng ε, % 2.0 2.5 Hình 83 Biểu đồ ứng suất-biến dạng hợp kim A390.0, bậc 3, phương pháp đúc khác Hình 83 biểu diễn mối quan hệ ứng suất biến dạng hợp kim Al-Si sau tinh với phương pháp rót khác bậc 3, phương pháp sục khí Ar trƣớc rót ζb = 215 MPa, phương pháp rót qua máng nghiêng ζb = 228 MPa Kết thử kéo hoàn toàn phù hợp với tổ chức tế vi trình bày, kích thước pha SiI α-Al theo phương pháp rót qua máng nghiêng làm nguội nhỏ Độ giãn dài Học viên: Lê Minh Đức 71 Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải tương đối εsục khí = 1,64% εmáng nghiêng = 2,13% Giới hạn bền kéo độ giãn dài tương đối rót qua máng nghiêng cao trường hợp sục khí Ar Điều kích thước SiI α-Al có mặt tổ chức (hình 65 hình 68) Kết thử tốc độ mài mịn hợp kim A390.0 bậc 3: phương pháp rót qua máng nghiêng 1,15.10-5 mm/phút, giá trị theo phương pháp sục khí Ar 1.11.10-5 mm/phút (bảng 8) Tốc độ mài mịn phương pháp rót qua máng nghiêng tăng không đáng kể (3,48 %), độ cứng giảm khoảng 1,38 % (bảng 8), độ bền tăng 7,72% so với phương pháp sục khí Ar Có thể thấy, tính tổng hợp có chiều hướng tăng lên đáng kể So sánh với tác giả nước tiêu chuẩn ASM độ cứng đạt tương đương Bảng Các tiêu tính hợp kim A390.0 phương pháp đúc khác Stt Độ giãn dài tương đối, (%) Giới hạn bền kéo (MPa) Tên mẫu Tiêu chuẩn ASM ζb, MPa ε, % 200 1,0 Bậc Bậc Bậc Bậc A390.0 rót qua máng nghiêng A390.0 sục khí Ar 228 204 2,13 1,67 215 - 1,64 - Bảng Tốc độ mài mòn độ cứng hợp kim A390.0 phương pháp đúc bậc Tốc độ mài Độ cứng Quy So sánh So sánh Stt mòn, HV3 đổi với tác với tiêu Tên mẫu -5 2 A390.0 rót qua máng nghiêng A390.0 sục khí Ar (10 mm/phút) (kG/mm ) HB giả [25] 1,15 143 141 1,11 145 143 134 (rung siêu âm) chuẩn ASM (HB) 110 (F,T5) 145 (F,T6) Nhìn chung, việc áp dụng phương pháp xử lý bán lỏng (rót qua máng nghiêng làm nguội, sục khí Ar) với xuất α-Al không cân tổ chức cải thiện đáng kể tính tổng hợp hợp kim A390.0 A413.0 Học viên: Lê Minh Đức 72 Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A KẾT LUẬN Luận văn đạt số kết đáng ý sau đây: Tạo tổ chức dị biệt với xuất pha α-Al hợp kim Al-Si tinh sau tinh phương pháp đơn giản, dễ thực hiện: + Bổ sung hợp kim trung gian Al-Cu-P tạo mầm kết tinh dị thể AlP cho pha SiI, nhằm nhanh chóng làm cho nồng độ kim loại lỏng trở nên nghèo Si hơn, tạo điều kiện cho tinh thể α-Al xuất + Bổ sung Al-5Ti tạo mầm kết tinh dị thể cho pha α-Al + Nguội nhanh nhằm tạo điều kiện lớn lên cạnh tranh nhánh tinh Phân tích nhiệt áp dụng để xác định tốc độ nguội: tốc độ nguội lớn đạt tới 1100 K.s-1 mặt khuôn đồng Tốc độ nguội nhỏ để hình thành pha α-Al khơng cân tổ chức 60 K.s-1 áp dụng phương pháp xử lý bán lỏng Tổ chức tế vi hợp kim cải thiện: pha α-Al có hình dạng phi nhánh cây, kích thước nhỏ mịn (< 20 μm); pha SiI có dạng gọn, kích thước trung bình 20 μm; Si tinh có dạng hạt nhỏ mịn (~ – μm) Quy trình cơng nghệ đề xuất cho hợp kim Al-Si sau tinh: Biến tính ~ 0,2% (Al5Ti-B) + 0,1% Al-Cu-P; kim loại lỏng rót qua máng nghiêng (góc nghiêng 450, chiều dài làm nguội 300 mm) vào khuôn đồng Nhiệt độ rót: 6500C Sự hình thành tổ chức dị biệt cải thiện đáng kể tính tổng hợp hợp kim: - Hợp kim A413.0: ζb = 254 MPa, ε = 3,04 % - rót qua máng nghiêng, ζb = 253 MPa, ε = 3,26 % - sục khí Ar phút trước rót Tốc độ mài mòn chậm là: 1,26.10-5 mm/phút độ cứng HV3 = 125 kG/mm2 - Hợp kim A390.0: ζb = 228 MPa, ε = 2,13% - rót qua máng nghiêng, ζb = 215 MPa, ε = 1,64% - sục khí Ar phút trước rót Tốc độ mài mòn chậm là: 1,11.10-5 mm/phút độ cứng HV3 = 145 kG/mm2 Học viên: Lê Minh Đức 73 Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải Có thể kết luận rằng, việc kết hợp tốc độ nguội nhanh phương pháp xử lý bán lỏng (rót qua máng nghiêng, sục khí Ar) cải thiện đáng kể tính tổng hợp hợp kim Al-Si tinh sau tinh B KIẾN NGHỊ - Nghiên cứu tốc độ nguội tới hạn hình thành α-Al khơng cân hợp kim AlSi tinh sau tinh - Nghiên cứu chế tạo chi tiết có tổ chức dị biệt làm việc điều kiện công nghiệp Học viên: Lê Minh Đức 74 Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải TÀI LIỆU THAM KHẢO K Dahle, K Nogita, S D McDonald, C Dinnis, and L Lu (2005), “Eutectic modification and microstructure development in Al–Si Alloys,” Materials Science and Engineering A, vol 413–414, pp 243-248 K Nogita, S D Mcdonald, and A Dahle (2004), Eutectic Modification of Al-Si Alloys with Rare Earth Metals, Materials Transactions, vol 45, no 2, pp 323-326 Lennart Backerud, Guocai Chai, and Jarmo Tamminen (1990), Solidification characteristics of aluminum alloys, Skan aluminium, USA, pp 27-31 Mondolfo L.I (1978) Aluminum alloys: Structure and properties, Butterworths, London, 1978 Lu Shu-Zu and A Hallawell (1987), "The Mechanism of Silicon Modification in Aluminum-Silicon Alloys: Impurity Induced Twinning", Materials Transactions A, 18A, pp 1721-1733 K Nogita, J Drennan, and A Dahle (2003), Evaluation of Silicon Twinning in Hypoeutectic Al -Si Alloys, Materials Transactions, vol 44, no 4, pp 625-628 S Hegde and K N Prabhu (2008), “Modification of eutectic silicon in Al–Si alloys", Journal of Materials Science, vol 43, no 9, pp 3009-3027 P Shingu and J.-I Takamura (1970), "Grain-Size Refining of Primary Crystals in Hypereutectic Al-Si and Al-Ge Alloys", Metallurgical Transactions,vol 1, pp 2339-2340 S Shankar, Y W Riddle, and M Makhlouf (2004), “Eutectic Solidification of Aluminum-Silicon Alloys", Metallurgical and Materials Transactions A, vol 35, pp 3038-3043 10 H S Dai and X F Liu (2009), “Optimal holding temperatures and phosphorus additions for primary silicon refinement in Al–high Si alloys,” Materials Science and Technology, vol 25, no 10, pp 1183-1188 Học viên: Lê Minh Đức 75 Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải 11 X Liu, Y Wu, and X Bian (2005), “The nucleation sites of primary Si in Al–Si alloys after addition of boron and phosphorus,” Journal of Alloys and Compounds, vol 391, no 1–2, pp 90-94 12 J Cisse, G Bolling, and H Kerr (1975), “Simultaneous Refinement of Primary and Eutectic Silicon in Hypereutectic Al-Si Alloys,” Metallurgical Transactions B,vol 6, pp 195-197 13 J Y Chang, G H Kim, I G Moon, and C S Choi (1998), “Rare Earth Concentration in the Primary Si Crystal in Rare Earth Added Al-21wt.%Si Alloy,” Acta Metallurgica, vol 39, no 3, pp 307-314 14 C Chong, L I U Zhong-xia, and R E N Bo (2007), “Influences of complex modification of P and RE on microstructure and mechanical properties of hypereutectic Al-20Si alloy,” Transactions of Nonferrous Metals Society of China,vol 17, pp 301-306 15 M P Cicco, L-S Turng, X Li, and J H Perepezko (2011), Nucleation Catalysis in Aluminum Alloy A356 Using Nanoscale Inoculants,” Metallurgical and Materials Transactions A, vol 42, no 8, pp 2323-2330 16 H Choi, H Konishi, and X Li (2012), “Al2O3 nanoparticles induced simultaneous refinement and modification of primary and eutectic Si particles in hypereutectic Al–20Si alloy,” Materials Science and Engineering: A, vol 541, pp.159-165 17 F Taghavi, H Saghafian, and Y H K Kharrazi (2009), “Study on the effect of prolonged mechanical vibration on the grain refinement and density of A356 aluminum alloy,” Materials & Design, vol 30, no 5, pp 1604-1611 18 X Jian, T T Meek, and Q Han (2006), “Refinement of eutectic silicon phase of aluminum A356 alloy using high-intensity ultrasonic vibration,” Scripta Materialia, vol 54, no 5, pp 893-896 19 H K Moffatt (1991), “Electromagnetic Stirring,” Physics of Fluids A, vol 3,pp 1336-1343 Học viên: Lê Minh Đức 76 Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải 20 A Radjai, K Miwa, and T Nishio (1998), “An Investigation of the Effects Caused by Electromagnetic Vibrations in a Hypereutectic Al-Si Alloy Melt,” Metallurgical and Materials Transactions A, vol 29, pp 1477-1484 21 J Yu, Z Ren, and K Deng (2011), “Refinement and migrating behaviors in Al-Si hypereutectic alloys solidified under electromagnetic vibration,” Acta Metallurgica Sinica, vol 24, no 4, pp 301-308 22 N Abu-Dheir, M Khraisheh, K Saito, and A Male (2005), Silicon morphology modification in the eutectic Al–Si alloy using mechanical mold vibration, Materials Science and Engineering: A, vol 393, no 1–2, pp 109-117 23 N S Barekar, B K Dhindaw, and Z Fan (2010), Improvement in silicon morphology and mechanical properties of Al–17Si alloy by melt conditioning shear technology, International Journal of Cast Metals Research, vol 23, no 4, pp 225230 24 J Wannasin, (2012), "Semi-solid Die Casting using the Gas Induced (GISS) Semisolid Technique", Department of Mining & Materials Engineering; Prince of Songkla University Hat Yai, Songkhla, Thailand 25 Junwen Zhao, Shusen Wu , Ping An , and Youwu Mao (2008), "Preparation of Semi-Solid Slurry of Hypereutectic Al-Si Alloy by Ultrasonic Vibration", Materials Science Forum, Switzerland, Vols 141-143, pp 767-771 26 Y.Tsunekawa, K.Taga, Y.Fukui, and M.Okumiya (2010), " Appearance of NonEquilibrium α-Aluminum grains in Hypereutectic Al-Si Alloy through SonoSolidification", Materials Science Forum, Switzerland, Vols 638-642, pp 362-367 27 Yoshiki Tsunekawa, Shinpei Suetsugu, Masahiro Okumiya, Yuichi Furukawa, Naoki Nishukawa, and Yoshikazu Genma (2014), "Semisolid casting of hypereutectic Al-Si-Cu Alloy with Sono-solidified Slurry", Key Engineering Materials, Switzerland, Vols 622-623, pp 804-810 Học viên: Lê Minh Đức 77 Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải 28 Nguyễn Hồng Hải (2006), Cơ sở lý thuyết trình đơng đặc số ứng dụng, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, pp 144-146 29 American society for metals (1990), Properties and selection: nonferrous alloys and pure metals, Ohio, USA, pp 170-172 Học viên: Lê Minh Đức 78 Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ Lê Minh Đức, Nguyễn Hồng Hải (10/2017), “Sự hình thành tổ chức dị biệt hợp kim nhôm sau tinh”, Tạp chí khoa học cơng nghệ kim loại, số 74, trang 29-35 Lê Minh Đức, Nguyễn Hồng Hải, Mai Thế Mạnh (10/2017), “Sự hình thành tổ chức dị biệt hợp kim tinh Al-Si”, Hội nghị KHCN tồn quốc Cơ khí - Động lực năm 2017, 2, trang 149-154 Học viên: Lê Minh Đức 79 Khoa học Kỹ thuật vật liệu 2016A ... tài "Nghiên cứu chế tạo vật liệu có cấu trúc dị biệt sở hợp kim Al- Si" Mục tiêu luận văn nghiên cứu ảnh hưởng thông số: tốc độ nguội chất biến tính đến hình thành tổ chức dị biệt hợp kim Al- Si. .. giả luận văn: Lê Minh Đức Đề tài luận văn: "Nghiên cứu chế tạo vật liệu có cấu trúc dị biệt sở hợp kim Al- Si" Chuyên ngành: Khoa học kỹ thuật vật liệu Mã số học viên: CA160007 Tác giả, Người... 61 4.2.1 Hợp kim trước tinh (A380.0) 61 4.2.2 Hợp kim Al- Si tinh (A413.0) 62 4.2.3 Hợp kim sau tinh (A390.0) 63 4.3 Khảo sát tính hợp kim Al- Si có cấu trúc dị biệt