Ảnh hưởng của niken tới khả năng nhớ hình của hệ Cu-Al-Fe

Nghiên cứu được tiến hành trên hai mẫu CuAl9Fe4 và CuAl9Fe4Ni2 nhằm sử dụng đánh giá ảnh hưởng của Niken tới tổ chức tế vi và khả năng nhớ hình của hợp kim, sử dụng phân tích tổ chức bằng kính hiển vi quang học, XRD, EDS, SEM. Kết quả thu được cho thấy, Niken có tác dụng làm nhỏ kích thước hạt của α và các pha liên kim hình thành trong thí nghiệm nhớ hình. Ngoài ra, Niken góp phần nâng cao khả năng nhớ hình của hợp kim.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY ẢNH HƯỞNG CỦA NIKEN TỚI KHẢ NĂNG NHỚ HÌNH CỦA HỆ Cu-Al-Fe INFLUENCE OF NICKEL ON SHAPE MEMORY EFFECT OF Cu-Al-Fe ALLOYS VŨ ANH TUẤN*, NGUYỄN HẢI YẾN Khoa Cơ sở Cơ bản, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: anhtuan.cscb@vimaru.edu.vn Tóm tắt Nghiên cứu tiến hành hai mẫu CuAl9Fe4 CuAl9Fe4Ni2 nhằm sử dụng đánh giá ảnh hưởng Niken tới tổ chức tế vi khả nhớ hình hợp kim, sử dụng phân tích tổ chức kính hiển vi quang học, XRD, EDS, SEM Kết thu cho thấy, Niken có tác dụng làm nhỏ kích thước hạt α pha liên kim hình thành thí nghiệm nhớ hình Ngồi ra, Niken góp phần nâng cao khả nhớ hình hợp kim Từ khóa: Hợp kim nhớ hình, Cu-Al-Fe-Ni, chuyển biến Mactenxit, chuyển biến pha, pha β’ Abstract In this research, the influence of nickel on microstructure and shape memory effect of two samples of CuAl9Fe4 and CuAl9Fe4Ni2 were investigated by using the optical microscope, EDS, XRD, SEM The results indicated that Nickel affected reducing particle size α and the intermetallic phases that formed during the shape memory test Furthermore, Nickel contributed to improving the alloy's shape memory effect Keywords: Shape memory alloy, Cu-Al-Fe, martensitic transformation, phase transformation, β’ phase Mở đầu Trong hệ hợp kim nhớ hình, hệ Cu-Al ngày sử dụng rộng rãi giá thành rẻ, nhiệt độ chuyển biến rộng, dễ sản xuất, tính ổn định nhiệt cao độ trễ với hiệu ứng nhớ hình nhỏ [1] Từ năm 1979, nhà luyện kim người Anh [2] tiến hành khảo sát hợp kim Cu-A1-Fe với 9-13% A1 15-40% Fe để đánh giá mức độ thay sắt cho đồng Mục đích nghiên cứu ơng tập trung vào hình thành pha ảnh hưởng chúng tới tính vật liệu Trong nghiên cứu tiếp đó, hầu hết nhà khoa học tập trung vào việc nâng cao khả chịu mài mòn, ăn mòn tính hợp kim Cu-Al cách hợp kim hóa với 62 Fe, Ni, Cr, Mn, Mo [3-6] thay đổi chế độ xử lý nhiệt khác [7, 8] Năm 2011, khả nhớ hình hợp kim Cu-Al hai nhà kim loại học người Ấn Độ T.N.Raju V.Sampath thực họ đưa mối quan hệ nhiệt độ chuyển biến nhớ hình hợp kim Cu-Al-Fe thay đổi thành phần Nghiên cứu ban đầu cho thấy độ dẻo tính chất học khác hợp kim nhớ hình Cu-Al cải thiện đáng kể cách thêm nguyên tố thứ ba Ni, Mn Fe Theo [10], hợp kim nhớ hình Cu-Al-Ni có ổn định nhiệt tốt nhiệt độ hoạt động cao, nhiên ứng dụng thực tế hợp kim bị hạn chế khả gia cơng Cịn hợp kim nhớ hình Cu-Al-Mn có độ dẻo dai cao khả gia công tốt, nhiệt độ hoạt động chúng thấp [11] Theo giản đồ pha Cu-Al sau bổ sung thêm Fe, tiến hành nung hợp kim đến nhiệt độ 850oC xuất ba pha pha α, pha β pha liên kim Fe Bên cạnh đó, pha Kappa xuất hợp kim bổ sung thêm Ni Tổ chức β’ có kiểu mạng sáu phương xếp chặt hay pha mactenxit thu sau làm nguội nhanh hợp kim nước Ngoài ra, sau biến dạng, pha β với cấu trúc mạng dạng DO3 chuyển biến thành biến thể cấu trúc mactenxit (18R 2H) [12] Dựa nghiên cứu trước cho thấy, phương pháp để nâng cao tính khả nhớ hình hợp kim kết hợp hợp kim hóa với xử lý nhiệt Để nối tiếp kết thu được, báo tập trung nghiên cứu ảnh hưởng Ni tới chuyển biến pha, tổ chức tế vi khả nhớ hình hợp kim hệ Cu-Al-Fe Phương pháp thực nghiệm Đúc → Tôi → Cán → Tơi → Nhớ hình Hình Trình tự thí nghiệm Thí nghiệm tiến hành hai mẫu thử CuAl9Fe4 CuAl9Fe4Ni2 Thành phần hóa học hai mẫu đưa Bảng Để nghiên cứu ảnh hưởng Ni tới tổ chức khả nhớ SỐ 67 (8-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY hình hợp kim, trình tự thí nghiệm thực Hình Ban đầu, kim loại nấu lò cảm ứng rót vào khn có kích thước 150x150x3mm Các mẫu đúc nung nhiệt độ 900oC 6h (trong điều kiện có khí Ar bảo vệ) để làm đồng hóa tổ chức sau đúc xuất pha β, sau làm nguội để xảy chuyển biến từ β thành mactenxit (β’) Tiếp đến, mẫu cán xuống chiều dày 1mm Mục đích giai đoạn tích tụ lượng cho chuyển biến từ β→β’ (Mactenxit) giai đoạn Các mẫu cán nhiệt độ 900oC 15ph, nguội nhanh nước tới 100oC nhằm tiếp tục thúc đẩy chuyển biến từ β→β’ (Mactenxit) Để nghiên cứu ảnh hưởng Ni tới hình thành pha hợp kim, tiến hành chụp ảnh tổ chức tế vi quang học (thiết bị hiển vi quang học Axiovert 100A, FESEM (máy hiển vi điện tử quét FESEM S4800), XRD (thiết bị phân tích nhiễu xạ Rơnghen D500) mẫu giai đoạn Để nghiên cứu hiệu ứng nhớ hình hợp kim, mẫu sau lần (tôi sau cán) uốn quanh trục gá hình chữ U, sau nung nóng tới nhiệt độ 5000C đo thay đổi góc uốn trước sau nung α (α+γ2) Fe(δ) a) α β’ Fe(δ) b) Hình Ảnh tổ chức tế vi mẫu CuAl9Fe4 (a) sau đúc, (b) Tôi sau đúc Bảng Thành phần hóa học mẫu thử Mẫu thử CuAlFe4 CuAlFe4Ni2 Al (%) 9,25 9,41 Fe (%) 3,92 4,97 α Mn (%) 0,15 0,15 (α+γ2) Ni (%) 0,15 2,40 Pub (%) 0,22 0,07 Si (%) 0,21 0,07 Cu (%) Còn lại Còn lại Fe(δ) a) Kết bàn luận 3.1 Ảnh hưởng Niken tới tổ chức tế vi a Sau đúc xử lý nhiệt Phân tích tổ chức tế vi hợp kim sau đúc (Hình 2a, 3a) cho thấy, tổ chức tế vi hai mẫu gồm pha α (vùng sáng), pha (α+γ2) (vùng tối) hạt màu đen nằm phân tán biên giới hạt α, (α+γ2) Tuy nhiên, hợp kim hóa thêm Ni, kích thước hạt pha α giảm so với trường hợp khơng hợp kim hóa Ni, hạt màu đen mịn phân tán Theo giản đồ pha, hạt pha giàu sắt Fe(δ) - pha liên kim sở hợp chất điện tử Fe3Al pha κI tiết từ pha lỏng SỐ 67 (8-2021) α β’ Fe(δ) b) Hình Ảnh tổ chức tế vi mẫu CuAl9Fe4Ni2 (a) sau đúc, (b) Tơi sau đúc 63 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY α β’ Fe(δ) α β’ Fe(δ) Điểm Điểm Nguyên % Trọng tố lượng Cu Al Fe TT Nguyên % Trọng tố lượng Ni 3.92 3.56 Cu 6.48 5.44 Al 5.38 10.63 Fe 84.22 80.37 % Nguyên tử TT 86.62 77.00 8.75 18.32 4.63 4.68 Hình Phân tích EDS mẫu CuAl9Fe4 sau tơi Mục đích q trình tơi sau đúc nhiệt độ % Ngun tử Hình Phân tích EDS mẫu CuAl9Fe4Ni2 sau 900°C giúp đồng thành phần hóa học tạo pha β tổ chức Sau nguội nhanh nước xảy chuyển biến ββ’ (mactenxit) Phân tích tổ chức tế vi sau cho thấy tỉ phần pha α giảm mạnh từ 80% 81% tương ứng với hợp kim CuAl9Fe4 CuAl9Fe4Ni2 sau đúc, xuống 47% 39% chúng bị hòa tan vào dung dịch rắn pha β (Hình 2b 3b) Bên cạnh đó, gia tăng kích thước hạt pha α lớn lên hạt giữ nhiệt thời gian dài Khi chụp ảnh SEM với mức độ phóng đại lớn hơn, hai hợp kim xuất thêm mactenxit hình kim, vạch tối mỏng β mactenxit gọi β’ Hình So sánh đồ thị XRD mẫu sau đúc sau hợp kim CuAl9Fe4 vạch sáng α (Hình 4,5) Để làm rõ pha xuất hợp kim, phân tích XRD thực cho mẫu đúc tơi sau đúc Theo kết XRD (Hình 6, 7) cho thấy, đỉnh nhiễu xạ sau có dịch chuyển sang bên phải đoạn nhỏ so với trạng thái đúc Tuy nhiên, đỉnh nhiễu xạ pha liên kim pha mactenxit thể cách rõ ràng Kết hợp với kết phân tích SEM + EDS (Hình 4, 5) kết luận hạt nhỏ xuất ảnh tổ chức tế vi pha liên kim giàu sắt Fe(δ) pha β’ (Cu3Al cấu trúc pha mactenxit) 64 Hình So sánh đồ thị XRD mẫu sau đúc sau hợp kim CuAl9Fe4Ni2 SỐ 67 (8-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY b Trước sau thí nghiệm nhớ hình Điều thấy, phân hủy pha mactenxit tăng lên đáng kể tác động tích cực tới khả nhớ hình hợp kim a) a) b) Hình Ảnh tổ chức tế vi mẫu CuAl9Fe4 (a) Trước nhớ hình; (b) sau nhớ hình Hình 8, Hình thay đổi tổ chức mẫu trước nhớ hình (sau tơi mẫu cán) sau nhớ hình (khi nung trở lại nhiệt độ 5000C) Từ kết phân tích cho thấy, trước thí nghiệm nhớ hình, mẫu sau cán tơi nhiệt độ 9000C 15 phút để tạo pha mactenxit β’ có dạng hình kim xuất biên giới hạt α Tuy nhiên, sau thí nghiệm nhớ hình, pha khơng cịn xuất Điều giải thích chuyến biến đảo ngược β’(α +γ2) nung hợp kim trở lại Bên cạnh đó, hợp kim cịn có pha giàu sắt Fe(δ) giống với tổ chức đúc ban đầu pha tiết nhỏ mịn, phân tán tổ chức lượng nhỏ mactenxit dư tồn b) Hình Ảnh tổ chức tế vi mẫu CuAl9Fe4Ni2 (a) Trước nhớ hình; (b) sau nhớ hình Hình 10 Phân tích XRD hợp kim CuAl9Fe4 trước sau nhớ hình Bảng Tỉ phần pha α hợp kim CuAl9Fe4 CuAl9Fe4Ni2 trước sau thí nghiệm nhớ hình CuAl9Fe4 Tỉ phần pha Pha α % CuAl9Fe4Ni2 Trước Sau Trước Sau nhớ nhớ nhớ nhớ hình hình hình hình 21 32 10 52 Xét hợp kim có thêm Ni, chuyển biến pha hình thành tương tự hợp kim khơng có Ni Tuy nhiên, tỉ phần pha α hợp kim lớn nhiều so với hợp kim Ni (Bảng 2) SỐ 67 (8-2021) Hình 11 Phân tích XRD trước sau nhớ hình hợp kim CuAl9Fe4Ni2 Để giải thích rõ xuất pha, tiến hành phân tích XRD EDS với hai hợp kim nêu 65 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Dựa theo kết XRD (Hình 10, Hình 11) nhận thấy, đỉnh nhiễu xạ có xu hướng lệch sang trái chuyển biến β’(α +γ2) làm thay đổi cấu trúc mạng Bên cạnh đó, sau nung nóng, đỉnh nhiễu xạ β’ mactenxit khơng cịn hàm lượng q nên khơng phát XRD Điều hoàn toàn phù hợp với phân tích tổ chức tế vi 3.2 Ảnh hưởng Ni tới khả nhớ hình Bản chất hiệu ứng nhớ hình hình thành mactenxit trước tiến hành thí nghiệm nhớ hình, sau tác dụng nhiệt độ β’ chuyển biến thành (α + 𝛾2 ) để trở tổ chức ban đầu Trong trình này, thay đổi cấu trúc mạng kích thước hạt ảnh hưởng tới hiệu ứng nhớ hình hợp kim Kết nhớ hình hai mẫu thu Bảng Bảng Bảng Kết lượng nhớ hình CuAl9Fe4 Góc trước nung (°) 90 150 150 Góc sau nung (°) 96 164 174 Lượng biến dạng (%) 5 10 Lượng nhớ hình (%) 16 Bảng Kết lượng nhớ hình CuAl9Fe4Ni2 Góc trước nung (°) 90 30 30 Góc sau nung (°) 84 16 Lượng biến dạng (%) 5 10 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI Lượng nhớ hình (%) 47 80 số mạng hồi phục Các biến dạng sai lệch vượt qua kích thước thơng số mạng khơng có khả phục hồi lại Cộng với cản trở pha liên kim dẫn đến trình nhớ hình bẻ góc lớn Điều lý giải cho hợp kim khơng thể nhớ hình 100% Kết luận Các kết thu cho thấy với quy trình thí nghiệm đưa nghiên cứu tạo khả nhớ hình cho hệ hợp kim Cu-Al-Fe Ngồi ra, bổ sung thêm Ni có tác dụng làm nhỏ kích thước hạt α pha liên kim, đồng thời làm tăng khả nhớ hình hợp kim Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đề tài mã số: DT20-21.92 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Saud, S N., Hamzah, E., Abubakar, T., Zamri, M., & Tanemura, M Influence of Ti additions on the martensitic phase transformation and mechanical properties of Cu-Al-Ni shape memory alloys Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol.118(1), pp.111-122 2014 [2] N N Myuller and A V Agafonova, Mechanical properties of Cu-Al-Fe alloys, Met Sci Heat Treat., Vol 21, No 3, pp.217-220, Mar 1979 [3] Łabanowski and T Olkowski, Effect of Microstructure on Mechanical Properties of BA1055 Bronze Castings, Arch FOUNDRY Eng., Vol.14, No.2, pp.73-78, 2014 [4] B P Pisarek, Model of Cu-Al-Fe-Ni Bronze Crystallization, Arch FOUNDRY Eng., Vol.13, No.3, pp.72-79, 2013 Đối với hợp kim CuAl9Fe4, lượng nhớ hình đạt tương đối lớn (từ 7-16%) thể thơng qua thay đổi góc trước biến dạng sau nung nóng thí nghiệm nhớ hình [5] Y Lv et al., Effect of Post Heat Treatment on the Microstructure and Microhardness of Friction Stir Processed NiAl Bronze (NAB) Alloy, Metals (Basel)., Vol.5, No 3, pp.1695-1703, Sep 2015 Trong trường hợp bổ sung thêm Ni, lượng nhớ hình hợp kim tăng lên đáng kể Theo kết phân tích trên, bổ sung Ni, tỉ phần pha mactenxit thu lớn hơn, trình chuyển biến từ β′ sang (α + 𝛾2 ) thuận lợi nên góp phần thúc đẩy tăng cường lượng nhớ hình hợp kim [6] W S Li, Z P Wang, Y Lu, Y H Jin, L H Yuan, and F Wang, Mechanical and tribological properties of a novel aluminum bronze material for drawing dies, Wear, Vol.261, No.2, pp.155-163, 2006 Kết đánh giá lượng nhớ hình cho thấy cịn tồn lượng mactenxit định Nếu góc biến dạng lớn vượt qua biến dạng chảy dẻo cục nung nóng có sai lệch nhỏ thơng 66 [7] J Hájek, A Kíẑ, O Chocholaty, and D Pakua, Effect of heat treatment on microstructural changes in aluminium bronze, Arch Metall Mater., Vol.61, No.3, pp.1271-1276, 2016 SỐ 67 (8-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY [8] U M J Dutkiewicz, V.V.Martynov, Structure of martensite formed in Cu-AI-Fe single crystals during in situ HVEM pseudoelastic tensile experiment, Vol.24, pp.1-8, 1989 [9] T N Raju and V Sampath, Effect of Ternary Addition of Iron on Shape Memory Characteristics of Cu-Al Alloys, Vol.20, No.July, pp.767-770, 2011 KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ [10] S Vedantam and R Abeyaratne, A Helmholtz free-energy function for a Cu-Al-Ni shape memory alloy, Vol.40, pp.177-193, 2005 [11] S Stanciu and L G Bujoreanu, Formation of β stress-induced martensite in the presence of -phase, in a Cu-Al-Ni-Mn-Fe shape memory alloy, Vol.482, pp.494-499, 2008 [12] A S M Handbook, Alloy Phase Diagram, Vol.3 1992 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: SỐ 67 (8-2021) 19/3/2021 31/3/2021 11/4/2021 67 ... hình hợp kim a) a) b) Hình Ảnh tổ chức tế vi mẫu CuAl9Fe4 (a) Trước nhớ hình; (b) sau nhớ hình Hình 8, Hình thay đổi tổ chức mẫu trước nhớ hình (sau tơi mẫu cán) sau nhớ hình (khi nung trở lại... trước sau thí nghiệm nhớ hình CuAl9Fe4 Tỉ phần pha Pha α % CuAl9Fe4Ni2 Trước Sau Trước Sau nhớ nhớ nhớ nhớ hình hình hình hình 21 32 10 52 Xét hợp kim có thêm Ni, chuyển biến pha hình thành tương... tồn phù hợp với phân tích tổ chức tế vi 3.2 Ảnh hưởng Ni tới khả nhớ hình Bản chất hiệu ứng nhớ hình hình thành mactenxit trước tiến hành thí nghiệm nhớ hình, sau tác dụng nhiệt độ β’ chuyển biến