Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến khả năng biến dạng và cơ tính của hợp kim nhôm ma giê

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến khả biến dạng tính hợp kim nhơm ma giê NGUYỄN QUANG TỒN nguyenvantoan@sis.hust.edu.vn Ngành Khoa học vật liệu – VLKL(KH) Giảng viên hướng dẫn: TS Đặng Thị Hồng Huế Viện: Khoa học Kỹ thuật Vật liệu HÀ NỘI, 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến khả biến dạng tính hợp kim nhơm ma giê NGUYỄN QUANG TỒN nguyenvantoan@sis.hust.edu.vn Ngành Khoa học vật liệu – VLKL(KH) Giảng viên hướng dẫn: TS Đặng Thị Hồng Huế Viện: Khoa học Kỹ thuật Vật liệu HÀ NỘI, 2020 Chữ ký GVHD ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến khả biến dạng tính hợp kim nhơm ma giê Tác giả luận văn: Nguyễn Quang Tồn Khóa: 2019A Người hướng dẫn: TS ĐẶNG THỊ HỒNG HUẾ Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên Tt Lời cảm ơn Để hoàn thành luận văn này, trước hết tơi xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn tới TS Đặng Thị Hồng Huế, người trực tiếp hướng dẫn tơi q trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu, đặc biệt thầy cô Bộ môn Cơ học vật liệu Cán kim loại, anh/ chị nghiên cứu sinh em sinh viên nhóm nghiên cứu tơi hỗ trợ, giúp đỡ thời gian học tập làm nghiên cứu trường Đại học Bách khoa Hà Nội Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè quan tâm, động viên đồng hành theo thời gian Lời cam đoan Tôi, Nguyễn Quang Tồn xin cam đoan, luận văn cơng trình nghiên cứu hướng dẫn TS Đặng Thị Hồng Huế Các kết nêu báo cáo luận văn trung thực, không chép cơng trình khác Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2020 HỌC VIÊN NGUYỄN QUANG TỒN TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến khả biến dạng tính hợp kim nhơm ma giê Tác giả luận văn: Nguyễn Quang Tồn Khóa: 2019A Người hướng dẫn: TS ĐẶNG THỊ HỒNG HUẾ Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Từ khóa: Hợp kim nhơm ma giê, nhiệt độ ủ, khả biến dạng, tính Nhơm hợp kim nhôm vật liệu sử dụng rộng rãi đời sống trọng lượng nhẹ, khả chống ăn mịn mơi trường nước biển cao có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt Bên cạnh đó, độ bền hợp kim nhôm cao nhiều so với kim loại nhôm nguyên chất Tuy nhiên, so với thép giới hạn bền giới hạn chảy đa số hợp kim nhôm thấp Nhằm tận dụng ưu điểm khả chống ăn mịn nhiều mơi trường đặc biệt môi trường nước biển tận dụng đặc điểm trọng lượng nhẹ loại vật liệu để thay chi tiết thép công nghiệp hàng không, công nghiệp khai thác dầu mỏ, nhiều nghiên cứu cải thiện độ bền hợp kim nhôm công bố giới Tuy nhiên, nghiên cứu hợp kim nhôm ma giê hạn chế, đặc biệt nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đủ đến tính khả biến dạng hợp kim nhơm Vì vậy, luận văn lựa chọn vấn đề để thực với mục tiêu tìm nhiệt độ tối ủ ưu để đạt hợp kim nhơm ma giê có độ bền cao Phương pháp nghiên cứu tác giả sử dụng nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Cụ thể, vấn đề liên quan đến sở lý thuyết nhôm hợp kim nhôm đặc điểm kiểu mạng, giản đồ pha hợp kim hai nguyên, thành phần nguyên tố hóa học có vật liệu, phương pháp tăng bền, xử lý nhiệt với hợp kim nhơm trình bày chi tiết luận văn Thực nghiệm trình ủ hợp kim nhôm AA5083 thực nhiệt độ nhiệt độ khác là: 150 oC, 200 oC, 250 oC, 300 oC, 350 oC, 400oC, thời gian ủ giờ, sau cán nguội lần với tổng mức độ biến dạng 80% Các mẫu sau thí nghiệm ủ đồng hóa đo độ cứng, thử độ bền chụp ảnh tổ chức tế vi Kết nhận cho thấy, mẫu ủ 300 oC cho giới hạn bền kéo độ giãn dài lớn nhất, tiếp đến mẫu ủ 200oC Các nhiệt độ lại, giá trị giới hạn bền giới hạn chảy thay đổi nhiều so với giới hạn bền giới hạn chảy mẫu ban đầu Trong đó, mức độ biến dạng tất mẫu giảm nhiều so với mức độ biến dạng vật liệu ban đầu Điều cho thấy rằng, điều kiện ủ, độ bền vật liệu cải thiện rõ rệt, ngược lại khả biến dạng vật liệu giảm rõ rệt Bên cạnh đó, độ cứng mẫu sau ủ mẫu ban đầu khảo sát Kết cho thấy, độ cứng vật liệu thay đổi theo nhiệt độ ủ, độ cứng vật liệu đạt giá trị nhỏ 82 HV nhiệt độ ủ 300 0C Các mẫu lại giá trị độ cứng thay đổi so với mẫu cao chênh lệch lớn HV Ảnh tổ chức tế vi mẫu sau ủ biến dạng cho thấy, sau ủ, kích thước hạt nhỏ nhiều đồng so với mẫu ban đầu kích thước hạt khơng đồng đều, tổ chức chứa nhiều song tinh Học viên Ký ghi rõ họ tên Nguyễn Quang Toàn MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM 1.1 Nhôm kim loại Tính chống ăn mòn Độ dẫn nhiệt nhôm Độ dẫn điện nhôm Độ phản xạ ánh sáng nhôm Tính chất học nhôm 1.2 Hợp kim nhôm Hệ thống ký hiệu hợp kim nhôm Tính chất hợp kim nhơm Xử lý nhiệt hợp kim nhôm 1.3 Hợp kim nhôm hệ Al-Mg 14 1.4 Tổng quan hợp kim nhôm AA5083 17 Đặc tính nhơm AA5083 17 Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim 18 Ủ hợp kim nhôm AA5083 20 1.5 Phương pháp hóa bền với hợp kim nhơm 22 1.6 Tổ chức tính chất hợp kim nhơm sau biến dạng 25 1.7 Ứng dụng hợp kim nhôm ma giê 27 1.8 Tổng quan đề tài nghiên cứu 29 1.9 Kết luận 32 CHƯƠNG QUY TRÌNH VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 33 2.1 Sơ đồ quy trình thí nghiệm 33 2.2 Mẫu nghiên cứu 34 2.3 Thiết bị thí nghiệm 36 i Máy cán 36 Lò nung 37 Máy đánh bóng 37 Máy soi tổ chức 38 Máy đo độ cứng 39 Máy thử kéo .41 2.4 Quy trình phân tích mẫu thí nghiệm 42 Quy trình kiểm tra mẫu kính hiển vi quang học .42 Quy trình đo độ cứng 42 Quy trình thử kéo .43 2.5 Kết luận .48 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN .49 3.1 Phân tích ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến hợp kim nhôm AA5083 49 Kết thử độ bền kéo 49 Kết chụp ảnh tổ chức tế vi 53 Kết đo độ cứng tế vi 60 Ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến tính chất vi mơ hợp kim .62 3.2 Kết luận .63 KẾT LUẬN 64 Tài liệu tham khảo 65 ii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Hệ thống ký hiệu hợp kim nhôm Bảng 1.2 Tính chất vật lý tính hợp kim nhôm AA5083 18 Bảng 1.3 Ứng dụng hợp kim nhôm 28 Bảng 2.1 Ký hiệu mẫu điều kiện thí nghiệm 36 Bảng 2.2 Ký hiệu thông số mẫu thử kéo 43 Bảng 3.1 Kết thử kéo 51 Bảng 3.2 Kết đo độ cứng mẫu sau ủ 61 iii AS R 76 290 291 304 3.2 2.7 3.2 0.72 25 18 150oC 70 288 290 299 1.7 0.9 1.7 0.73 25 18.25 200oC 75 292 293 304 1.9 1.5 1.9 0.65 25 17.75 250oC 70 263 270 307 1.4 1.1 1.4 0.65 25 17.75 300oC 75 293 296 317 3.9 3.5 4.3 0.65 25 16.25 350oC 72 280 289 298 2.2 1.4 2.2 0.69 25 17.25 400oC 71 287 286 299 2.6 2.0 2.6 0.69 25 17.25 Trên bảng 3.1 ta thấy, giới hạn chảy vật liệu thay đổi không lớn, dao động khoảng từ 287 MPa giá trị lớn 293 MPa Trong giới hạn bền thay đổi với biên độ rộng Giá trị giới hạn bền lớn 317 MPa nhiệt độ ủ 3000C, giá trị thấp nhiệt độ ủ 350oC Sự thay đổi thể rõ đồ thị hình 4.3 Độ bền kéo - Nhiệt độ Độ bền kéo (N/mm2 ) 350 300 250 200 150 100 50 0 100 200 300 400 500 Nhiệt độ (ºC) Hình 3.3 Đồ thị độ liên hệ bền kéo nhiệt độ ủ AA5083 Trong đó, độ giãn dài lại thay đổi lớn từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ ủ thấp 150oC Sau đó, nhiệt độ ủ khác độ giãn dài thay đổi 52 không nhiều, biên độ dao động khoảng 5% Điều cho thấy khả biến dạng vật liệu không cải thiện phương pháp ủ Độ giãn dài - Nhiệt độ Độ giãn dài (%) 20 15 10 0 100 200 300 400 500 Nhiệt độ (ºC) Hình 3.4 Đồ thị liên hệ độ giãn dài nhiệt độ ủ AA5083 Kết chụp ảnh tổ chức tế vi Mẫu ủ 3000C cắt theo ba phương khác chụp ảnh tổ chức tế vi mặt cắt khác Kết thu ảnh tổ chức bề mặt mẫu, tổ chức song tinh tồn nhiều trình chuyển động lệch cán tấm, hạt có kích thước khơng đồng Điều dẫn đến vật liệu có tính dị hướng Độ bền vật liệu thay đổi theo hướng khác hình 3.5 53 a) Độ phóng đại 200 b) Độ phóng đại 500 54 c) Độ phóng đại 1000 Hình 3.5 Ảnh bề mặt mẫu AA5083 sau biến dạng Đối với vị trí mặt cắt ngang mẫu, kích thước hạt khơng đồng đều, tồn nhiều biên giới góc nhỏ Song tinh tồn nhiều toàn mặt cắt ngang mẫu Điều khẳng định tiếp tục biến dạng vật liệu khả hóa bền cản trở chuyển động lệch tiếp tục xảy cần có q trình khử mật độ lệch hình 55 a) Độ phóng đại 200 b) Độ phóng đại 500 56 c) Độ phóng đại 1000 Hình 3.6 Ảnh mặt cắt ngang mẫu sau biến dạng Đối với vị trí qua đường tâm mẫu, kích thước hình dạng hạt tương đối đồng điều cho thấy vị trí này, tính vật liệu đạt giá trị tốt hình 3.7 57 a) Độ phóng đại 200 b) Độ phóng đại 500 c) Độ phóng đại 1000 Hình 3.7 Mặt cắt dọc mẫu 58 Ảnh tổ chức tế vi sau ủ, cán ủ đồng hóa mẫu ủ 300oC độ phóng đại 500 tiến hành chụp để giải thích độ bền mẫu đạt giá trị lớn Có thể quan sát hình 3.8 a) Bề mặt mẫu b) Mặt cắt dọc tâm mẫu 59 c) Mặt cắt ngang mẫu Hình 3.8 Ảnh tổ chức tế vi mẫu ủ 300oC sau ủ đồng hóa Kết đo độ cứng tế vi 60 Hình 3.9 Vết đâm tế vi bề mặt mẫu Các mẫu ủ điều kiện nhiệt độ khác tiến hành đo độ cứng tế vi, kết cho thấy độ cứng mẫu có giá trị khác Giá trị độ cứng nhỏ đo mẫu có nhiệt độ ủ 4000C lớn mẫu có nhiệt độ ủ 150oC Các mẫu lại chênh lệch dao động từ 2-3 HV tương ứng với khoảng nhiệt độ chênh 50oC bảng 3.2 Bảng 3.2 Kết đo độ cứng mẫu sau ủ Nhiệt độ Độ cứng (HV) 150oC 200oC 250oC 300oC 350oC 400oC 90 87 85 82 86 82 61 Độ cứng Vickers vật liệu ban đầu hợp kim Al 5083 cán có ủ trước thể bảng 3.2 Giá trị độ cứng vật liệu nhận tăng lên 90 HV sau ủ 150oC cán Giá trị độ cứng tăng so với vật liệu ban đầu nhận Sự gia tăng độ cứng quy cho chủ yếu việc tạo tích lũy rừng lệch mẫu Các mẫu cán ủ trước nhiệt độ khác so sánh với mẫu mà không ủ trước Độ cứng hợp kim AA5083 cán giảm dần theo nhiệt độ ủ trước 300oC Vượt 300C, độ cứng bắt đầu tăng Giá trị độ cứng cực đại đạt 90 HV nhiệt độ ủ trước 150oC Giá trị độ cứng tăng so với mẫu cán mà không cần ủ trước Khi nhiệt độ ủ tăng thêm, độ cứng mẫu giảm xuống 82 HV ủ trước nhiệt độ 300oC Các giá trị độ cứng khác hợp kim gây biến đổi cấu trúc gây trình ủ trước kèm theo thay đổi phân phối hợp kim, biến dạng bên kích thước hạt Lượng loại bỏ biến dạng bên phụ thuộc vào nhiệt độ ủ, sau góp phần tăng cường vật liệu trình biến dạng Hơn nữa, gia tăng độ cứng liên quan chủ yếu đến việc tạo tích lũy mạng lưới lệch mẫu Sự cải thiện lớn độ cứng mẫu ủ trước trình cán quy cho trực tiếp vào trình hồi phục kết tinh hạt Ở nhiệt độ 300oC tùy độ cứng có giảm lại làm tăng độ giãn dài cho vật liệu điều phù hợp cho q trình gia cơng Ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến tính chất vi mơ hợp kim Quá trình ủ dẫn đến trình làm giảm pha Mg2Al3 từ mạng tinh thể đặc biệt vùng biên giới hạt pha gây hại đến tính chất hợp kim, giảm mạnh tính chống ăn mòn (gây ăn mòn tinh giới ăn mòn ứng suất) Có thấy nhiệt độ 250°C độ bền kéo độ giãn dài giảm rõ kết nhiệt độ thích hợp hình 62 thành pha kết tủa Mg2Al3 Kết phù hợp với báo cáo trước [15] Cấu trúc vi mơ mẫu ủ 300°C cho thấy q trình phát triển hạt tương đối đồng đều, nhỏ mịn từ làm cải thiện độ bền tăng khả biến dạng cho mẫu Khi tiếp tục tăng nhiệt độ độ bền kéo giảm độ giãn dài giảm cho trình phát triển hạt bắt đầu lớn dần ảnh hưởng xấu Có thấy q trình ảnh hưởng mãnh mẽ đến tính hợp kim Số lượng lớn ranh giới hạt góc thấp cho thấy mẫu chứa số lượng lớn ranh giới phụ lệch cấu trúc phụ ảnh hưởng đến q trình tích tụ lệch Do đó, mẫu ủ trước 300°C có cấu trúc hạt micron phụ với phần lớn ranh giới hạt góc thấp mật độ lệch cao gây ứng suất ức chế phục hồi động Việc tăng cường tính chất học ứng suất chảy, giới hạn chảy độ cứng mẫu quy cho hiệu ứng trình xử lý nhiệt, ranh giới hạt chế phát triển lệch Trong trình khảo sát nhằm tìm nhiệt độ ủ tối ưu trước khí biến dạng làm tăng hiệu cho trình tạo hình sau Sau biến dạng trình ủ hồi phục giúp cho ổn định lại tổ chức hợp kim, xếp lại trật tự lệch làm giảm sai lệch mạng (chủ yếu loại điểm đặc biệt nút trống), giảm mật độ lệch ứng suất bên mà giữ tổ chức tế vi không thay đổi đảm bảo giữ trạng thái hóa bền 3.2 Kết luận Từ kết thử độ bền kéo, kết chụp ảnh tổ chức tế vi kết đo độ cứng, tác giả tìm được: - Khoảng nhiệt độ ủ tối ưu 300 oC Ở đó, giới hạn chảy độ bền kéo mẫu cải thiện rõ rệt - Giải thích độ bền mẫu ủ 300 oC lại đạt giá trị lớn thông qua phân tích ảnh tổ chức tế vi - Ở 300 oC, độ cứng mẫu thí nghiệm có giảm lại làm tăng độ giãn dài cho vật liệu 63 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu điều kiện khó khăn về thời gian dịch bệnh kéo dài phịng thí nghiệm trường thường xun đóng cửa, tác giả đã hồn thành, làm chủ quy trình cán ủ hợp kim nhơm ma giê Đã tiến hành làm thực nghiệm hợp kim AA5083 nhằm cải thiện tính xem xét khả biến dạng hợp kim này, tác giả đưa số kết luận rút sau: Đã hồn thành quy trình cơng nghệ cán ủ ủ đồng hóa hợp kim nhơm AA5083 Tổ chức tế vi mẫu đồng mẫu ủ nhiệt độ 300oC, mẫu đạt giá trị độ bền cao Độ cứng đạt giá trị lớn mẫu ủ nhiệt độ 150oC Với trình ủ khả biến dạng hợp kim nhơm ma giê bị hạn chế Vì phương pháp nên áp dụng để cải thiện độ bền hợp kim Để cải thiện khả biến dạng nên sử dụng phương pháp khác hiệu 64 Tài liệu tham khảo [1] "Nguyễn Khắc Xương, Vật liệu kim loại màu, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội 2003" [2] "Nghiêm Hùng, Vật liệu học sở, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 2007" [3] "KUHLMANN-WILSDORF, D Theory of plastic deformation: - properties of low energy dislocation structures Materials Science and Engineering: A 1989, vol 113, pp 1-41" [4] "Strengthening mechanisms of materials, Wikipedia," [5] "M C Carroll, P I Gouma, M J Mills, G S Daehn and B R Dunbar, Scripta Mater., 42,335-340 (2000)" [6] "HALL, E.O The Deformation and Ageing of Mild Steel: III Discussion of Results Proceedings of the Physical Society Section B 1951, vol 64, no.9, pp.747-753" [7] " PETCH, N.J The cleavage strength of polycrystals Journal of the Iron and Steel Institute London 1953, vol 173, pp 25-28" [8] " Mhedhbi M., Khlif M., Bradai C., (2017),Investigations of microstructural and mechanical properties evolution of AA1050 alloy sheets deformed by the cold-rolling process and heat treatment annealing, Journal of Materials and Environmental Sciences, JME" [9] "Singh H., Verma M., SidhuH S., Singh D., (2016), Experimental Investigation for Mechanical Properties of Aluminium Alloy Al 6061 65 Considering Different Parameters of FSW, International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), 3(2), pp 635" [10] "Amulya Bihari Pattnaik, S D (2015) Effect of Al–5Ti–1B grain refiner on the" [11] Ertug, B., & Kumruoglu, L C (2015) 5052 type Al-Mg and 6082 type AlMg-Si alloys for shipbuilding American Journal of Engineering Research, 146-150 [12] Nikolaevich, S A., Valerievich, A A., Igorevich, G A., Alexandrovich, S A., & Alexandrovich, S M (2014) Advanced materials of automobile bodies in volume production European Transport, 1-27 [13] Wang, L., Strangwood, M., Balint, D., Lin, J., & Dean, T (2011) Formability and failure mechanisms of AA2024 under hot forming conditions Materials Science and Engineering, 2648–2656 [14] Kciuk, M., Kurc, A., & Szewczenko, J.(2010) Structure and corrosion resistance of aluminum AlMg2.5; AlMg5Mn and AlZn5Mg1 alloys Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 74-81 [15] ISO/TR 25679, Mechanical testing of metals - Symbols and definitions in published standards [16] Bo WANG, Xian-hua CHEN, Fu-sheng PAN, Jian-jun MAO,Yong FANG, Effects of cold rolling and heat treatment on microstructure and mechanical properties of AA 5052 aluminum alloy, Trans Nonferrous Met Soc China 25(2015) 2481−2489 66 ... nhiều nghiên cứu cải thiện độ bền hợp kim nhôm công bố giới Tuy nhiên, nghiên cứu hợp kim nhơm ma giê cịn hạn chế, đặc biệt nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ ? ?ủ đến tính khả biến dạng hợp kim nhơm... Các nghiên cứu tập trung chủ yếu vào cải thiện độ bền nhờ hợp kim hóa, thêm vào nguyên tố có tính chất đặc biệt chủ yếu Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến khả biến dạng tính hợp kim nhơm ma giê. .. thí nghiệm Sau nghiên cứu lý thuyết tìm hiểu, khảo sát điều kiện thí nghiệm, quy trình trình thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến tính khả biến dạng hợp kim nhôm ma giê AA5083 đưa