Vật liệu thí nghiệm được trình bày tại mục 2.1 và 2.2 chương 2, cơ sở lý thuyết. Có kích thước ban đầu như hình 3.1 dưới đây.
Hình 3.1: Kích thước mẫu thí nghiệm 3.1.2. Máy móc thiết bị chế tạo mẫu
Đề tài đã sử dụng toàn bộ trang thiết bị máy móc hiện có ở xưởng thí nghiệm tại trường đại học Nha Trang và một số máy đo tại Sài Gòn. Thông qua nhiều lần thực nghiệm, quá trình hàn ma sát khuấy liên kết giữa nhôm A1050 và đồng C1100 được thực hiện thành công. Tham khảo một số hình ảnh minh họa dưới đây.
Xét về ngoại quan, mối hàn ma sát khuấy giữa Al 1050 và đồng C1100 tuy bề mặt trên mối hàn chưa được mịn nhưng nhìn chung tổng quan rất chắc chắn và đảm bảo về mặt cơ sở để thực hiện các nghiên cứu tiếp theo.
3.1.3. Thiết kế và cắt mẫu thí nghiệm.
3.1.3.1. Thiết kế mẫu thí nghiệm
Mẫu thí nghiệm được thiết kế trên phần mềm autocad, kích thước theo tiêu chuẩn ASTM, với biên dạng và kích thước như hình 3.4. hình 3.5.
Hình 3.4: Kích thước các mẫu thí nghiệm
Hình 3.5: Kích thước mẫu cơ tính cục bộ, ăn mòn điện hóa
3.1.3.2. Cắt mẫu thí nghiệm
Sau khi thiết kế xong, tiến hành cắt mẫu thí nghiệm tấm bimetal Al/Cu theo bản vẽ. Đề tài sử dụng máy cắt dây CNC để cắt mẫu hình 3.6, dung sai cho phép 0.05mm. Từ tổng thể (đối tượng kiểm tra), nếu lấy ra bao nhiêu mẫu để thử nghiệm thì cũng sẽ có bấy nhiêu kết quả thử nghiệm khác nhau. Người ta nói các kết quả của mẫu là những số gần đúng, chúng tiếp cận với đại lượng của tổng thể theo nhiều mức độ khác nhau tùy theo mức độ đại diện của mẫu khi được lấy ra thông qua phương pháp lấy mẫu và số lần quan trắc, và cũng phụ thuộc rất nhiều vào trình độ, khả năng của phòng thí nghiệm. Vì không thể biết chính xác đại lượng của tổng thể nên phải phỏng đoán, ước lượng qua kết quả đo, thử nghiệm trên mẫu. Số trung bình, ký hiệu là . Trong điều kiện lý tưởng, nếu kiểm tra được toàn bộ tổng thể với số quan trắc N, thì tính từ các giá trị đo xi như sau: = N x N i 1 i. Nhưng trong thực tế, người ta chỉ xác định được số trung bình x của mẫu và do vậy phải ước lượng qua x. Môn thống kê phát biểu x là “ước lượng tốt nhất” của hay nói cách khác, là vọng số của x: = E(x) Đối với những đại lượng thuộc phân bố chuẩn, còn là vọng số của trung vị và của số mốt [31].tại bảng 3.1.
Hình 3.6: Chế tạo mẫu bằng máy cắt dây CNC
Bảng 3.1 Số lượng mẫu cắt thí nghiệm
Mẫu thí nghiệm Số lượng dự kiến Tiêu chuẩn
1 - Mẫu thử kéo, 3 mẫu/chế độ hàn ASTM-E8
2 - Mẫu thử va đập 4 mẫu/chế độ hàn ASTM-E23
3- Mẫu cấu trúc tế vi và
uốn 30 mẫu/chế độ hàn ASTM-E290
4- Mẫu cơ tính cục bộ 56 mẫu/ tấm Kích thước theo bản vẽ hình 3.5
5- Mẫu thử ăn mòn điện hóa 8 mẫu/ chế độ hàn Kích thước theo hình 3.5
6- Mẫu thử tính năng truyền dẫn
điện 3 mẫu / chế độ hàn
Kích thước theo hình 3.4
Một số hình ảnh mẫu sau khi cắt xong
Mẫu độ dẫn điện Mẫu ăn mòn
Mẫu cơ tính cục bộ
Hình 3.7 Mẫu thí nghiệm sau khi cắt 3.2. Quá trình thí nghiệm
Sau khi chế tạo mẫu theo bảng 3.1, tiến hành khảo sát, nghiên cứu đánh giá về ứng xử cơ học và tính năng truyền dẫn điện thông qua các máy móc chuyên dùng.
3.2.1. Khảo sát cấu trúc tế vi vùng tiếp giáp
Máy mài MA-PP-200M được sử dụng đánh bóng để kiểm tra ngoại quan chất lượng bề mặt của mối hàn sau đó, mẫu được làm sạch tạo ra bề mặt nhẵn bóng bằng các loại giấy nhám 600, 1000, 1500, 2000, 3000,5000, và 7000. Hình ảnh máy (hình 3.8) và các thông số kỹ thuật được thể hiện trong bảng 3.5
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật máy đánh bóng bề mặt MA-PP-200M
Hãng sản xuất Moatech – Hàn Quốc
Năm sản xuất 2004
Đường kính đĩa 200, 250 mm
Tốc độ quay của trục 100÷1500 vòng/phút
Tốc độ quay của đĩa 30÷600 vòng/phút (có thể điều chỉnh)
Số đĩa 2
Hình 3.9: Đánh bóng mẫu khảo sát cấu trúc tế vi
Để quan sát rõ hơn cấu trúc hạt vùng tiếp giáp, mẫu được tẩm thực bề mặt với hỗ hợp dung dịch các chất HF (48%), 3 HCl, HNO3 và H2O.
Hình 3.10: Các loại hóa chất tẩm thực
Công thức pha dung dịch với tỉ lệ như sau:
2ml HF 48% + 3 ml HCl + 5 ml HNO3 + 190 ml H20 (2) Trước
Hình 3.11: Bề mặt trước khi tẩm thực
Quan sát bằng mắt thường, trước khi tẩm thực chúng ta có thể thấy các vết mờ của quá trình mài, đánh bóng, chưa thể nhìn thấy các khuyết tật nhỏ hơn hình 3.10
Hình 3.12: Bề mặt sau khi tẩm thực
Quan sát bề mặt sau khi tẩm thực hình 3.11, bằng mắt thường có thể nhìn thấy các luồng kim loại nhôm và đồng khuếch tán vào nhau tạo nên các vân, vùng khá đẹp mắt, rất tò mò về cấu trúc hạt của nó.
Để thấy rõ hơn các khuyết tật mối hàn, có thể quan sát trực tiếp qua camera có độ phóng đại 1000x và được kết nối với máy tính thông qua cổng USB.
Hình 3.13: Quan sát khuyết tật trên Camera
Để qua sát cấu trúc tế vi của mối hàn sau khi tẩm thực, kính hiển vi Olympus-CK40M được sử dụng và được kết nối với điện thoại thông minh. Hình ảnh kính hiển vi Olympus-CK40M được thể hiện trong hình 3.13 và các thông số kỹ thuật được thể hiện trong bảng 3.6.
Hình 3.14: Kính hiển vị Olympus- CK40M2-1
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật kính hiển vi CK40M 2-1
Hãng sản xuất Olympus – Nhật
Độ phóng đại 100÷2400 lần
Hành trình bàn di chuyển 160×250 mm
Độ phóng đại của thị kính 10x, 20x, 30x
Độ phóng đại của vật kính 10x, 20x, 50x, 80x
Thông qua màn hình điện thoại và máy tính, chúng ta có thể quan sát rõ ràng cấu trúc hạt của các vùng, kết quả cụ thể của 4 vùng khảo sát: vùng nền, vùng ảnh hưởng nhiệt, vùng ảnh hưởng cơ nhiệt và vùng khuấy, sẽ được trình bày tại chương 4. Nội dung tiếp theo đề tài sẽ thực hiện khảo sát độ cứng tế vi của mối liên kết, độ cứng sẽ được đo chủ yếu tại các vùng ảnh hưởng, đặc biệt là vùng khuấy nhằm mục đích đánh giá chính xác về độ cưng của vị trí trọng yếu trong mối liên kết tấm bimetal Al/Cu.
3.2.2. Khảo sát độ cứng của mối liên kết
Độ cứng mẫu bimetal Al/Cu, dùng máy đo của hãng Wilson hình 3.11. Để đo độ cứng Hv, Sau khi quan sát cấu trúc tế vi của mối hàn thì dựa vào cấu trúc tế vi có thể xác định được ranh giới giữa các vùng khác nhau trong mối hàn từ đó là cơ sở để kiểm tra độ cứng từng vùng khác nhau. Vị trí đo độ cứng của mối hàn được thể
hiện trong hình 3.12 tập trung chủ yếu tại vùng mặt cắt ngang của mối liên kết. Các thông số kỹ thuật của máy được miêu tả tại bảng 3.4.
Hình 3.15: Máy đo độ cứng Wilson hardness
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật máy đo độ cứng Wilson hardness
Wilson hardness Thông số kỹ thuật
Thang đo độ cứng Hv Tải trọng đo 10 Tải trọng đo 25 Quy trình đo 100 Độ phóng thị kính 1000 Độ phân giải (2000)gF Vật kính tiêu chuẩn EN-ISO 6507
Hình 3.16: Thí nghiệm đo độ cứng Hv
Kết quá độ cứng Hv của mẫu bimetal sẽ được so sánh với độ cứng vật liệu nền và mẫu của nước ngoài, cụ thể kết quả so sánh sẽ được làm rõ trong phần kết qủa tại chương tiếp theo. (chương 4).
3.2.3. Khảo sát độ bền kéo mối liên kết
Độ bền kéo sẽ được khảo sát trên 2 loại mẫu:
3.2.3.1. Mẫu tiêu chuẩn ASTM E8[21]
Hình 3.17: Mẫu đo độ bền kéo
Để kiểm tra độ bền kéo, uốn của mối hàn, thiết bị được sử dụng là máy kéo, nén Instron-3366, thiết bị cho phép xuất kết quả thông qua việc kết nối với máy tính. Hình ảnh máy kéo, nén Instron-3366 (Hình 3.12) và các thông số kỹ thuật được thể hiện trong bảng 3.5
Hình 3.18: Máy kéo, nén INSTRON-3366
Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật máy kéo nén INSTRON - 3366
Hãng sản suất Instron – Mỹ
Thang đo lực 100:1
Độ chính xác 0,5%
Lực kéo tối đa 10 kN
Tốc độ kéo tối đa 500 mm/phút
Phần mềm điều khiển Bluehill Lite (version 2.22)
3.2.3.2. Mẫu thử độ bền kéo thứ 2.
Mẫu được cắt theo biên dạng hình chữ nhật dọc theo chiều dài mối hàn, lấy từ tâm mối hàn dịch theo hướng ngang dần đều ra vùng vật liệu nền, số lượng 56 mẫu, kích thước mẫu như hình 3.12.
Hình 3.19: Mẫu kéo cơ tính cục bộ
Mẫu kéo cơ tính cục bộ được cắt tiết diện ngang 1mm, nhằm mục đích khảo sát chi tiết về độ bền kéo của các vùng trong mối liên kết, qua đó có thể đánh giá chính xác về độ giãn dài tối đa của vật liệu nhôm, đồng sau khi hàn, và so sánh được độ bền kéo của từng vùng trong tấm bimetal Al/Cu.
3.2.3. Khảo sát độ bền uốn mối liên kết
Độ bền uốn của mối liên kết được thiết kế dựa theo tiêu chuẩn ASTM E290 [21] có kích thước và biên dạng như sau:
Hình 3.20: Mẫu khảo sát độ bền uốn
Giá trị độ bền uốn của mẫu bimetal Al/Cu sẽ được so sánh với độ bền uốn của mẫu nước ngoài và vật liệu nền, để có kết quả khách quan, từ đó đánh giá được độ võng tối đa của mối liên kết tấm bimetal Al/Cu. Độ bền uốn của mối liên kết được tiến hành thí nghiệm trên máy kéo, nén Instron-3366.
Hình 3.21: Thí nghiệm độ bền uốn 3.2.4. Khảo sát độ bền va đập trên máy Tinius Olsen IT-406E
Mẫu kiểm tra độ bền va đập của mối hàn được thiết kế theo tiêu chuẩn ASTM E23 [22]
Hình 3.22: Mẫu độ bền va đập
Để thử độ bền va đập của mối hàn ở các vị trí khác nhau, thiết bị được sử dụng là máy va đập Tinius Olsen IT-406E. Thông số máy va đập Tinius Olsen IT- 406E được thể hiện trong bảng 3.6 và hình ảnh máy va đập Tinius Olsen IT-406E được thể hiện trong hình 3.17.
Bảng 3.6 Thông số máy va đập Tinius Olsen IT- 406E
3.2.5. Khảo sát khả năng ăn mòn của mối liên kết Al/Cu
Hình 3.24: Mẫu khảo sát ăn mòn điện hóa
Sau khi khảo sát cấu trúc tế vi, cơ tính tổng thể và cục bộ của mối liên kết, để đánh giá chính xác hơn về phần cơ học mối liên kết, tiến hành khảo sát thêm phần ăn mòn của mối liên kết thông qua các môi trường NaCl, H20 và nước cất.
Hình 3.25: Cân mẫu trước khi thí nghiệm
Môi trường nước muối NaCl. (Natri clorua)
Dung dịch muối NaCl 3 có nghĩa là 3,5% muối và 96,5 % nước, thí nghiệm thực hiện trên ba vật liệu. Nhôm Al 1050, Đồng C 1100, và Bimetal Al/Cu.
Hãng sản xuất Tinius Olsen – Mỹ Công suất con lắc 406 J
Chiều cao thả con lắc 1,5 m
Tốc độ va đập 5,5 m/s
Khối lượng con lắc 27 kg
Kích thước máy(mm) 21085081804
Hình 3.26: Môi trường ăn mòn NaCl
+ Môi trường nước (H20)
Môi trường thứ hai để khảo sát độ ăn mòn điện hóa là nước thông thường, với khoảng 100ml nước, ngâm vật liệu trong khoảng thời gian nhất địnhvà quan sát thường xuyên qua camera giám sát trên mà hình laptop. rồi kiểm tra cân nặng bằng cân tiểu li.
Hình 3.27: Môi trường ăn mòn H20
+ Môi trường nước cất
Môi trường thứ ba để khảo sát ăn mòn điện hóa là nước cất, với khoảng 100ml, cũng ngâm vật liệu và theo dõi qua camera quan sát thông qua màn hình laptop. Sau đó kiểm tra khối lượng bằn cân tiểu li.
3.2.6. Khảo sát tính năng truyền dẫn điện của tấm Bimetal Al/Cu
Hình 3.30: Mẫu khảo sát độ dẫn điện
Để so sánh và đánh giá được tính năng truyền dẫn điện của tấm bimetal Al/Cu và vật liệu nền thông qua hệ số dẫn điện, thí nghiệm được khảo sát trên máy microhmmeter Cropico Do7 hình 3.17.
Hình 3.29: Khảo sát tính năng truyền dẫn điện
Hệ số dẫn điện và điện trở suất của vật liệu, trong thí nghiệm này sẽ xét trên ba vật liệu: Đồng C 1100, Nhôm Al 1050, và tấm bimetal Al/Cu để so sánh.
Để có kết quả chính xác nhất ta tiến hành đo nhiều lần, cắt mẫu thực nghiệm có kích thước 150x10x5mm. Công thức thực nghiệm: ϬCu = ƍ (ƍCu= 1,72x10-8ꭥ m) (3) ϬAl= ƍ (ƍAl= 2,82x10-8ꭥ m) (4) ϬAl/Cu= ƍ / (ƍCu/Al 1,9x10-8ꭥ m)(5)
Chương 4
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
Sau khi tiến hành xong các thí nghiệm, khảo sát về ứng xử cơ học và tính năng truyền dẫn điện của tấm bimetal Al/Cu, các kết quả sẽ được phân tích, đánh giá, so sánh và đưa ra kết luận trong chương 4. Mối liên kết tấm Bimetal Al/Cu đã được chế tạo thành công đấy là cơ sở tiên quyết cho việc nghiên cứu của đề tài này. Đi sâu về cơ tính, cấu trúc tế vi thay đổi có ảnh hưởng tới độ cứng, độ bền kéo, uốn, tính năng truyền dẫn điện so với bản chất ban đầu của nhôm A1050 và đồng C1100 như thế nào, so sánh với mẫu nước ngoài có gì khác biệt, sau đây là kết quả cụ thể của từng phần đã thí nghiệm.
4.1. Kết quả khảo sát Cấu trúc tế vi vùng tiếp giáp Al/Cu
Sau khi thực hiện các biện pháp đánh bóng, làm sạch bề mặt bằng các dung dịch trong mục 3.2.1. (chương 3) Mẫu được quan sát dưới camera và kính hiển vi chuyên dụng vùng hàn, so sánh với mẫu tiêu chuẩn từ nước ngoài ta có kết luận như sau:
+ Quan sát dưới camera:
Mẫu bimetal Al/Cu (thực nghiệm) Mẫu bimetal Al/Cu (Nước ngoài)
Hình 4.1: Quan sát vùng hàn bằng camera
Thông qua hình ảnh dưới camera cho thấy, mẫu thực hiện trong nước có xuất hiện các lỗ đen, kim loại nhôm và đồng được khuếch tán xen lẫn nhau nhưng vẫn còn hiện tượng vón cục. Cấu trúc hạt tinh thể to hơn mẫu nước ngoài, phát hiện thấy một số khuyết tật hàn tại vùng khuấy ở mẫu trong nước.
Hình 4.2: Một số lỗi khi quan sát camera
Ở mẫu nước ngoài không thấy xuất hiện lỗ đen hay vết nứt, để thấy rõ hơn cấu trúc hạt của vùng hàn, tiến hành quan sát dưới kính hiển vi tại các vùng ảnh hưởng, kết quả như sau:
Bảng 4.1 Soi cấu trúc tế vi
stt Vùng soi cấu trúc
Hình ảnh minh họa
Mẫu trong nước Mẫu nước ngoài
1 vùng II ảnh hưởng nhiệt (Heat Affect Zone -HAZ 2 Vùng III ảnh hưởng cơ nhiệt(TMAZ) 3 Vùng IV vùng khuấy(SZ)
Quan sát dưới kính hiển vi tại ba vùng có thể so sánh về mặt hình dáng và kích thước hạt của hai mẫu trong và ngoài nước, tổng thể thì hạt tại các vùng mẫu trong nước to và thô hơn so với mẫu nước ngoài. kích thước hạt trong khoảng 33÷50 µm. Vùng (III) là vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (Thermo Mechainically Affect Zone – TMAZ), vùng nằm phía dưới vai dụng cụ và bị biến dạng dẻo bởi nhiệt ma sát, tại vùng này bắt đầu có sự thay đổi rõ hơn về cấu trúc hạt so với vùng ảnh hưởng cơ nhiệt, kích thước hạt trong khoảng 26÷37 µm. Vùng (IV) là vùng khuấy
(Stir Zone – SZ) nơi mà vật liệu bị biến dạng dẻo mạnh nhất nên kích thước hạt cũng thay đổi rõ ràng nhất, kích thước hạt trong khoảng 16÷24 µm. Sự thay đổi kích thước hạt tại các vùng ở mẫu trong nước không nhiều, ở mẫu nước ngoài tại vùng TMAZ hạt có kích thước bé và mịn hơn. Sự thay đổi cấu trúc trúc hạt trong mối hàn là do sự phát triển và kết tinh của hạt trãi qua quá trình chịu ảnh hưởng của nhiệt độ,