8. Bố cục của luận án
2.3. Các thông số ảnh hưởng đến độ nhớt khi tạo hình xúc biến
2.3.5. Tốc độ làm nguội, nhiệt độ giữ nhiệt và thời gian giữ nhiệt
Tốc độ làm nguội ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ hình thành pha rắn hay tốc độ đông đặc. Tăng tốc độ nguội làm tăng tốc độ hình thành pha rắn và thúc đẩy tổ chức nhánh cây hình thành. Nếu tốc độ làm nguội lớn, tổ chức nhánh cây mảnh và mịn, khi biến dạng dễ bị bẻ gãy dẫn đến tổ chức tế vi dạng cầu mịn (độ nhớt thấp). Nếu tốc độ làm nguội chậm, tổ chức tế vi hạt thô, dạng cột hoặc nhánh cây lớn, khó bị bẻ gãy trong quá trình biến dạng (độ nhớt cao) [34].
Nhiệt độ giữ nhiệt là thông số để điều khiển tỷ phần pha rắn trong vùng bán lỏng. Mối quan hệ giữa nhiệt độ giữ nhiệt và tỷ phần pha rắn có thể được xác định theo quy tắc cánh tay đòn, phương trình Scheil, phân tích nhiệt hoặc phân tích tổ chức tế vi của mẫu. Độ nhớt của hợp kim bán lỏng tỷ lệ thuận với tỷ phần pha rắn. Tăng tốc độ cắt cho phép giảm độ nhớt khi tỷ phần pha rắn gia tăng (hình 2.9) [57], [68].
Hình 2.9. Ảnh hưởng của fs và đến độ nhớt biểu kiến (a) Pb-15%Sn [86], (b) Al-4,5%Cu-1,5%Mg [57] (a) Pb-15%Sn [86], (b) Al-4,5%Cu-1,5%Mg [57]
Không dễ dàng phân biệt ảnh hưởng của nhiệt độ và tỷ phần pha rắn đến độ nhớt do mối quan hệ chặt chẽ của chúng với nhau ở trạng thái bán lỏng. Tuy nhiên có mối quan hệ nghịch đảo giữa nhiệt độ và độ nhớt trong phương trình (2.17), theo đó nhiệt độ cao hơn cho độ nhớt thấp hơn. Phương trình này chỉ có giá trị đối với các hệ hợp kim không có bất kỳ sự thay đổi pha nào do sự thay đổi nhiệt độ, giống như trong các vật liệu cao phân tử [89].
0 E exp kT = (2.17)
trong đó E là năng lượng kích hoạt, 0 có thứ nguyên độ nhớt, k là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ.
Thời gian giữ nhiệt là một thông số khác ảnh hưởng đến độ nhớt do sự lớn lên và quá trình cầu hoá của hạt. Sự lớn lên của hạt trong trạng thái bán lỏng có thể xảy ra thông qua cơ chế hợp nhất, cơ chế nuốt hạt hoặc hỗn hợp của cả hai cơ chế này. Tốc độ lớn lên của hạt với hệ Al-Si trong trạng thái bán lỏng hầu như được kiểm soát bởi luật lập phương [107]:
3
c
R =k t (2.18)
trong đó R là tốc độ lớn lên của hạt, kc là hằng số được tính theo phương trình (2.19), t là thời gian giữ nhiệt.
( ) ( ) 8 Γ 9 L c L s l D k f f M C C = − (2.19)
Trong đó f ( )f là một hàm của tỷ phần pha rắn ( f ( )f = 3,17 cho hợp kim nhôm A356), là hằng số mao quản (2 x 10-7 mK), DL là hệ số khuếch tán chất tan trong pha lỏng (3 x 10-9 m2s-1), ML là độ dốc của đường lỏng (6,8 K at.% Si), Cs là nồng độ chất tan trong pha rắn (1,3 at.% Si), và Cl là nồng độ chất tan trong pha lỏng [107].