Theo thành phần hóa học, người ta phân các hợp kim nhôm thành nhiều hệ, trong mỗi hệ ngoài Al ra còn có một hoặc hai nguyên tố hợp kim chính nữa. Một sốhệ hợp kim nhôm chủyếu là: Al– Cu, Al–Cu –Mg, Al –Mn, Al –Si, Al –Mg, Al – Mg– Si, Al–Zn–Mg, Al– Li, …
Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 1859 – 75) quy định ký hiệu các hợp kim nhôm, bắt đầu ký hiệu Al, tiếp theo là ký hiệu các nguyên tố hợp kim chính, sau đó là các nguyên tốhợp kim phụ. Để chỉ hàm lượng theo phần trăm, người ta dùng các con số đặt sau ký hiệu tương ứng. Nếu là hợp kim đúc, ở mỗi ký hiệu đặt thêm chữ Đ.
Ví dụ 1, ký hiệu AlMg5 nghĩa là hợp kim nhôm biến dạng có hàm lượng trung bình của Mg là 5%.
Ví dụ 2, Ký hiệu AlSi12Mg1Cu2Mn0,6Đ nghĩa là hợp kim nhôm đúc, chứa trung bình 12%Si; 1%Mg; 2%Cu và 0,6%Mn.
của Nga, nhôm và hợp kim nhôm được ký hiệu bằng sựphối hợp giữa các chữcái và các con số. Tuy nhiên các ký hiệu này không phản ánh một quy luật chặt chẽnào trong toàn bộ hệ thống các hợp kim nhôm. Ở các nước Mỹ, Canađa, và ngay cả cộng hòa liên bang Nga, người ta sử dụng hệ thống ký hiệu gồm các con số thường có bốn chữ số đểký hiệu hợp kim nhôm.
Hệthống sốthống nhất của Mỹký hiệu các hợp kim nhôm bằng cách sửký hiệu số của hiệp hội nhôm với tiếp đầu là A9 đối với hợp kim nhôm biến dạng và A0 đối với hợp kim nhôm đúc.
3.1.3. Nhôm sạch kỹthuật
Phụthuộc vào phương pháp sản xuất, độ sạch của nhôm rất khác nhau, biến đổi từ 99,0%Al đến 99,999%Al. Nhôm với độsạch đặc biệt cao là vật liệu quý dùng trong các công trình nghiên cứu.
Độbền của nhôm sạch kỹthuật thấp độ dẻo cao, sau biến dạng hiệuứng hóa bền đạt được tương đối lớn.
Do tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao, khối lượng riêng nhỏ, nhôm sạch kỹ thuật được dùng rộng rãiđể chếtạo cáp tải điện trong khí quyển, cácống bức xạnhiệt hoặc các chi tiết trong hệ thống bay hơi. Tạp chất trong nhôm rất đa dạng, tuy vậy Si và Fe đáng chú ý nhất vì chúng thường có và gây ảnh hưởng rất mạnh. Nếu đứng riêng thì tạp chất Si ít tác hại, hầu như không làm giảm cơ tính, thậm chí còn ảnh hưởng tốt đến tính đúc, do tạo cùng tinh Al–Si, hạthấp nhiệt độ chảy tăng khả năng điền đầy khuôn. Trái lại, ta thấy sắt có thể tương tác với nhôm, tạo pha Al3Fe rất giòn, kết tinh ở dạng hình kim thô to. Cùng tinh Al – Al3Fe xuất hiện ngay khi hàm lượng Fe rất nhỏ và phân bốtheo biên giới hạt. Tổchức này gây giòn hợp kim và tăng nhạy cảm với ăn mònđiện hóa do chênh lệch thế điện cực giữa Al và FeAl3 khá lớn.
Khi tồn tại đồng thời cả Fe và Si sẽ xuất hiện các pha liên kim loại dạng α (Al, Fe, Si) vàβ(Al, Fe, Si) vừa giòn vừa kết tinhởdạng tấm thô to. Trong trường hợp này độdẻo và tínhổn định chống ăn mòn của nhôm cũng bịgiảm mạnh.
3.1.4. Hợp kim nhôm biến dạng
Như đã trình bày ở trên, dựa vào khả năng có hoặc không thểhóa bền bằng nhiệt luyện, người ta phân biệt các hợp kim nhôm biến dạng thành hai nhóm nhỏ.
Nhóm thứnhất gồm các hợp kim không thểhóa bền bằng nhiệt luyện, độbền của chúng được cải thiện nhờ các phương pháp như biến dạng nguội, hợp kim hóa bền dung dịch rắn hoặc tạo pha thứhai nhỏmịn.
Nhóm thứ hai gồm các hợp kim có thể hóa bền bằng nhiệt luyện, độ bền của chúng tăng lên chủyếu nhờtôi và hóa già.
3.1.5. Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền bằng nhiệt luyện
Theo giản đồpha Al–Mn, Mn có thểtạo với Al hợp chất liên kim loại Al6Mn. Pha này khi phân tán nhỏ mịn trong nền dung dịch rắn α sẽ gây hóa bền. Độhòa tan lớn nhất của Mn trong dung dịch rắn α đạt được ở 6500C là 1,8% và giảm rất nhanh trong vùng nhiệt độ từ 4500 – 6500C. Đây đồng thời cũng là vùng nhiệt độ tôi của phần lớn các hợp kim nhôm công nghiệp.
Lượng mangan trong các hợp kim nhôm này thông thường dao động trong khoảng từ 1 đến 1,6%. Nhưng do ảnh hưởng của các hợp chất thường có là Fe, Si, độ hòa tan của mangan trong dung dịch rắn α giảm đi rất nhanh.
Ví dụ, với sựcó mặt chừng 0,1%Fe và 0,065%Si dung dịch rắn α chỉ có thể hòa tanở5000C được khoảng 0,05%Mn. Điều này giải thích vì sao các hợp kim biến dạng Al–Mn không thểhóa bền bằng nhiệt luyện.
Để tăng bền, trong trường hợp này sử dụng phương pháp biến dạng nguội sẽrất hiệu quảvì hiệuứng hóa bền biến dạng đạt được khá lớn. Thêm nữa, do sựhình thành pha α (Al – Fe – Si – Mn) khi kết tinhở dạng nhỏ mịn phân tán, nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim tăng lên, góp phần duy trìổn định kết quảhóa bền đã tạo ra.
Một đặc điểm rất đáng chú ý của hợp kim Al – Mn là xu hướng thiên tích Mn và taọ dung dịch rắn quá bão hòa bất thường khi kết tinh. Sự phân bố không đồng đều thành phần có thể dẫn tới những kết quả xấu, chẳng hạn làm giảm mạnh cơ tính, đặc biệt là độ dai va đập, do tạo thành tổ chức hạt thô với sự phân bố hạt rất chênh lệch giữa các phần mẫu sau khi kết tinh lại.
Các hợp kim Al –Mn chịu gia công biến dạng nóng và nguội tốt, có tính hàn và chống ăn mòn trong khí quyển cao hơn nhôm sạch kỹ thuật. Nhờ vậy chúng được sử dụng rộng rãi thay thếvật liệu này khi có yêu cầu cao hơn về cơ tính.
b. Hợp kim nhôm Al–Mg
Độhòa tan của magie trong nhôm lớn nhất có thể đạt 15% ở 4510C. Khi hạnhiệt độ, độ hòa tan này giảm đi và pha β (Al3Mg2) tiết ra từ dung dịch rắn, có xu hướng phân bốdạng lưới theo biên giới hạt. Tổchức dạng lưới β liên tục rất nhạy cảm với ăn mòn dướiứng suất. Chính vì vậy trong công nghiệp hạn chếsửdụng các hợp kim chứa lượng nhỏ magie (ít hơn 8% Mg), phổbiến hơn cảlà loại dưới 4%Mg.
Do lượng magie nhỏ, hiệuứng hóa bền khi tôi và hóa già quá nhỏ nên thực tế đã bỏ qua. Đưa thêm một lượng nhỏ các kim loại chuyển tiếp như Cr (0,1 -0,2%), Mn (0,3–0,5%) cho phép giảm độ nhạy cảm với ăn mòn ứng suất. Sửdụng phương pháp biến dạng dẻo đểhóa bền các hợp kim loại này sẽrất có hiệu quả.
Các tạp chất Fe, Si gây ảnh hưởng xấu đến cơ tính, làm giảm chất lượng bề mặt khi gia công, vì vậy cần hạn chếchúngở mức thấp nhất có thể. Các hợp kim Al –Mg thuộc một trong những họ hợp kim nhôm nhẹ nhất, có tính hàn tốt, ổn định chống ăn mòn khí quyển, bền mặt sau khi gia công đẹp, khả năng giảm chấn khá mạnh và giới
hạn bền mỏi tương đối lớn. Chúng được dùng rộng rãi, đặc biệt trong công nghiệp chế tạo ô tô và xây dựng công trình.
3.1.6. Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện
Các hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện là nhóm vật liệu kết cấu quan trọng, ngày càng được nghiên cứu và phát triển mạnh. Dưới đây sẽtrình bày một sốhệthông dụng và đặc trưng nhất.
a. Hợp kim Al–Cu và Al –Cu–Mg
Các hợp kim hệ này thuộc loại được nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng công nghiệp sớm nhất. Sau biến dạng, tôi và hóa già, chúng có hiệu ứng hóa bền rất cao. Trong công nghiệp cònđược gọi là hợp kim Đuyra.
Độhòa tan của các phaθ (CuAl2), và S (CuMgAl2) tăng lên khi tăngnhiệt độ. Do đặc điểm này, có thể dễ dàng nhận được dung dịch rắn α quá bão hòa bằng cách tôi. Khi hóa già, phụ thuộc và nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt, sự tiết pha xảy ra có thể ở các trạng thái khác nhau như vùng GP, các pha chuyển tiếp giả ổn định θÊ, SÊ hoặc các phaổn định θ, S kích thước rất nhỏ, phân tán đều trong nền dung dịch rắn α. Tất cảcác pha này đều tạo ra hiệuứng hóa bền đáng kể. Tuy vậy, sựhình thành tổchức gồm hỗn hợp vùng GP với các pha giả ổn định θÊ, SÊ sẽ cho ta các chỉ tiêu cơ tính lớn nhất
Nếu đảm bảo chế độ tôi và hóa già như nhau, tăng hàm lượng Cu và Mg một cách hợp lý sẽ làm tăng hiệu quả hóa bền do tỷ lệ khối lượng các pha hóa bền trong nền α tăng. Khi thay đổi hàm lượng đồng và magie theo hướng tăng tỷ lệ Mg/Cu độ bền nóng của hợp kim sẽ tăng lên. Sở dĩ như vậy vì tỷ lệ Mg/Cu tăng sẽ kéo theo sự tăng khối lượng pha S và giảm bớt pha θ. Người ta đã xác nhận rằng pha S ổn định nhiệt hơn pha θ, nghĩa là nó tiết ra từdung dịch rắn α ởnhiệt độ cao hơn, tốc độtích tụ nhỏ hơn. Đó chính là nguyên nhân khiến cho các hợp kim Al –Cu – Mg với pha hóa bền là S có thểgiữ được độbền tương đối cao đến khoảng nhiệt độ200 –2500C.
Các tạp chất Fe, Si gây ảnh hưởng xấu đến cơ tính của Đuyra. Chúng có thể tạo ra các pha Cu2FeAl, vừa gây giòn hợp kim do kết tinh ở dạng thô to, vừa làm giảm hiệu quả nhiệt luyện do chiếm giữ một lượng đồng đáng kể cần thiết để tạo pha hóa bền. Trong thực tế người ta cốgắng giảm thấp hàm lượng các tạp chất này, khống chế tỷ lệ của chúng xấp xỉ nhau để tạo ra các pha dạng α, kết tinh thành hạt nhỏ, ít ảnh hưởng đến độdẻo, không làm giảm hiệu quảhóa bền khi tôi và hóa già.
Trên cơ sở Al – Cu – Mg, khi đưa thêm đồng thời Fe và Ni vào theo tỷ lệ 1/1 người ta tạo ra các hợp kim nhôm biến dạng bền nóng.
Ví dụ, hợp kim AlCu2,5Mg1,6NiFeTi có khả năng duy trì cơ tính khá cao, đến tận 2300C. Sở dĩ vậy vì trong hợp kim đã hình thành pha ổn định nóng dạng Al9FeNi, gây hóa bền dung dịch rắn α và chỉ tích tụ, lớn lênởnhiệt độtrên 2300C.
có khả năng làm việc rất tốtở vùng 250–3000C bằng cách hợp kim hóa thêm mangan và một lượng nhỏ các hợp kim chuyển tiếp khác như Ti, Zr, V vào hợp kim Al –Cu. Chính các pha T (Al12Mn2Cu) hoặc các pha chứaTi đã duy trì cơ tính hợp kim ở mức đáng kểtrong vùng nhiệt độ250–3000C.
Nhược điểm chung của các hợp kim trên cơ sở Al – Cu, Al – Cu – Mg là khả năng chống ăn mòn kém và khó hàn. Nguyên nhân của tính chống ăn mòn kém liên quan với sựcó mặt của pha θ. Nó có thế điện cực khác xa thế điện cực của nền, tạo vi pin ăn mòn, trongđó pha θ đóng vai trò catốt.
Đuyra cũng như các hợp kim chịu nóng nêu trên được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong ngành hàng không.
b. Hợp kim Al–Mg–Si
So với những hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện khác, cơ tính các hợp kim hệAl –Mg–Si thuộc loại trung bình nhưng tăng tính hàn và gia công áp lực nóng thì trội hơn hẳn. Thêm nữa chúng rất ổn định chống ăn mòn trong khí quyển và không nhạy cảm với ăn mòn dư ới ứng suất. Người ta sử dụng hợp kim hệ này để chế tạo các chi tiết chịu hàn, các cấu kiện tầu thủy với nhiệt độ làm việc không vượt quá 1500C.
c. Hợp kim hệAl–Zn–Mg và Al–Zn–Mg–Cu
Ngoài dung dịch rắn α trong hệ Al –Zn –Mg còn có các pha trung gian MgZn2 và T (Al2Mg3Zn3). Khi nung nóng, độ hòa tan của MgZn2 và Al2Mg3Zn3 trong α tăng lên rất mạnh. Làm nguội chậm tiếp theo thậm chí nguội trong không khí sẽdễdàng tạo ra dung dịch rắn quá bão hòa.
Hiệu ứng hóa bền khi hóa già tiết pha chủ yếu là trạng thái vùng GP đạt rất lớn. Giới hạn bền đặc biệt là giới hạn chảy tăng lên khi tăng tổng hàm lượng của Zn và Mg. Các hợp kim Al – Zn –Mg chứa nhỏ hơn 8% tổng hàm lượng kẽm và magie có tỷsốnồng độ kẽm so với magie nằm trong khoảng từ 0,77 đến 4 là các hợp kim nhôm hàn. Độ bền mối hàn so với vùng lân cận không chênh lệch nhau và hầu như bằng độ bền hợp kim cơ sở. Những đặc điểm chính của các hợp kim này là khoảng nhiệt độtôi rất rộng 350 – 5000C, tốc độ tôi tới hạn nhỏ có thểnguội trong không khí độ bền sau hóa già tương đối cao. Những kim loại chuyển tiếp như Cr, Mn, Zr, Ti được đưa vào với hàm lượng nhỏ nhằm nâng cao chất lượng hợp kim đặc biệt là giảm xu hướng nhạy cảm với ăn mòn dướiứng suất.
Khi tăng hàm lượng tổng cộng của kẽm và magie lên 8-11%, đưa thêm vào khoảng 2% Cu sẽ tạo ra nhóm hợp kim nhôm biến dạng có độ bền cao nhất. Vai trò của đồng trong trường hợp này là hòa tan và hóa bền dung dịch rắn α. Các nguyên tố kim loại chuyển tiếp như: Mn, Cr, Zr, Ti đưa vào để làm nhỏ hạt, cải thiện tổ chức vùng biên giới, vừa có tác dụng nâng cao cơ tính, vừa làm giảm xu hướng nhạy cảm
với ăn mòn dưới ứng suất. Họ hợp kim Al – Zn – Mg và Al – Zn – Mg – Cu là đối tượng đang được chú ý nghiên cứu nhiều nhằm khai thác tiềm năng độ bền và tính hàn. Nhược điểm chính của chúng là xu hướng nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất và thải bền nhanh khi nâng nhiệt độquá 1200C.
Lĩnh vực ứng dụng của họ hợp kim này đang ngày càng mở rộng, ví dụ trong hàng không, chếtạo vũ khí, dụng cụthểthao, vv..
d. Hợp kim Al–Li
Liti là nguyên tố rất nhẹ, khi tạo ra hợp kim Al – Li người ta mong muốn có được vật liệu với độbền riêng lớn. Trong thực tếcác hợp kim chỉgồm Al và Li không đượcứng dụng vì nó bị oxy hóa mạnh và cơ tính không cao. Trên cơ sở Al – Li người ta có thể đưa thêm đồng hoặc magie để tạo ra hợp kim rất có triển vọng ứng dụng trong một số lĩnh vực công nghiệp hiện đại. Ưu điểm nổi bật của các hợp kim này là sau tôi và hóa già có hiệu quả hóa bền khá lớn, đặc biệt mô đun đàn hồi E đạt trị số vượt trội hẳn so với tất cả các hợp kim nhôm khác (76000MPa so với các hợp kim nhôm thông thường là 70000MPa).
Nếu thêm đồng thì hợp kim sẽ gồm các phaα, θ (CuAl2), AlLi, T (AlxLixCuz). Hiệu ứng hóa bền khi nhiệt luyện khá lớn vì các pha θ (CuAl2), AlLi, T (AlxLixCuz) đều có khả năng hòa tan vàoα khi nung và tiết ra ở dạng trung gian phân tán khi hóa già. Ví dụ sau nhiệt luyện hóa bền, hợp kim AlCu5Li1,2 chứa 5,3%Cu; 1,2%Li; 0,6%Mn; 0,15%Cd có các chỉ tiêu cơ tính như sau: σb = 560MPa; σ0,2= 510MPa; E = 76000MPa.
Trường hợp thay đồng bằng 5%Mg ta có hợp kim AlMg5Li2. Đây là một trong số các hợp kim nhôm nhẹnhất, khối lượng riêng bằng 2,7g/cm3. Sau nhiệt luyện hóa bền, do sự tiết ra ở dạng trung gian phân tán của các pha AlLi và T (AlxMgyLiz), các chỉ tiêu có tính có thể đạt: σb= 560MPa, σ0,2= 290 MPa, ψ = 11% và E = 76000MPa.