Trên cơ sở những quan điểm hiện đại về mối quan hệ giữa tổ chức và tính chất của các vật thể tinh thể, độ bền của kim loại chính là khả năng chống chuyển động của lệch khi ở một trạng thái chịu tải trọng nhất định – là ứng suất cần thiết để khắc phục các trở ngại khi lệch chuyển động làm thay đổi tổ chức của vật liệu theo hớng ổn định, nó chính là ý nghĩa vật lý của sự hoá bền kim loại.
Các phơng pháp hoá bền dựa trên cơ sở điều khiển cấu trúc lệch bằng các tác động tổng hợp cơ - nhiệt đối với các đối tợng gia công, đợc gọi là cơ nhiệt luyện, còn sự tăng bền đạt đợc do kết quả của tác động hỗn hợp nh vậy gọi là sự hoá bền cơ - nhiệt luyện.
Cơ sở của phơng pháp cơ - nhiệt luyện là bằng tác động cơ - nhiệt tổng hợp tạo ra trong tinh thể kim loại những siêu bề mặt ổn định, gây cản trở sự chuyển động tự do của lệch. Do đặc điểm này, ngời ta còn gọi hoá bền cơ - nhiệt luyện là hoá bền siêu cấu trúc. Khác với các dạng hoá bền khác, hoá bền cơ - nhiệt tạo ra sự tăng năng lợng của vật liệu trong khi nó vãn giữ đợc hoặc làm tăng tính ổn định của trạng thái cấu trúc.
Các siêu bề mặt hoặc biên giới siêu hạt hình thành từ các ‘vách’ lệch, phân chia tinh thể thành những vùng thể tích siêu nhỏ này còn đợc gọi là siêu hạt có tính ổn định nhiệt cao. Sự hoá bền siêu cấu trúc do tác động cơ- nhiệt là nội dung chính của cơ - nhiệt luyện.
3.1 Cơ - nhiệt luyện nhiệt độ thấp.
( Low thermo – mechanical Treatment – LTMT ),
3.1.1 khái niệm
Phơng pháp gia công này bao gồm tôi, biến dạng dẻo ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bắt đầu kết tinh lại và hoá già tự nhiên (hay hoá già nhân tạo). Dạng gia công này thực hiện trên các vật liệu khác nhau sẽ cho hiệu quả khác nhau (hình 11).
Chi tiết tiến hành tôi sau đó biến dạng dẻo rồi hoá già, so với trờng hợp tôi và hoá già, sau khi cơ - nhiệt luyện nhiệt độ thấp đạt đợc giới hạn bền và giới hạn chảy cao hơn nhng độ dẻo dai lại thấp hơn.
Gia công biến dạng có thể là gia công biến dạng nóng hoặc gia công biến dạng nguội. Biến dạng dẻo không chỉ là phơng pháp gia công tạo hình, mà nó còn gây ra sự biến đổi cơ bản đến tổ chức và do đó dẫn đến sự thay đổi về tính chất của hợp kim nhôm.
Sự định hớng của các hạt và phần tử pha thứ hai:
Khi biến dạng, phụ thuộc vào phơng pháp biến dạng và hình dạng chi tiết, tinh thể có hình dạng khác nhau. Nh trong các dây kim loại do biến dạng kéo,
t°
2 3
1
τg nhiệt để tôi τg nhiệt hóa già τ (thời gian) t hóa già°
t tôi°
1- Tôi
2 - Biến dạng 3- Hóa già
Hình 11. Sơ đồ Cơ-Nhiệt luyện nhiệt độ thấp.
kim loại tinh thể có dạng sợi, thớ, còn trong các tấm cán nó có dạng vẩy, dạng tấm và trong các vật rèn, dập trong khuôn thì lại có hình dạng phức tạp hơn. Các phần tử liên kim loại sẽ phân bố tơng ứng với sự định hớng của hạt, chúng thờng xếp thành hàng theo phơng biến dạng chính.
Định hớng tinh thể hoặc textua biến dạng.
Quá trình trợt để tạo ra biến dạng d kèm theo quá trình quay của mỗi hạt tinh thể. Sự quay của tinh thể cũng là sự quay của mặt trợt và xu hớng chung là tiến gần về trục biến dạng chính (chẳng hạn trục kéo khi đặt tải trọng kéo, ép). Biến dạng càng lớn, mức độ quay càng nghiều và đến một mức độ nào đó các hạt có góc định hớng gần giống nhau, trùng với trục biến dạng chính (textua biến dạng). Nó thể hiện rõ nét khi với mức độ biến dạng lớn (70 – 90%) theo độ giảm tiết dạng ngang. Hệ trợt chủ yếu của nhôm là {111}, <110>. Trong các thỏi nhôm ép, quan sát thấy sự định hớng theo chiều trục của các phơng tinh thể [111] và [100]. Phần lớn các hạt định hớng sao cho phơng [111] song song với trục thỏi ép, còn khoảng từ 5 – 30% số hạt có định hớng phơng [100] theo trục của thỏi. Với các tấm cán quan sát thấy textua {110}, [112], ở đây các mặt (110) của hạt song song với mặt tấm cán, còn phơng [112] song song với phơng cán[3].
Mức độ textua biến dạng xác định bởi số lợng hạt có định hớng tinh thể theo phơng biến dạng. Mức độ này tăng lên khi tăng nhiệt độ và mức độ biến dạng đến một giá trị tới hạn.
Mật độ lệch sau biến dạng trong hợp kim nhôm.
ở trạng thái ủ, mật độ lệch trong nhôm khoảng 107cm-2 khi biến dạng nguội, giá trị của mật độ lệch có thể đạt tới 1010 – 1011cm-2. Tổ chức lệch trong hợp kim nhôm phụ thuộc vào trạng thái biến dạng. Tổ chức lệch trong nhôm sau biến dạng nguội có dạng tổ ong. Biên giới các ô là các búi lệch, phía trong tâm ô mật độ lệch nhỏ, bao gồm các lệch phân số rời rạc. sau biến dạng nóng, tổ chức lệch trong nhôm khác đi do có quá trình hồi phục. Lệch ở đây tạo thành các vách
lệch, đó chính là biên giới siêu hạt. Mật độ lệch trong hợp kim nhôm biến dạng nóng khá cao khoảng 109 – 1010cm-2.
Tổ chức đồng đều và loại bỏ khuyết tật đúc.
Phôi đúc trớc khi gia công áp lực thờng có các dạng khuyết tật nh độ hạt không đồng đều, thiên tích thành phần, rỗ khí cũng nh lẫn xỉ và oxyt. Sau khi biến dạng tổ chức trở lên nhỏ mịn, độ xít chặt tăng, mật độ cao hơn và đồng nhất hơn so với trạng thái ban đầu.
Trong khi biến dạng nóng hoặc biến dạng nguội thiên tích nhánh cây giảm xuống, các rỗ xốp và bọt khí đợc ép liền lại. Tính chất của hợp kim nhôm sau biến dạng thay đổi rất mạnh. Trong các hợp kim nhôm, ta chú ý đặc điểm của các hợp kim nhôm chứa kim loại chuyển tiếp là tổ chức khi biến dạng khá ổn định do nhiệt độ kết tinh lại khá cao. Nhiệt độ và phơng pháp biến dạng có ảnh hởng rất lớn đến nhiệt độ khi kết tinh lại của hợp kim nhôm (vấn đề này có liên quan đến hiệu ứng hoá bền tổ chức hợp kim nhôm). Ví dụ hợp kim nhôm Д16 với cùng mức biến dạng là 85%, nhng mẫu sau khi cán nguội có nhiệt độ kết tinh lại (tktl) là 3500C, mẫu sau cán nóng có t0 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
ktl là 3900C còn mẫu sau ép nóng có nhiệt độ kết tinh lại cao nhất là 5000C. Nh vậy trong trờng hợp sau cùng mẫu sau khi ép nóng chịu gia công nhiệt luyện hoá bền bao gồm tôi và hoá già, tổ chức của hợp kim vẫn ở trạng thái cha kết tinh lại và nh vậy là mẫu bị hoá bền rất mạnh.
Khi biến dạng nguội, sự hoá bền xảy ra do hiệu quả biến cứng. Hiện tợng biến cứng tăng bền đợc ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật để hoá bền chi tiết nhôm và hợp kim nhôm (hợp kim Al-Mg-Si). Sau biến dạng độ hoạt hoá học của nhôm tăng lên tuy nhiên tính nhạy cảm đối với một số dạng ăn mòn nh ăn mòn biên giới và ăn mòn dới tác dụng của ứng suất giảm xuống. Các tính chất của chi tiết hoặc bán thành phẩm từ nhôm và hợp kim nhôm sau biến dạng khác nhau theo phơng khác nhau. Thông thờng độ bền, độ dẻo, tính ổn định chống ăn mòn
dới tác dụng của ứng suất lớn nhất theo phơng biến dạng chính. Đối với tấm nhôm cán độ bền theo phơng tạo thành 450 so với phơng cán là nhỏ nhất[3].
3.1.2 Hoá già tự nhiên sau khi biến dạng nguội hợp kim hệ Al-Mg-Si.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng biến dạng nguội của các hợp kim nghiên cứu, cũng nh các hợp kim hệ Al-Cu-Mg, đã làm ức chế quá trình hoá già tự nhiên tiếp theo. Các hợp kim ngay sau khi biến dạng nguội sẽ nhận đợc tính chất tơng ứng với trạng thái hoá già tự nhiên. Hoá già tự nhiên có thể sẽ không tạo ra sự thay đổi tính chất của loại hợp kim này.
3.1.3 Hoá già nhân tạo sau khi biến dạng nguội.