B. Nội dung chính báo cáo
4.2.1. Kết quả thí nghiệm
- Tính chất của vật liệu bimetal thép 08Kn – hợp kim nhôm AO9-2 sau hàn nổ được đánh giá thông qua hai tiêu chí chính là:
1) Độ bền bám dính 2 lớp bimetal, xác định bằng phương pháp thử phá hủy mẫu chuyên dụng dạng trong (hình 4.5) hoặc dạng dẹt (hình 4.6). Tuy nhiên cơ tính của lớp hợp kim nhôm AO9-2 thường cao hơn so với nhôm sạch AA1050 nên vết phá hủy thường xẩy ra theo lớp nhôm trung gian AA1050. Cơ tính của nhôm Al-1050 lấy theo tiêu chuẩn tương đương mác AД1 của Nga đã được trích dẫn trong tài liệu [8] đạt: giới hạn bền σb= 98 MPa, giới hạn chảy σs = 88 MPa, độ giãn dài tương đối δ = 28 % (trạng thái sau ủ). Ngoài ra, cần lưu ý rằng: sau khi hàn nổ các lớp nhôm Al-1050 và hợp kim nhôm AO9-2 bị biến cứng do va đập với lớp nền thép 08Kп đặt trên đế nổ cứng, nên cơ tính của chúng sẽ có giá trị nâng cao hơn so với ở trạng thái vật liệu đầu vào trước khi nổ; 2) Tổ chức tế vi tại vùng lân cận biên giới 2 lớp thép 08Kn và hợp kim nhôm AO9-2 được khảo sát theo phương pháp đã đề cập trong chương 2 báo cáo nàỵ
- Việc lấy mẫu để thử phá hủy xác định độ bền bám dính 2 lớp bimetal, mẫu khảo sát và chụp ảnh tổ chức tế vi, đo độ cứng thô đại thực hiện theo phương pháp đề xuất ở các công trình [8], [11] và cho trên hình 2.10 (chương 2). Độ bền bám dính 2 lớp vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm chịu mòn được xác định bằng cách thử kéo dứt mẫu tròn (hình 4.5 a) trong đồ gá chuyên dụng. Trên hình 4.5 b, c thể hiện ảnh chụp bề mặt phá hủy trên mẫu thử kéo dứt – hiện trạng mẫu thử phá hủy khi kéo trượt. Kết quả thử phá hủy mẫu xác định độ bền bám dính 2 lớp cho trong bảng 4.1.
a) b) c)
Hình 4.5. Ảnh chụp mẫu thử phá hủy xác định độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép 08Kп – hợp kim
nhôm (Al-1050 + AO9-2) bằng phương pháp kéo dứt (a); bề mặt vết phá hủy trên lớp nhôm Al-1050
(b); bề mặt vết phá hủy trên lớp thép 08Kп (c);
a) b) c)
Hình 4.6. Ảnh chụp mẫu thử phá hủy xác định độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép 08Kп – hợp kim
nhôm (Al-1050 + AO9-2) bằng phương pháp kéo trượt (a); hiện trạng phá hủy mẫu bimetal (b)
Trên hình 4.5 b,c thể hiện ảnh chụp bề mặt phá hủy trên mẫu thử kéo dứt, còn hình 4.6 a, b, c – hiện trạng mẫu thử phá hủy khi kéo trượt.
Bảng 4.1. Độ bền bám dính 2 lớp vật liệu bimetal thép 08Kп – hợp kim nhôm (Al-1050 + AO9-2) làm bạc trượt. Độ bền bám dính 2 lớp (σb.d, MPa) thép 08Kп – (Al-1050 + AO9-2) TT Mã sQH-ố TN Tốc độ va đập,vp, m/s Áp suất va đập, pk, GPa Năng lượng va đập,Wp, MJ/m2 Lần 1, σ1 Lần 2, σ2 Lần 3, σ3 TB: σb.d. Sai lệch BPTB, S2σ Phương sai, Sσ 1 000 871,4 2,164 108,20 55,012 54,954 55,233 55,0665 0,014 0,120 2 100 905,4 2,336 116,82 65,407 65,849 66,681 65,9791 0,279 0,528 3 200 937,9 2,507 125,36 73,268 73,167 74,069 73,5014 0,162 0,403 4 010 871,4 2,164 108,20 74,646 74,828 74,959 74,8111 0,016 0,128 5 110 905,4 2,336 116,82 76,246 76,128 77,180 76,5180 0,221 0,470 6 210 937,9 2,507 125,36 84,887 84,234 84,536 84,5524 0,071 0,266 7 020 871,4 2,164 108,20 81,987 82,467 82,272 82,2421 0,038 0,197 8 120 905,4 2,336 116,82 80,786 80,907 81,210 80,9678 0,031 0,178 9 220 937,9 2,507 125,36 66,208 66,987 66,199 66,4647 0,136 0,369
4.2.2. Mô hình hóa độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép 08Kn – hợp kim nhôm AO9-2 sau hàn nổ:
Từ các số liệu nhận được trong bảng 4.1 và nhờ trợ giúp của phần mềm tin học xử lý số liệu thống kê toán học thực nghiệm, đề tài đã xây dựng được đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số hàn nổ khảo sát (r, h và C) tới độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép – hợp kim nhôm chịu mòn làm bạc trượt ở dạng 3D như cho trên hình 4.7 dưới đâỵ
a) b)
Hình 4.7. Đồ thị mô phỏng sự phụ thuộc độ bám dính 2 lớp thép – nhôm vào các thông số nổ
ban đầu r; h và khi: r = 1,5 ÷ 1,7; h = 0,7 ÷ 1,0 và C = 0,8
Nhận xét:
- Từ bảng số liệu thực nghiệm trên đây cho thấy: các mẫu số Nọ1, Nọ2, Nọ3 có kích thước B1 x L1 = 65 x 200 mm, nhận được sau hàn nổ với các thông số: r = 1,5 ÷ 1,7; h = 0,7 ÷ 0,85; C = 0,8; mật độ rải thuốc nổ đảm bảo tốc độ nổ đo trực tiếp là D1 = vk1 = 2904,7 m/s; tốc độ va đập vp1 = 871,4 ÷ 905,45286; áp suất va đập pk1 ≈ 2,164 ÷ 2,507 GPa; năng lượng va đập Wp1≈ 108,2 ÷ 116,8278 MJ/m2.Độ bền bám dính 2 lớp bimetal trung bình trên các mẫu thí nghiệm này có xu hướng tăng tỷ lệ thuận theo chiều tăng của các thông số nổ và đạt giá trị trong khoảng: σb.d = 55,0665 ÷ 74,8111 MPa, tức lớn hơn mức tối thiểu cho phép đối với bạc trượt động cơ máy động lực là [σb.d]≥ 40 MPạ
- Từ đồ thị cho trên hình 7 a, b ta thấy khi C = 0,8; h = 0,7 ÷ 1,0; r = 1,5 ÷ 1,7 giá trị của độ bền bám dính tăng theo chiều tăng của các thông số h, r. Tuy nhiên mức độ ảnh hưởng của thông số r trong trường hợp này là lớn hơn so với thông số h và mức tăng giá trị của độ bền bám dính tăng là không lớn. Như vậy, các thông số r và h có ảnh hưởng mạnh tới độ bền bám dính 2 lớp bimetal sau hàn nổ, trong đó thông số r ảnh hưởng mạnh hơn thông số h. Điều đó phù hợp với các phân tích nhận xét nêu ở phần trên từ các số liệu cho trong bảng 4.1.
4.2.3. Tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp thép – (nhôm + hợp kim nhôm):
a) Phương pháp lấy mẫu: Từ các mẫu vật liệu bimetal thép 08Kп – nhôm Al-1050 – hợp kim nhôm AO9-2 nhận được sau hàn nổ đã cắt lấy mẫu theo quy trình giám định thử phá hủy xác định độ bền bám dính 2 lớp đồng thời với việc lấy mẫu nghiên cứu khảo sát tổ chức tế vi trên biên giới các lớp thép 08Kп – nhôm A-1050 và nhôm Al-1050 – hợp kim nhôm AO9-2 có đóng số ký hiệu mẫu khảo sát tương ứng.
Trên hình 4.8 a là các vị trí (1), (2) và (3) được cắt lấy mẫu thử phá hủy xác định độ bền bám dính 2 lớp bimetal dọc theo hướng nổ, đồng thời với mẫu khảo sát chụp ảnh tổ chức tế vi biên giới 2 lớp tương ứng với các mẫu thử phá hủy (hình 4.6 a, b, c).
1) 2) 3) Hướng nổ
a) Mẫu số 05A
b) c) d)
Hình 4.8. Xác định vị trí lấy mẫu thử phá hủy xác định độ bền bám dính 2 lớp bimetal (a) và
mẫu khảo sát tổ chức tế vi biên giới 2 lớp bimetal thép 08Kп – hợp kim nhôm (Al-1050 +
AO9-2) (b, c, d): 1) Đầu băng nổ (gần điểm đặt kíp nổ); 2) Giữa băng nổ; 3) Cuối băng nổ
b) Kết quả thí nghiệm: Tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp vật liệu khảo sát theo bề mặt liên kết thép 08Kп – (Al-1050 + AO9-2) sau hàn nổ trên một số mẫu thí nghiệm được thể hiện trên các hình 8 ÷ 10, còn hình 11 là ảnh chụp tổ chức tế vi 3 lớp vật liệu trên mẫu bạc trượt nhập khẩụ Phân tích kết quả trên các hình này cho thấy:
1) Biên giới liên kết giữa lớp nhôm lót trung gian Al-1050 và lớp hợp kim nhôm chịu mòn trên tất cả các mẫu khảo sát (hình 4.9 ÷ 4.12) đều rất tốt, có dạng sóng không ngậm tạp chất, nên chất lượng bám dính hai lớp này tương tự như mẫu nhập ngoại (hình 4.13);
2) Biên giới liên kết giữa 2 lớp thép 08Kп và lớp nhôm lót trung gian Al-1050 cũng đạt được khá tốt, không có lớp màng mỏng cấu trúc và liên kim loại ở các mẫu cho trên các hình 4.10 ÷ 4.12, do đó độ bền bám dính giữa chúng về nguyên lý tương đương độ bền lớp nhôm Al-1050 qua biến dạng. Riêng mẫu cho trên hình 8 biên giới 2 lớp 08Kп và lớp nhôm lót trung gian Al-1050 có phát hiện thấy một đoạn liên kim cục bộ, kích thước chiều dài của nó khoảng 100µm, còn chiều dày khoảng 20µm, nên cũng không gây ảnh hưởng đáng kể tới chất lượng bám dính giữa chúng;
3) Chất lượng mối hàn giữa 3 lớp thép – nhôm – hợp kim nhôm chịu mòn trên các mẫu này đều đạt tương đương với mẫu nhập ngoạị
a) (Mẫu số 1) b) (Mẫu số 1)
Hình 4.9. Ảnh chụp tổ chức tế vi biên giới 3 lớp vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm
chịu mòn làm bạc trượt: a) Biên giới thép 08Kп – (Al1050+AO9-2); b) Biên giới Al-1050-AO9-2
a) (Mẫu số 2) b) (Mẫu số 2)
Hình 4.10. Ảnh chụp tổ chức tế vi biên giới 3 lớp vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm
chịu mòn làm bạc trượt: a) Biên giới thép 08Kп – (Al1050+AO9-2); b) Biên giới Al-1050-AO9-2
a) (Mẫu số 3) b) (Mẫu số 3)
Hình 4.11. Ảnh chụp tổ chức tế vi biên giới 3 lớp vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm
chịu mòn làm bạc trượt: a) Biên giới thép 08Kп – (Al1050+AO9-2); b) Biên giới Al-1050-AO9-2
a) (Mẫu số 4) b) (Mẫu số 4)
Hình 4.12. Ảnh chụp tổ chức tế vi biên giới 3 lớp vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp kim nhôm
⇐ Hình 4.13. Ảnh chụp tổ chức tế vi biên
giới 3 lớp vật liệu trimetal thép – nhôm – hợp
kim nhôm chịu mòn trên mẫu bạc trượt nhập
ngoại, chế tạo bằng phương pháp cán dính
Nhận xét:
1) Đã tiến hành thực nghiệm nấu luyện, đúc, cán hợp kim nhôm chịu mòn (mác AO9-2) và hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal thép 08Kп – hợp kim nhôm (Al-1050 + AO9-2) theo bộ thông số nổ r, h, C trong miền điều chỉnh thích hợp là: r = 1,5 ÷ 1,7; h = 0,7 ÷ 1,0; C = 0,7 (tương ứng với tốc độ nổ của thuốc nổ D = 2.900 m/s). Kết quả đánh giá hình thái bề mặt lớp hợp kim nhôm AO9-2 trên băng bimetal sau hàn nổ đạt yêu cầu;
2) Đã tiến hành lấy mẫu vật liệu bimetal thép 08Kп – hợp kim nhôm (Al-1050 + AO9-2) để thử phá hủy xác định độ bền bám dính, cũng như nghiên cứu khảo sát chụp ảnh cấu trúc tế vi biên giới 2 lớp đối với 09 mẫu quy hoạch thực nghiệm sau hàn nổ, kết quả đạt yêu cầu kỹ thuật để chế tạo bạc trượt;
3) Đã tính toán xây dựng đồ thị ở dạng 3D biểu diễn quan hệ giữa độ bền bám dính các lớp vật liệu trimetal phụ thuộc vào bộ thông số nổ lựa chọn. Từ đó có thể chọn các chế độ hàn nổ thích hợp cho kết quả tốt nhất.
4.3. Tính chất của vật liệu bimetal 08Kn - hợp kim nhôm AO9-2 sau cán mỏng:
- Trong Chuyên đề 4 đề tài này đã đề cập đến một số kết quả giám định chất lượng phôi vật liệu bimetal thép 08Kп – hợp kim nhôm (Al-1050 + AO9-2) nhận được theo quy hoạch thực nghiệm ở tất cả 9 chế độ thí nghiệm, gồm các chỉ tiêu chính như: độ bền bám dính 2 lớp bimetal; tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp kim loại hàn nổ (thép 08Kп và hợp kim nhôm (Al-1050 + AO9-2); hình thái bề mặt lớp hợp kim AO9-2 trên mẫu vật liệu bimetal hàn nổ. Từ đó cho thấy: ứng với mỗi chế độ hàn nổ khác nhau trong quy hoạch thực nghiệm ta nhận được vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm chịu mòn có mức chất lượng tổng hợp (ngay sau khi hàn nổ) khác nhau .
- Để hiểu rõ bản chất thay đổi tổ chức kim loại và tính chất vật liệu bimetal nói chung trong quá trình biến dạng dẻo bằng phương pháp cán nguội cần có những khảo sát tổ chức kim loại hai lớp thép 08Kп và hợp kim nhôm (Al-1050 + AO9-2), cũng như vùng lân cận biên giới giữa chúng trên một vài mẫu vật liệu bimetal điển hình nhận được sau hàn nổ. Trong phần này giới thiệu một số ảnh chụp tổ chức kim loại hai lớp thép và hợp kim nhôm cũng như kết quả đo độ cứng tế vi ở vùng lân cận biên giới của chúng trên một số mẫu vật liệu bimetal khảo sát ở trạng thái sau hàn nổ và đã qua một số bước biến dạng dẻo bằng phương pháp cán nguội trên máy cán 2 trục D150 của Công ty TNHH MTV Cơ khí Ngô Gia Tự.
- Trên hình 4.14 là ảnh chụp tổ chức tế vi tại biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép 08Kп – hợp kim nhôm (Al-1050 + AO9-2) ngay sau khi hàn nổ ở một vài chế độ thích hợp. Phân tích kết quả thực nghiệm ở đây cho thấy:
a) Mẫu số 6, Mã số QHTN: 210 , x 200 b) Mẫu số 7, Mã số QHTN: 020 , x 200
c) Mẫu số 8, Mã số QHTN: 120 , x 200 d) Mẫu số 9, Mã số QHTN: 220 , x 200
Hình 4.14. Ảnh chụp tổ chức tế vi biên giới liên kết 2 lớp vật liệu bimetal thép 08Kп – hợp
kim nhôm (Al-1050 + AO9-2) sau hàn nổ làm đầu vào cho quá trình cán nguội
a)x200, Biên giới (08Kn + Al) – AO9-2 b) x200, Biên giới (08Kn + Al) – AO9-2
Hình 4.15. Ảnh chụp tổ chức tế vi biên giới 2 lớp nhôm + hợp kim nhôm sau hàn nổ:
a) Mẫu số 7, Mã số QHTN: 020 , x 200; b) Mẫu số 8, Mã số QHTN: 120 , x 200
- Tổ chức tế vi tại biên giới giữa hai lớp nhôm trên băng thép 08Kп – nhôm Al đã hàn nổ trước đó với lớp hợp kim nhôm AO9-2 hàn nổ lần 2 vào lớp nhôm Al cho trên hình 4.15.
- Phân tích kết quả thí nghiệm cho trên hình 4.14 và hình 4.15 cho thấy:
+ Biên giới giữa các lớp kim loại (thép, nhôm và hợp kim nhôm) sau khi hàn nổ ở các chế độ thích hợp có đặc điểm liên kết kim loại giữa chúng sạch, tuy có một vài đoạn cục bộ
liên kim loại dạng Fe – Al, nhưng phân bố không liên tục, nên vẫn đảm bảo độ bền bám dính tốt giữa chúng. các vùng liên kim cục bộ này về bản chất là điểm đặc trưng của công nghệ hàn nổ, không thể tránh khỏị
+ Tại biên giới 2 lớp thép 08Kп và hợp kim nhôm (Al + AO9-2) có một vài đoạn liên kim loại cục bộ khá rõ nét với kích thước chiều dài dọc theo biên giới 2 lớp khoảng 5 µm ≤ l ≤ 30 µm và chiều rộng 2 µm ≤ b ≤ 8 µm , nhưng phân bố không liên tục, điều đó không làm giảm đáng kể độ bền bám dính giữa chúng. Kích thước biên độ sóng âm liên kết 2 lớp vật liệu bimetal trong các trường hợp này đạt trong khoảng 5 µm ≤ aλ≤ 15 µm, điều đó làm tăng diện tích tiếp xúc thực tế giữa 2 lớp kim loại sau hàn nổ đang xét (Fh
tx), dẫn tới nâng cao độ bền bám dính giữa chúng so với mẫu qua biến dạng cán (Fctx);
+ Biên giới liên kết giữa hai lớp nhôm trung gian (Al) và hợp kim nhôm (AO9-2) hoàn toàn sạch, kích thước biên độ sóng âm liên kết giữa chúng sau hàn nổ còn lớn hợp so với tại biên giới giữa hợp kim nhôm (Al + AO9-2) với lớp thép 08Kп, đạt trong khoảng 10 µm ≤ aλ≤ 20 µm, điều này dễ hiểu vì 2 lớp vật liệu này có tính chất vật lý (mạng tinh thể) gần giống nhau nên hàn tốt với nhaụ
- Từ hình 3.11 (chương 3), hình 4.16 và hình 4.17 cho thấy: biên giới liên kết kim loại giữa lớp nhôm trung gian (Al) đã hàn dính với lơp thép 08Kп và lớp hợp kim nhôm (A09- 2) sau khi bị biến dạng dẻo bằng phương pháp cán vẫn giữ được đặc tính liên kết sạch, ít tạp chất trên đường biên. Kích thước biên độ sóng âm liên kết giữa chúng giảm rõ rệt sau khi cán đạt mức độ tổng biến dạng dẻo tương đối εΣ≅ 40 % và có giá trị trong khoảng 3 µm ≤ aλ≤ 6 µm. Điều đó chứng tỏ rằng do lớp vật liệu tổ hợp (Al + AO9-2) có độ dẻo cao hơn nhiều so với lớp thép 08Kп, nên chúng bị biến dạng dẻo mạnh hơn, kết quả là mẫu vật liệu bimetal thép – hợp kim nhôm chịu mòn có xu hướng uốn cong theo chiều lớp thép bị uốn vào trong (hình 3.11 b, chương 3). Độ bền bám dính giữa các lớp vật liệu hàn nổ và qua cán nguội vẫn đảm bảo, vì không có hiện tương bong tróc lớp hợp kim nhôm khỏi lớp nền thép trong quá trình cán nguộị Điều đó đủ để khẳng định chất lượng bám dính của vật liệu bimetal rất tốt;