5.7.2. c ng t i vùng liên k t có l p IMC:
K t qu đo đ c ng t vi c a liên k t t i vùng có l p IMC (hình 5.10) đ c trình bày trong b ng 5.4 d i đây. Chúng ta th y r ng l p IMC có đ c ng r t l n (g n 900 HV), do v y mà liên k t nào có chi u dày l p IMC l n thì kh n ng ch u t i s kém, đ c bi t là t i tr ng đ ng hay t i va đ p. C ng chính vì v y mà c n ph i kh ng ch chi u dày c a l p IMC này m c t i thi u đ nâng cao kh n ng làm vi c c a liên k t.So v i các giá tr đ c ng trong b ng 2.6 thì đ c ng t vi c a l p IMC trong tr ng h p này m c trung bình.
Hình 5.10 c ng t vi t i vùng liên k t
có l p IMC (x500)
5.8. Nghiên c u c u trúc siêu t vi, thành ph n h p kim c a l p IMC & vùng liên k t gi a KLMH v i t m thép CCT38 b ng các k thu t SEM và EDS
tránh lãng phí không c n thi t, d i đây s ch đi sâu phân tích và đánh giá các k t qu hàn trên m u ch đ hàn s 5( ng v i n ng l ng đ ng q = 680 J/mm).
5.8.1. C u trúc siêu t vi d i kính hi n vi đi n t quét (SEM):
Ti n hành mài và đánh bóng m u m c đ siêu s ch, ph ngvà bóng, r i đem t m th c và soi d i kính hi n vi đi n t d ng quét (SEM) trên 4 vùng đ c tr ng c a liên k t hàn đ t yêu c u, ta nh n đ c các k t qu trên hình 5.11 d i đây.
B ng 5.3 c ng t i vùng liên k t không có l p IMC không có l p IMC V trí đo Giá tr HV T1 171 T2 174 T3 178 T4 190 BT1 130 B1 88 B2 87 M1 73 B ng 5.4 c ng t i vùng liên k t có l p IMC V trí đo Giá tr HV T1 176 T2 174 T3 180 BT1 454 IMC1 876 IMC2 883 BM1 169 BM2 213 BM3 330 M1 80
96
a) Vùng liên kim đ u (phía 1, x4000) b) Vùng liên kim phân tán (phía 2, x4000)
c) Vùng không có liên kim (m t vát, x6500) d) Vùng ch a ôxit s t (m t đáy, x3500)
Hình 5.11C u trúc siêu t vi c a vùng liên k t gi a KLMH và t m thép CCT38 d i kính hi n vi đi n t quét (SEM)
Hình 5.11a là k t qu phóng đ i 4000 l n t i vùng liên k t gi a KLMH v i m t đ ng c a t m thép CCT38 khi hàn phía th nh t. Chúng ta th y r ng c u trúc kim lo i liên t c và không có khuy t t t. L p liên kim khá đ u và có chi u dày trung bình ch kho ng 6 µm, nh h n nhi u so v i giá tr gi i h n nh đã tìm hi u trong ch ng t ng quan. Ngh a là liên k t s có c tính t t.
Hình 5.11b là k t qu phóng đ i 4000 l n t i vùng liên k t gi a m t đ ng c a t m thép CCT38 v i KLMH khi hàn phía th hai. C ng gi ng nh k t qu soi trên kính hi n vi quang h c, chúng ta th y r ng c u trúc kim lo i liên t c và không có khuy t t t. L p liên kim IMC phát tri n trong vùng KLMH và trong tr ng h p này c ng có chi u dày kho ng 6 µm, nh ng l i phân b phân tán nên r t có l i v m t c tính. Hình nh này c ngch ng minh gi thuy t đ a ra m c 2.3.3 là đúng.
Hình 5.11c là k t qu phóng đ i 6500 l n t i vùng liên k t gi a KLMH và m t vát c a t m thép CCT38 khi hàn phía th nh t. Chúng ta th y r ng c u trúc kim lo i liên t c và đ c bi t là không xu t hi n t ch c IMC do th i gian khu ch tán đ nh đ cho l ng nguyên t Fe khu ch tán sang KLMH và nguyên t Al khu ch tán sang t m thép CCT38 ch a v t quá gi i h n hòa tan bão hòa thành dung d ch đ c. Liên k t d ng này s có c tính t t h n so v i v trí có l p IMC. Các k t qu trên các hình 5.11a, 5.11b và 5.11c c ng ch ng minh r ng hoàn toàn đã t o ra đ c s liên k t kim lo i gi a KLMH v i t m thép CCT38 nh k v ng đ t ra.
97
Trên hình 5.11d là k t qu phóng đ i 3500 l n t i vùng m t đáy c a liên k t hàn khi hàn c ng v i n ng l ng đ ng 680 J/mm nh ng đ khe h hàn nh (< 1 mm). Chúng ta th y r ng c u trúc kim lo i không liên t c do có l p màng ôxit ng n cách gi a KLMH và t m thép CCT38. Xu t hi n v t n t liên t c t i b m t ti p giáp gi a l p ôxit s t và t m thép. V t n t này r t nh ( m c siêu t vi) nênkính hi n vi quang h c (v i đ phóng đ i x500) không phát hi n ra (hình 5.3a). i u này đ t ra v n đ là c n thi t ph i s d ng ph ng pháp ch p nh b ng hi n vi đi n t (SEM) đ ki m tra ch t l ng hàn. N u ch ch p nh b ng hi n vi quang h c hay ki m tra b ng ch p nh b c x (RT) thì có th d n t i tình tr ng b sót khuy t t t quan tr ng!.
5.8.2. Phân tích thành ph n nguyên t b ng k thu t EDS:
xác đ nh thành ph n kim lo i c th trong t ch c IMC và trong vùng nghi là ôxit s t (hình 5.11d), tác gi s d ng k thu t phân tích ph tán s c n ng l ng tia X (EDS). Thông qua ph tán s c n ng l ng tia X thu đ c do s b n phá c a đi n t vào các v trí kh o sát s cho bi t thành ph n hóa h c chính xác t i các v trí b n phá đó.
Các v trí kh o sát và thành ph n kim lo i t ng ng đ c trình bày trong hình 5.12 d i đây. Trong đó, v trí kh o sát s 1 (Spectrum 1) n m gi a l p IMC, v trí kh o sát s 2 (Spectrum 2) n m trong l p IMC và sát t m thép CCT38 còn v trí kh o sát s 3 (Spectrum 3) c ng thu c l p IMC nh ng xa b m t gianh gi i v i t m thép CCT38.
a) L p IMC và các v trí kh o sát thành ph n b) Thành ph n kim lo i v trí 1
c) Thành ph n kim lo i v trí 2 d) Thành ph n kim lo i v trí 3
Hình 5.12Phân tích thành ph n kim lo i trong l p IMC
K t qu phân tích thành ph n hóa h c c a l p IMC đ c th hi n rõ trong hình 5.12 t b) đ n d). Trong đó cho th y r ng l p IMC có ch a 3 nguyên t là Al, Fe và Si, ngh a là l p IMC này là h p ch t hóa h c 3 nguyên AlxFeySizch không ph i là h p ch t 2 nguyên FexAly. T i v trí 1 có hàm l ng Al=57,2%; Fe=41,1%; Si=1,7%. V trí kh o sát s 2 có hàm l ng Al=48,7%; Fe=47,6%; Si=3,7%. V trí kh o sát s 3 có hàm l ng Al=59,9%; Fe=33,4% và Si=6,7%. Ngh a là càng sát v i t m thép thì hàm l ng Fe càng cao, trong khi chi u gi m n ng đ c a Al theo chi u ng c l i.
98
a) L p ôxit s t và v trí kh o sát thành ph n b) Thành ph n nguyên t v trí 5
Hình 5.13Phân tích thành ph n nguyên t trong l p ôxit s t
Trên hình 5.13 là k t qu phân tích thành ph n c th c a l p ôxit s t t i m t đáy liên k t khi đ khe h hàn quá h p (< 1 mm). K t qu phân tích t i v trí 5 cho th y r ng t i đây rõ ràng ch t n t i các nguyên t s t và ôxy. Thành ph n hóa h c đo đ c t i v trí này g m hàm l ng c a Fe là 81,1% trong khi hàm l ng ôxy là 18,9%.
Nh v y khi hàn không nên đ khe h hàn quá bé d n đ n hi n t ng k t x do không làm s ch đ c tri t đ b m t t m thép khi hàn phía th 2. K t h p v i k t qu đã tìm ra trong nghiên c u m c 5.3 (hình 5.3d), tác gi khuy n cáo nênvát mép t m thép d ng l n cong, vát l ch v phía m i hàn th nh t, đ m t đáy nh và vê tròn các góc nh th hi n trong hình 5.6b. ây là m t phát hi nm i, có ý ngh a r t cao trong th c ti n hàn liên k t hybrid nhôm – thép d ng ch Tth c hi n c 2 phía.
5.9. Nghiên c u quá trình khu ch tán kim lo i trong liên k t hàn nhôm – thép
b ng ph tán s c n ng l ng tia X
tìm hi u v quá trình khu ch tán kim lo i và ti t pha liên kim vùng gianh gi i gi a KLMH và t m thép CCT38 nh m m c đích tìm hi u k v b n ch t và c ch hình thành liên k t hàn hybrid nhôm – thép nh đ tài lu n án đ c p c ng nh ch ng minh gi thuy t đã đ a ra m c 2.3.3, tác gi áp d ng k thu t phân tích EDS trên toàn b b m t c a vùng liên k t gi a KLMH và t m thép CCT38. D i đây s trình bày các k t qu nghiên c u v quá trình khu ch tán kim lo i t i hai vùng đ c tr ng trong liên k t hàn hybrid nhôm – thép b ng quá trình hàn TIG đã th c hi n trên.
5.9.1. Khu ch tán kim lo i t i vùng không ch a l p IMC:
EDS là k thu t vi phân tích tiên ti n, hi n đ i và có đ chính xác r t cao dùng đ nghiên c u s phân b c a các nguyên t trong vùng b m t v t ch t kh o sát. B ng vi c b n phá đi n t trên toàn b b m t c a v t ch t kh o sát s thu đ c m t vùng ph tán s c n ng l ng tia X trên toàn b b m t kh o sát đó. Thông qua s t ng tác khác nhau c a electron v i các nguyên t khác lo i, thi t b phân tích EDS s hi n th lên m t hình nh d i d ng Mapping mô t s phân b (v trí và m t đ phân b ) c a các nguyên t trong toàn b di n tích kh o sát. Nh đó giúp chúng ta có th đánh giá đ c kh n ng và quá trình khu ch tán c a các nguyên t trong vùng di n tích v t ch t kh o sát đó.
K t qu phân tích EDS trong vùng liên k t gi a KLMH và t m thép CCT38, t i n i không xu t hi n pha liên kim IMC đ c th hi n b ng hình nh Mapping nh mô t trong hình 5.14a. Trong tr ng h p này, k t qu đ a ra cho th y r ng trong toàn b vùng di n tích kh o sát ch có m t c a 4 nguyên t đó là Al, Fe, Si và C. i u này c ng ph n ánh đúng v i th c t s d ng v t li u (g m thép CCT38 và nhôm AA1100).
99
Phân tích hình nh trên hình 5.14a cho chúng ta th y r ng có s di chuy n (khu ch tán) c a các nguyên t Fe, Al, Si và C trong vùng kh o sát này. Trong đó, các nguyên t Fe (màu xanh lá cây) và các nguyên t C (màu xanh l ) di chuy n t t m thép CCT38 sang KLMH, còn các nguyên t Al (màu đ ) cùng v i các nguyên t Si (màu xanh n c bi n) di chuy n t KLMH sang t m thép CCT38. T l ph n tr m v kh i l ng c a các nguyên t kim lo i xét trong toàn b nh ph đ c th hi n trong hình 5.14c (Al=48%, Fe=46%, C=5%, Si=1%) và c u trúc siêu t vi nhìn d i kính hi n vi đi n t quét (SEM) c a vùng kim lo i kh o sát đ c th hi n trong hình 5.14b.
Quan sát t i biên gi i gi a KLMH và t m thép CCT38 trên hình 5.14a chúng ta th y r t rõ r ng các nguyên t Fe tràn sang vùng KLMH nhi u h n so v i các nguyên t Al di chuy n sang t m thép CCT38. i u này là minh ch ng rõ nét cho gi thuy t v quá trình khu ch tán c a các nguyên t Fe và Al nh đã nêu trong m c 2.3.3
a) Ph phân b các nguyên t trong vùng liên k t không ch a l p IMC
b) C u trúc siêu t vi vùng liên k t không IMC c) Hàm l ng các nguyên t trong nh ph
Hình 5.14Ph phân b các nguyên t trong vùng liên k t không ch a l p IMC
nh n bi t rõ h n v s khu ch tán c a t ng nguyên t trong vùng di n tích kh o sát, thi t b phân tích ph EDS còn đ a ra các hình nh ph phân b riêng bi t c a t ng nguyên t có m t trong đó(b ng cách n đi các nguyên t c a các nguyên t khác d i d ng n n màu đen). K t qu phân tích trong tr ng h p này đ c th hi n trong hình 5.15 d i đây.
K t qu đ a ra trên hình 5.15a cho th y r t rõ r ng trong tr ng h p này các nguyên t Al khu ch tán t KLMH sang t m thép v i m t l ng r t nh . i u này có th đ c lý gi i vì môi tr ng khu ch tán (t m thép CCT38) tr ng thái r n nên đi u ki n khu ch tán khó
100
kh n h n, trong khi th i gian khu ch tán hi u qu l i nh (kho ng 6 giây). C ng trong kho ng th i gian đó, k t qu trên hình 5.15b cho th y r ng các nguyên t Fe khu ch tán t t m thép CCT38 vào trong KLMH nhi u h n so v i các nguyên t Al khu ch tán sang t m thép. i u này có th đ c lý gi i vì môi tr ng khu ch tán (KLMH) tr ng thái l ng nên đi u ki n khu ch tán d dàng h n.Ngh a làgi thuy t trong m c 2.3.3 đã đ c c ng c .
Nh v y, đi u ki n và môi tr ng khu ch tán kim lo i khi hàn nhôm v i thép b ng quá trình hàn TIG nói riêng và b ng h quang nói chung là r t b t l i, b i l Al có kh n ng hòa tan vào Fe nhi u (kho ng 12%, hình 2.12) thì l i khu ch tán ít, còn Fe có kh n ng hòa tan vào Al r t ít (t i đa 0,05%, hình 2.10) thì l i khu ch tán nhi u. Do đó mà kh n ng hình thành các pha liên kim IMC là r t khó tránh kh i. i u này c ng gi i thích lý do hàn nhôm v i thép tr ng thái r n (solid state) nh các quá trình hàn n , hàn ma sát, hàn xung t hay hàn khu ch tán s choch t l ng t t h n so v i các quá trình hàn tr ng thái nóng ch y nh hàn Laser và hàn h quang.
Do hàm l ng c a Si và C trong kim lo i r t nh nên l ng nguyên t khu ch tán c a Si và C trong các hình 5.15 c) và d) là không l n, nên phân b c a các nguyên t Si và C gi a các vùng KLMH và t m thép có chênh l ch nhau không nhi u. Riêng đ i v i nguyên t Si, do trong KLMH có t n t i các h t Si d i d ng tinh th cho nên chúng ta nhìn th y các c m nguyên t Si t i m t s v trí trên hình 5.15c.
a) Ph phân b c a nguyên t Al b) Ph phân b c a nguyên t Fe
c) Ph phân b c a nguyên t Si d) Ph phân b c a nguyên t C
101
Các hình nh trên hình 5.14 và 5.15 ch y u có tính ch t đ nh tính, cho phép chúng ta có cái nhìn t ng quát và s b v quá trình khu ch tán. Mu n bi t đ c chính xác m c đ khu ch tán kim lo i, chúng ta c n ph i đo đ c v m t đ nhl ng. K t qu phân tích thành ph n kim lo i t i các v tríc n kh o sát trên hình 5.16b đ c th hi n trên hình 5.16c và 5.16d. đây hai v trí kh o sát đ u n m cách biên gi i gi a KLMH và t m thép m t kho ng cách b ng nhau (4 µm).
K t qu phân tích t i v trí kh o sát s 1 thu c vùng KLMH cho th y hàm l ng Fe là 2,4%, còn t i v trí kh o sát s 2 thu c t m thép CCT38 cho bi t hàm l ng Al ch là 0,3%. Ngh a là gi thuy t m c 2.3.3 c ng đ c c ng c thêm ch ng c .
a) Ph phân b các nguyên t trong vùng liên k t b) C u trúc siêu t vi vùng liên k t không có IMC
c) Thành ph n h p kim t i v trí 1 d) Thành ph n h p kim t i v trí 2
Hình 5.16Thành ph n nguyên t t i các v trí kh o sát trong vùng liên k t không ch a l p IMC
5.9.2. Khu ch tán kim lo i t i vùng có l p IMC:
K t qu phân tích EDS trong vùng liên k t gi a t m thép CCT38 và KLMH t i n i có pha liên kim IMC đ c th hi n trong hình 5.17 d i đây. Trong đó, hình nh Mapping hình 5.17a c ng cho th y r ng trong toàn b vùng di n tích kh o sát ch có m t c a 4