Luận án nghiên cứu ứng dụng chuyển biến mactenxit trong hệ hợp kim đồng nhôm

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
Mục đích của luận án ............................................................................................................... 1
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ......................................................................... 1
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: .............................................................................. 2
Phương pháp nghiên cứu : ....................................................................................................... 2
Nội dung bố cục luận án .......................................................................................................... 2

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM ĐỒNG NHÔM ............................... 3
1.1.

Giới thiệu về hợp kim Cu-Al ..................................................................................... 3

1.2.

Lịch sử ra đời hợp kim Cu-Al .................................................................................... 5

1.3.

Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Cu-Al-Fe và Cu-Al-Fe-Ni........................... 7

1.4.

Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam............................................................................ 19

1.5.

Vấn đề tồn tại và mục tiêu nghiên cứu luận án hướng tới ......................................... 20

CHƢƠNG II. CƠ SỞ VỀ HỢP KIM HÓA, XỬ LÝ NHIỆT CHUYỂN PHA
VÀ TẠO TỔ CHỨC TRONG HỢP KIM Cu-Al-Fe VÀ Cu-Al-Fe-Ni ............. 22

2.1. Vai trò và ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến tính chất hợp kim đồng nhôm CuAl-Fe và Cu-Al-Fe-Ni ....................................................................................................... 22
2.2. Đặc điểm về chuyển pha và tổ chức trong hệ hợp kim ba nguyên Cu-Al-Fe và Cu-AlFe-Ni 25
2.3.

Đặc điểm chuyển biến mactenxit trong hợp kim đồng Cu-Al-Fe và Cu-Al-Fe-Ni. .. 31

2.4. Cơ sở hợp xử lý nhiệt hợp kim đồng Cu-Al-Fe và Cu-Al-Fe-Ni cho mục đích tăng cơ
tính. 36
2.5. Vai trị của chuyển biến mactenxit trong ứng dụng chịu mài mòn và hiệu ứng nhớ
hình cho hợp kim đồng Cu-Al-Fe và Cu-Al-Fe-Ni. ........................................................... 38

CHƢƠNG III. THÍ NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............. 51
3.1.

Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 51

3.2.

Quá trình chuẩn bị mẫu nghiên cứu ......................................................................... 51

3.3.

Quá trình xử lý nhiệt ............................................................................................... 51

3.4.

Các phương pháp nghiên cứu tổ chức và cấu trúc .................................................... 52

3.5.

Các phương pháp đánh giá cơ tính ........................................................................... 55

3.6.

Phương pháp nghiên cứu hiệu ứng nhớ hình ............................................................ 56

I


CHƢƠNG IV. KẾT QUẢ VỀ CHUYỂN PHA TRONG HỆ HỢP KIM ĐỒNG
CuAl9Fe4, CuAl9Fe4Ni2 VÀ VAI TRÒ CỦA CHUYỂN PHA MACTENXIT
TRONG HỢP KIM ............................................................................................. 58
4.1.

Phân tích tổ chức hợp kim sau đúc.......................................................................... 58

4.2.

Phân tích tổ chức tế vi sau tơi .................................................................................. 61

4.3.

Phân tích tổ chức tế vi sau hóa già ........................................................................... 68

4.4. Phân tích sự phân hủy tổ chức pha mactenxit hợp kim CuAl9Fe4 khi thay đổi chế độ
hóa già ............................................................................................................................... 76
4.5. Phân tích sự phân hủy tổ chức pha mactenxit hợp kim CuAl9Fe4Ni2 khi thay đổi chế
độ hóa già .......................................................................................................................... 83
4.6.

Phân tích chuyển pha hợp kim khi thực hiện biến dạng kết hợp với xử lý nhiệt ........ 88

CHƢƠNG V: KẾT QUẢ ỨNG DỤNG HAI HỢP KIM CHO CHỊU MÀI
MÒN VÀ HIỆU ỨNG NHỚ HÌNH .................................................................... 97
5.1.

Kết quả mài mịn ..................................................................................................... 97

5.2.

Kết quả nhớ hình ....................................................................................................105

5.3.

Ứng dụng của hai mác hợp kim nghiên cứu trong thực tế .......................................107

KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................ 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................. 114

II


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Mđ – Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến Mactenxit
Mk – Nhiệt độ kết thúc chuyển biến Mactenxit
γ – pha điện tử Cu9Al4
β – Dung dich rắn Cu3Al
β’ – Pha mactenxit chuyển từ β thành β’
α – Dung dịch rắn của đồng trong hợp kim
Mn – nguyên tố Mangan

Ti – nguyên tố Titan
Ni – nguyên tố Niken
Fe – nguyên tố sắt
Fe(δ) – Pha liên kim Fe3Al
K1,2,3,4 : Các pha liên kim Niken-nhôm
FCC – mạng lập phương tâm mặt
BCC – mạng lập phương tâm khối
TEM – hiển vi điện tử truyền qua
SEM – hiển vi điện tử quét
FESEM – hiển vi điện tử quét phân giải cao
EDS – phương pháp vi phân tích nguyên tố
NL – nhiệt luyện
ζe – giới hạn đàn hồi
d – là khoảng cách giữa các mặt tinh thể (hkl)
θ – là góc nhiễu xạ
λ – là chiều dài bước sóng của chùm tia phân tích

III


DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1.1: Thành phần mẫu hợp kim nghiên cứu [1]

5

Bảng 1.2 : Độ cứng tế vi của các pha

10

Bảng 1.3: Tốc độ ăn mòn của hợp kim khi xử lý ở các chế độ khác nhau

11

Bảng 1.4: Biểu thị sự thay đổi nhiệt độ chuyển biến khi các hợp kim có tỷ lệ Cu/Fe
khơng đổi cịn thành phần của Al thì thay đổi.

12

Bảng 2.1: Cơ tính của của đồng kỹ thuật M1 [1.2]

25

Bảng 2.2: Thành phần hóa học và cơ tính của brơng thiếc [1.2]

27

Bảng 2.3: Thành phần các pha và thông số tinh thể của chúng trong hợp kim đồng
thanh nhơm CuAl10Fe3
Bảng 2.4: Độ hịa tan của sắt trong các pha khác nhau thay đổi theo nhiệt độ
Nhật theo tiêu chuẩn JIS G5131-91

36
36

Bảng 2.5: Phân loại các dạng mài mịn

39

Bảng 2.6: Xử lý nhiệt điển hình và kết quả tính chất của brơng nhơm α-β

58

Bảng 3.1. Thành phần hóa học của mẫu hợp kim đúc CuAl9Fe4, CuAl9Fe4Ni2

64

Bảng 5.1: Giá trị độ cứng tại các chế độ khác nhau

108

Bảng 5.2: Bảng độ hụt khối của mẫu

110

Bảng 5.3: Bảng giá trị độ cứng

112

Bảng 5.4. Độ hụt khối ở các chế độ khác nhau

114

Bảng 5.5 Lượng nhớ hình thu được sau thí nghiệm nhớ hình của HK CuAl9Fe4
Bảng 5.6 Lượng nhớ hình thu được sau thí nghiệm nhớ hình của HK CuAl9Fe4Ni2

IV

115
116

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. 1: Giản đồ Cu-Al (a) và ảnh hưởng của nhôm đến cơ tính (b) ........................................ 3
Hình 1. 2: Kiểu mạng lập phương tâm mặt của pha α ................................................................. 4
Hình 1. 3: Kiểu mạng lập phương tâm khối với cấu trúc DO3 của pha β...................................... 4
Hình 1. 4: Kiểu mạng lập phương phức tạp cP52 của hợp chất điện tử Cu9Al4 ............................ 4
Hình 1. 5: Những sản phẩm đầu tiên trong lịch sử chế tạo từ đồng thanh nhơm .......................... 5
Hình 1. 7: Giới hạn bền, độ dãn dài và độ dai phá hủy của hợp kim đúc ở các nhiệt độ thử
nghiệm. ....................................................................................................................................... 8
Hình 1. 6: Độ cứng của hợp kim đúc với thành phần Al khác nhau. ............................................ 8
Hình 1. 8: Mơ tả các dạng của pha κ (hình a) và hình thái ; phân bố của pha κ ở tổ chức của
BA1055 sau đúc (b) ; ảnh SEM (c)[10] ....................................................................................... 9
Hình 1. 9: Giản đồ cân bằng pha [11] ....................................................................................... 10
Hình 1. 10: Tổ chức tế vi của hợp kim CuAl11Fe5Ni6[11] ....................................................... 10
Hình 1. 11: Sự hình thành pha của hợp kim Cu-Al-Fe-Ni theo nhiệt độ .................................... 10
Hình 1. 12: Tổ chức tế vi của FSP NAB và sau xử lý nhiệt ....................................................... 11
Hình 1. 13: Ảnh TEM (a) và (d) hợp kim FSP NAB và sau xử lý nhiệt bằng phương pháp ủ (b)
và (e) trong 02 giờ ; (c) và (f) trong 04 giờ [12] ......................................................................... 12
Hình 1. 14: Tổ chức tế vi của hợp kim CuAl9Fe4 ..................................................................... 13
Hình 1. 15: Ảnh hiển vi điện tử chụp giai đoạn dầu của sự gia tăng tải theo hướng [110].......... 14
Hình 1. 16: Biểu thị sự thay đổi nhiệt độ chuyển biến khi các hợp kim có tỷ lệ Cu/Fe khơng đổi
cịn thành phần của Al thì thay đổi .[16] .................................................................................... 15
Hình 1. 17: Tổ chức tế vi của các hợp kim với tỷ lệ Cu/Fe không đổi và thành phần Al thay đổi
[16] ........................................................................................................................................... 16
Hình 1. 18: Độ cứng HV của hợp kim C95200 và C95300 khi khơng hóa già và hóa già ở các
nhiệt độ khác nhau .................................................................................................................... 17
Hình 1. 19: (a) Hợp kim C95200 (b) C95300 xử lý nhiệt ở 9000C trong 30 phút tơi nước hóa già
ở 3500C trong 120 phút và tơi nước ........................................................................................... 17
Hình 1. 20: Độ cứng mài mòn của hợp kim C95200 và C95300 khi khơng hóa già và hóa già ở

các nhiệt độ khác nhau dưới tác dụng tải 50N và tốc độ mài mịn 1m/s...................................... 17
Hình 1. 21: Ảnh hưởng nhiệt độ hóa già đến hệ số ma sát dưới tác dụng tải 30N và tốc độ mài
mòn 1m/s .................................................................................................................................. 18
Hình 1. 22: Bề mặt mài mịn của hợp kim C95200 hóa già: (a) ở 2500C; (b) ở 3500C, x500...... 18
Hình 1. 23: Bề mặt mài mịn của hợp kim C95300 hóa già: (a) ở 2500C; (b) ở 3500C, x500...... 18
Hình 1. 24: Bề mặt mài mịn của hợp kim C95300 hóa già: (a) ở 2500C; (b) ở 3500C, x500...... 18
Hình 1. 25: Ứng dụng hợp kim Cu-Al trong các chi tiết bánh răng và máy móc chính xác ........ 19
Hình 1. 26: Hợp kim ổ trượt làm việc trong mơi trường nhiệt độ cao ........................................ 19
Hình 2. 1: Ảnh hưởng của nhơm, sắt, niken tới cơ tính trong đồng thanh nhơm ........................ 22
Hình 2. 2: Tổ chức Cu-Al trạng thái ủ (a) và nguội nhanh (b) ................................................... 23
Hình 2. 3: Ảnh hưởng của mangan tới cơ tính trong đồng thanh nhôm ..................................... 24
V


Hình 2. 4: Ảnh hưởng của Mn và Ni đến tổ chức của Brong nhơm ........................................... 25
Hình 2. 5: Mặt cắt đứng hệ hợp kim 3 nguyên Cu-Al-Fe tại vị trí 3% và 5% Fe [27] ................ 26
Hình 2. 6: Ảnh hiển vi nghiên cứu tổ chức hợp kim đồng thanh nhôm (8,6%Al và 3,2%Fe) khi
làm nguội liên tục từ 10000C: a) Tôi ở 10000C ; b) Tôi ở 9000C; c) Tôi ở 8600C; d) Tôi ở 8000C;
e) Tôi ở 5500C .......................................................................................................................... 27
Hình 2. 7: Tổ chức đúc của hợp kim đồng thanh nhơm (8,6%Al và 3,2%Fe) ............................ 27
Hình 2. 8: Ảnh hưởng của các nhiệt độ nung khuôn khác nhau ban đầu tới tổ chức của hợp kim
CuAl10Fe3: a) 4000C – có lớp áo khn graphit 0,01mm; b) 2800C- lớp áo khuôn graphit
0,01mm; c) 1500C- lớp áo khuôn graphit 0,01mm; d) Không nung trước- lớp áo khuôn graphit
0,1mm; e) Có tơi nước .............................................................................................................. 29
Hình 2. 9: Ảnh hưởng của các nhiệt độ nung khuôn tới tốc độ làm nguội và kích thước hạt: a)
Ảnh hưởng tới tốc độ nguội (áo khuôn graphit 0,01mm); b) Ảnh hưởng tới tốc độ nguội (áo
khn graphit 0,1mm); c) Ảnh hưởng tới kích thước hạt (áo khn graphit 0,01mm); d) Ảnh
hưởng tới kích thước hạt (0,1mm) ............................................................................................. 30
Hình 2. 10: Mặt cắt đứng trong giản đồ trạng thái hệ hợp kim Cu-Al-Fe (tại 4% Fe) ................ 31
Hình 2. 11: Giản đồ pha Cu-Al được hợp kim hóa Fe ............................................................... 32

Hình 2. 12: Các dạng chuyển biến mactenxit của hợp kim Cu-Al-Fe ........................................ 33
Hình 2. 13: Tổ chức tế vi của hai hệ hợp kim sau tơi ................................................................ 33
Hình 2. 14: Tổ chức tế vi của hợp kim Cu-Al10-Fe4.8-Ni5-Mn1.5 sau tơi ................................ 34
Hình 2. 15: Cấu trúc tinh thể Fe3 Al với dạng DO3 .................................................................... 34
Hình 2. 16: Cấu trúc của pha FeAl ........................................................................................... 35
Hình 2. 17: Cấu trúc của pha NiAl [38] .................................................................................... 35
Hình 2. 18: Brong nhôm C95400, đồng đều dung dịch rắn ở 9000C trong 02h, tôi nước, ram ở
6500C trong 02h và tôi nước. Hạt α (mactenxit màu trắng) nhỏ hơn ở trạng thái đúc.[45] .......... 39
Hình 2. 19: Tổ chức Brong nhôm đúc trong khuôn kim loại. Hợp kim với thành phần 5%Ni và
5%Fe (tương tự như C95500). Nguội nhanh, tổ chức Vit-man-tet (sáng) được nhìn thấy trên nền
tổ chức mactenxit (màu tối)[45] ................................................................................................ 39
Hình 2. 20: a) Ảnh hiển vi cho mẫu hợp kim được tôi từ 10200C ; b) Ảnh hiển vi điện tử ......... 40
Hình 2. 21: a) Phương pháp bản sao cacbon cho mẫu được tôi từ 10200C, cho thấy các pha tiết
dạng khối hộp ; b) Thực hiện nhiễu xạ điện tử cho một lượng pha tiết lớn trong hình 2.21a, cho
ra cấu trúc B2............................................................................................................................ 41
Hình 2. 22: a) Ảnh nhiễu xạ điện tử dọc theo phương [0 1 0] thực hiện trên các tấm mactenxit
(cấu trúc 9R); b) Phép nhiễu xạ điện tử dọc theo phương [2 1 0], nhận được từ nhóm các tấm
mactenxit song song ghép đơi. .................................................................................................. 41
Hình 2. 23: a) Ảnh TEM cho mẫu được tôi từ 8500C các pha mactenxit β’1 và γ’
b)
Phép
nhiễu xạ điện tử dọc theo phương [0 1 0] trên pha mactenxit β’1
42
0
0
Hình 2. 24: Ảnh TEM của mẫu được tôi từ 1020 C và ram tại 500 C trong 1 giờ cho thấy các
pha tiết trên biên giới các tấm mactenxit và trên bề mặt của các pha tiết ra giàu sắt bên trong các
tấm mactenxit ........................................................................................................................... 42
Hình 2. 25: a) Ảnh chụp pha β’-mactenxit theo trường sáng ; b) Ảnh chụp pha β’-mactenxit theo
trường tối, cho thấy các pha tiết giàu sắt.[53] ............................................................................ 43

VI


Hình 2. 26: Một ví dụ về sự ảnh hưởng của các pha α, các pha mactenxit tới cơ tính (độ cứng)
trong các hợp kim hệ Cu-Al[52] ................................................................................................ 44
Hình 2. 27: Đường cong dẻo cho brông nhôm α- biến dạng nguội. ........................................... 46
Hình 2. 28: Dạng chuyển biến kiểu vịng dưới tác dụng ứng suất khi làm nguội và nung
nóngT,chuyển biến từ trễ. Ms, nhiệt độ bắt đầu chuyển biến Mactenxit; Mf, nhiệt độ kết thúc
chuyển biến Mactenxit; As, nhiệt độ bắt đầu chuyển biến austenite; Af, nhiệt độ kết thúc chuyển
biến austenite[56] ...................................................................................................................... 47
Hình 2. 29: Phụ thuộc của biến dạng (ε) vào ứng suất (ζ) và nhiệt độ (T): ................................ 48
Hình 2. 30: Mầm và sự phát triển mầm của tấm mactenxit γ’3 trên khuyết tật dưới ứng suất a)
Khuyết tật trước mầm mactenxit; b) Mầm của mactenxit; [c-e] Phát triển của tấm; (f) nhiễu xạ
của tấm γ’3 ................................................................................................................................ 50
Hình 3. 1: Sơ đồ nhiệt luyện ..................................................................................................... 52
Hình 3. 2: Hiển vi quang học Axiovert 100A chụp ảnh tổ chức ................................................ 52
Hình 3. 3: Thiết bị phân tích nhiễu xạ Rơnghen D500 .............................................................. 53
Hình 3. 4: Máy hiển vi điện tử quét FESEM S4800 .................................................................. 54
Hình 3. 5: Thiết bị hiển vi điện tử truyền qua ........................................................................... 55
Hình 3. 6: Thiết bị đo độ cứng tế vi .......................................................................................... 55
Hình 3. 7: Thiết bị đo độ mài mịn Tribotech ............................................................................ 55
Hình 3. 8: Sơ đồ nguyên lý thử hiệu ứng nhớ hình .................................................................... 56
Hình 4. 1 :Tổ chức tế vi của hợp kim sau đúc ........................................................................... 58
Hình 4. 2: Tỷ phần pha κ của hợp kim CuAl9Fe4 ..................................................................... 59
Hình 4. 3: Tỷ phần pha κ của hợp kim CuAl9Fe4Ni2 ............................................................... 59
Hình 4. 4: Tỷ phần pha alpha của hợp kim CuAl9Fe4Ni2 ......................................................... 59
Hình 4. 5: Phân tích XRD hợp kim sau đúc .............................................................................. 60
Hình 4. 6: Phân tích SEM mẫu hợp kim CuAl9Fe4 sau đúc ...................................................... 61
Hình 4. 7: Tổ chức tế vi của mẫu hợp kim sau tôi ..................................................................... 62
Hình 4. 8: Phân tích XRD mẫu sau tơi ...................................................................................... 63

Hình 4. 9: So sánh đồ thị XRD mẫu sau đúc và sau tơi hợp kim CuAl9Fe4 .............................. 64
Hình 4. 10: So sánh đồ thị XRD mẫu sau đúc và sau tơi hợp kim CuAl9Fe4Ni2 ....................... 64
Hình 4. 11: Phân tích tỷ phần pha liên kim mẫu sau tơi ............................................................ 65
Hình 4. 12: Tỷ phần pha alpha mẫu CuAl9Fe4 sau tơi .............................................................. 65
Hình 4. 13: Phân tích tỷ phần pha alpha mẫu sau tơi hợp kim CuAl9Fe4Ni2 ............................ 66
Hình 4. 14: Tổ chức tế vi của mẫu hợp kim sau tơi ................................................................... 66
Hình 4. 15: Phân tích EDS mẫu CuAl9Fe4 sau tơi .................................................................... 67
Hình 4. 16: Phân tích EDS mẫu CuAl9Fe4Ni2 sau tơi .............................................................. 68
Hình 4. 17: Tổ chức tế vi của hai mẫu hợp kim sau hóa già ở 350oC trong 02h ......................... 69
Hình 4. 18: Tỷ phần pha alpha và liên kim mẫu CuAl9Fe4 sau hóa già..................................... 70
Hình 4. 19:. Phân tích XRD mẫu sau hóa già ............................................................................ 71
Hình 4. 20: Phân tích SEM của hợp kim CuAl9Fe4 (a) và CuAl9Fe4Ni2 (b) sau hóa già 350 72
VII


Hình 4. 21: Phân tích EDS mẫu CuAl9Fe4 sau hóa già ở 350 C ............................................... 73
Hình 4. 22: Phân tích EDS mẫu sau hóa già ở 350oC ................................................................ 73
Hình 4. 23:. Ảnh TEM của hợp kim sau hóa già 350°C. ........................................................... 74
Hình 4. 24: Phân tích ảnh TEM mẫu CuAl9Fe4 sau xử lý nhiệt ở 350oC trong 02h .................. 75
Hình 4. 25: Tổ chức tế vi mẫu sau hóa già ................................................................................ 76
Hình 4. 26: Tỷ phần pha mẫu sau hóa già ở 550oC trong 02h.................................................... 76
Hình 4. 27: Phân tích XRD hợp kim khi hóa già ở 350oC và 550oC trong 02 giờ ...................... 77
Hình 4. 28: Phân tích tổ chức tế vi bằng ảnh SEM .................................................................... 78
Hình 4. 29: Phân tích EDS ở 350oC trong 02h .......................................................................... 78
Hình 4. 30: Phân tích EDS ở 450 trong 02h .............................................................................. 79
Hình 4. 31: Phân tích ảnh TEM mẫu CuAl9Fe4 sau xử lý nhiệt ở 550oC trong 02 giờ .............. 80
Hình 4. 32: Tổ chức tế vi mẫu sau hóa già ở 350oC các thời gian khác nhau 1; 2 và 3 giờ ......... 80
Hình 4. 33: Phân tích ảnh SEM mẫu sau hóa già ở 350oC các thời gian khác nhau.................... 81
Hình 4. 34: Phân tích ảnh TEM ở 350 trong 02h....................................................................... 82
Hình 4. 35: Phân tích ảnh TEM mẫu CuAl9Fe4 sau xử lý nhiệt ở 350oC trong 03h .................. 82

Hình 4. 36: Tổ chức tế vi mẫu sau hóa già ................................................................................ 83
Hình 4. 37: Kết quả XRD hợp kim CuAl9Fe4Ni2 sau tơi và hóa già......................................... 84
Hình 4. 38: Tỷ phần pha alpha sau hóa già ở 550oC .................................................................. 84
Hình 4. 39: Phân tích ảnh SEM mẫu sau hóa già ...................................................................... 85
Hình 4. 40: Phân tích EDS mẫu 350 – 2h ................................................................................. 86
Hình 4. 41: Phân tích tổ chức tế vi mẫu ở 350 nhưng thay đổi thời gian.................................... 87
Hình 4. 42: Phân tích tổ chức tế vi mẫu hợp kim CuAl9Fe4Ni2 ở 350 oC trong 05 giờ ............. 87
Hình 4. 43: Phân tích SEM mẫu hợp kim CuAl9Fe4Ni2 xử lý nhiệt ở 350 oC nhưng thay đổi thời
gian ........................................................................................................................................... 88
Hình 4. 44: Phân tích TEM mẫu hợp kim CuAl9Fe4Ni2 xử lý nhiệt ở 350 trong 02 giờ ........... 88
Hình 4. 45: (a, b, c) lần lượt là kết quả tổ chức của hợp kim CuAl9Fe4 ở các trạng thái sau cán,
trước nhớ hình và sau nhớ hình ................................................................................................. 89
Hình 4. 46: Tỷ phần pha alpha trước và sau nhớ hình ............................................................... 90
Hình 4. 47: Phân tích XRD hợp kim CuAl9Fe4 trước và sau nhớ hình ..................................... 91
Hình 4. 48: (a, b) Kết quả TEM của hợp kim CuAl9Fe4 ở trạng thái trước và sau nhớ hình. ..... 92
o

Hình 4. 49: Mẫu nung nóng ở 1173 K, nguội trong nước nóng ................................................. 93
Hình 4. 50: Tổ chức tế vi mẫu sau biến dạng ............................................................................ 93
Hình 4. 51: Mẫu biến dạng 10% + nhiệt luyện .......................................................................... 94
Hình 4. 52: Mẫu sau nhớ hình .................................................................................................. 95
Hình 4. 53: Phân tích XRD trước và sau khi nhớ hình hợp kim CuAl9Fe4Ni2 .......................... 95
Hình 4. 54: Tỷ phần pha alpha trước và sau nhớ hình ............................................................... 96
Hình 5. 1: Giá trị độ cứng tại các chế độ xử lý khác nhau ......................................................... 97
Hình 5. 2: Độ cứng mẫu khi xử lý ở các nhiệt độ khác nhau ..................................................... 97
Hình 5. 3: Biến thiên giá trị độ cứng của hợp kim CuAl9Fe4 khi thời gian hóa già thay đổi ..... 99
VIII


Hình 5. 4: Biến thiên giá trị độ cứng của hợp kim CuAl9Fe4 khi nhiệt độ hóa già thay đổi....... 99

Hình 5. 5: Tổ chức tế vi mẫu sau các chế độ xử lý nhiệt ..........................................................101
Hình 5. 6: Đồ thị độ cứng của hợp kim ở các chế độ khác nhau ...............................................101
Hình 5. 7: Đồ thị độ cứng của hợp kim ở các chế độ hóa già khác nhau ...................................102
Hình 5. 8: Biến thiên giá trị độ cứng của hợp kim khi thời gian hóa già thay đổi .....................103
Hình 5. 9: Biến thiên giá trị độ cứng của hợp kim khi nhiệt độ hóa già thay đổi.......................103
Hình 5. 10: Tổ chức tế vi mẫu sau các chế độ xử lý nhiệt ........................................................105
Hình 5. 11: Tổ chức hợp kim trước nhớ hình ...........................................................................106
Hình 5. 12: Tổ chức hợp kim trước sau hình ............................................................................106
Hình 5. 13: Tổ chức hợp kim trước nhớ hình ...........................................................................107
Hình 5. 14: Tổ chức hợp kim sau nhớ hình ..............................................................................107
Hình 5. 15: Bố trí hệ trục chong chóng bơi trơn bằng nước biển ..............................................108
Hình 5. 16: Áo trục và lớp bọc trục .........................................................................................108
Hình 5. 17: Mối ghép bằng then ..............................................................................................109
Hình 5. 18: Quy trình chế tạo mối ghép then bằng hợp kim nhớ hình ......................................110

IX


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, hợp kim đồng nhôm được hợp kim hóa thêm Fe và Ni đã được
nghiên cứu và ứng dụng. Họ hợp kim này được ứng dụng khá phổ biến trong chế tạo các chi tiết
làm việc trong điều kiện chịu mài mịn. Nó có vai trị quan trọng trong cơng nghiệp đặc biệt là
trong lĩnh vực hàng hải và cơng nghiệp đóng tàu. Những năm gần đây, các nhà khoa học trên thế
giới đã bước đầu tìm thấy và chứng minh được hiệu ứng nhớ hình của hệ hợp kim này. Tuy
nhiên, những ứng dụng của hiệu ứng nhớ hình là chưa nhiều.
Đối với các nhà sản xuất trong nước đang còn nhiều vấn đề vướng mắc là chất lượng sản
phẩm còn thấp, mài mòn nhanh, tuổi thọ làm việc thấp. Các sản phẩm làm ra mới ở dạng đúc
chưa có nhiều cơng trình nghiên cứu về xử lý nhiệt để nâng cao chất lượng cho chi tiết tạo từ hợp
kim này.
Đối với hệ hợp kim này khi xử lý nhiệt có chuyển biến pha mactenxit và tiết pha hóa bền.

Nhờ những ứng dụng; khối lượng sản xuất khá nhiều nhưng hiện nay vẫn chưa có nhiều cơng
trình nghiên cứu về cơ chế chuyển biến pha; ứng dụng chuyển biến mactenxit và tìm ra quy trình
xử lý nhiệt phù hợp cho các ứng dụng từ hệ hợp kim này
Trong luận án này tác giả nghiên cứu ứng dụng chuyển biến pha mactenxit và tiết pha hóa
bền trong việc nâng cao khả năng chống mài mịn của hệ hợp kim đồng nhôm; cũng như ứng
dụng chuyển biến pha mactenxit trong quá trình nhớ hình của hệ hợp kim. Từ những phân tích về
q trình chuyển biến pha trong hệ hợp kim, luận án xây dựng quy trình xử lý nhiệt phù hợp với
ứng dụng mài mịn và nhớ hình.
Với mong muốn nâng cao chất lượng, tuổi thọ làm việc của hợp kim đồng nhôm được hợp
kim hóa thêm Fe và Ni, đề tài của luận án được lựa chọn là:“Nghiên cứu ứng dụng chuyển biến
mactenxit trong hệ hợp kim đồng nhơm”.

Mục đích của luận án
Nghiên cứu quá trình chuyển biến, hình thành pha trong hệ hợp kim đồng nhơm được hợp
kim hóa thêm Fe, Ni từ trạng thái sau đúc đến sau khi xử lý nhiệt. Nghiên cứu áp dụng chuyển
biến mactenxit ứng dụng trong hợp kim chịu mài mịn và nhớ hình. Xây dựng chế độ công nghệ
xử lý nhiệt phù hợp cho mục tiêu cải thiện tính chống mài mịn và nhớ hình của hợp kim.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tượng: Nghiên cứu hợp kim đồng nhôm được hợp kim hóa: 9%Al; 4%Fe có và khơng
có hợp kim hóa 2%Ni.
Phạm vi nghiên cứu:
Đề tài luận án tập trung nghiên cứu làm rõ các vấn đề sau về hợp kim đồng nhơm trên cơ sở
hợp kim hóa Fe và Ni:
- Nghiên cứu cơ chế chuyển biến pha mactenxit và tiết pha hóa bền đối với hệ hợp kim

1


- Nghiên cứu ảnh hưởng quy trình xử lý nhiệt đến tổ chức và cơ tính của hợp kim đồng

nhơm khi được hợp kim hóa
- Thăm dị khả năng nhớ hình của hệ hợp kim

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
Ý nghĩa khoa học
* Quá trình chuyển biến mactenxit trong hợp kim Cu-Al là quá trình phức tạp và đa dạng;
do vậy luận án đã góp phần làm rõ quá trình và khả năng ứng dụng chuyển pha mactenxit trong
những điều kiện cụ thể.
* Trên cơ sở phân tích q trình trình hình thành và hịa tan pha liên kim đã làm rõ ảnh
hưởng của những pha này đến tổ chức và cơ tính của hệ hợp kim.
* Nhận diện được tổ chức mactenxit và các pha liên kim xuất hiện trong tổ chức của hệ hợp
kim nghiên cứu
Ý nghĩa thực tiễn
- Ứng dụng chuyển biến mactenxit và pha liên kim trong hệ hợp kim đồng nhôm được hợp
kim hóa Fe và Ni làm tăng khả năng chống mài mòn.
- Ứng dụng chuyển biến mactenxit trong việc nâng cao khả năng nhớ hình của hệ hợp kim
nghiên cứu

Phƣơng pháp nghiên cứu :
Nghiên cứu dựa trên những công trình nghiên cứu đã được cơng bố từ các tài liệu ở trong
và ngoài nước.
Sử dụng các phương pháp nghiên cứu như phương pháp thực nghiệm, đánh giá phân tích,
phương pháp chế tạo mẫu đúc, các phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm.

Nội dung bố cục luận án
Luận án được chia làm 05 chương; mở đầu và kết luận chung:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Thực nghiệm

Chương 4: Chuyển pha trong hệ hợp kim đồng nhơm khi được hợp kim hóa và xử lý nhiệt
Chương 5: Đánh giá kết quả mài mòn và nhớ hình của hai hệ hợp kim
Kết luận chung

2


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM ĐỒNG NHÔM
1.1. Giới thiệu về hợp kim Cu-Al
Đồng thanh nhôm hay brông nhôm là các hợp kim trên cơ sở đồng với nguyên tố hợp kim
chính là nhơm chiếm khoảng từ 4-14%. Một lượng nhỏ hơn các nguyên tố Ni, Mn, Si, Fe… được
bổ sung tạo nên các loại đồng thanh nhôm khác nhau với các tính chất khác nhau để đáp ứng các
yêu cầu đa dạng về độ bền, độ dẻo, độ cứng, tính ăn chống ăn mịn, mài mịn, từ tính… khi được
gia cơng và xử lý nhiệt
Brơng nhơm có ưu điểm hơn so với brông thiếc là giá thấp hơn, cơ tính và một số tính cơng
nghệ cao hơn.
Nhơm là ngun tố hợp kim chính
trong đồng thanh nhơm. Nó có mặt
trong hợp kim tạo ra các tổ chức, các
pha liên kim, trước tiên là với đồng như
Cu32Al19, AlCu3...hay với các ngun
tố khác như Fe, Ni, Mn…nếu chúng có
hình thái và sự phân bố hợp lý sẽ có tác
dụng hóa bền cho hợp kim, đồng thời có
thể áp dụng việc xử lí nhiệt để cải thiện
hơn nữa cơ tính cho hợp kim. Là
nguyên tố hợp kim chính, rõ ràng ảnh
hưởng của nhơm là rất lớn tới các tính
chất (độ bền, độ dẻo, tính chịu ăn mịn
và mài mịn…) của hợp kim.

Hình 1. 1: Giản đồ Cu-Al (a) và ảnh hưởng của nhơm
đến cơ tính (b)
Có thể nhận thấy ảnh hưởng rõ
rệt của nhôm tới độ bền và độ dãn dài
của hợp kim qua hình 1.1 [2]. Đối với hợp kim hai nguyên Cu-Al, độ dãn dài có thể đạt tới 75% ở
6-7% Al. Với hàm lượng nhôm lớn hơn 8%, độ dãn dài sẽ giảm nhanh và xuống tới 0 tại 13% Al
khi mà hợp kim đã trở nên giòn bởi sự chuyển biến trong tổ chức. Qua hình 1.1, ta cũng có thể
thấy được độ bền kéo của hợp kim 2 nguyên Cu-Al tăng đều cùng hàm lượng nhôm cho tới
khoảng 10% Al sau đó, do sự chuyển biến trong tổ chức, độ bền này cũng bắt đầu giảm dần.
Người ta nhận định rằng, trong khoảng 8-11% Al sẽ kết hợp được tốt nhất các tính chất về độ
cứng, độ bền độ bền mỏi, khả năng gia công…cho hợp kim đồng nhơm. Có điểm đáng chú ý với
hợp kim đồng thanh nhơm là tính chống ăn mịn ln tới nhắc tới trong nhiều mơi trường khác
nhau do ln có một lớp màng oxyt nhơm được hình thành trên bề mặt của hợp kim và lớp này
nhanh chóng được tái hình thành nếu bị phá vỡ. Tuy nhiên lớp oxyt này khơng phải khơng thể bị
ăn mịn vì chúng phụ thuộc vào cấu trúc, tổ chức của hợp kim phía trong lớp oxyt này.
Các pha xuất hiện trong hợp kim đồng nhôm:
Pha α: là dung dịch rắn của nhôm ở trong đồng. Pha này có kiểu mạng lập phương tâm mặt;
giá trị độ cứng của pha nằm trong khoảng từ 200 đến 270HV. Độ hịa tan của nhơm trong α tăng
lên khi giảm nhiệt độ từ 7,4% ở 10350C đến 9,4% ở 5650C. Pha α có tính dẻo và khả năng chịu
gia công áp lực tốt.
3


Hình 1. 2: Kiểu mạng lập phương tâm mặt của pha α
Pha β: là hợp chất điện tử Cu3Al với nồng độ điện tử là Ce=3/2. Ở 5650C xảy ra phân hóa
cùng tích.

Pha β có kiểu mạng lập phương tâm khối và có cấu trúc DO3 tương đối dẻo, có thể biến
dạng được. Pha này theo giản đồ pha chỉ tồn tại ở trên 565oC. Khi làm nguội nhanh hợp kim thì
pha này chuyển sang cấu trúc mactenxit (sẽ được trình bày kỹ trong mục 2.3)

Hình 1. 3: Kiểu mạng lập phương tâm khối với cấu trúc DO3 của pha β
Pha γ là dung dịch rắn trên cơ sở hợp chất điện tử Cu32Al19, có kiểu mạng lập phương phức
tạp (cP52) ứng với nồng độ điện tử Ce=21/13. Pha γ cứng và rất giịn. Giá trị độ cứng có thể đạt
tới 570HV.

Hình 1. 4: Kiểu mạng lập phương phức tạp cP52 của hợp chất điện tử Cu9Al4
4


Những hợp kim chưa ít hơn 7,45% Al có tổ chức một pha α. Phụ thuộc vào tốc độ kết tinh,
các brong nhơm chứa nhiều hơn 7,5%Al sẽ có tổ chức khác nhau. Ví dụ tổ chức của hợp kim
chứa 10,5%Al khi nguội chậm gồm α + [α+γ2]. Khi tăng tốc độ nguội, độ phân tán tổ chức tăng
lên. Làm nguội với tốc độ đủ lớn, pha β có chuyển biến không khuếch tán kiểu mactenxit. Thành
phần của pha γ2 là Cu9Al14 và cấu trúc của nó có dạng lập phương.
Với tốc độ nguội thực tế, khác với trạng thái cân bằng, cùng tích xuất hiện trong tổ chức
của hợp kim với hàm lượng 6  8 %Al; Sự có mặt của cùng tích làm giảm mạnh độ dẻo của brông
nhôm. Khi tăng hàm lượng nhôm đến 4  5% , cùng với độ bền, độ cứng cả độ dẻo cũng tăng, sau
đó độ dẻo giảm mạnh, cịn độ bền tiếp tục tăng cho tới hàm lượng nhôm đạt tới 10  l1% (Hình
1.1b). Brơng một pha có độ dẻo tốt, thuộc loại brơng biến dạng, có sự kết hợp tốt nhất giữa độ
bền (ζB= 400  450 MPa) và độ dẻo (δ = 60%). Brông hai pha được sản xuất dưới dạng các bán
thành phẩm biến dạng, cũng được dùng để đúc hình. Khi có mặt pha cùng tích, brơng ít biến dạng
nguội mà phải biến dạng nóng. Brơng hai pha có đặc trưng là độ bền cao (ζB= 600 MPa) và độ
cứng cao (HB > 1000 MPa). Chúng có thể được hóa bền bằng nhiệt luyện. Khi nguội nhanh (tơi)
pha β khơng có chuyển biến cùng tích mà chuyển biến mactenxit.

1.2. Lịch sử ra đời hợp kim Cu-Al

Hình 1. 5: Những sản phẩm đầu tiên trong lịch sử chế tạo từ đồng thanh nhôm
Sự kết hợp giữa đồng và nhôm tạo ra hợp kim lần đầu tiên được tiến hành vào giữa những

năm 1800. Khi đó, nó vẫn còn rất là đắt, tốn kém để đưa vào sản xuất và chính vì thế, nó trở
thành một đề tài nghiên cứu cho nghành luyện kim và dừng lại ở đó hơn là đưa vào sản xuất và
sử dụng. Những năm đầu thế kỷ 20 tại Mỹ, Mint đã đưa ra những đánh giá, xem xét tất cả các
kim loại và hợp kim khác nhau để co thể thay thế cho các đồng xu bằng đồng trong lưu thơng
hàng hóa, tuy nhiên trong số đó ơng khơng đưa ra một loại nào tên là “Aluminium Bronzes” cả vì
cho rằng có thể chúng vẫn còn chứa một hàm lượng đồng lớn trong đó. Trước đó vào năm 1865,
tại một cuộc hội thảo hàng năm của học viên khoa học quốc gia, nhân viên thí nghiêm của U.S.
Mint (J.P. Eckfeldt) đã tiến hành thí nghiệm đánh giá dùng hợp kim đồng thanh nhơm cho q
trình sản xuất đồng tiền. Ơng đã nhân định rằng đồng tiền bằng đồng thanh nhôm không được ổn
lắm (mẫu đồng thanh nhơm dùng thí nghiệm của ơng chứa chín phần Cu và một phần Al), và ơng
nhận thấy các đồng tiền này bị xỉn màu nhanh chóng (có một lưu ý rằng ơng cũng đã xử lí nhiệt
và gia cơng tạo hình cho các đồng tiền trước đó và đây cũng có thể là nguyên nhân). Và sau này,
5


người ta đã cải thiện hợp kim hóa, cải tiến công nghệ, phương pháp để cho ra các thỏi hay đồng
tiền bằng đồng thanh nhôm mà không bị xỉn hay mờ bề mặt như vậy nữa.
Cũng vào những năm đầu thế kỷ 20, P.H.G Durville (Pháp) đã có sang chế (US 1007548A)
có liên quan tới việc tạo ra hợp kim đồng thanh nhơm mà có bổ sung một lượng mangan hợp lí để
làm giảm đi lượng oxyt nhơm hình thành trong quá trình sản xuất hợp kim này. Sáng chế này
được thông qua năm 1910 và được chấp thuận năm 1911. Ông đề xuất cho 0.5-5% mangan vào
hợp kim đồng thanh nhôm. Việc này đã giải quyết được những vấn đề xảy ra trước đó với hợp
kim này, nó loại bỏ các oxyt và rỗ khí (ngun nhân có thể gây ra nứt và các ảnh hưởng xấu
khác) trong kim loại. Ngay sau đó, ơng cũng đưa ra ý tưởng khác là rót nghiêng kim loại lỏng để
tránh được các bọt khí, xỉ lẫn và rỗ khí. Các sáng chế này đã dẫn lối cho con đường đưa đồng
thanh nhôm vào sản xuất các đồng tiền xu. Và đồng tiền xu bằng đồng thanh nhôm đầu tiên đã
xuất hiện vào năm 1920 tại Pháp, sau đó tại Brazil năm 1922 rồi hàng loạt các quốc gia khác như
Nga, Đức, Đan Mạch, Phần Lan…với nhiều mệnh giá khác nhau.[3]
Đó là về thời điểm phát triển ban đầu của đồng thanh nhôm và dần dần cho đến ngày nay,
cùng với sự phát triển của khoa học, công nghệ (nấu luyện, hợp kim hóa, đúc, gia cơng tạo

hình…) đã cho ra nhiều hợp kim đồng thanh nhôm khác nhau, đa dạng về thành phần và ứng
dụng thì ngày một rộng rãi hơn : huy chương, vịng bi, bạc lót (ổ trục, thanh truyền…),bơm áp
lực, van, đế xupap, bánh răng, dây đàn ghitar, các bộ phận chịu ăn mịn trong cơng nghiệp dầu,
hóa chất, thực phẩm…, một số chi tiết trong tàu biển, hàng khơng…
Tính chất của đồng thanh nhơm đúc
Đồng thanh nhơm có khoảng đơng hẹp, chảy loảng tốt, song co thể tích và co dài khá lớn
nên dễ sinh rỗ co và nứt do cản co. Nói chung đồng thanh nhơm khó đúc hơn đồng thanh thiếc.
Trong thành phần hợp kim có nhơm mà nhơm dễ bị oxy hóa tạo thành màng Al2O3 làm cho tính
in hình, rõ nét bị giảm đi. Mặt khác trong q trình nấu và rót khơng tinh luyện tốt Al2O3 dễ bị
lẫn vào trong hợp kim làm giảm cơ tính rất mạnh. Đồng thanh nhơm hút khí mạnh khi nấu nên dễ
sinh rỗ khí. Khi nguội chậm trong khn cát, đồng thanh nhơm có tổ chức hạt thơ to, gây giịn và
để khắc phục tình trạng này, thường dùng mangan hoặc sắt để làm giảm kích thước hạt hợp kim.
Đồng thanh nhơm có thể đúc được bởi tất cả cá phương pháp đúc phổ biến như: đúc khuôn cát,
đúc khuôn kim loại, đúc mẫu chảy, đúc ly tâm, đúc liên tục… Khó nấu đúc hơn đồng thanh thiếc
nhưng đồng thanh nhơm đúc lại có cơ tính cao hơn hẳn. Chúng có độ bền khá cao (một số loại có
thể so sánh với thép cacbon trung bình); tính chống ăn mịn tốt trong mơi trường nước biển và
axit hữu cơ; chịu mài mòn cao (khi tạo được tổ chức (α+γ) trên nền mềm α thì đồng thanh nhơm
có tính chịu mài mịn tốt trong điều kiện áp lực cao); tính gia cơng tốt (có thể biến dạng nóngnguội dễ dàng để tạo thành các phôi dạng thanh, tấm, phiến lá,…; khả năng chống sốc cơ và giảm
chấn tốt; độ bền mỏi cao; hầu như khơng có từ tính và nhiễm từ; ngồi ra cịn dùng cho các mục
đích trang trí khác…Và có điểm đáng chú ý là đối với các hợp kim đồng thanh nhôm mà hàm
lượng nhôm từ 9-10% trở lên có thể nhiệt luyện để tăng cơ tính khi mà đã có sự chuyển biến pha

6


khi nung nóng và làm nguội (sẽ được trình bày rõ hơn trong phần giản đồ trạng thái và tổ
chức).[3][4][5][6]
Nhìn chung, so với đồng thanh thiếc, đồng thanh nhơm có nhiều ưu điểm hơn, đặc biệt là
tiết kiệm được thiếc do thiếc đắt và hiếm. Mặt khác đồng thanh nhôm ít bị thiên tích,sản phẩm
đúc ít bị rỗ và khả năng điền đầy tốt hơn; cơ tính ở cả nhiệt độ cao và nhiệt độ thường đều cao

hơn; chịu ăn mòn và mài mòn tốt hơn; nhiệt độ biến giòn thấp và không sinh ra tia lửa điện khi va
đập mạnh. Những hạn chế so với đồng thanh thiếc là co ngót nhiều hơn khi đúc, nhơm dễ bị oxy
hóa tạo ra Al2O3, nếu không tinh luyện tốt, Al2O3 sẽ lẫn vào trong hợp kim và làm giảm cơ tính
nhiều; khó hàn và bị hóa giịn do có bệnh tự ủ. Tuy vậy trong công nghiệp, đồng thanh nhôm vẫn
dần dần được thay thế cho đồng thanh thiếc do những ưu điểm vượt trội của nó. [7], [8]

1.3. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Cu-Al-Fe và Cu-Al-Fe-Ni
Từ năm 1979, nhà luyện kim người Anh tên là N.N.Myuller and A.V.Agafonova[1] bắt tay
vào nghiên cứu các hợp kim Cu-A1-Fe với 8-14% A1 và 13-40% Fe để xác định khả năng thay
thế một phần của đồng bằng sắt trong các hợp kim BrAZh9-4(GOST 18175-72), quá trình nghiên
cứu cho thấy các thuộc tính của hợp kim có thể thay đổi trong khoảng rộng bằng các xử lý nhiệt.
Điều đó đã góp phần giảm chi phí cho các chi tiết tạo bằng loại hợp kim này, làm cho việc chế
tạo các hợp kim này ít tốn kém đi. Hợp kim nghiên cứu có thành phần như sau :
Bảng 1.1: Thành phần mẫu hợp kim nghiên cứu [1]
Thành phần, %
Mác hợp kim
Al
Fe
1

7.9

47.2

2

8.9

39.4

3

10.1

30.0

4

10.3

18.7

5

10.3

16.0

6

9.8

13.6

7

12.2

14.0

8

13.2

14.0

9 (BrAZh9-4)

9.0

4.0

Ở nhiệt độ khoảng 5000C, tổ chức tế vi của hợp kim bao gồm hai pha: dung dịch rắn của
Cu-α với thành phần 10%Al và dung dịch rắn Fe – α trên cơ sở Fe với thành phần xác định là pha
Fe3 Al và 5-12%Cu. Khi tăng Al và Fe pha γ2 được hình thành dựa trên cơ sở của Cu9Al4 và một
thành phần nhỏ của Fe. Hợp kim ở trạng thái đúc không cân bằng thành phần hai pha (αCu+αFe)
cũng có thể là thành phần của pha γ2 hình thành cùng tích (α+γ2).

7


Cấu trúc và độ cứng tế vi của pha đơn và độ cứng của hợp kim Cu-Al-Fe thay đổi trong
suốt quá trình nhiệt luyện.
Hình 1.6 cho thấy sự thay đổi độ cứng của mẫu sau xử lý nhiệt và mẫu đúc 3 liên quan đến
thành phần Al với tỷ lệ Cu : Fe = 1.25 và 2.0. Nhôm làm tăng đáng kể khi tăng độ cứng với hơn
8%. Tăng thành phần Fe cũng tương tự như Al nhưng ở mức độ thấp hơn.
Hình 1.7 cho thấy thay đổi cơ tính của mẫu sau xử lý nhiệt và brong CuAl9Fe4 trong nhiệt
độ thử nghiệm.
Kết quả cho thấy: Đến 4000C giới hạn bền của mẫu sau xử lý nhiệt 2 là cao hơn so với
CuAl9Fe4 nhưng độ dãn dài là thấp hơn. Khi nhiệt độ tăng trên 5000C độ bền tăng tương tự

nhưng mẫu 2 sau xử lý nhiệt tăng độ dãn dài. Độ dai va đập của mẫu sau xử lý nhiệt 2 ở khoảng
300 – 4000C là thấp hơn so với CuAl9Fe4. Khi nhiệt độ tăng giá trị độ dai va đập của hợp kim
mẫu sau xử lý nhiệt 2 tăng đặc biệt là khoảng 5000 C trong khi với hợp kim CuAl9Fe4 khơng tăng
ở 2000C

Hình 1. 6: Độ cứng của hợp kim đúc với
thành phần Al khác nhau. 1) Hợp kim với
sắt; 2) Hợp kim với Cu:Fe = 2.0; 3) hợp
kim với Cu:Fe = 1.25 [1]

Hình 1. 7: Giới hạn bền, độ dãn dài và độ
dai phá hủy của hợp kim đúc ở các nhiệt
độ thử nghiệm. O) Heat 2; •) Brong
CuAl9Fe4 [1]

Theo nghiên cứu của J. Labanowski và T. Olkowski ngưởi Ba Lan năm 2014[9] đã chỉ ra
những kết quả nghiên cứu của mình về hợp kim CuAl10Fe5Ni5 ứng dụng cho chân vịt tàu thủy.
Bằng kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét kết hợp với định lượng nhóm nghiên
cứu đã xác định được hình dạng kích thước của các pha κ – là những pha giàu sắt ; những pha
này ảnh hưởng đến cơ tính của hợp kim. Với việc tăng số lượng các pha nhỏ mịn này sẽ tăng giới
hạn bền kéo của vật đúc; trong khi nếu những pha này có sự kết tụ thành hình dạng lớn sẽ cải
thiện tính dẻo. Quá trình phân rã hay kết tụ của pha này phụ thuộc nhiều vào thành phần hóa
học ; tỷ lệ Fe/Ni, tốc độ làm nguội và công nghệ đúc. Pha κ này có 04 dạng tùy thuộc vào điều
kiện khác nhau :
8


- Dạng κI được hình thành từ trạng thái lỏng có hình dạng hoa hồng lớn ; chứa nhiều Fe
thơng thường tồn tại dưới dạng cấu trúc Fe3Al.
- Dạng κII được hình thành từ pha β và cũng có dạng hoa hồng ; cấu trúc giống pha κI

nhưng nhỏ hơn.
- Dạng κIII giàu Ni phát sinh trong vùng α và ở khu vực biên giới giữa β và α ; chúng có
dạng nhỏ mịn hình cầu.
- Cuối cùng là κIV được hình thành bên trong pha α ; cấu trúc này nhỏ và có dạng hình
cầu.

a)

b)

c)
Hình 1. 6: Mơ tả các dạng của pha κ (hình a) và hình thái ; phân bố của pha κ ở tổ chức của
BA1055 sau đúc (b) ; ảnh SEM (c)[9]
Kết quả nghiên cứu của B.P. Pisarek (Ba Lan) [10] cũng công bố : về sự biến đổi các pha
theo nhiệt độ của hệ hợp kim Cu-Al-Fe-Ni với việc bổ sung thêm các nguyên tố như Cr ; Mo
hoặc W đã cho thấy về hình thái pha kết tinh ; thứ tự pha kết tinh vị trí tạo mầm.

9


Hình 1. 7: Giản đồ cân bằng pha [10]

Hình 1. 8: Tổ chức tế vi của hợp kim CuAl11Fe5Ni6[10]

Hình 1. 9: Sự chuyển pha của hợp kim Cu-Al-Fe-Ni trong quá trình làm nguội [11]
Theo các kết quả nghiên cứu của Yuting Lv, Liqiang Wang, Xiaoyan Xu and Weijie Lu
[11] của Trung Quốc đã chỉ ra ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến tổ chức và độ cứng tế vi của Brong
Cu-Al hợp kim hóa thêm Ni và Fe. Kết quả nghiên cứu cho thấy sau khi xử lý nhiệt ở 675oC tổ
10

chức tế vi của hợp kim NAB có mật độ lệch cao. Khi ủ ở nhiệt độ trên cho thấy sự kết tinh lại
không liên tục đã diễn ra. Thành phần pha mactenxit giảm xuống và pha κ bắt đầu kết tụ. Sau khi
ủ trong 02 giờ cả độ cứng tế vi trong các pha và sự khác nhau về độ cứng các pha và kim loại cơ
bản là được giảm xuống nguyên nhân là do mật độ lệch và pha β’ giảm đi kèm với đó là q trình
kết tinh lại được hình thành. Khi tăng thời gian ủ lên 04 giờ thì sự chênh lệch về độ cứng giữa các
pha là gần như khơng cịn nữa.

Hình 1. 10: Tổ chức tế vi của FSP NAB và sau xử lý nhiệt
a) Hợp kim FSPed NAB ; b) Ủ 2 giờ ; c) Ủ 4 giờ [11]
Các kết quả phân tích về ảnh TEM (hình 1.13) càng cho thấy sự thay đổi về tổ chức pha của
hợp kim khi thay đổi thời gian ủ khác nhau.

11


Lệch

Lệch

Lệch tự do
Hạt kết tinh lại

Pha β’

Hạt kết tinh lại

Lệch
Nền α
Pha κ

Hình 1. 11: Ảnh TEM (a) và (d) hợp kim FSP NAB và sau xử lý nhiệt bằng phương pháp ủ (b) và
(e) trong 02 giờ ; (c) và (f) trong 04 giờ [11]
Theo như nghiên cứu của W.S. Li và các cộng sự năm 2006 [12] cho thấy hợp kim đồng
nhơm được hợp kim hóa thêm Fe, Mn và Ni có cho thấy sự hình thành của các pha liên kim
kappa khi được xử lý nhiệt phù hợp. Các kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra cấu trúc và giá trị độ
cứng tế vi của hệ hợp kim nghiên cứu
Bảng 1.2 : Độ cứng tế vi của các pha nghiên cứu [13]
Phase
Miêu tả
Cấu trúc tinh thể
Độ cứng tế vi (HV)
α
Dung dịch rắn giàu đồng
FCC – A1
200 – 270
γ2
Hợp chất liên kim Cu9Al4
DO3
360 – 570
β
Dung dịch rắn Cu3Al
BCC – A2
290 – 407
κ
Pha liên kim (Fe, Ni, Cu)Al
CsCl – B2
>700
12

Như vậy, từ kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả Trung Quốc cho thấy trong tổ chức của
hợp kim khi xử lý nhiệt nếu có sự xuất hiện của pha γ2 và pha κ sẽ tăng được khả năng chống mài
mòn của hệ hợp kim đặc biệt khi các pha này phân tán ở trong nền.
Các kết quả nghiên cứu của J. Hájek và các cộng sự năm 2016 [13] đã trình bày các kết quả
nghiên cứu về sự chuyển biến pha của hợp kim đồng nhôm khi làm nguội với các tốc độ khác
nhau (q trình tơi). Trong nghiên cứu của mình, các tác giả đã trình bày sự biến đổi về hình thái
của mactenxit trong các điều kiện nguội khác nhau; nguội trong nước, trong dầu, trong khơng khí
và trong lị. Ngồi ra, khi tốc độ nguội giảm hình thái của pha α cũng thay đổi cụ thể: tốc độ
nguội giảm thì kích thước của pha α tăng lên. Trong các điều kiện làm nguội giảm dần thì tỷ lệ
pha kappa từ I đến IV cũng tăng lên (hình 1.14).

Mactenxit

a)

Mẫu sau tơi trong nước

c) Mẫu sau tơi trong dầu

Trước cùng
tích α

b)

Mẫu nguội trong khơng khí
d) Mẫu nguội cùng lị
Hình 1. 12: Tổ chức tế vi của hợp kim CuAl9Fe4 [14]

Theo như nghiên cứu của các tác giả J. Hájek và các cộng sự [13] khi thay đổi chế độ xử lý

nhiệt không ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn của hệ hợp kim (bảng 1.3).
Bảng 1.3: Tốc độ ăn mòn của hợp kim khi xử lý ở các chế độ khác nhau [14]
Chế độ xử lý nhiệt
Nhiệt độ tôi
Nhiệt độ ram
Xử lý âm
Nhiệt độ ram
Tốc độ ăn mòn
o
o
o
o
trong nước [ C]
[μm/năm]
[ C]
[ C]
[ C]
Trạng thái ủ
15
900
600
X
X
15
900
600
-185
185
11
13

900
900

600
X

-185
-185

250
600

12
11

Năm 1989, Nhóm tác giả J. DUTKIEWlCZ (Ba Lan) V. V. Martynov (Liên Xô) U.
Messerschmidt (Đức) [14] đã phối hợp nghiên cứu cơ chế hình thành martensite trong hệ hợp
kim Cu-AI-Fe, Kết quả nghiên cứu cho thấy. Tinh thể được hình thành trong Mactenxit giả đàn
hồi, biến dạng tăng hoặc giảm tùy thuộc vào động lực của sự chuyển đổi, điều này dẫn đến sự
thay đổi cơ lý tính của tinh thể .

Hình 1. 13: Ảnh hiển vi điện tử chụp giai đoạn dầu của sự gia tăng tải theo hướng [110].
(a) Kim mactenxit trong nền pha
(b) Hình ảnh nhiễu xạ điện tử
(c) Bề mặt mactenxit ở độ phóng đại cao hơn .[14]
- Năm 2011 Hai nhà kim loại học người Ấn độ là T.N.Raju và V.Sampath [15] đã nghiên
cứu ảnh hưởng của thành phần nhôm và sắt đến nhiệt độ chuyển đổi của hợp kim nhớ hình CuAl-Fe.
Trong nghiên cứu của mình, các tác giả nhận thấy hiệu ứng nhớ hình của kim đồng nhận

được nhiều sự quan tâm vì tính dẻo tốt, dễ sản xuất và chế tạo và có chi phí thấp. Nghiên cứu ban
đầu cho thấy độ dẻo và tính chất cơ học khác của các hợp kim nhớ hình Cu-Al có thể được cải
thiện đáng kể bằng cách thêm các nguyên tố thứ ba như Ni, Mn và Fe.
- Hợp kim nhớ hình Cu-Al-Ni có sự ổn định nhiệt tốt và nhiệt độ hoạt động cao, tuy nhiên
ứng dụng thực tế của hợp kim này bị hạn chế vì khả năng gia cơng kém.[16]
- Hợp kim nhớ hình Cu-Al-Mn, có độ dẻo cao và khả năng gia công tốt, nhưng nhiệt độ
hoạt động của chúng thấp. [17]
- Để khắc phục tính dịn của hợp kim Al-Ni ta có thể bổ xung thêm Fe. Có rất ít nghiên
cứu về vai trò của việc bổ sung Fe để hợp kim Cu-Al hình thành hợp kim nhớ hình.
Do đó các tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của nhơm và sắt tới nhiệt độ chuyển biến. Nội
dung chủ yếu là: Tăng thành phần nhôm làm nhiệt độ chuyển biến giảm, trong khi việc bổ sung
tăng hàm lượng Fe thì làm tăng nhiệt độ chuyển biến. Kết quả thể hiện như sau:
Bảng 1.4: Biểu thị sự thay đổi nhiệt độ chuyển biến khi các hợp kim có tỷ lệ Cu/Fe khơng đổi cịn
thành phần của Al thì thay đổi. [16]
Số hợp
Thành phần
Nhiệt độ chuyển biến (oC)
kim
Cu
Al
Fe
Mđ
Mk
Ak
Ađ
S1
85.19
10.21
4.60
243

308
416
478
14


84.51
83.36
83.76
83.05

11.17
11.56
11.91
12.60

4.42
4.58
4.62
4.35

232
203
171
114

255
232
203
135

395
311
200
131

450
371
227
160

Dịng nhiệt (mW)

S2
S3
S4
S5

Nhiệt độ (oC)
Hình 1. 14: Biểu thị sự thay đổi nhiệt độ chuyển biến khi các hợp kim có tỷ lệ Cu/Fe khơng đổi
cịn thành phần của Al thì thay đổi.[15]
Mặc dù kết quả nghiên cứu về lý thuyết của hợp kim này nhiệt độ chuyển biến mactenxit là
khá cao nhưng thực nghiệm nhóm tác giả vẫn tiến hành làm nguội trong môi trường nước thông
thường. Các kết quả nghiên cứu về mặt thực nghiệm cho thấy trong tổ chức của hợp kim xuất
hiện dạng tổ chức mactenxit như đã được phân tích ở dưới dây:

15


Hình 1. 15: Tổ chức tế vi của các hợp kim với tỷ lệ Cu/Fe không đổi và thành phần Al thay đổi

[15]
Phân tích tổ chức tế vi của hợp kim S1 và S2 (hình a và b) cho thấy chủ yếu là tấm
mactenxit mỏng có kiểu β1’và với một bản chất tự có, đó là đặc trưng của kiểu mactenxit β1’.
Nhóm tấm mactenxit có thể thấy ở nhiều nơi trong hạt. Ảnh tổ chức tế vi của hợp kim S3 (hình c)
cho thấy kích thước của tấm nhưng tấm mactenxit là thơ. Nó cũng cho thấy một hỗn hợp
mactenxit của β1’và γ1’ và γ1’có chiều dày hơn so với β1’là mactenxit kiểu song tinh, một kiểu
mactenxit thường hình thành khi giảm nhiệt độ chuyển biến của hợp kim. Ảnh tổ chức tế vi của
các hợp kim S4 và S5 (hình d và e) có thể thấy những tấm mactenxit với bên trong là các song
tinh. Điều này sẽ làm giảm nhiệt độ chuyển biến trong hợp kim nhớ hình khi hàm lượng Al tăng.
Theo nghiên cứu của Mustafa Yasar, Yahya Altunpak [18] thì ảnh hưởng của Fe trong quá
trình xử lý nhiệt hóa già đến cơ tính của hợp kim Cu-Al-Fe như sau: Fe đóng vai trị làm nhỏ mịn
hạt trong q trình đơng đặc, đồng thời tăng cơ tính. Đồng thanh nhơm với hàm lượng nhơm
<8,5% chỉ có đơn pha rắn alpha (α). Nhưng khi thêm sắt vào từ 1 ~ 1,5%, điểm này dịch sang trái
và giảm xuống 8% làm cho pha thứ 2 beta (β) xuất hiện và làm tăng độ cứng.
Để xác định vai trò của q trình tơi, các mẫu được giữ ở nhiệt độ 900oC trong 30 phút và
tôi trong nước ở 20oC. Hóa già được tiến hành ở 4 nhiệt độ hóa già, 250; 300; 350 và 400oC trong
120 phút. Sau mỗi chu kỳ hóa già độ cứng lại được đo lại.
Giá trị của độ cứng của hợp kim C95200 và C95300 đạt cực đại sau khi hóa già ở nhiệt độ
o
350 C trong vịng 120 phút và hiện tượng q hóa già xuất hiệt tại nhiệt độ cao hơn.
16