Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự thay đổi cấu trúc mạng tinh thể của hợp kim nhôm ma giê khi biến dạng ở nhiệt độ âm bằng phương pháp mô phỏng số động học phân tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự thay đổi cấu trúc mạng tinh
thể của hợp kim nhôm ma giê khi biến dạng ở nhiệt độ âm bằng phương pháp
mô phỏng số động học phân tử.

TRẦN VĂN KHÁNH

Ngành Khoa học vật liệu – VLKL(KH)
Chữ ký của GVHD

Giảng viên hướng dẫn:

TS. ĐẶNG THỊ HỒNG HUẾ

Bộ môn:

Cơ học vật liệu và Biến dạng kim loại

Viện:

KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

HÀ NỘI, 10/2021

I


ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Đề tài : Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự thay đổi cấu trúc mạng tinh

thể của hợp kim nhôm ma giê khi biến dạng ở nhiệt độ âm bằng phương pháp mô
phỏng số động học phân tử.

Tác giả luận văn: Trần Văn Khánh

Khóa: 2020A

Người hướng dẫn: TS. ĐẶNG THỊ HỒNG HUẾ
Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên

TS. ĐẶNG THỊ HỒNG HUẾ

i


Lời cảm ơn
Để hoàn thành luận văn này, trước hết tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn
tới TS. Đặng Thị Hồng Huế, người đã trực tiếp hướng dẫn tơi trong q trình thực hiện
luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô của Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu,
đặc biệt là các thầy cô của Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, các em sinh viên
trong nhóm nghiên cứu của tơi đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và làm
nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè vì sự quan tâm, động viên và ln
đồng hành cùng tôi trong thời gian qua.

ii


Lời cam đoan
Tôi, Trần Văn Khánh xin cam đoan, luận văn là cơng trình nghiên cứu của
tơi dưới sự hướng dẫn của TS. Đặng Thị Hồng Huế.
Các kết quả nêu trong báo cáo luận văn là trung thực, không sao chép ở bất cứ
cơng trình nào khác.

Hà Nội, ngày tháng năm 2021
HỌC VIÊN

Trần Văn Khánh

iii


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài : Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự thay đổi cấu trúc mạng tinh
thể của hợp kim nhôm ma giê khi biến dạng ở nhiệt độ âm bằng phương pháp mô
phỏng số động học phân tử.

Tác giả luận văn: Trần Văn Khánh

Khóa: 2020 A

Người hướng dẫn: TS. ĐẶNG THỊ HỒNG HUẾ
Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Từ khóa: Mơ phỏng số động học phân tử, cấu trúc mạng tinh thể, lệch, hợp

kim nhôm ma giê.
Nhôm và hợp kim nhôm là vật liệu được sử dụng rộng rãi trong đời
sống bởi trọng lượng nhẹ, khả năng chống ăn mịn trong mơi trường nước biển
cao và có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. Bên cạnh đó, độ bền của hợp kim nhơm
cao hơn nhiều so với kim loại nhôm nguyên chất. Tuy nhiên, so với thép thì
giới hạn bền và giới hạn chảy của đa số hợp kim nhôm thấp hơn. Nhằm tận
dụng ưu điểm là khả năng chống ăn mịn trong nhiều mơi trường và đặc biệt
trong môi trường nước biển và tận dụng đặc điểm về trọng lượng nhẹ của loại
vật liệu này để thay thế các chi tiết bằng thép trong công nghiệp hàng không,
công nghiệp khai thác dầu mỏ, nhiều nghiên cứu thực nghiệm nhằm cải thiện
độ bền của hợp kim nhôm đã được công bố trên thế giới. Tuy nhiên, gốc dễ
của sự cải tiến nâng cao độ bền của vật liệu là sự biến đổi cấu trúc nguyên tử
của vật liệu. Vấn đề này còn hạn chế trong các công bố bởi các công cụ hỗ trợ
nghiên cứu cấp phân tử nguyên tử còn hạn chế trong những năm trước đây.
Ngày nay, khoa học máy tính và cơng nghệ thông tin phát triển đã hỗ trợ
nghiên cứu cấp nguyên tử rất nhiều trong đó có nghiên cứu về sự biến đổi cấu
trúc vật liệu mà tác giả luận văn đã sử dụng để nghiên cứu về hợp kim nhôm
ma giê A5052 dưới đây. Trong nghiên cứu, tác giả luận văn đã sử dụng phần
mềm mô phỏng động học phân tử LAMMPS ((Large-scale Atomic /Molecular
Massively Parallel Simulator) và phương pháp điện tử nhúng để mô tả tương
iv


tác giữa các nguyên tử Al, Fe, Cr, Mg, Si dưới tác dụng của tải trọng cắt theo
phương x là phương y ở các nhiệt độ 77 K, 300 K, 448 K. Kết quả mô phỏng
cho thấy sự biến đổi kiểu mạng tinh thể từ mạng lập phương tâm mặt (FCC)
sang kiểu mạng lập phương thể tâm (BCC), lục giác xếp chặt (HCP) và rất
nhiều nguyên tử chuyển trạng thái vơ định hình (other). Sự chuyển dịch kiểu
mạng tinh thể này là do lệch sinh ra trong quá trình biến dạng dẻo, chúng
chuyển động trên các mặt trượt và phương trượt khác nhau, chúng cắt nhau và

sản sinh ra nhiều lệch mới. Khi mật độ lệch tăng lên, giữa các lệch hình thành
lên vùng khuyết tật xếp, song tinh, đối tinh. Đây chính là nguyên nhân gây ra
sự thay đổi kiểu mạng tinh thể. Cơ tính của vật liệu thay đổi phụ thuộc vào sự
thay đổi của kiểu mạng tinh thể như trên. Ở các nhiệt độ khác nhau, mức độ
biến đổi mạng tinh thể cũng khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy, ở nhiệt
độ 77 K mức độ chuyển dịch mạng tinh thể từ FCC sang HCP và BBC là lớn
nhất. Cơ tính của vật liệu ở nhiệt độ này cao nhất, giới hạn bền của vật liệu đạt
xấp xỉ 8 GPa với mật độ lệch ở nhiệt độ này là thấp nhất và tổng năng lượng
tự do trong hệ cũng nhỏ nhất.
Học viên

Ký và ghi rõ họ tên

Trần Văn Khánh

v


Contents
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU.............................................................................................iv
DANH MỤC HÌNH VẼ....................................................................................................v
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN..............................................................................................1
1.1

1.2

Nhơm kim loại và hợp kim nhôm ma giê..............................................................1
1.1.1

Hợp kim nhôm AA5052..........................................................................1

1.1.2

Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim...............................................................2

1.1.3

Khuyết tật trong nhôm và hợp kim nhôm..............................................3

Tổng quan nghiên cứu sự thay đổi cơ tính của hợp kim nhơm ma giê.................4

CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG SỐ ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ.................................................8
2.1

Tổng quan về mô phỏng số động học phân tử......................................................8

2.2

Ưu điểm của mô phỏng động học phân tử............................................................8

2.3

Nguyên lý cơ bản của phương pháp mô phỏng động lực học phân tử..................9

2.4

Xây dựng mơ hình động học...............................................................................10

2.5

2.6

2.4.1

Thế tương tác.......................................................................................11

2.4.2

Thế năng Lennard-Jones.......................................................................11

2.4.3

Phương pháp điện tử nhúng.................................................................12

2.4.4

Điều kiện biên tuần hồn......................................................................13

2.4.5

Nhiệt độ................................................................................................14

2.4.6

Áp suất.................................................................................................14

Phân tích cấu trúc................................................................................................14
2.5.1

Hàm phân bố xuyên tâm (PBXT)........................................................14

2.5.2

Số phối trí và đơn vị phối trí................................................................17

2.5.3

Phương pháp trực quan hóa.................................................................18

2.5.4

Phân tích lân cận chung và tần xuất cấu trúc động học <fx>..............19

2.5.5

Phân bố cấu trúc trong khơng gian đảo................................................21

Phân tích lệch......................................................................................................21
2.6.1

Các lệch trong mạng lập phương tâm mặt A1.....................................23

2.6.2

Lệch trong mạng sáu phương xếp chặt A3..........................................26

2.7

Các tập hợp nhiệt động........................................................................................27

2.8

Kết luận...............................................................................................................27

vi


CHƯƠNG 3. MƠ PHỎNG ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ Q TRÌNH BIẾN DẠNG HỢP
KIM NHƠM A5052 Ở NHIỆT ĐỘ ÂM.........................................................................29
3.1

Mơ phỏng số động học phân tử...........................................................................29

3.2

Thiết lập file đầu ra của q trình mơ phỏng......................................................32

3.3

Phân tích kết quả và kết luận...............................................................................33
3.3.1

Q trình phát triển của lệch................................................................33

3.3.2

Hàm phân bố hướng tâm (RDF)..........................................................41

3.3.3

Đặc điểm cấu trúc vi mô......................................................................44

3.3.4

Ảnh hưởng cấu trúc mạng đến đường cong ứng suất – biến dạng.......50

KẾT LUẬN.....................................................................................................................55

vii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
UFG: Ultra Fine Grain
CR: Cryorolling
SPD: Severe Plastic Deformation
ACR: Asymmetric Cryorolling
EAM: Embedded Atom Method
PBXT: Phân bố xuyên tâm
ĐVPT: Đơn vị phối trí
ĐLHPT: Động lực học phân tử
CNA: Common Neighbor Analysis
LAMMPS: Large-scale tomic/ Molecular Massively Parallel Simulator
OVITO: Open Visualization Tool

iii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1 Thành phần hợp kim A5052..................................................................................

Bảng 1. 2 Tính chất vật lý và cơ tính của hợp kim nhôm AA5052.........................................
Bảng 2. 1 Phương pháp CNA nhận diện cấu trúc một số tinh thể.......................................
Bảng 3.2 Thông số khối lượng và bán kính của các nguyên tử hợp kim.............................
Bảng 3. 3 Điều kiện biên khi mô phỏng...............................................................................
Bảng 3.4 Mô-đun đàn hồi và giới hạn đàn hồi....................................................................
Bảng 3. 5 Giới hạn chảy và độ bền kéo của hợp kim AA5052 tại ba nhiệt độ....................

iv


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2. 1 Đồ thị thế năg Lennard-Jones.............................................................................
Hình 2.2 Điều kiện biên tuần hồn [30]..............................................................................
Hình 2.3 Hàm phân bố hướng tâm [31]..............................................................................
Hình 2.4 Hàm phân bố xuyên tâm hệ 2 nguyên [32]...........................................................
Hình 2.5 Hàm phân bố xuyên tâm cặp................................................................................
Hình 2. 6 Lân cận chung của các nguyên tử.......................................................................
Hình 2.7 Khối bốn mặt biểu diễn các lệch trong mạng lập phương tâm mặt A1................
Hình 2.8 Khối bốn mặt biểu diễn các lệch trong mạng sáu phương xếp chặt A3...............
Hình 2.9 Cách hình dung lệch khơng hồn chỉnh................................................................
Hình 3.1 Sơ đồ mơ phỏng động học phân tử q trình biến dạng A5052..........................
Hình 3.2 Mơ hình hình học của hộp ngun tử hợp kim nhơm A5052................................
Hình 3.3 Mơ hình hộp mơ phỏng hợp kim khi thay thế ngun tử nhơm.............................
Hình 3.4 Hàm phân bố xuyên tâm hợp kim AA5052 trước biến dạng.................................
Hình 3.5 Đồ thị mật độ lệch-biến dạng với các tốc độ biến dạng.......................................
Hình 3.6 Chiều dài lệch các loại lệch ở các nhiệt độ khác của AA5052.............................
Hình 3.7 Lệch cắt nhau tại các nút lệch..............................................................................
Hình 3.8 Phản ứng phân tách lệch hồn chỉnh..................................................................
Hình 3.9 Sự kết hợp giữa các lêch thành phần tạo thành lệch hồn chỉnh.........................
Hình 3.10 Sự hình thành lệch khóa lệch Lomer - Cottrell...................................................

Hình 3.11 Sự phát triển của cấu trúc HCP trong quá trình biến dạng hợp kim AA5052
tại nhiệt độ 77 K...................................................................................................................
Hình 3.12 Hướng di chuyển của lệch tại nhiệt độ 77 K......................................................
Hình 3.13 Hướng dịch chuyển của lệch...............................................................................
Hình 3.14 Đồ thị hàm phân bố hướng tâm Al-Al tại ba nhiệt độ khác nhau......................
Hình 3.15 Đồ thị hàm phân bố hướng tâm Al-Mg tại ba nhiệt độ......................................
Hình 3.16Đồ thị hàm phân bố hướng tâm Mg-Mg tại ba nhiệt độ khác nhau....................
Hình 3.17 Sự thay đổi cấu trúc mạng của hợp kim AA5052 ở 77 K....................................
Hình 3.18 Sự biến đổi cấu trúc mạng ở 77 K......................................................................
Hình 3.19 Sự biến đổi cấu trúc ở 300 K..............................................................................
Hình 3.20 Sự biến đổi cấu trúc ở 448 K..............................................................................
Hình 3.21 Đồ thị phát triển của các loại cấu trúc tại các nhiệt độ khác nhau:..................
Hình 3.22 Sự thay đổi số lượng nguyên tử trong các kiểu mạng.........................................
Hình 3.23 Ứng suất tiếp -biến dạng trượt của hợp kim AA5052.........................................

v


Hình 3.24 Ứng suất-biến dạng tương đương......................................................................
Hình 3.25 Đồ thị giới hạn đàn hồi và mô đun đàn hồi tương ứng với mỗi nhiệt độ...........
Hình 3.26 Đồ thị giới hạn chảy và độ bền kéo hợp kim AA5052.........................................

vi


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1 Nhôm kim loại và hợp kim nhơm ma giê
Nhơm là vật liệu kim loại có khối lượng riêng bằng một phần ba
thép và nhỏ hơn đồng, tỉ số độ bền trên một đơn vị khối lượng cao là yếu
tố giúp vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong sản xuất. Thực tế, trên thế

giới có hơn 1600 mác vật liệu kỹ thuật được sử dụng, trong đó có 300
mác vật liệu là nhơm và hợp kim nhôm với hơn 50 mác thông dụng. Ban
đầu, hợp kim nhôm được sử dụng để thay thế gang đúc và hợp kim đồng
bởi khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường, đặc biệt tỏng môi
trường nước biển. Ngày nay, nhôm đã dần thay thế rất nhiều loại vật liệu
khác với mục đích giảm trọng lượng chi tiết nhất là công nghiệp hàng
không, vũ trụ. Trong công nghiệp ô tơ, hóa chất, các chi tiết làm việc dưới
mơi trường nước biển, hợp kim nhôm được thay thế thép bởi khả năng
chống ăn mịn. Vì tính ứng dụng cao nên vật liệu này ngày càng được sử
dụng rộng rãi. Các nghiên cứu tập trung vào cải thiện tính chất cơ lý, hóa
nhằm đáp ứng ngày càng tốt hơn yêu cầu kỹ thuật khi sử dụng loại vật
liệu này đã được thế giới quan tâm trong nhiều năm trở lại đây.
Hơn nữa, nhơm và hợp kim của nó là một vật liệu có độ dẻo cao nên khả
năng biến dạng lớn, có tính dẫn nhiệt, dẫn điện tốt. Nhơm được sử dụng rộng rãi
thứ hai trên thế giới chỉ sau thép. Đây là nguyên tố có trữ lượng lớn thứ ba trong
vỏ trái đất, nhơm có nguồn gốc từ bauxite khống sản. Bauxite được chuyển đổi
thành oxit nhôm (alumina) thông qua quy trình của nhà bác học Bayer. Tất cả
nhơm trong cơng nghiệp được sản xuất bởi quy trình này từ năm 1886 cho đến
nay, các tính năng cơ bản của nhôm nguyên chất không thay đổi kể từ khi Karl
Josef Bayer được cấp bằng sáng chế tại Đức năm 1888.
Theo tiêu chuẩn Hoa kỳ (AA-Aluminum Association) xxxx (hợp
kim nhôm biến dạng) và xxx.x (hợp kim nhôm đúc).
1.1.1 Hợp kim nhôm AA5052
Bảng 1. 1 Thành phần hợp kim A5052

1


N. tố

Si

Fe

Cu

Mn

Cr

Zn

Mg

Al

% KL (%)

0.045

0.26

0.007

0.015

0.029

0.008

2.99

96.65

Bảng 1. 2 Tính chất vật lý và cơ tính của hợp kim nhơm AA5052

Giới

hạn

bền

kéo

242

Sự dãn nở nhiệt

23.7x10-6/K

Giới hạn chảy (MPa)

145

Nhiệt độ sôi

650 oC

Độ giãn dài tương đối

12%

Hệ số dẫn nhiệt

138W/m.K

Mô đun đàn hồi (GPa)

70

Điện trở

0.0495x10-6 Ω.m

(MPa)

1.1.2 Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim
Magiê (Mg) là nguyên tố chính và tham gia vào q trình hóa bền
hợp kim, làm tăng độ bền, giảm giới hạn bền mỏi và độ dẻo không thay
đổi do tạo thành dung dịch rắn. Độ hòa tan của Mg trong Al ở 577 oC là
17.4% và ở 250oC là 2.95%. Với hàm lượng thấp Mg hịa tan hồn tồn
vào trong Al để tạo ra dung dịch rắn α có độ bền cao hơn nhơm nguyên
chất nhưng vẫn giữ được độ dẻo. Trong hợp kim được tăng cường dung
dịch rắn, nguyên tố Mg hòa tan cũng đóng vai trị đến tốc độ kết tinh khi
đúc. Tuy nhiên hàm lượng Mg cao cũng tạo nên pha kết tủa β (Mg 2Al3) ở
ranh giới hạt, điều này khơng có lợi cho tính chất của hợp kim sau đúc.
Để tránh tạo nên lưới Mg 2Al3 người ta thường dùng hàm lượng Mg nhỏ
hơn 4% để chốnglại sự nhạy cảm với ăn mòn tinh giới và ăn mòn ứng
suất. Khi có mặt đồng thời cả hai nguyên tố Mg và Si có thể tạo ra pha
liên kim Mg2Si, pha này được tiết ra từ dung dịch rắn α có tác dụng tăng

bền cho hợp kim nhôm. Tuy nhiên, nếu lượng Mg 2Si nhiều thì sẽ làm
giảm mạnh tính dẻo của vật liệu này. Đối với hợp kim AA5052 do hàm
lượng Si không cao nên pha Mg2Si tạo ra không do đó tác dụng hóa bền
cho vật liệu khơng đáng kể.
Sắt (Fe) thường được coi là tạp chất với hàm lượng 0.1-0.4% trong
các hợp kim nhơm nói chung và các hợp kim nhơm biến dạng nói riêng.
Sắt xâm nhập vào hợp kim nhôm từ nguyên liệu ban đầu hoặc do sự hòa

2


tan sắt vào hợp kim lỏng trong quá trình nấu luyện khi sử dụng nồi nấu
bằng gang thép. Sắt là ngun tố có ảnh hưởng mạnh đến cơ, lý tính và
đặc tính cơng nghệ của hợp kim, sắt trong hợp kim nhôm sẽ tương tác với
nhôm tạo pha Al3Fe rất giịn, kết tinh ở dạng hình kim. Cùng tinh (α
+Al3Fe) xuất hiện ngay cả khi hàm lượng Fe rất nhỏ và phân bố đều theo
biên giới hạt. Tổ chức này làm tăng độ bền, độ cứng nhưng lại làm giảm
mạnh tính dẻo - một chỉ tiêu quan trọng của hợp kim nhơm biến dạng; mặt
khác nó cịn làm tăng sự nhạy cảm với ăn mịn điện hóa do chênh lệch thế
điện cực giữa Al và FeAl 3 khá lớn. Hợp kim nhôm chứa sắt (Fe) làm tăng
nhiệt độ kết tinh lại.
Silic (Si) hịa tan rất ít vào nhơm ở 577oC là 1.65% còn ở 250 oC là
0.05%. Đối với hợp kim nhôm biến dạng, hàm lượng Si thường dao động
trong khoảng 0.2-1.2%. Nếu hàm lượng Si ở mức thấp, nó sẽ hịa tan vào
nhơm tạo ra dung dịch rắn có độ bền cao hơn nhôm nguyên chất và vẫn
giữ được độ dẻo cao. Khi tăng hàm lượng Si sẽ tạo ra cùng tinh (α+Si)
gồm những hạt Si dạng kim hoặc dạng hạt (nếu được biến tính) trên nền
α, cùng tinh có độ bền cao hơn α nhưng độ dẻo lại kém. Khi tồn tại đồng
thời cả Fe và Si sẽ xuất hiện các pha liên kim loại dạng xương cá α(Al-FeSi) và β(Al-Fe-Si) giòn và kết tinh ở dạng tấm thơ to. Trong trường hợp
này, độ dẻo và tính ổn định chống ăn mịn của hợp kim nhơm cũng bị

giảm mạnh. Khi tăng hàm lượng Si thì hệ số giãn nở nhiệt và độ dẫn nhiệt
của hợp kim giảm đi. Và cải thiện tính chảy lỏng của hợp kim
Mangan (Mn) làm giảm tác hại của Fe và làm giảm độ nhạy cảm
với ăn mòn ứng suất. Theo giản đồ pha Al-Mn thì Mn có thể hịa tan trong
nhơm và tạo thành dung dịch α. Độ hòa tan lớn nhất trong Mn trong dung
dịch rắn α đạt 1.8% ở 650oC và giảm rất nhanh trong vùng nhiệt độ từ
450-650 oC. Đây là vùng nhiệt độ tôi của phần lớn các hợp kim nhôm
công nghiệp. Do ảnh hưởng của Fe và Si thì độ hịa tan của Mn trong
dung dịch rắn α cũng giảm đi.
Chromium (Cr) được thêm vào để tăng độ dai va đập, độ cứng và
đặc biệt tăng khả năng chống ăn mịn tinh giới và ăn mịn khí quyển ngay
cả trong điều kiện ăn mòn trong nước biển. Hàm lượng đồng (Cu) khoảng

3


0.10% để giảm ăn mịn cục bộ. Kẽm (Zn) có hàm lượng khoảng 0.10%
khơng có ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn nhưng tăng cường khả
năng đúc và độ bền.
1.1.3 Khuyết tật trong nhôm và hợp kim nhôm
Các sai lệch điểm như nút trống, nguyên tử xen kẽ, nguyên tử thay thế …
nếu chúng nằm liền nhau trên một đường thẳng trong mạng tinh thể hợp kim
nhôm, chúng tạo ra sai lệch đường. Tuy nhiên, dạng sai lệch này có tính ổn định
khơng cao, ví dụ như các nút trống có thể tập trung thành cụm hoặc phân tán đều
dưới những tác dụng khác nhau. Dạng điển hình nhất của sai lệch đường là lệch
(dislocation). Chúng có những dạng hình học nhất định và tính ổn định cao.
Lý thuyết về lệch ngày nay đã trở thành bộ phận quan trọng của vật lý chất
rắn nói chung và vật lý kim loại nói riêng. Nó giúp giải thích được nhiều vấn đề
về cơ tính, lý tính của kim loại và hợp kim mà trước đây dựa trên những lý thuyết
cổ điển chưa có sự giải thích đúng đắn. Ngồi ra, lý thuyết lệch đã mở ra những

triển vọng mới và to lớn trong việc chế tạo kim loại và hợp kim có độ bền cao,
trong đó có hợp kim nhơm A5052 với kiểu mạng A1 và A3 với cấu trúc nano khi
biến dạng ở nhiệt độ âm.
1.2 Tổng quan nghiên cứu sự thay đổi cơ tính của hợp kim nhơm ma giê
Trong những năm gần đây, nghiên cứu chế tạo vật liệu nano đối
với vật liệu kim loại nói chung và với nhơm và hợp kim nhơm nói riêng là
một hướng nghiên cứu đang phát triển mạnh được quan tâm bởi nhiều nhà
khoa học trên thế giới. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano thường
được sử dụng như ép trong kênh gấp khúc, ép trên rãnh chu kỳ, xoắn áp
lực cao, cán dính, rèn đa chiều… Vật liệu chế tạo ra được kiểm tra cơ tính
bằng các thiết bị cơ học, các phương pháp kiểm tra từ cổ điển đến hiện
đại. Tuy nhiên, để lý giải cơ chế hóa bền của hợp kim này cũng như ảnh
hưởng của nhiệt độ, tốc độ biến dạng, phương pháp chất tải bằng phương
pháp mơ phỏng số động học phân tử có rất ít các cơng trình được cơng bố,
và đặc biệt hiếm đối với hợp kim nhôm A5052.
Mô phỏng số động học phân tử là một công cụ hữu hiệu để nghiên cứu
cấu trúc vật liệu ở cấp độ nguyên tử, đây là phương pháp tiên tiến trong nghiên

4


cứu cơ, lý tính, độ bền của vật liệu trong khoa học vật liệu nói chung. Do đó,
việc nghiên cứu ứng xử cơ học cấu trúc ở cấp độ nano bằng cách tiếp cận mô
phỏng động lực học phân tử, nguyên tử đã nhận được sự quan tâm đáng kể của
giới khoa học vật liệu, vật lý ứng dụng trong những năm gần đây. Nhiều nhà
nghiên cứu đã công bố các cơng trình có tính mới và ứng dụng cao trong lĩnh
vực này. Cụ thể, Zhou et al. đã sử dụng các mô phỏng động lực học phân tử để
khảo sát cơ chế biến dạng của đồng tinh thể nano [3-9]. Li và cộng sự đã
nghiên cứu các cơ chế biến dạng của nano Fe kiểu mạng lập phương tâm khối
bằng phương pháp mô phỏng động học phân tử [10,11]. Sainath đã tiến hành

nghiên cứu đặc tính biến dạng dưới ứng suất kéo của dây nano sắt kiểu mạng
lập phương thể tâm ở nhiệt độ 10 K và tốc độ biến dạng 1 × 10 8 ps-1 bằng
phương pháp mơ phỏng động lực học phân tử nguyên tử [12]. Setoodeh và
cộng sự đã nghiên cứu các tính chất cơ học của vật liệu nano niken ở các nhiệt
độ khác nhau bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử [13]. Koh et
al đã nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến tính chất cơ học của
nano kim loại [14]. Chang et al sử dụng các mô phỏng động lực học phân tử
để nghiên cứu sự biến đổi cơ tính của titan đơn tinh thể với các tốc độ biến
dạng khác nhau (108 s-1–1011 s-1) [15,16]. Fu và cộng sự đã phân tích ảnh hưởng
của kích thước hộp mơ phỏng và nhiệt độ đến cơ tính của vật liệu nano kẽm
bằng mô phỏng động lực học phân tử [17]. Li đã sử dụng mô phỏng MD để
khảo sát đặc tính biến dạng của hợp kim TiAl tinh thể nano dưới tải trọng kéo
[18]. Mojumder đã nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng nén đến tính dẻo của
hợp kim Al-Cu[19]. Yu và các cộng sự đã sử dụng phương pháp động lực học
phân tử để nghiên cứu các tính chất cơ học của vật liệu nano Ni3Al (NW) dọc
theo các hướng tinh thể khác nhau dưới tác dụng của tải trọng kéo ở nhiệt độ
tạo hình ấm [20].
Komanduri và cộng sự thực hiện nghiên cứu của họ với điều kiện đặt tốc
độ biến dạng như nhau trên trên một số kim loại đơn tinh thể khác nhau, cụ thể,
một số kim loại có kiểu mạng lập phương tâm mặt (Al, Cu và Ni) và lập
phương tâm khối (Fe, Cr và W) được tác giả sử dụng để khảo sát bản chất của
biến dạng và phá hủy bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử
nguyên tử [21]. Trong bài báo này, tác giả trình bày kết quả nghiên cứu liên

5


quan mình trên cơ sở sự thay đổi cơ tính của một số kim loại nguyên chất và
hợp kim Al với phương pháp mô phỏng động lực học phân tử.
Hiện nay, các kết quả nghiên cứu chính đã được cơng bố về biến dạng kéo

hoặc nén của kim loại nano Al sử dụng mô phỏng MD như sau: Liu et al đã
phân tích ứng xử cơ học của thanh nano Al và nêu sự khác biệt về biến dạng
giữa các thanh nano, dây nano và vật liệu nhôm thể khối [22]. Yamakov và
cộng sự đã dự đốn tính chất cơ học của Al đơn tinh thể khi chịu tải trọng kéo
bằng cách tiếp cận mô phỏng động lực học phân tử nguyên tử [23]. Groh và
công sự đã đề xuất một phương pháp mơ hình hóa vật liệu để nghiên cứu khả
năng biến dạng của đơn tinh thể Al khi nén [24]. Chabba và các cộng sự đã
phân tích sự thay đổi mơ hình hình học của Al ngun chất bằng mô phỏng
động học phân tử để so sánh với kết quả thực nghiệm khi thay đổi kích thước
mẫu. Kết quả hai mơ hình thực nghiệm và mơ phỏng có sự tương đồng cao
[25]. Rosandi và các cộng sự đã nghiên cứu các tính chất cơ học của dây nano
Al ở các tốc độ biến dạng khác nhau dưới tải trọng kéo và nén [26]. Yuan đã
nghiên cứu quá trình kéo của đơn tinh thể nano Al với các tốc độ biến dạng và
nhiệt độ khác nhau theo hàm thế năng Morse. Kết quả cho thấy rằng các đường
cong ứng suất-biến dạng giảm đột ngột sau khi tăng tuyến tính đến giá trị lớn
nhất tại điểm kết thúc biến dạng đàn hồi chuyển sang biến dạng dẻo [27]. Xu
đã nghiên cứu quá trình nén của các trụ nano Al với các định hướng khác nhau
bằng cách sử dụng MD, và các mô phỏng cho thấy rằng các chuyển vị ban đầu
luôn tạo mầm ở các bề mặt tự do nhưng định hướng của tải trọng nén đóng vai
trị quyết định trong quá thay đổi cấu trúc, tiếp theo và quan hệ ứng suất - biến
dạng của vật liệu thay đổi theo [28].
Rezaei và cộng sự đã mô phỏng ứng xử của vật liệu dưới tải trọng kéo và
nén của tinh thể đơn nano Al ở các nhiệt độ khác nhau bằng cách sử dụng
phương pháp MD. Kết quả cho thấy, việc sử dụng phương pháp điện tử nhúng
(EAM) có thể mơ phỏng các đặc tính cơ học bao gồm mơ đun đàn hồi và giới
hạn chảy của Al [29]. Motamedi đã nghiên cứu tính chất cơ học của vật liệu
tổng hợp ống nano Al/cacbon bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân
tử. Kết quả cho thấy mô đun Young của composite giảm khi nhiệt độ tăng.
Trong khi đó, ứng suất chảy của composite giảm khi tăng nhiệt độ [30].
6

Xu và cộng sự đã sử dụng mô phỏng động lực học phân tử để phân tích
ảnh hưởng của kích thước mẫu đến mô đun đàn hồi của kim loại Al nguyên
chất [31,32]. Tang et al thực hiện mô phỏng động học phân tử dưới tải trọng
kéo và nén với Al đơn tinh thể lý tưởng. Họ phát hiện ra rằng, đối với tinh thể
nhôm lý tưởng, đường cong ứng suất-biến dạng thu được từ các mô phỏng MD
tương tự như đường cong ứng suất biến dạng thu được bằng các tính tốn theo
các phương pháp cơ học truyền thống [33]. Trong khi đó, Refs [28–33] đã sử
dụng nhóm các điều kiện NVT và NPT để thự hiện bài toán mô phỏng. Kết quả
cho thấy xu hướng của các đường cong ứng suất-biến dạng thu được là gần
giống nhau, giá trị của ứng suất chảy của vật liệu chênh lệch nhau không
nhiều.
Kết luận, các nhà nghiên cứu đã thực hiện rất nhiều bài tốn mơ phỏng
theo phương pháp động lực học phân tử, trong đó nhiều thành tựu nghiên cứu
khoa học có giá trị trong lĩnh vực biến dạng của tinh thể nano Al và một số hợp
kim của nhôm và một số nguyên tố khác đã được công bố. Tuy nhiên, các
nghiên cứu này đã khơng phân tích sự thay đổi cấu trúc vi mô của vật liệu dẫn
đến sự thay đổi cơ tính của nó. Đặc biệt dưới sự tác động của nhiệt độ và tốc độ
biến dạng cấu trúc của vật liệu thay đổi như thế nào thì gần như chưa có cơng
tình nào cơng bố. Vì vậy, trong nghiên cứu này tập trung vào giải quyết các vấn
đề trên với vật liệu đa nguyên là hợp kim nhôm ma giê A5052 bằng phương
pháp mô phỏng số động học phân tử.
Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của lệch đến sự thay đổi cấu
trúc và tính chất của hợp kim nhôm A5052 dưới tác động cả nhiệt độ. Cụ thể
một số đặc điểm hình học của lệch, các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành
lệch, phân tách lệch, sự chuyển động của lệch đến cơ chế hóa bền vật liệu. Các
loại: lệch thẳng (lệch biên), lệch xoắn và lệch hỗn hợp sự hình thành và ảnh
hưởng của chúng đến sự biến đổi cấu trúc vật liệu từ đó dẫn đến biến đổi cơ
tính cũng được phân tích tường minh. Ngồi ra dựa vào đại lượng véc tơ lệch,

luận văn sẽ xét thêm khái niệm về lệch khơng hồn chỉnh, lệch hồn chỉnh ,
khuyết tật xếp…các yếu tố thay đổi cấu trúc vật liệu từ đó thay đổi tính chất cơ
học vật liệu dựa trên kết quả mô phỏng số động học phân tử thu được.

7


8