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


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 Biến dạng kim loại, các
em sinh viên trong nhóm nghiên cứu của tôi 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 theo thời gian.

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 FCC,
khoang trống, 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 mòn trong nhiều môi 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 cải
thiện độ bền của hợp kim nhôm đã được công bố trên thế giới. Tuy nhiên, các
nghiên cứu đối với hợp kim nhơm ma giê cịn hạn chế, đặc biệt là nghiên cứu ảnh
hưởng của nhiệt độ đến sự biến đổi cấu trúc và cơ tính bằng phuwong pháp mơ
phỏng số động học phân tử. Vì vậy, luận văn lựa chọn vấn đề này để thực hiện với
mục tiêu tìm ra nhiệt độ tối khi biến dạng nhằm thu được hợp kim nhơm ma giê có
độ bền cao. Phương pháp nghiên cứu được tác giả sử dụng là nghiên cứu lý thuyết
kết hợp với mô phỏng số. Cụ thể, các vấn đề liên quan đến cơ sở lý thuyết về nhôm
và hợp kim nhôm như đặc điểm kiểu mạng, giản đồ pha của hợp kim hai nguyên,
thành phần các nguyên tố hóa học có trong vật liệu, các phương pháp tăng bền, xử
lý nhiệt với hợp kim nhơm đã được trình bày chi tiết trong luận văn trong phần tổng
quan. Phương pháp mô phỏng số động học phân tử được tác giả sử dụng để lý giải
cơ chế biến đổi cấu trúc, cơ chế tạo các hạt siêu mịn do sự biến đôit cấu trúc và sự
chuyển động của lệch trong mạng tinh thể.
iv


Thực hiện q trình mơ phỏng động học phân tử ở các nhiệt độ các nhiệt độ
khác nhau lần lượt là: -196oK, 300oK, 600oK, với độ biến dạng là 80%. Kết quả mô
phỏng chỉ ra rằng độ bền của mẫu ở -196 oK lớn nhất. Điều này được giải thích là do
ở nhiệt độ âm, khả năng biến dạng ở hợp kim nhơm
( VIẾT TIẾP KHI PHÂN TÍCH XONG KẾT QUẢ)
Học viên

Ký và ghi rõ họ tên

Trần Văn Khánh

v


MỤC LỤC
Danh mục các từ viết tắt và ký hiệu
Danh mục các bảng biểu
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÔM VÀ HỢP KIM NHƠM
1.1. Tổng quan vật liệu nhơm và hợp kim nhơm ma giê
1.1.1. Cấu trúc của nhôm và hợp kim nhôm ma giê
1.1.2. Lệch mạng trong tinh thể nhôm và hợp kim nhơm
1.1.3. Ảnh hưởng của cấu trúc đến tính chất của hợp kim nhôm ma giê
1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự biến đổi cấu trúc của hợp kim nhôm ma giê.
1.3 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu trong và ngồi nước
1.4 Kết luận
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP MƠ PHỎNG SỐ ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ
2.1. Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử
2.2. Xây dựng mơ hình động lực học phân tử
2.2.1. Thế tương tác
2.2.2. Mơ hình động lực học phân tử
2.3. Phân tích cấu trúc
2.3.1. Hàm phân bố xuyên tâm
2.3.2. Số phối trí và đơn vị phối trí
2.3.3. Phân bố góc
2.3.4. Kỹ thuật trực quan hóa
2.4. Phân tích động học
2.5 Kết luận

CHƯƠNG 3. MƠ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN SỰ BIẾN ĐỔI
CẤU TRÚC CỦA HỢP KIM NHƠM A5052
3.1. Thiết lập mơ hình hình học, ngun tử
3.2. Đinh nghĩa hàm năng lượng và các nhóm nguyên tử
3.2.1. Thiết lập điều kiện biên về nhiệt độ
3.2.2. Thiết lập điều kiện biên về nhiệt độ
vi


3.3 Thiết lập file đầu ra của q trình mơ phỏng
3.4 Phân tích kết quả và kết luận
KẾT LUẬN
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH VẼ

vii


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 vật liệu kỹ thuật được sử dụng, trong đó có 300 loại nhơm và hợp
kim nhơm 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 mịn
trong nhiều mơi 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 cơng nghiệp hàng khơng, vũ trụ. Trong cơng nghiệp ơ
tơ, hóa chất, các chi tiết làm việc dưới môi 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, nhôm 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. Nhôm 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
nhơm (alumina) thơng qua quy trình của nhà bác học Bayer. Tất cả nhôm trong
công nghiệp được sản xuất bởi quy trình này từ năm 1886 cho đến nay, các tính
năng cơ bản của nhơm ngun chất khơng thay đổi kể từ khi Karl Josef Bayer được
cấp bằng sáng chế tại Đức năm 1888. Nhôm và hợp kim có các tính chất cơ, lý hóa
nổi bật như sau:
1.1.1 Tính chống ăn mịn
Khi tiếp xúc với khơng khí, lớp oxit nhơm hình thành tức thời trên bề
mặt nhơm. Lớp này có khả năng chống ăn tốt trong khơng khí, trong môi
trường kiềm đặc biệt trong môi trường nước biển.
1.1.2 Độ dẫn nhiệt
Độ dẫn nhiệt của nhôm lớn gấp ba lần thép, tính chất này khiến nhơm
trở thành vật liệu quan trọng ứng dụng trong truyền nhiệt kể cả làm mát và
sưởi ấm. Cùng với sự an tồn, khơng độc hại, đặc tính này giúp nhơm được
dùng để chế tạo dụng cụ nấu ăn và đồ dùng nhà bếp.
8


1.1.3 Độ dẫn điện

Nhơm và đồng đều có khả năng dẫn điện rất cao, mặc dù độ dẫn điện
của nhôm chỉ bằng 62% đồng, tuy nhiên khối lượng của nhôm lại chỉ bằng
1/3 khối lượng của đồng nếu tính trên 1m chiều dài dây dẫn có cùng đường
kính. Vì vậy, số lượng dây dẫn điện bằng nhôm lớn gấp hai lần số lượng m
dây dẫn bằng đồng trong ngành điện.
1.1.4 Độ phản xạ ánh sáng
Nhơm có khả năng phản xạ rất lớn các tia hồng ngoại và tia cực tím, độ
phản xạ của nhôm đối với ánh sáng khoảng 80%. Điều này giúp nhôm được
sử dụng trong chế tạo các thiết bị chiếu sáng. Nhôm được làm vật liệu cách
nhiệt chống lại các tia sáng vào mùa hè đồng thời chống mất nhiệt trong mùa
đơng. Điều này làm nhơm có độ sáng đẹp trong trang trí nội thất.
1.1.5 Tính chất cơ học
Nhơm có độ dẻo và khả năng biến dạng lớn mà không bị phá hủy nên
vật liệu này được sử dụng trong chế tạo nhiều chi tiết có kích thước và hình
dạng phức tạp bằng cơng nghệ biến dạng, kéo, ép chảy, kéo dây… Bên cạnh
đó, tính khả đúc của nhơm cao do nhiệt độ nóng chảy thấp, độ co ngót thấp
nên việc đúc chính xác các chi tiết bằng nhôm thực hiện một cách dễ dàng,
mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Thông thường, giới hạn bền kéo của nhơm khoảng 90 MPa, giới hạn
này có thể tăng lên tới 690 MPa nếu hợp kim hóa nhơm với một số kim loại
khác.
1.2 Hệ thống ký hiệu hợp kim nhôm
Khi nhơm được hợp kim hóa với một số ngun tố phổ biến là đồng,
thiếc, ma giê, silic, măng gan và một lượng nhỏ crom, titan, zirconi, chì,
bismuth, niken… thì tính chất cơ, lý, hóa của hợp kim nhơm thay đổi rất
nhiều từ độ dẫn điện, dẫn nhiệt, khả năng chống ăn mịn và nhất là cơ tính.
Vì vậy, việc kiểm sốt % các ngun tố hợp kim đóng vai trị quan trọng
trong việc thay đổi tính chất cơ học của hợp kim nhôm.
Theo tiêu chuẩn Việt Nam 1659-75, ký hiệu hợp kim nhôm bắt đầu
bằng chữ Al, tiếp theo là ký hiệu của nguyên tố hợp kim cùng chỉ số % của

nó, ví dụ AlCu5Mg, Al99, Al99,5.
Theo tiêu chuẩn Hoa kỳ (AA-Aluminum Association) xxxx (hợp kim
nhôm biến dạng) và xxx.x (hợp kim nhôm đúc
9


1.2.1 Hợp kim nhôm AA5052
Bảng 1.1: Thành phần hợp kim AA5052
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 1.1 Tính chất vật lý và cơ tính của hợp kim nhơm AA5052
Giới hạn kéo (MPa)

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

1.2.2 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 đồng làm giảm giới hạn bền mỏi và không làm giảm
độ dẻo bằng cách cách tạo thành dung dịch rắn. Độ hòa tan của Mg trong Al
ở 577oC 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 nhôm
nguyên chất nhưng vẫn giữ được độ dẻo. Trong hợp kim được tăng cường
dung dịch rắn, nguyên tố Mg hịa tan cũng đóng vai trị đến tốc độ đông đặc.
Tuy nhiên hàm lượng Mg cao cũng tạo nên pha kết tủa β (Mg 2Al3) ở ranh
giới hạt khơng có lợi. Để tránh tạo nên lưới Mg 2Al3 người ta thường chỉ
dùng < 4% Mg để chống nhạy cảm với ăn mòn tinh giới và ăn mòn ứng suất.
Khi có mặt đồng thời Mg và Si có thể tạo ra pha Mg 2Si được tiết ra từ dung

dịch rắn α có tác dụng tăng bền cho hợp kim. Tuy nhiên nếu lượng Mg 2Si
nhiều thì sẽ làm giảm mạnh tính dẻo của hợp kim. Đối với hợp kim AA5052
do hàm lượng Si không cao lên pha Mg2Si tạo ra khơng nhiều nên tác dụng
hóa bền 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 hịa tan sắt vào
hợp kim lỏng trong q trình nấu luyện khi sử dụng nồi nấu bằng gang thép.
Sắt là ngun tố có ảnh hưởng mạnh đến tính chất cơ học, 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 thoi to. Cùng tinh (α +Al 3Fe)
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
10


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 FeAl3 khá lớn. Hợp kim nhôm chứa sắt (Fe) làm tăng nhiệt độ kết tinh
lại.
Silic (Si) hịa tan rất ít vào nhơm ở 577 oC 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
tính 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-Fe-Si) và β(AlFe-Si) giịn 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 giảng 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 650 oC và giảm rất nhanh trong vùng nhiệt độ từ 450650 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
0.10% để giảm ăn mòn cục bộ. Kẽm (Zn) có hàm lượng khoản 0.10% khơng
có ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn nhưng tăng cường khả năng đúc
và độ bền.
1.2.3

Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến biến dạng vật liệu ở nhiệt độ âm
 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ biến dạng trong quá trình biến dạng ở nhiệt độ âm ảnh hưởng là
yếu tố ảnh hưởng lớn đến quy trình này. Khác với khi biến dạng ở nhiệt độ nóng
kim loại sẽ trở lên mềm và dẻo hơn thì biến dạng ở nhiệt độ âm tính chất và hành vi
ứng xử của kim loại sẽ biến đổi. Khi đó sẽ ảnh hưởng đến lực và công biến dạng
11


cho q trình. Biến dạng ở nhiệt độ âm có ưu điểm là bề mặt đẹp mịn, ít bị oxy hóa
như biến dạng nóng. Khơng xảy ra q trình hịa tan khí làm thay đổi thành phần,
tính chất các pha trong kim loại. Hơn thế nữa nó làm tăng mạnh mật độ lệch hơn so
với biến dạng nguội hay biến dạng nóng vì nó ngăn ngừa được q trình hồi phục
hay kết tinh xảy ra trong biến dạng nóng. Nhưng đồng thời nó làm tăng mạnh các

khuyết tật mạng dễ gây phát triển thành các vết nứt tế vi dẫn đến q trình phá hủy
phơi. Đối với giai đoạn ngâm mẫu ở nhiệt độ nitơ lỏng hay có thể gọi là ủ lạnh sẽ
xuất hiện một số khoảng nhiệt độ gây phát triển vết nứt tế vi gây hiện tượng mẫu bị
giòn nên cần phải nghiên cứu và tránh gia công ở khoảng nhiệt độ này.
 Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng
Ứng suất chảy thường tăng với tốc độ biến dạng, tốc độ biến dạng tác động tại
một hằng số biến dạng có thể lấy xấp xỉ:
 C n

(1.1)

Trong đó C là hằng số hóa bền, nó phụ thuộc vào biến dạng, nhiệt độ và vật
liệu; n là hằng số nhạy cảm của ứng suất với tốc độ biến dạng. Trong hầu hết các
kim loại tại nhiệt độ phòng chỉ số n là thấp. Tỷ lệ của các ứng suất chảy 2 và 1 tại
các tốc độ biến dạng ε˙ 2 và ε˙ 1 là:
 2   2 
 
 1  1 

n

(1.2)

Lấy logarit hai vế, công thức trên có thể viết:

ε
ε
Δσ
nln 2 = 2,3nlog 2
ε1

ε1
σ

(1.3)

Tuy nhiên, chú ý trong một số trường hợp quan trọng, ví dụ nếu mong muốn để
dự báo tải trọng hình thành trong kéo dây hoặc biến dạng tấm (ở đó tốc độ biến
dạng có thể lên đến 104/s) từ dữ liệu nhận được trong thí nghiệm kéo, mà ở đó tốc
độ biến dạng có thể thấp đến 10-4/s, ứng suất chảy có thể hiệu chỉnh trừ khi n là rất
nhỏ. Tỷ số được tính tốn từ cơng thức trên cho các mức độ thay đổi.
Chú ý ở đây phải phân biệt được tốc độ biến dạng và tốc độ hay vận tốc của
dụng cụ gia công. Tốc độ biến dạng được hiểu là mức độ biến dạng trên một đơn vị
thời gian (1/s), còn vận tốc gây biến dạng là mức độ chuyển vị trên một đơn vị thời
gian (mm/s).

12


1.2.4 Khuyết tật mạng tinh thể của nhôm và hợp kim nhôm
Các sai lệch điểm như nút trống, nguyên tử xen kẽ, … nếu chúng nằm liền
nhau trên một đường thằng trong mạng tinh thể hợp kim nhôm, chúng tạo ra sai lệch
đường. Tuy nhiên dạng sai lệch này không có tính ổn định 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 mà 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, 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.
1.3 Các nghiên cứu trong và ngồi nước về sự thay đổi cơ tính của hợp kim nhôm
ma giê khi biến dạng ở nhiệt độ âm.

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý biến dạng bằng phương pháp cán ở nhiệt độ âm
Phương pháp biến dạng ở nhiệt độ âm (CR - cryorolling) là một trong
những phương pháp tiềm năng đã được sử để chế tạo ra vật liệu có hạt siêu
mịn UFG thậm chí là nano (NG) với mật độ lệch cao làm tăng hiệu ứng hóa
bền biến dạng. Biến dạng ở nhiệt độ âm là một quá trình xử lý đơn giản ở
nhiệt độ thấp mà yêu cầu lực tác dụng tương đối nhỏ để gây ra biến dạng
mãnh liệt nhằm tạo ra các đặc tính cấu trúc vi mơ kết tinh trong các loại vật
liệu. Phương pháp này sử dụng kỹ thuật biến dạng phôi ở nhiệt độ thấp hơn
nhiệt độ nitơ lỏng hoặc nhiệt độ hiđro lỏng được sử dụng rộng rãi để cải
13


thiện các tính chất của vật liệu. Biến dạng ở nhiệt độ âm có thể đáp ứng tốt
cho các quy mô công nghiệp lớn để sản xuất các vật liệu có cấu trúc siêu
mịn, cũng như cấu trúc nano. Biến dạng ở nhiệt độ âm là một trong những
hướng nghiên cứu tiềm năng để sản xuất các hợp kim nhôm có hạt siêu mịn.
Độ bền kéo và độ dai của vật liệu được cải thiện do sự loại bỏ quá trình hồi
phục của vật liệu trong suốt quá trình biến dạng ở nhiệt độ âm. Hơn nữa,
biến dạng ở nhiệt độ âm có nhiều thuận lợi như việc yêu cầu biến dạng dẻo
thấp hơn, quá trình sản xuất đơn giản và khả năng sản xuất vật liệu một cách
liên tục.
Hiện nay có nhiều kỹ thuật được áp dụng như biến dạng ở nhiệt độ âm
đối xứng (CR), biến dạng ở nhiệt độ âm không đối xứng (ACR), biến dạng ở
nhiệt độ âm kết hợp biến dạng dính… mỗi phương pháp đều có ưu nhược
điểm riêng. Kỹ thuật biến dạng ở nhiệt độ âm mở đường cho ứng dụng dây
chuyền công nghiệp làm cứng bề mặt khi làm nguội. Hợp kim Al là một

trong những kim loại áp dụng phương pháp này phổ biến hơn cả, bởi vì hợp
kim nhơm có khả năng biến dạng dẻo cao khi ở nhiệt độ thấp. Tấm hợp kim
Al biến dạng ở nhiệt độ âm có thể đạt độ bền kéo cao hơn 30% so với các
tấm hợp kim Al tương tự biến dạng ở nhiệt độ phòng [15]. Trong các điều
kiện xử lý tối ưu, việc ngăn chặn sự hồi phục động trong quá trình biến dạng
dưới nhiệt độ thấp dẫn đến mật độ lệch cao, do đó dẫn đến tăng vị trí tạo
mầm trong quá trình ủ và dẫn đến quá trình phát triển hạt nhỏ mịn hơn.
Trong phương pháp này có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cơ tính cũng
nhưng đặc trưng của vật liệu được nghiên cứu và chỉ ra bởi nhiều cơng trình
khoa học. Ảnh hưởng của q trình ủ đến sự phát triển của cấu trúc vi mơ và
tính chất cơ học của hợp kim AA5083 bằng phương pháp biến dạng ở nhiệt
độ âm được nghiên cứu bởi Lee và cộng sự [16]. Việc tối ưu hóa quy trình
biến dạng ở nhiệt độ âm và quy trình ủ sau biến dạng đã tạo nên các hạt có
kích thước <200nm và các hạt thon kéo dài, thể hiện sự kết hợp tốt giữa độ
bền cao và độ giãn dài đồng đều. Các mẫu làm lạnh cho thấy sự gia tăng ít
nhất 10% trong cả hai độ bền kéo và giới hạn chảy của hợp kim AA5083 so
với biến dạng ở nhiệt độ phòng [17]. Ảnh hưởng của biến dạng ở nhiệt độ
âm và biến dạng ở nhiệt độ phòng lên các đặc tính cơ học và cấu trúc vi mơ
14


của hợp kim nhôm AA6063 được Parigrahi và Jayaganthan nghiên cứu [18,
19]. Đã quan sát thấy độ bền nâng cao (257 MPa) của hợp kim AA6063
được biến dạng ở nhiệt độ âm so với các mẫu biến dạng ở nhiệt độ phịng
(232 MPa). So với các hạt thơ các kim loại và hợp kim UFG có cường độ
cao thường cho thấy độ giãn dài giảm. Parigragi và Jayaganthan cũng phát
hiện ra rằng sự tích tụ lệch và các kết tủa dạng nano là yếu tố tăng cường độ
bền, trong khi mật độ kết tủa nano cao và mật độ lệch thấp cải thiện độ giãn
dài của hợp kim AA6063 được biến dạng ở nhiệt độ âm sau đó được ủ trong
thời gian ngắn và kết hợp hóa già. Sự gia tăng độ bền và độ giãn dài tương

ứng có thể là do sự hình thành các kết tủa mịn và hiệu ứng phục hồi tĩnh
trong quá trình ủ. Kỹ thuật biến dạng ở nhiệt độ âm cũng có thể cải thiện
đáng kể giới hạn chảy, ứng suất kéo tới hạn, tăng độ dai va đập của AA7075
[20, 21]. Sự kết hợp vượt trội của các đặc tính cơ học ( giới hạn chảy 611
MPa và độ giãn dài 15%) của AA7075 có thể đạt được đối với các mẫu được
làm lạnh sau khi biến dạng thực 0.5 sau đó được hóa già tự nhiên trong
khoảng 1000h [22].
Vật liệu UFG/NG (Ultra fine grain/nano grain) được chế tạo từ phương
pháp biến dạng ở nhiệt độ âm có tiềm năng ứng dụng trong công nghệ sinh
học. Trivedi và cộng sự [23] đã nghiên cứu tiềm năng ứng dụng chỉnh hình
của UFG Zr số lượng lớn bằng biến dạng ở nhiệt độ âm sau đó ủ ở 400 ˚C và
450˚C trong 30 phút. Hoạt tính sinh học của hợp kim được nghiên cứu bằng
cách ủ tế bào gốc có nguồn gốc từ tủy xương. Người ta thấy rằng Zr được
làm lạnh thể hiện khả năng tương thích sinh học trong ống nghiệm đặc biệt
kết hợp với hoạt tính sinh học đáp ứng. Ngồi ra, quá trình ủ ngắn các mẫu
được tìm thấy dẫn đến sự hình thành cấu trúc vi mơ đa phương thức dẫn đến
sự kết hợp tốt nhất giữa độ bền kéo và độ giãn dài. Hạt UFG/NG làm tăng độ
bền trong khi hạt thô tạo độ giãn dài tốt. Shi và cộng sự [24] nhận thấy rằng
Zr được làm lạnh cho thấy một sự dẻo dai bất thường với sự gia tăng khả
năng biến dạng. Sự gia tăng mật độ lệch dẫn đến độ bền được nâng cao, và
chuyển động của lệch mật độ cao có sẵn tạo ứng suất cao đến từ các hạt và
hạt có kích thước nano góp phần cải thiện độ dẻo.

15


Biến dạng ở nhiệt độ âm cũng tìm thấy trong các ứng dụng trong chế
tạo hợp kim UFG/NG Ti. Trong quá trình biến dạng ở nhiệt độ âm, quá trình
song tinh chuyên sâu trong Ti tăng tốc động học của q trình tinh chỉnh cấu
trúc vi mơ và có thể thu được kích thước hạt/hạt nhỏ xấp xỉ 80nm khi lượng

ép đạt 93%. [25]. Ti với cấu trúc hạt đa cạnh có thể được chế tạo bằng biến
dạng ở nhiệt độ âm sau đó ủ ở nhiệt độ thấp [26]. Cấu trúc hạt đa cạnh Ti
này cho thấy giới hạn chảy cao, độ giãn dài đồng đều. Việc tăng cường độ
bền là kết quả của các hạt siêu mịn trong khi độ dẻo tăng lên là do một phần
lớn các ranh giới hạt góc lớn và cấu trúc hạt đa cạnh [26]. Zherebtsov và
cộng sự [27] so sánh sự phát triển cấu trúc vi mô của CP Ti trong biến dạng
ở nhiệt độ âm và biến dạng ở nhiệt độ phịng. Ở nhiệt độ -196 ̊ C, q trình
kết tinh mở rộng hơn về thời gian của giai đoạn kết tinh và tỷ lệ hạt kết tinh.
Cấu trúc vi mô với kích thước hạt / hạt nhỏ = 80nm ở nhiệt độ âm hoặc =
200nm ở nhiệt độ phòng đã được hình thành trong quá trình biến dạng để
biến dạng đến độ biến dạng thực là 2.66.
Kỹ thuật biến dạng ở nhiệt độ âm cũng đã được sử dụng để chế tạo các
tấm UFG / NG Cu, [28] thép tấm, [29, 30], v.v ... biến dạng ở nhiệt độ âm
Cu nguyên chất của Konkova và cộng sự [28]. Kết cấu có chứa thành phần
đồng thau {110} <112> rõ rệt, được giải thích về mặt ngăn cản trượt sự
ngang của lệch ở nhiệt độ âm. Roy và cộng sự [29] đã báo cáo tổng hợp thép
khơng gỉ AISI 304L có cấu trúc nano AISI 304L thông qua biến dạng ở nhiệt
độ âm và ủ trong phạm vi nhiệt độ 700˚C và 800˚C. Biến dạng ở nhiệt độ âm
thúc đẩy quá trình song tinh trong pha austenite, biến đổi thành martensite
với độ dày 50–100nm .Sự phát triển của cấu trúc Austenit trong thép khơng
gỉ có thể xử lý cao với sự phân bố kích thước hạt hai phương thức có thể đạt
được độ bền cao (1295 MPa), độ dẻo cao (0.47). Đây là một phương pháp
mới còn nhiều yếu tố ảnh hưởng chưa được làm sáng tỏ. Cần nhiều các cơng
trình khóa học nghiên cứu sâu hơn.
Từ các kết quả nêu trên cho thấy, biến dạng ở nhiệt độ âm có những ưu
nhược điểm nhất định so với các phương pháp SPD. Phương pháp biến dạng ở
nhiệt độ âm yêu cầu khả năng biến dạng dẻo của vật liệu thấp, lực tác dụng nhỏ.
Không tiêu tốn nhiều năng lượng nhiệt để nung phôi. Khả năng làm nhỏ hạt hạt
16

cao cũng như cấu trúc của vật liệu được cải thiện. Từ đó cho thấy phương pháp
này có triển vọng thực hiện được trong điều kiện thực nghiệm tại Việt Nam.
Tất cả các nghiên cứu đã trược công bố ở trên đều sử dụng phương
pháp thực nghiệm hoặc kết hợp thực nghiệm với mô phỏng macro để nghiên
cứu lý giải cơ chế hóa bền và sự thay đổi cơ tính của vật liệu mà chưa có
cơng trình nào dùng phương pháp mô phỏng động học phân tử để lý giải
tường minh và đầy đủ nhất cơ chế hóa bền, cơ chế làm nhỏ hạt của vật liệu.
Đặc biệt là hợp kim đa nguyên như nhôm giê A5052 khi biến dạng ở nhiệt
độ âm. Vì vậy, luận văn chọn hướng nghiên cứu mới này để thực hiện.
1.4

Kết luận

Trong luận văn này chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của lệch đến sự thay đổi cấu
trúc và tính chất của hợp kim nhơm A5052 dưới tác động cả nhiệt độ và mức độ
biến dạng. Cụ thể một số đặc điểm hình học của lệch, các yếu tố ảnh hưởng đến
sự hình thành, 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. Ngoài ra dựa vào đại
lượng vecto của 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.

17


CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG SỐ ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ
2.1 Tổng quan về mô phỏng số động học phân tử
Mô phỏng vật liệu là phương pháp nghiên cứu, khảo sát các hiện tượng

vật lí xảy ra trong vật liệu bằng các kĩ thuật sử dụng máy tính, cụ thể là sử dụng
chương trình máy tính để mơ tả một q trình hoặc một tập hợp các trạng thái vi
mô của hệ vật lý theo một mơ hình (một cách mơ tả toán học về một hệ vật lý) cho
trước. Thực chất đó là việc xây dựng các mơ hình ngun tử và mơ phỏng các tính
chất vật lí của mơ hình đã xây dựng. Chẳng hạn mô phỏng chuyển động của các
phân tử trong hệ khí, lỏng, rắn... dùng các phương trình cơ học cổ điển Newton;
mơ phỏng các q trình truyền nhiệt, khuyếch tán; mô phỏng biến đổi thời tiết
(p.t. NavierStokes); mô phỏng các sinh phân tử: protein, ADN... hoặc mô phỏng
các hệ sinh thái: food chains, đàn chim bay (self-driven systems). Từ việc mơ
phỏng có thể kiểm chứng lý thuyết, tiên đoán thực nghiệm, dự báo được những
vật liệu mới và những tính chất của chúng, khảo sát được sự chuyển pha... một
cách nhanh chóng.
Trong nghiên cứu, mơ phỏng có thể tìm hiểu các cơ chế vi mơ của các hiện
tượng, khảo sát sự biến đổi của hệ ở mức nguyên tử, theo dõi được diễn biến của
hiện tượng ở những thời điểm cụ thể. Trong công nghệ vật liệu, phương pháp mơ
phỏng có thể tạo ra được những vật liệu mới theo yêu cầu sử dụng. Vật liệu được
xem như một tập hợp gồm nhiều nguyên tử với quy luật vận động riêng. Khi mô
phỏng vật liệu ở quy mơ ngun tử, kĩ thuật mơ phỏng địi hỏi phải có máy tính có
tốc độ tính tốn cao. Do đó phương pháp mơ phỏng ra đời và phát triển cùng với
sự phát triển của cơng nghệ máy tính và được khẳng định như một môn khoa học.
Tùy theo từng trường hợp cụ thể mà sử dụng các phương pháp mô phỏng khác
nhau như: mô phỏng động lực học phân tử, mơ phỏng Monte Carlo, mơ phỏng
ngun lí ban đầu và thống kê hồi phục
2.2 Ưu điểm của mô phỏng động học phân tử
Mô phỏng số động học phân tử được xem như một phương pháp hữu hiệu
để nghiên cứu, lý giải mọi cơ chế hình thành, biến đổi trạng thái, cấu trúc, trật tự
của các nguyên tử. Mô phỏng cho phép quan sát những diễn biến xảy ra trong q
trình thực. Dựa vào kết quả mơ phỏng có thể chọn phương án tối ưu cho một q
trình cơng nghệ cụ thể, trong một số trường hợp mơ phỏng có thể giải các bài tốn
phức tạp mà thực tế khó có thể thực hiện được. Đơi khi các điều kiện thí nghiệm

thực tế quad nguy hiểm, có hại đối với sức khỏe con người thì phương pháp mơ
phỏng là lựa chọn tối ưu. Mô phỏng giúp tiết kiệm thời gian và chi phí nguyên vật
18


liệu, thiết bị và năng lượng để thực hiện các thí nghiệm thực tế. Vì vậy, mơ phỏng
số mang lại hiệu quả kinh tế cao, tiết kiệm chi phí. Khi có q nhiều thơng số ảnh
hưởng đến q trình, người thực hiện các thí nghiệm khơng thể điều chỉnh được
thì mô phỏng số là một công cụ hữu hiệu để thực hiện việc này. Trong nhiều
trường hợp, kết quả mô phỏng được sử dụng để lý giải các lý thuyết cổ điển hoặc
hồn thiện các thí nghiệm để kiểm chứng lý thuyết.
Đối với nghiên cứu vật liệu, mô phỏng số động học phân tử là một công cụ
cực kỳ hữu hiệu để lý giải mọi cơ chế ở cấp nguyên tử, phân tử. Phương pháp này
cũng được ứng dụng hiệu quả trong lĩnh vực vật lý, vật lý ứng dụng, hóa học, sinh
học và y học.
2.3

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

Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (ĐLHPT) với phần tử nhỏ
nhất của mơ hình là các ngun tử, chúng được coi như những quả cầu cứng và
chuyển động tuân theo các định luật cơ học cổ điển. Xét một hệ gồm N nguyên tử
được gieo ngẫu nhiên vào hình cầu bán kính R (đối với mẫu hạt nano) hoặc khối
hình lập phương cạnh L (đối với mẫu khối). Dưới tác dụng của lực tương tác, các
nguyên tử sẽ dịch chuyển dần đến vị trí cân bằng:

Trong đó, Fi là lực tổng hợp tác dụng lên nguyên tử thứ i từ các nguyên
tử còn lại; mi và ai lần lượt là khối lượng và gia tốc của nguyên tử thứ i. Lực
Fi được xác định theo cơng thức:

Trong đó, Uij là thế tương tác giữa nguyên tử thứ i và nguyên tử thứ j
và rij là khoảng cách giữa chúng. Giải phương trình này cho phép ta xác định
được vị trí, vận tốc của hạt trong mơ hình.
Trong mơ phỏng ĐLHPT, có nhiều thuật tốn được sử dụng để giải hệ
phương trình chuyển động của các nguyên tử theo định luật hai Newton.
Trong số các thuật toán được sử dụng hiện nay, thuật toán Verlet được sử
dụng rộng rãi hơn do tính đơn giản của nó. Trong thuật tốn này, toạ độ của
nguyên tử i ở thời điểm (t + dt) được xác định thơng qua tọa độ của nó ở hai
thời điểm t và (t - dt) bằng biểu thức:

19