Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt1

Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt

1

Mục lục
Mục lục..................................................................................................................1
Lời nói đầu.............................................................................................................3
Chương 1. Giới thiệu về hợp kim nhôm hệ Al-Mg-Si

5

1.1. Đặc điểm về thành phần và tổ chức của hợp kim nhôm hệ Al-Mg-Si
5
1.1.1. Đặc điểm về thảnh phẩn
5
1.1.2. Đặc điểm về tổ chức
6
1.2. Nhiệt luyện hợp kim Al – Mg – Si
6
1.2.1. Ủ nhôm và hợp kim nhơm
6
1.2.2. Tơi các hợp kim nhơm
9
1.2.3. Hóa già hợp kim nhơm
10
1.2.4. Quy trình nhiệt luyện hợp kim Al – Mg – Si
11
1.3. Các q trình tiết pha hóa bền dung dịch rắn quá bão hòa
11
1.3.1. Vùng G-P
11

1.3.2. Pha β’’
12
1.3.3. Pha β’
13
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tổ chức và tính chất trước khi hóa già tự nhiên
1.4.1. Ảnh hưởng của thành phần
13
1.4.1.1. Ảnh hưởng của thành phần nguyên tố hợp kim cơ bản
13
1.4.1.2. Ảnh hưởng của lượng nhỏ hợp kim và tạp chất
14
1.4.2. Ảnh hưởng của biến dạng
16
1.5. Ứng dụng của hợp kim Al – Mg – Si
17
1.6. Đặt vấn đề
22
Chương 2. Xác định giới hạn bền, giới hạn chảy thông qua phép đo độ cứng 23
2.1. Cơ sở lý thuyết........................................................................................23
2.1.1. Ý nghĩa của độ cứng
23
2.1.2. Một số phương pháp đo độ cứng thô đại
24
2.1.3. Mối quan hệ giữa độ cứng và độ bền kéo
29
2.1.4. Một số mơ hình xác định giới hạn bền và giới hạn chảy qua độ cứng
30
2.2. Thực nghiệm và kết quả
31
2.2.1. Quá trình thực nghiệm

31
2.2.2. Hình ảnh một số thiết bị đã sử dụng
33
2.2.3. Kết quả thu được
35
Chương 3 Thực nghiệm và các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng
trước hóa già tự nhiên
39
Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

Lớp: Nhiệt luyện K50


Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt

2

3.1. Quá trình thực nghiệm
3.1.1. Nhiệt luyện mẫu
3.1.2. Đo độ cứng Vicker, tính giới hạn bền, giới hạn chảy
3.1.3. Kiểm tra tổ chức tế vi
3.2. Kết quả thực nghiệm
3.2.1. Đối với mẫu khơng biến dạng (=0%))
3.2.2. Đối với mẫu có biến dạng =5%):
3.2.3. Đối với mẫu có biến dạng =10%)
3.2.4. So sánh giữa các mẫu có độ biến dạng khác nhau
3.2.5. Khảo sát tổ chức tế vi

39
40

40
40
40
40
42
44
46
48

Chương 4. Bàn luận kết quả
4.1. Nhận xét và bàn luận:
4.1.1. Ảnh hưởng của hóa già tự nhiên khi khơng có biến dạng sau tôi
4.1.2. Ảnh hưởng của biến dạng với =5%) và =10%) sau tơi
4.1.3 So sánh giữa các mẫu có mức biến dạng 0%), 5%), 10%)
4.2. Kết luận

50
50
50
50
51
52

Kết luận chung và kiến nghị

53

Tài liệu tham khảo

54

Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

Lớp: Nhiệt luyện K50


Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt

3

Lời nói đầu
Cơng nghiệp nhơm ở nước ta hiện tại chưa phát triển, nhưng tiềm năng để
xây dựng một ngành vật liệu kim loại nhẹ trên cơ sở nhôm là vơ cùng to lớn đặc
biệt về tài ngun khống sản. Nhôm và hợp kim nhôm là vật liệu kim loại được
ứng dụng rộng rãi, chỉ sau thép, trong công nghiệp và trong các lĩnh vực khác
nhau của đời sống xã hội. Chúng có nhiều ưu điểm như: là loại vật liệu nhẹ, có
độ bền riêng cao, có tính chống ăn mịn tốt, trong một số trường hợp là vật liệu
khơng thể thay thế. Hiện nay có rất nhiều mác hợp kim nhôm biến dạng đã được
sản xuất và phục vụ cho các ngành quốc phịng, cơng nghiệp chế tạo máy, công
nghiệp xây dựng, giao thông vận tải. Đặc biệt nhôm và hợp kim nhôm được ứng
dụng rộng rãi trong công nghiêp hàng không, vũ trụ như làm các chi tiết của
máy bay, tên lửa, ra đa, ống phóng, khớp nối, thùng chứa nhiên liệu,…Trong các
cơng trình xây dựng, rất nhiều kết cấu được chế tạo bằng hợp kim nhôm đã đáp
ứng được chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật như nhẹ, bền rẻ đồng thời thỏa mãn yêu cầu
về trang trí thẩm mỹ.
Với những ứng dụng rộng rãi và to lớn của nhơm và hợp kim nhơm đã
nêu trên thì một trong những nhiệm vụ quan trọng của ngành cung cấp vật liệu
là phát triển hợp kim nhôm nhằm đáp ứng nhu cầu vật liệu cho nghành hàng
không và ô tô với mong muốn giảm nhẹ khối lượng và tăng hiệu suất sử dụng
nhiên liệu mà vẫn đáp ứng được độ bền. Để làm những chi tiết như vành xe,

bánh xe, vỏ xe thì khi đó các hợp kim hệ 6xxx ( Al- Mg- Si ) tỏ ra ưu việt hơn
cả.
Để nâng cao chất lượng sản phẩm và công nghệ sản xuất với quy mô lớn
việc nghiên cứu cần phải được tập trung vào những vấn đề như : nhiệt luyện và
cơ nhiệt luyện hợp kim nhơm, thành phần hóa học, …
Mục tiêu của đồ án này là “Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng trước
hóa già tự nhiên đến tổ chức và tính chất khi hóa già nhân tạo của hợp kim
nhôm hệ Al- Mg- Si”
Đồ án gồm 4 chương:
 chương 1: Giới thiệu về hợp kim nhôm hệ Al- Mg –Si

Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

Lớp: Nhiệt luyện K50


Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt

4

 chương 2: Phương pháp xác định giới hạn bền, giới hạn chảy
thông qua đo độ cứng.
 Chương 3: Thực nghiệm và các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng
của biến dạng trước hóa già tự nhiên
 Chương 4 : Bàn luận kết quả
Xin chân thành cảm ơn bộ môn vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt; phịng
thí nghiệm vật liệu học; xưởng nhiệt luyện, phịng thí nghiệm cán đã tạo điều
kiện thuận lợi cho chúng em.
Chúng em đặc biệt biết ơn sự giúp đỡ tận tình của GS.TS Nguyễn Khắc
Xương trong suốt quá trình làm đồ án này.

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng đồ án không tránh khỏi những thiếu
sót. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn. Xin chân thành
cảm ơn!

Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

Lớp: Nhiệt luyện K50


Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt

5

CHƯƠNG 1.
GIỚI THIỆU VỀ HỢP KIM NHÔM HỆ Al-Mg-Si
1.1.
Đặc điểm về thành phần và tổ chức của hợp kim nhôm hệ Al-Mg-Si:
1.1.1. Đặc điểm về thảnh phẩn:
Hợp kim hệ Al-Mg-Si thường gọi là avian, nghĩa là hợp kim nhôm dùng
để chế tạo máy bay.Các nguyên tố hợp kim chính là Mg và Si. So với đura, mức
độ hợp kim hóa của avian thấp hơn. Tổng lượng nguyên tố hợp kim trong hệ này
khoảng 2%).
So với đura, avian có khả năng chống ăn mòn cao hơn, độ dẻo lớn hơn
nhưng độ bền thấp hơn.
Trong bảng 1.1 trình bày thành phần một số hợp kim nhôm biến dạng hệ
Al-Mg-Si.

Bảng 1.1. Thành phần một số avian cơng nghiệp [1]

Hợp

kim

Ngun tố chính ( %) )
Mg

Si

Nguyên tố phụ ( %) )
Cu

Fe

Mn

0,04 – 0,35

<0,15

AA6061

0,8 – 1,2

0,4 – 0,8

0,15 – 0,4

AA6063

0,45 – 0,9

0,2 - 0,6

<0,1

<0,65

<0,1

<0,1

AA6060

0,35 – 0,6

0,3 – 0,6

<0,1

0,1 – 0,3

0,05

0,1

AA6005

0,4 – 0,7

0,5 – 0,9

0,3

0,35

0,3

0,5

Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

< 0,7

Cr

Lớp: Nhiệt luyện K50


Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt

6

1.1.2. Đặc điểm về tổ chức:

Hình 1.1. Mặt cắt đẳng nhiệt của giản đồ pha Al-Mg-Si ở 2000C và 5500C [2, tr 109]

Trên giản đồ pha ba cấu tử Al-Mg-Si (hình 1.1 ) ta thấy Si và Mg tạo ra
hợp chất hóa học ổn định Mg2Si ứng với tỷ lệ Mg/Si = 1,73.
Về cơ bản tổ chức của avian gồm hai pha α và Mg2Si. Tuy nhiên để đảm
bảo nhận được độ bền cực đại, trong thực tế thường thấy tỷ lệ Mg/Si của các
avian nhỏ hơn 1,73 chút ít và khi đó tổ chức cân bằng của các hợp kim hệ này

gồm α + Mg2Si + Si
1.2.
Nhiệt luyện hợp kim Al – Mg – Si :
Nhôm là kim loại khơng có chuyển biến thù hình. Nhiệt luyện hóa bền
hợp kim nhôm dựa trên cơ sở tạo ra dung dịch rắn q bão hịa và q trình
phân hóa tiết pha phân tán tiếp theo có tác dụng hóa bền. Các dạng nhiệt luyện
hợp kim nhơm là : ủ, tơi, hóa già. Trong bảng 1.2 trình bày ký hiệu các trạng
thái gia công nhiệt luyện hợp kim nhôm.
Nga
Ký
Hiệu
M
T
T1
H
Π

Ý nghĩa nhiệt luyện
Hợp kim nhơm biến dạng
Ủ mềm
Tơi và hóa già tự nhiên
Tơi và hóa già nhân tạo
Biến cứng
Biến cúng khơng hồn tồn

Mỹ, Canada
Ký
Hiệu
F
O

H
H11
H12

Ý nghĩa nhiệt luyện
Hợp kim nhôm biến dạng và đúc
Trạng thái phôi thô
Ủ và kết tinh lại
Trạng thái biến dạng
Biến dạng với mức biến cứng nhỏ
Biến dạng với mức 1/4 biến cứng

Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

Lớp: Nhiệt luyện K50


Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt
H1
TH
T1H
T1H1
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8

Biến cứng mạnh (>20%))
Tơi, hóa già tự nhiên, biến cứng
Tơi, biến cứng, hóa già nhân tạo
Tơi, biến cứng 20%),hóa già nhân tạo
Hợp kim nhơm đúc
Hóa già tự nhiên sau đúc
Ủ
Hóa già nhân tạo sau đúc

7
H14
H16
H18
H19
H2X
H3X
T1
T2

Biến dạng với mức 1/2 biến cứng
Biến dạng với mức 3/4 biến cứng
Biến dạng với mức 4/4 biến cứng
Biến dạng với mức biến cứng lớn nhất
Biến dạng tiếp theo ủ hồi phục
Biến dạng tiếp theo ổn định hóa
Tơi sau biến dạng nóng, hóa già tự nhiên
Tơi trực tiếp sau biến dạng nóng, biến
dạng nguội, hố già tự nhiên
Tơi

T3
Tơi, biến dạng nguội, hóa già tự nhiên
Tơi và hóa già một phần
T4
Tơi, hóa già tự nhiên
Tơi và hóa già hóa bền cực đại
T5
Tơi trực tiếp sau biến dạng nóng, hóa già
nhân tạo
Tơi, hóa già ổn định
T6
Tơi, hóa già nhân tạo
Tơi, hóa già biến mềm (q hóa già) T7
Tơi và hóa già ổn định hóa ( quá hóa già )
T8
Tơi, biến dạng nguội, hóa già nhân tạo
T9
Tơi, hóa già nhân tạo, biến dạng nguội
Bảng 1.2. Ký hiệu các chế độ nhiệt luyện hợp kim nhôm [3, tr 18]

1.2.1. Ủ nhôm và hợp kim nhôm :
Nguyên công nhiệt luyện này bao gồm nung nóng vật liệu lên đến nhiệt
độ xác định, giữ nhiệt thời gian cần thiết, sau đó làm nguội chậm ( thường là
nguội cùng lò) nhằm khử bỏ trạng thái không cân bằng thường gặp trong chi tiết
sau đúc (thiên tích, cùng tinh, bao tinh,…) sau khi biến dạng dẻo hoặc sau khi
nhiệt luyện.Các dạng ủ thường áp dụng cho hợp kim nhơm là ủ đồng đều hóa và
ủ kết tinh lại.
 Ủ đồng đều hóa :
Là nguyên công nhiệt luyện đầu tiên sau đúc. Nguyên tắc chọn nhiệt độ
cần đảm bảo năng suất cao, phân bố thành phần hóa học đồng đều và tổ chức

sau ủ hợp lý. Nhiệt độ ủ đồng đều hóa thấp hơn nhiệt độ cùng tinh và lớn hơn
nhiệt độ đường giới hạn hòa tan của nguyên tố hợp kim vào dung dịch rắn α.
Các hợp kim nhôm thông dụng thường chọn nhiệt độ ủ trong khoảng 4505400C. Thời gian giữ nhiệt phụ thuộc vào kích thước chi tiết, độ lớn của các
phần tử thứ 2, thông thường kéo dài từ 4 – 10 giờ. Làm nguội sau khi giữ nhiệt
có thể tiến hành cùng lị hoặc ngồi khơng khí. Với tốc độ nguội lớn sẽ đảm bảo
độ dẻo cao, tăng hiệu ứng khi gia công áp lực.
Trường hợp đặc biệt cần quan tâm đó là khi ủ hợp kim nhơm chứa các
ngun tố chuyển tiếp. Khi ủ đồng đều hóa các hợp kim nhơm loại này xảy ra
hai q trình :
Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

Lớp: Nhiệt luyện K50


Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt

8

- Sự hịa tan các ngun tố hợp kim thơng thường như Cu, Mg, Zn,… vào
dung dịch rắn và làm đồng đều thành phần trong thỏi.
- Quá trình tiết ra các kim loại chuyển tiếp như Mn, Cr, Ti, … ở dạng hợp
chất liên kim loại.
Các pha liên kim loại chứa kim loại chuyển tiếp nhỏ mịn ổn định cao,
phân bố đồng đều có tác dụng nâng cao độ bền và nhiệt độ kết tinh lại, làm tăng
hiệu ứng ép và có thể ảnh hưởng tốt đến khả năng chống ăn mòn dưới ứng suất
của nhiều hợp kim.
 Ủ kết tinh lại
Ủ kết tinh lại áp dụng cho các chi tiết sau khi biến dạng dẻo. Mục đích là
làm cho q trình kết tinh lại xảy ra hồn tồn, tổ chức nhận được phải có hạt
nhỏ. Nhiệt độ kết tinh lại được tính theo cơng thức :

Tktl = ( 0,5 – 0,8 ) Tnc
Với hợp kim nhôm, Tktl ≈ 3300C sau quá trình kết tinh lại lần thứ hai dẫn
đến hạt thơ, để tránh hạt thơ do q trình nuốt hạt, nhiệt độ ủ kết tinh lại
thường chọn theo công thức :
Tủ ktl = Tktl + ( 50 – 100 ) 0C
Tốc độ ủ sau khi nguội đối với hợp kim nhơm khơng hóa bền bằng nhiệt
luyện có thể chọn tùy ý, cịn với hợp kim nhơm hóa bền bằng nhiệt luyện thì
phải làm nguội chậm ( hoặc nguội với nhiệt độ thích hợp ). Các nhóm hợp kim
nhơm hóa bền bằng nhiệt luyện như 2xxx (Al-Cu-Mg), Al-Cu, 6xxx ( AL-Mg-Si
), 7xxx ( Al-Zn-Mg ) được ủ theo quy trình điển hình là : T ủ = 413 0C, τgiữ nhiệt = 2
– 3 giờ, cịn chế độ nguội thì khác nhau.
Một dạng ủ của kết tinh lại là ủ khơng hồn tồn. Loại ủ này áp dụng cho
các hợp kim nhơm khơng hóa bền bằng nhiệt luyện. Nhiệt độ ủ thường chọn nhỏ
hơn nhiệt độ kết thúc kết tinh lại và tổ chức nhận được là đa cạnh hóa hoặc kết
tinh lại chưa hồn tồn.
1.2.2. Tơi các hợp kim nhôm:
Tôi các hợp kim nhôm nhằm tạo ra dung dịch rắn q bão hịa để hóa bền
tiếp theo nhờ tiết pha phân tán. Như vậy chỉ những hợp kim nhôm mà độ hòa tan
của các nguyên tố hợp kim trong dung dịch rắn giảm dần khi hạ nhiệt độ thì mới
có thể tơi.
Việc chọn nhiệt độ tơi cho các hợp kim nhôm căn cứ vào nhiều yếu tố
như giản đồ trạng thái, số lượng và hàm lượng các nguyên tố hợp kim, các pha
Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

Lớp: Nhiệt luyện K50


Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt

9

liên kim loại mà chúng tạo thành. Nguyên tắc chọn nhiệt độ tôi là lấy thấp hơn
nhiệt độ cùng tinh 5 – 100C. Khoảng dung sai nhiệt độ được chọn tùy thuộc vào
từng họ hợp kim cụ thể.
Thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ nung tơi nhằm mục đích hịa tan các pha
thứ hai vào dung dịch rắn α và đồng đều hóa thành phần. Thời gian giữ nhiệt
phụ thuộc vào kích thước pha thứ hai, hệ số khuếch tán của các nguyên tố hợp
kim và kích thước chi tiết. Trong tổ chức các hợp kim nhôm biến dạng, những
phần tử pha thứ hai nhỏ mịn, phân tán, do vậy thời gian giữ nhiệt ngán khơng
q vài chục phút. Cịn trong hợp kim nhôm đúc, các phần tử này thô, thời gian
giữ nhiệt hàng giờ hoặc lâu hơn.
Để đảm bảo nhận được dung dịch rắn quá bão hòa, tốc độ nguội khi tôi
hợp kim phải lớn hơn tốc độ nguội tới hạn. Tốc độ nguội tới hạn xác định theo
giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của dung dịch rắn quá nguội.
Hầu hết các hợp kim nhơm có tốc độ nguội tới hạn nhỏ hơn tốc độ nguội
trong nước. Tuy nhiên, để giảm cong vênh, hạn chế phế phẩm, hiện vẫn có nhiều
cơng trình nghiên cứu chọn mơi trường thích hợp cho các hợp kim nhôm.
Tổ chức của hợp kim nhôm sau khi tơi là dung dịch rắn q bão hịa với
hiệu quả tăng bền không lớn. Để tăng bền người ta phải tiến hành hóa già ở
nhiệt độ và thời gian nhất định để nhận được cơ tính tổng hợp tốt nhất theo yêu
cầu kỹ thuật.
1.2.3. Hóa già hợp kim nhơm:
Hóa già là phương pháp gia cơng nhiệt luyện nhằm phân hóa dung dịch
rắn q bão hịa thu được sau khi tơi các hợp kim khơng có chuyển biến thù
hình.
Có hai loại hóa già: hóa già tự nhiên và hóa già nhân tạo. Hóa già tự nhiên
là kiểu hóa già ở nhiệt độ thấp (thường là trong môi trường không khí) trong một
khoảng thời gian dài. Hóa già nhân tạo là kiểu hóa già ở nhiệt độ cao hơn, trong
khoảng thời gian ngắn.
Trong thực tế người ta có thể hóa già tiến hành bằng cách giữ nhiệt không

phải ở một nhiệt độ mà ở những nhiệt độ khác nhau, hóa già như vậy gọi là hóa
già phân cấp. Trong kỹ thuật đối với hợp kim nhơm thường gặp hóa già hai cấp,
cấp một ở nhiệt độ thấp và cấp hai ở nhiệt độ cao hơn.

Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

Lớp: Nhiệt luyện K50


Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt

10

Mục đích cơ bản của hóa già phân cấp là tạo ra tổ chức có mật độ phần tử
tiết ra lớn và sự phân bố của chúng đồng đều. Khi hóa già cấp một ở nhiệt độ
thấp , do mức độ quá bão hòa dung dịch rắn lớn , số tâm mầm sẽ tiết ra nhiều.
Nâng nhiệt độ hóa già cấp hai cao hơn , pha tiết ra có khả năng sinh mầm ký
sinh không chỉ trên lệch, biên giới siêu hạt, khuyết tật xếp,.. mà cả trên các vùng
GP tạo ra trong giai đoạn hóa già cấp một ở nhiệt độ thấp. Như vậy tổ chức nhận
được sẽ nhỏ mịn, phân tán hơn so với hóa già một cấp ở nhiệt độ cao.
Hóa già cấp một có thể là hóa già tự nhiên và vì vậy đa số các trường hợp
hóa già nhân tạo trong thực tế là hóa già hai cấp: cấp một xảy ra ngay sau khi
tôi, chi tiết được giữ ở nhiệt độ thường ( hóa già tự nhiên ), cấp hai hóa già nhân
tạo.
Với hợp kim Al - Mg - Si chứa 1%) Mg 2Si, sau khi hóa già cấp một ở nhiệt
độ thường ( hóa già tự nhiên ), hóa già cấp hai ở nhiệt độ cao sẽ đạt hiệu quả
kém hơn so với hóa già một cấp ( trực tiếp ngay sau tơi ) ở nhiệt độ cao. Nguyên
nhân của điều này liên quan tới hiện tượng giảm nồng độ nút trống sau khi hóa
già cấp một.
Đối với hợp kim hệ Al – Mg – Si, khi hàm lượng Mg 2Si xấp xỉ 1%) thì ảnh

hưởng có hại của hóa già tự nhiên cấp một thể hiện rõ rệt. Nhưng với hàm lượng
Mg2Si nhỏ hơn, chẳng hạn bằng 0,7%) thì hóa già tự nhiên cấp một lại ảnh hưởng
tốt, làm tăng thêm độ bền khi hóa già cấp hai ở nhiệt độ cao.
Như vậy ảnh hưởng lợi hoặc hại của hóa già phân cấp phụ thuộc vào nhiệt
độ các cấp hóa già và thành phần hợp kim [2, tr 74].
1.2.4. Quy trình nhiệt luyện hợp kim Al – Mg – Si:
Nhiệt luyện hóa bền avian gồm có tơi và hóa già. Khi chọn nhiệt độ có thể
căn cứ vào giản đồ pha hai cấu tử giả Al-Mg2Si
Nhiệt độ tôi avian được chọn trong khoảng 520-5400C
Tôi ở nhiệt độ lớn hơn 540 0C sẽ gây quá nhiệt, làm hạt to và giảm hiệu
ứng hóa bền tổ chức.
Tốc độ tôi tới hạn của avian nhỏ, vì vậy khi tơi một số hợp kim, chẳng
hạn AA6061, có thể nguội ngồi khơng khí. Do vậy khi ép AA6061 ra khn ở
nhiệt độ 520-5400C, làm nguội ngồi khơng khí có thể thay ngun cơng tơi.
Avian có thể hóa già tự nhiên hoặc hóa già nhân tạo. Hóa già tự nhiên cho tổng
hợp cơ tính tốt, độ bền cao , độ dẻo đảm bảo và ổn định chống ăn mịn. Tuy
nhiên , thời gian hóa già để đạt cực đại độ bền so với các đura cần dài hơn.
Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

Lớp: Nhiệt luyện K50


Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt

11

Trong thực tế, thường ứng dụng hóa già nhân tạo bởi vì cơng nghệ này
cho hiệu ứng tăng bền lớn hơn.
Đối với avian, cần chú ý tránh thời gian gián đoạn q dài giữa ngun
cơng tơi và hóa già. Thời gian ngắt quãng này lâu sẽ làm giảm mạnh hiệu quả

hóa già nhân tạo.
1.3. Các q trình tiết pha hóa bền dung dịch rắn quá bão hòa:
Nghiên cứu bản chất tổ chức tạo ra khi hóa già, các giai đoạn và đặc điểm
động học của q trình phân hóa, có ý nghĩa lý thuyết và thực tiễn quan trọng.
Đặc điểm tổ chức hình thành khi phân hóa dung dịch rắn phụ thuộc vào
nhiều yếu tố. Cho đến nay các công trình nghiên cứu dựa trên những phương
tiện hiện đại vẫn đang được tiếp tục để làm sáng tỏ bản chất động học của q
trình hóa già.
Khi tăng nhiệt độ ( hoặc kéo dài thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ không
đổi ), sự biến đổi tổ chức của dung dịch rắn q bão hịa bắt đầu từ việc hình
thành các vùng Guinier-Preston (VGP), tiếp theo là sự tạo ra pha β’’ (VGP2),
pha β’ và pha β (Mg2Si).
αqbh → VGP → β’’ → β’ → β [4, tr 52]
1.3.1. Vùng G-P:
VGP là một vi thể tích của dung dịch rắn đươc làm giàu bởi nguyên tố
hợp kim. Tất nhiên nó có mạng tinh thể là mạng tinh thể của dung dịch rắn.
Giữa VGP và pha mẹ khơng có mặt ranh giới rõ rệt.
Kích thước của VGP phụ thuộc vào thành phần hợp kim , nhiệt độ và thời
gian hóa già.
Về mặt nhiệt động học , VGP tương tự như trạng thái pha giả ổn định và
hoàn toàn khác với vùng tạo ra do thăng giáng thành phần.
Trong khi vùng thăng giáng thành phần khơng ổn định thì VGP ổn định
theo thời gian . VGP có thể tích tụ lớn lên bằng cách “ thơn tính” vùng nhỏ lân
cận theo cơ chế khuếch tán. Thành phần của VGP ở nhiệt độ nhất định không
phụ thuộc thành phần hợp kim.
So sánh mật độ lệch và mật độ VGP khi hóa già thấy rằng mật độ VGP
lớn hơn mật độ lệch. Trên cơ sở đó người ta cho rằng VGP sinh ra theo cơ chế
mầm đồng pha trên các vùng ba động nồng độ. Do vậy các VGP phân bố khá
đều trên toàn bộ thể tích mẫu.

Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

Lớp: Nhiệt luyện K50


Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt

12

Hình 1.2 . Ơ mạng tinh thể của pha ổn định β và các pha giả ổn định β’’ và β’[4]

1.3.2. Pha β’’ :

Hình 1.3. Liền mạng hồn tồn[2, tr 44]

Pha β’’ về thành phần gần giống với công thức Mg2Si, về cấu trúc tinh thể
có kiểu mạng chính phương (hình 1.2) khác với kiểu mạng α, các hằng số mạng
tương ứng là a= 0,65nm; b= 0,76nm; c=0,405nm [4]. Mạng tinh thể của β’’ liền
mạng hồn tồn với nền (hình 1.3). Trong hệ Al-Mg-Si pha β’’ được tiết ra có
dạng hình kim và là pha tăng cường chính trong hệ hợp kim này. [5, tr 53] .
1.3.3. Pha β’ :
Pha β’ có thành phần tương ứng Mg 2Si, kiểu mạng chính phương (hình
1.2) với các thơng số mạng a= 0,705nm; c= 0,405nm [4]. Giữa β’ và α chỉ liền
mạng một phần ( hình 1.4). Pha β’ có dạng hình que. Trường ứng suất đàn hồi
sinh ra do tạo VGP và pha β’’ lớn hơn so với trường hợp tạo ra pha β' [2 tr 54 ] .

Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

Lớp: Nhiệt luyện K50

Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt

13

Hình 1.4. Liền mạng một phần [2 tr 44]

1.4.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tổ chức và tính chất trước khi hóa già tự
nhiên:
1.4.1. Ảnh hưởng của thành phần:
1.4.1.1.Ảnh hưởng của thành phần nguyên tố hợp kim cơ bản:
Hàm lượng nguyên tố hợp kim liên quan trực tiếp tới độ q bão hịa dung
dịch rắn sau khi tơi. Độ q bão hịa càng lớn, cơ tính hợp kim ngay sau khi tôi
càng cao. Trong hợp kim hệ Al-Mg-Si độ bền đạt được cực đại sau tơi và hóa
già ứng với vùng nồng độ lân cận tỷ số Mg/Si = 1,73 (hình 1.5)

Hình 1.5 .Cơ tính của hợp kim Al-Mg-Si với tổng trọng lượng (Mg+Si) bằng 2%
phụ thuộc vào tỷ lệ các nguyên tố hợp kim và chế độ nhiệt luyện :
1 – tơi ; 2 – hóa già tự nhiên ; 3 – hóa già nhân tạo

Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

[2, tr 110]
Lớp: Nhiệt luyện K50


Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt

14

 Ảnh hưởng của Si:
Đây là nguyên tố hòa tan rất ít trong Al, giữa chúng khơng tạo ra hợp chất
hóa học, khi Si hịa tan với hàm lượng thấp sẽ tạo ra dung dịch rắn có độ bền
cao nhưng làm giảm độ dẻo, khi tăng hàm lượng Si sẽ tạo ra cung tinh (α + Si)
gồm các hạt Si dạng kim hoặc dạng hạt trên nền α, cùng tinh này làm cho hợp
kim Al có dộ bền cao hơn mặc dù độ dẻo khi đó giảm khơng đáng kể.
 Ảnh hưởng của Mg:
Mg có tác dụng tăng bền và khơng giảm dẻo, tăng khả năng chống ăn
mịn và tính hàn, với hàm lượng không quá 5,5%). Nguyên tố Mg tạo với nhôm
giản đồ cùng tinh ( điểm cùng tinh có thành phần 33%)Mg ) có hợp chất hóa
học ( Mg5Al8, Mg17Al12 ), Khi hịa tan trong nhơm ngun tố Mg có tác dụng
hóa bền hợp kim khá mạnh, độ hòa tan cực đại là 17,4%) ( tại nhiệt độ cùng
tinh ). Độ bền cực đại tăng theo hàm lượng Mg và đạt cực đại với 16%) Mg, tuy
nhiên độ dẻo lại giảm. hiệu quả hóa bền do nhiệt luyện tương đối cao khi
lượng Mg > 8%), nhưng lại làm cho hợp kim nhạy cảm với ăn mòn dưới tác
dụng của ứng suất. [2 tr 39]
1.4.1.2. Ảnh hưởng của lượng nhỏ hợp kim và tạp chất:
Lượng nhỏ hợp kim và tạp chất đóng vai trị là các ngun tố vi lượng,
ảnh hưởng lớn đến tạo mầm và tiết pha do :
-Ưu tiên tương tác với nút trống.
-Nâng đường giới hạn hoà tan của vùng GP.
-Thúc đẩy tạo mầm tiết pha do tạo ra các vị trí khơng đồng nhất cho
việc tạo mầm.
-Đẩy mạnh hình thành các tiết pha khác nhau.
-Tăng nồng độ dung dịch rắn quá bão hòa.
 Ảnh hưởng của nguyên tố Cu:
Tại nhiệt độ thường, Al hòa tan được 0,2%) Cu tạo ra dung dịch rắn α,
khi nhiệt độ tăng, hàm lượng Cu hịa tan trong nhơm tăng lên. Sự có mặt của

Cu trong hợp kim Al làm tăng cơ tính đặc biệt khi hàm lượng Cu = 1,543%) thì
làm tăng độ bền cho hợp kim Al ở 300 0C, nguyên nhân là do Cu làm tăng liên
kết giữa các nguyên tử với dung dịch rắn, khi phân hủy dung dịch rắn phức tạp
tạo ra pha Al2Mn2Cu siêu phân tán, Cu dư sẽ tạo tiếp ra pha Al 6Cu3Ni kết tinh
ở dạng lưới bao quanh biên giới hạt làm cho độ bền nóng tăng lên. Khi hàm

Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

Lớp: Nhiệt luyện K50


Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt

15

lượng Cu > 3%) thì cơ tinh sẽ kém do tạo ra pha CuAl 2 giịn, tính chảy lỗng
kém, dễ gây thiên tích, nứt nóng,…
Đặc biệt khi có Cu trong hợp kim hệ Al-Mg-Si thì trong tổ chức các hợp
kim này có sự xuất hiện của một pha mới có tên là pha Q. Pha Q là pha hóa
bền nhưng gây ảnh hưởng xấu đến tính chống ăn mịn của hợp kim hệ Al-MgSi. [4]

Ảnh hưởng của Mn:
Mn tạo với Al giản đồ cùng tinh ( điểm cùng tinh chứa 1,95%)Mn ) có
chứa pha trung gian như : MnAl6, MnAl4. Khi Mn hịa tan trong nhơm tạo
dung dịch rắn α, độ hòa tan lớn nhất của Mn vào Al tại 685 0C khoảng 1,4%) và
giảm mạnh trong chặng nhiệt độ 550 – 4500C. Mn hòa tan vào Al làm tăng tính
chống ăn mịn và tăng bền, giảm tác hại của Fe có trong Al, tuy nhiên nó lại
làm cho hợp kim có độ chảy lỗng kém.
Mn cịn có xu hướng tạo hạt lớn ở tấm Al. Nguyên nhân là do hiện tượng
thiên tích nhánh cây, do Mn phân bố khơng đều. Để ngăn ngừa tác hại này,

người ta dùng Ti với hàm lượng nhỏ hoặc ủ đồng đều hóa hợp kim sau đúc với
chế độ tối ưu.
Mn làm giảm điện trở suất, tăng bền do hóa bền dung dịch rắn hoặc tạo
pha liên kim phân tán nhỏ mịn. Nó khơng ảnh hưởng xấu tới tính chống ăn
mịn.
 Ảnh hưởng của Fe:
Fe trong Al tạo ra hợp chất liên kim loại Al 3Fe làm giảm độ giãn dài và độ
bền chống đứt, điều này có liên quan với sự hình thành pha Al 3Fe hình kim,
thơ to, đây là pha giịn. Khi hàm lượng Fe nhỏ (<1,5%)) và phân tán tốt khi làm
nguội nhanh có tác dụng giảm giịn nóng và tăng chống ăn mịn ứng suất. Fe
cùng với Mg có tác dụng tăng bền, giảm độ giãn dài.
 Ảnh hưởng của Cr:
Tương tự như nguyên tố Ti, Cr tạo với Al giản đồ bao tinh với các hợp
chất hóa học như ; CrAl7, Cr2Al11. Trong Al, Cr gây tác dụng hóa bền phân tán
mạnh với lượng 0,1- 0,2 %) Cr làm giới hạn bền tăng thêm 20 – 50 MPa. Kết
hợp với nguyên tố Mn, khi kết tinh Mn và Cr phân bố hoàn toàn ngược nhau
theo chiều từ tâm ra biên giới hạt đồng thời làm thay đổi hình thái biên giới hạt
( tạo ra dạng răng cưa ), ngăn cản sự phát triển của vết nứt, làm giảm nhạy cảm
với ăn mòn ứng suất. Khi nguội nhanh với tốc độ nguội 2,5.10 4 0C/s có thể tạo
Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

Lớp: Nhiệt luyện K50


Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt

16

dung dịch rắn α chứa tới 5,5%) Cr ( trong khi độ hòa tan cực đại theo giản đồ
pha cân bằng khoảng 0,85%) )

1.4.2. Ảnh hưởng của biến dạng :
Ở trạng thái ủ mật độ lệch trong nhôm khoảng 10 7 - 108 cm-2 , sau khi biến
dạng giá trị mật độ lệch có thể đạt tới 1010- 1012 cm-2 .
Có mặt trong dung dịch rắn q bão hịa sau tơi, lệch có thể gây ra những
ảnh hưởng khác nhau đến quá trình tiết pha:
- Lệch là nơi sinh mầm thuận lợi cho quá trình tiết pha phân tán [6]
và tăng cường sự khuếch tán của nguyên tố hợp kim trong dung dịch rắn [7].
Như vậy lệch thúc đẩy quá trình tiết pha.
- Mặt khác lệch lại có tác dụng như những “hố nhỏ” hút các nút trống
từ các vùng lân cận, làm giảm mạnh nồng độ nút trống trong dung dịch rắn [8].
Nút trống đóng vai trị quan trọng trong quá trình tiết pha ở thời kỳ đầu và ở
nhiệt độ thường (phòng) [9].
Như vậy biến dạng dẻo làm tăng mật độ lệch, ngồi hiệu ứng hóa bền biến
cứng cịn gây ảnh hưởng rất mạnh đến q trình tiết pha phân tán tăng bền.

1.5.

Ứng dụng của hợp kim Al – Mg - Si:
Các hợp kim avian có khối lượng riêng nhỏ, độ bền trung bình, khả năng
chống ăn mịn khí quyển và trong nhiều mơi trường cao, tính chất công nghệ tốt,
đặc biệt là khả năng biến dạng dẻo, cho phép ép đùn với tốc độ 60m/ph ( so với
3m/ph của đura), chất lượng bề mặt sau gia công anốt tạo màng đẹp.
Do các ưu điểm này, avian có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các
ngành công nghiệp. Ví dụ :
- Trong máy bay : khung cửa sổ, nội thất… (hình 1.6)

Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

Lớp: Nhiệt luyện K50

Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt

17

Hình 1.6. Minh họa ứng dụng hợp kim nhơm trong máy bay

- Trong ô tô : vỏ xe, bánh xe, khung xe, nội thất …( hình 1.7 và 1.8)

Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

Lớp: Nhiệt luyện K50


Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt

18

Hình 1.7. Minh họa ứng dụng hợp kim nhơm trong bánh và động cơ ơ tơ

Hình 1.8. Minh họa ứng dụng hợp kim nhôm trong cấu trúc khung xe ô tơ

Trong xe máy : càng xe, tay dắt, …(hình 1.9)
Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

Lớp: Nhiệt luyện K50


Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt

19

Hình 1.9. Minh họa ứng dụng hợp kim nhơm trong càng xe, tay dắt của xe máy

Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

Lớp: Nhiệt luyện K50


Bộ môn: Vật liệu học xử lý nhiệt và bề mặt

20

- Trong xây dựng : khung cửa, cửa cuốn, thang … ( hình 1.10)

Hình 1.10. Minh họa ứng dụng hợp kim nhôm chế tạo thang và cửa xếp

Sinh viên thực hiện: Lưu Văn Ban - Nguyễn Duy Bình

Lớp: Nhiệt luyện K50