quá trình già hóa AlCu

TIỂU LUẬN 5:
QUÁ TRÌNH GIÀ HÓA Al-Cu
Trước khi xem xét quá trình hóa già hợp kim Al-Cu chúng ta
sẽ xem hóa già là gì :
Sự biến cứng phân tán, còn gọi là hóa già, là một kỹ thuật
dùng để xử lý nhiệt được sử dụng để làm tăng độ dẻo của vật liệu dễ
uốn, bao gồm hầu hết các kim loại và hợp kim kết cấu như nhôm,
magiê, niken, titan, và một số loại thép không gỉ. Trong hợp kim
chịu nhiệt cao nó được biết là gây ra giới hạn đàn hồi bất thường
cung cấp sức chịu đựng ở nhiệt độ cao rất tốt .
Sự biến cứng ( sự hóa già ) dựa trên những thay đổi trong khả
năng hòa tan chất rắn có nhiệt độ để tạo ra các hạt nhỏ của một pha
tạp chất, gây cản trở cho sự phát triển của các đứt gãy, hoặc khuyết

tật trong mạng tinh thể của một tinh thể nào đó . Sự đứt gãy thường
là đặc điểm nổi bật của dẻo, điều này có ứng dụng để làm cứng các
vật liệu. Các tạp chất đóng vai trò tương tự như những hạt trong vật
liệu composite để tăng cường hạt . Cũng như sự hình thành nước đá
trong không khí dùng để tao nên mây, tuyết, mưa , phụ thuộc vào
nhiệt được giữ của một phần nhất định của khí quyển, kết tủa trong
các chất rắn có thể tao nên nhiều kích cỡ khác nhau của các hạt, có
đặc tính hoàn toàn khác nhau . Không giống như ủ bình thường, hợp
kim phải được giữ ở nhiệt độ cao trong nhiều giờ để cho phép kết
1

tủa xảy ra hoàn toàn . Thời gian trễ này được gọi là "hóa già". Dung
dịch xử lý hóa già được viết tắt là "STA"
Độ bền và độ cứng của một số hợp kim của kim loại có thể
được tăng cường bởi sự hình thành của các hạt phân tán đồng đều
cực nhỏ của một pha thứ hai trong ma trận pha ban đầu.

Hình dưới là một quá trình biến cứng của kim loại:

2


Hình ảnh về một tổ chức pha của Al-Mg có thể được dùng để

biến cứng hay hóa già:

Cơ chế của sự hóa cứng xảy ra trong phạm vi biến dạng dẻo
Có những vùng trong tinh thể hoặc chất kết tủa sẽ làm cản trở
việc chuyển động lệch mạng do vậy ứng suất phải được tăng lên để
"đẩy" các lệch mạng thông qua việc phân bố các chất kết tủa. Do đó
các hợp kim trở nên rất cứng và bền hơn. Đó là cơ chế của sự hóa
già
Bây giờ chúng ta tìm hiểu sự hóa già trong hợp kim Al-Cu
Hợp kim Al-Cu4% và nhiệt luyện hóa bền
Để xét nhiệt luyện hóa bền của hệ Al - Cu nói riêng và của các
3

hệ hợp kim nhôm khác nói chung, hãy xét cơ chế hóa bền khi nhiệt
luyện hợp kim Al chứa 4%Cu.

Sơ đồ cân bằng Al-Cu:

Thành phần hóa học (%) và cơ tính của các hợp kim nhôm

4

5


Giảm đồ pha hợp kim Al-Cu với thành phần Cu là 4%

Cấu trúc
hóa già

6


Từ giản đồ pha Al - Cu thấy rằng Cu hòa tan đáng kể ở trong

Al ở nhiệt độ cao (cực đại là 5,65% ở 5480C), song lại giảm mạnh
khi hạ nhiệt độ (còn 0,5% ở nhiệt độ thường). Khi vượt quá giới hạn
hòa tan lượng Cu thừa được tiết ra ở dạng CuAl2II (trong đó II là để
chỉ pha này được tiết ra từ trạng thái rắn như Fe3C II -Xementite II
trong thép sau cùng tích). Như vậy hợp kim Al-Cu4%C :
Lúc đầu ở nhiệt độ thường và ở trạng thái cân bằng (ủ) có tổ
chức gồm dung dịch rắn α - Al (0,5%Cu) và một lượng (khoảng
7%) là pha CuAl2II , có độ cứng và độ bền thấp nhất (σb =200MPa).
Khi nung nóng lên quá đường giới hạn hòa tan (5200C), các
phần tử CuAl2II hòa tan hết vào α - Al và chỉ có tổ chức một pha α
là Al(4%Cu) và khi làm nguội nhanh tiếp theo (tôi) CuAl2II không
kịp tiết ra, tổ chức α giàu Cu được cố định lại ở nhiệt độ thường.

Như vậy sau khi tôi, ở nhiệt độ thường hợp kim có tổ chức
khác hẳn lúc đầu, là dung dịch rắn quá bão hòa (với giới hạn hòa tan
là 0,5%Cu thì 4%Cu là quá bão hòa) với độ bền tăng lên đôi chút
(do mạng bị xô lệch nhất định), σb = 250 - 300MPa và vẫn còn khá
dẻo (có thể sửa, nắn được).
Song lại thấy hiện tượng đặc biệt khác thép: sau khi tôi, theo
thời gian độ bền, độ cứng tăng lên dần và đạt đến giá trị cực đại sau
5 - 7 ngày, σb = 400MPa tức đã tăng gấp đôi so với trạng thái ủ
(hình 6.5). Quá trình nhiệt luyện hóa bền như vậy được gọi là tôi +
hóa già tự nhiên (để lâu ở nhiệt độ thường).

7

Cơ chế hóa bền khi tôi + hóa già của hợp kim Al-Cu
Cơ chế giải thích sự hóa bền của hợp kim nhôm khi tôi + hóa
già do Gunier và Preston đưa ra một cách độc lập nhau từ đầu thế kỷ
20 sau đó đã được chứng minh bằng phân tích tia X là đúng. Có thể
giải thích sự hóa bền đó như sau.
Dung dịch rắn quá bão hòa tạo thành sau khi tôi là không ổn
định, luôn có khuynh hướng trở về trạng thái cân bằng, bằng cách
tiết ra Cu và tập trung lại dưới dạng CuAl2II. Sự trở về trạng thái
cân bằng này xảy ra khá chậm ở nhiệt độ thường và càng nhanh ở
nhiệt độ cao hơn với các giai đoạn như sau.

Giai đoạn I. Khi lượng Cu tập trung quá 4% ở một số vùng
gọi là vùng G.P có kích thước rất bé (hình đĩa bán kính khoảng
5nm) với sự xô lệch mạng cao nên có độ cứng cao, nhờ đó nâng cao
độ bền, độ cứng.
Giai đoạn II. Các nguyên tử Cu trong vùng G.P tiếp tục tập
trung và dần dần đạt đến mức 1Cu - 2Al và vùng G.P to lên tạo nên
pha V" (kích thước 10nm, khoảng cách các pha 20nm) rồi V' (với
kích thước lớn hơn). Độ bền đạt được giá trị cao nhất là ứng với sự
tạo nên pha V", khi tạo nên pha V' độ bền bắt đầu giảm đi. ở nhiệt
độ thường quá trình kết thúc bằng sự tạo thành pha V" và đạt độ
8

bền cực đại sau 5 - 7
ngày và duy trì trạng
thái này mãi mãi
(xem đường hóa già
tự nhiên - 200C - trên
hình dưới ).
Giai đoạn III. ở nhiệt độ cao hơn, 50 – 1000C hay hơn, pha V'
chuyển biến thành V với cấu trúc đúng với CuAl2II như trên giản đồ
pha. Do ở trạng thái cân bằng và pha V có kích thước lớn hơn nên
độ bền giảm nhanh đến mức thấp nhất (xem đường hóa già nhân tạo
- 100, 2000C trên hình dưới ). Có thể coi V’’ và V’ là các tiền pha

của V - CuAl2II
Qua đó thấy rõ
Pha CuAl2II có vai trò rất lớn đối với hóa bền hợp kim nhôm:
hòa tan vào dung dịch rắn khi nung nóng, tạo nên dung dịch rắn quá
bão hòa khi làm nguội và chuẩn bị tiết ra lại ở dạng rất phân tán khi
hóa già. Không có nó hợp kim không thể hóa bền được, nên người
ta gọi nó là pha hóa bền.

9


Hình : Sự thay đổi giới hạn bền theo thời gian (hóa già) sau

khi tôi của hợp kim AlCu4
Nhiệt luyện hóa bền bằng cách tôi rồi tiếp theo sau là:
Hóa già tự nhiên: bảo quản ở nhiệt độ thường trong 5 - 7
ngày, hoặc muốn nhanh hơn.
Hóa già nhân tạo: nung nóng ở 100 - 200oC trong thời gian
thích hợp (chừng vài chục h tùy theo từng nhiệt độ cụ thể) để đạt
đến độ bền cao nhất do tạo nên tiền pha θ (nhưng nếu kéo dài quá
quy định độ bền sẽ giảm đi và không đạt được giá trị cực đại do tạo
nên pha θ).
Hình ảnh về Các sai lệch và biến dạng khi hóa già:

10

Biến dạng mạng tinh thể Al –Cu khi hóa già

Hình a . dung dịch rắn Al-α quá bão hòa
Hình b . Miền hoặc kết tủa pha (hóa già )với sự biến dạng mạng tinh
thể
Hình c . Pha cân bằng (trung bình) không biến dạng

Hình (a) Một kết tủa không thống nhất không có mối quan hệ với
các cấu trúc tinh thể của các ma trận xung quanh.
11

Hình (b) Một hình thức kết tủa thống nhất có một mối quan hệ nhất
định giữa các kết tủa và cấu trúc tinh thể của ma trận
Thay đổi cấu trúc vi
mô xảy ra trong các hợp
kim hóa già trong hàn :
Hình (a) cấu trúc vi mô
trong mối hàn ở nhiệt độ
cao, và Hình (b) cấu trúc vi
mô trong mối hàn sau khi
từ từ nguội đến nhiệt độ phòng.

Nghiên cứu tính chất đặc điểm của 1 tổ chức hóa già
Một tổ chức hóa già điển hình giữa Nhôm và Đồng với tỉ lệ Al3.5–5.5%Cu-Mg-Mn cho ra hợp kim Đuyra đây là một hợp kim
điển hình của nhôm và đồng với sự thêm vào của nguyên tố khác
.Về tính chất vật lí hợp kim này có độ bền hơn nhôm 4 lần ( gần
bằng độ bền của thép ) có tỉ khối xấp xỉ 27.5 g / cm3
Duralumin (còn có tên gọi khác là duraluminum , duralum
, duraluminium , duralium or dural ) là tên gọi thương mại của
một trong các kiểu tên đầu tiên của hợp kim nhôm-hardenable .
12

Việc sử dụng nó như là một tên thương mại giờ đã lỗi thời, và ngày
nay thuật ngữ này được sử dụng chủ yếu để mô tả các hợp kim
nhôm-đồng, tên gọi Duyra được sử dụng từ nhưng năm 2000 do Hệ
thống Alloy Designation System (IADS) .
Ngoài nhôm, vật liệu chính cấu thành nên duralumin là đồng,
mangan và magiê.
Duralumin đã được tạo ra bởi nhà luyện kim của Đức là
Alfred Wilm ở phòng thí nghiệm tại Dürener Metallwerke Aktien
Gesellschaft.Năm 1903, Wilm phát hiện ra rằng làm nguội, một hợp
kim nhôm chứa 4% đồng ở nhiệt độ phòng dần dần cứng lại trong
vài ngày .Tiếp tục nghiên cứu và phát triên ông đã Cải thiện hơn
nữa dẫn đến sự ra đời của duralumin vào năm 1909. Hiện nay cái

Tên này đã lỗi thời , và chủ yếu được sử dụng trong khoa học với
múc đích là phổ biến hệ thống hợp kim Al-Cu .
Vào những năm 1920 và 1930 người ta sử dụng chúng lần đầu
tiên để làm những cái khung khí cầu cứng chắc . Cho tới khi chúng
được sử dụng để làm khung máy bay chuyên chở các phi công của
Đức như chiếc LZ 127 Graf Zeppelin, LZ 129 Hindenburg, LZ
130 Graf Zeppelin II, và không quân Mĩ như U.S.
Navy airships USS Los Angeles (ZR-3, ex-LZ
126), USS Akron (ZRS-4) and USS Macon (ZRS-5) các thành phần
và khả năng chịu nhiệt đều là một bí mật vào thời chiến . ( hình bên
là một mẫu duyra từ USS Akron (ZRS-4) ) Với những hỗn hợp tạo
mồi rip-resistant , duralumin nhanh chóng được đưa vào và lan

13


rộng khắp ngành công nghiệp máy bay trong đầu những năm 1930 ở
đây chúng được sử dụng rất phù hợp với các
kỹ thuật chế tạo các khung giàn bao quanh
duy nhất – monocoque(đây là một từ thuật
ngữ trong tiếng Pháp có nghĩa là “khung
duy nhất” ) . Duralumin cũng được sử dụng
rất phổ biến để chế tạo các dụng cụ có độ
chính xác vì trọng lượng nhẹ và sự cứng chắc của nó . Các thí
nghiệm đầu tiên để sử dụng duralumin cho một kiểu máy bay nặng

hơn không khí đã được tiến hành vào năm 1916, khi Hugo Junkers
lần đầu tiên đã giới thiệu việc sử dụng nó trong việc tạo ra các
khung máy bay Junkers J 3 .
Đuyrra dễ biến dạng ở trạng thái nóng cũng như ở trạng thái
nguội . Đuyra sau khi tôi , được hóa già tự nhiên để tăng khả năng
chống mài mòn , Các bán thành phẩm ép của duyra có độ bền lớn
hơn độ bền của tấm cán nhờ hiệu ứng ép . Đuyra nói chung dễ gia
công cắt gọt sau khi tôi già hóa , nhưng ở trạng thái ủ lại rất khó cắt
gọt
Nhược điểm : tính chống ăn mòn kém . Khắc phục bằng cách
phủ lớp nhôm nguyên chất với chiều dày 4~8% chiều dày hay
đường kính của tấm hay dây đuyra ….

Việc bổ sung các đồng sẽ tăng thêm độ cứng ,nhưng nó cũng
làm cho các hợp kim dễ bị ăn mòn. Đối với các sản phẩm dạng tấm,
việc chống ăn mòn có thể được nâng cao đáng kể bằng luyện kim
14


với việc cho một lớp bề mặt nhôm có độ tinh khiết cao lên trên .
Những tấm phủ lên đó được gọi là alclad, và thường được sử dụng
bởi những ngành công nghiệp máy bay .

Hình ảnh về alclad

Ứng dụng của chúng là lõi dây điện

15


Mũi khoan cho máy bắn vít

Xe

đạp đua khung siêu nhẹ

Khung máy bay quân sự và dân dụng ….

Đinh tán

Dụng cụ cơ khí
16


dụng cu phẫu thuật y học

…………………………. Hết…………………………

17