Ảnh hưởng của biến dạng sau tôi và thời gian chờ đến nhiệt luyện hóa bền kết thúc của hợp kim 6063 (hệ AL MG SI)

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƢƠNG I: HỢP KIM NHÔM HỆ Al - Mg - Si ....................................... 5
1.1.Giới thiệu về hệ hợp kim nhôm biến dạng Al – Mg – Si : .............. 5
1.2.Công nghệ gia công chế tác ................................................................... 9
1.3 Phƣơng pháp nâng cao cơ tính tổng hợp ......................................... 15
1.4.Đặt vấn đề nghiên cứu. ......................................................................... 20
CHƢƠNG II:PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT BỊ THÍ
NGHIỆM.......................................................................................................................... 21
2.1.Phƣơng pháp nghiên cứu: ................................................................... 21
2.1.1.Phƣơng pháp phân tích lý thuyết. .................................................. 21
2.1.1.1.Thí nghiệm phân tích nhiệt vi sai DSC ....................................... 21
2.1.1.2.Thí nghiệm đo độ cứng HV........................................................... 24
2.1.2.Thực nghiệm trên mẫu...................................................................... 25
2.1.2.1 Chuẩn bị phôi mẫu ......................................................................... 25
2.1.2.2. Xử lý nhiệt mẫu ............................................................................. 26
2.1.2.3. Thử độ cứng và kiểm tra tổ chức kim tƣơng ............................. 26
2.2.Thiết bị thí nghiệm ................................................................................ 27
CHƢƠNG III: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH TIẾT PHA KHI HÓA GIÀ
HỢP KIM Al - Mg - Si . ................................................................................................ 31
3.1 Tiết pha hóa bền .................................................................................... 31
3.1.1.Vùng Guinier – Preston (VPG). .................................................... 32
3.1.2. Pha  ‟ .............................................................................................. 34
3.1.3. Pha  (Mg2Si)................................................................................. 35
3.1.4.Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tiết pha. .............................. 35
3.2.Động học chuyển pha............................................................................ 37

3.2.1.Biểu thức kinh nghiệm ................................................................... 37
3.2.2.Động học chuyển pha trong tiết pha cân bằng ............................ 38
3.3.Xác định hoạt năng tiết pha ................................................................ 41
3.3.1.Xác định hoạt năng tiết pha từ hệ số động học chuyển pha (K) 41
3.3.2. Xác định hoạt năng tiết pha từ tỷ phần chuyển pha (X) ........... 42
3.4.Kết quả nghiên cứu động học tiết pha khi hóa già ......................... 42
3.4.1Đặt vấn đề ............................................................................................. 42
3.4.2. Xác định thông số động học tiết pha ........................................... 43
3.4.2.1 Xác định tỷ phần chuyển pha (X) và cơ chế chuyển pha........ 43
3.4.2.2.Xác định hệ số động học ( K và n) ............................................ 48
3.4.2.3. Xác định K và n của mẫu biến dạng  = 5%, HGTN 0 giờ,
HGNT tại 175 0C .................................................................................................. 51
3.5.Bàn luận. .................................................................................................. 52
CHƢƠNG IV: ẢNH HƢỞNG CỦA BIẾN DẠNG DẺO VÀ THỜI
GIAN CHỜ ĐẾN TỔ CHỨC, CƠ TÍNH HỢP KIM Al - Mg - Si KHI NHIỆT
LUYỆN KẾT THÚC. .................................................................................................... 53
4.1. Kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của biến dạng nguội trƣớc hóa
già và thời gian hóa già tự nhiên đến cơ tính của hợp kim Al - Mg - Si ....... 53
4.2.Ảnh hƣởng của hóa già tự nhiên (thời gian chờ). ........................... 54
4.3. Tác dụng của biến dạng nhỏ trƣớc khi hóa già. ............................ 54
4.4.Bàn luận ................................................................................................... 56
4.5 Đề xuất giải pháp kỹ thuật .................................................................. 59
KẾT LUẬN.......................................................................................................... 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 61


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
VGP – vùng Guinier Preston
b – Giới hạn bền kéo [ MPa]
HV – Độ cứng [kG/mm2 ]

X – Đông học chuyển pha [ không thứ nguyên]
k – Hằng số tốc độ chuyển pha [1/sec]
n – hệ số mã không thứ nguyên, phụ thuộc vào điều kiện tạo mầm, dạng hình học
mầm, chỗ tạo mầm giữa các biên hạt.
Q – hoạt năng chuyển pha [kCal/mol]
HKNBD – hợp kim nhôm biến dạng
LTMT – (Low thermo mechanical treatment) cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp
HTMT – (Hight thermo mechanical treatment) cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao
HGNT – hóa già nhân tạo
HGTN – hóa già tự nhiên


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Độ hòa tan của Si và Mg vào trong Al [11] (theo trọng lƣợng) ................. 5
Bảng 1.2. Một số hợp kim hệ Al - Mg - Si của các nƣớc [14]. .................................... 8
Bảng 1.3. Tính chất vật lý của hợp kim Al - Mg - Si có (%Mg + %Si = 1%) ........... 9
Bảng 1.4. Thành phần một số avian công nghiệp ........................................................ 10
Bảng 1.5. Các phần tử cấu trúc và tổ chức ảnh hƣởng đến độ bền [4]...................... 16
Bảng 3.1. Hình dạng của VGP của các hệ hợp kim khác nhau [16].......................... 33
Bảng 3.2 Hệ số n trong tiết pha…………………………………………………...34
Bảng 3.3. Kết quả đo độ cứng của mẫu biến dạng 5% HGTN 0 giờ + HGNT ở
175 0C . ............................................................................................................................... 40
Bảng 3.4. Hằng số tốc độ tiết pha K, hệ số n................................................................ 50
Bảng 3.5. Kết quả đo độ cứng của mẫu biến dạng 5% HGTN 0 giờ, đƣợc HGNT ở
175 0C trong 3 giờ ............................................................................................................. 51
Bảng 4.1. Kết quả đo độ cứng. ....................................................................................... 53


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 0.1. So sánh một số đặc điểm của nhôm và thép .................................................. 1

Hình 0.2. Dự báo tiêu thụ nhôm của thế giới 2020........................................................ 2
Hình 1.1. Mặt cắt đẳng nhiệt của giản đồ pha Al - Mg - Si......................................................................6
Hình 1.2. Mặt cắt giả hệ Al - Mg - Si qua Al-MgSi2. ....................................................... 7
Hình 1.3. Sơ đồ các dạng LTMT ................................................................................. 133
Hình 1.4. Một số quy trình HTMT của hợp kim nhôm phụ thuộc vào phƣơng pháp
phối hợp nguyên công tôi và biến dạng ở nhiệt độ cao. ............................................ 144
Hình 1.5. Cách chọn độ bền tối ƣu cho vật liệu. ........................................................ 155
Hình 1.6. Khả năng nâng cao độ bền của vật liệu ( sơ đồ). ........................................ 17
Hình 1.7. Sơ đồ tƣơng tác lệch và pha thứ hai: a) cắt nhau, b) đi vòng .................... 20
Hình 1.8. Ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt phân tán đến tƣơng tác giữa lệch và pha
thứ hai. ............................................................................................................................... 20
Hình 2.1. Ví dụ về đƣờng cong thu đƣợc khi phân tích DSC .................................... 23
Hình 2.2. Kết quả DSC của hợp kim sau tôi HGNT ngay. ......................................... 23
Hình 2.3. Mũi đâm và vết lõm khi đo Vicker ............................................................... 24
Hình 2.4. Sơ đồ quá trình thực nghiệm ......................................................................... 25
Hình 2.5. Quy trình nhiệt luyện mẫu………………………………………………26
Hình 2.6. Tổ chức của hợp kim Al - Mg – Si ............................................................... 27
Hình 2.7. Tổ chức của hợp kim Al - Mg – Si ............................................................... 27
Hình 2.8. Máy đo độ cứng. ............................................................................................. 28
Hình 2.9. Kính hiển vi điện tử ........................................................................................ 29
Hình 2.10. Hình ảnh thiết bị DSC tại phòng thí nghiệm 315-C5............................... 30
HÌnh 2.11 Sơ đồ khối của thiết bị đo DSC . ................................................................. 31
Hình 3.1. Sơ đồ minh họa quá trình chuyển pha khi tôi [18] ..................................... 32
Hình 3.2. Ô mạng tinh thể của pha ổn định  và pha giả ổn  ‟ ................................. 33
Hình 3.3. Vùng Guinier - Preston .................................................................................. 33
Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc mạng [17] ............................................................................. 34
Hình 3.5. Vùng trắng ven biên giới hạt ......................................................................... 36


Hình 3.6. Đƣờng cong động học với các trị số k khác nhau. ..................................... 38

Hình3.7. Giản đồ tiết pha cân bằng. .............................................................................. 39
Hình 3.8. Ảnh hƣởng của nồng độ đến phát triển mầm. ............................................. 39
Hình 3.9. Xác định hoạt năng tiết pha từ hệ số động học chuyển pha ...................... 41
Hình 3.10. Xác định hoạt năng tiết pha từ tỷ phần chuyển pha ................................. 42
Hình 3.11. Độ cứng của hợp kim khi hóa già 1h ......................................................... 45
Hình 3.12. Độ cứng của hợp kim hóa già 2h ................................................................ 46
Hình3.13. Độ cứng của hợp kim hóa già 3h ................................................................. 46
Hình3.14. Độ cứng của hợp kim hóa già 4h ................................................................. 46
Hình3.15. Độ cứng của hợp kim hóa già 5h ................................................................. 47
Hình 3.16. Độ cứng của hợp kim hóa già 6h ............................................................... 47
Hình 4.1. Đồ thị phân bố độ cứng của hợp kim nhôm 6063 hóa già tự nhiên và sau
tôi khi hóa già ở 175 0C. ................................................................................................... 54
Hình 4.2. Đồ thị phân bố độ cứng của hợp kim nhôm 6063 sau khi hóa già ở 175 0C
ở các thời gian khác nhau: a) sau tôi; b) có biến dạng 5% HGTN + 7 ngày; c) sau
tôi + HGTN 7 ngày. ......................................................................................................... 55
Hình 4.3. Đồ thị phân bố độ cứng của hợp kim nhôm 6063 ở 175 0C ở các nhiệt độ
khác nhau: a) sau tôi + 7 ngày; b) biến dạng  = 5% + HGTN + 7 ngày; c) biến
dạng  = 10% + HGTN 7 ngày………………………………………………..56
Hình 4.4. Mẫu sau tôi biến dạng  = 5% đƣợc hóa già nhân tạo 4 giờ 3000 .......58


MỞ ĐẦU
Nhôm và hợp kim nhôm là vật liệu kỹ thuật quan trọng, không chỉ vì lĩnh
vực ứng dụng trong thực tế rất rộng rãi mà còn do trữ lƣợng trong vỏ trái đất của
nhôm rất lớn. Ngày nay khi nhịp độ sản xuất nhôm tăng lên mạnh hơn, vị trí của vật
liệu kim loại này đƣợc đƣa lên hàng thứ hai sau thép. Nhôm và hợp kim nhôm có
các tính chất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau, trong một số trƣờng hợp ứng
dụng của hợp kim nhôm là không thể thay thế đƣợc nhƣ trong công nghệ chế tạo
máy bay nói riêng và các thiết bị giao thông vận tải nói chung.
Những ƣu điểm hơn so với thép đƣợc thể hiện ở sơ đồ (hình 0.1)

Hình 0.1. So sánh một số đặc điểm của nhôm và thép.
Hợp kim nhôm đầu tiên ra đời năm 1906 đó là hợp kim do Alfred Wienmer
tìm ra và hiện nay đƣợc phát triển thành các đura trên cơ sở hệ Al-Cu-Mg đang
đƣợc sử dụng rộng rãi.
Sản lƣợng và nhu cầu ứng dụng nhôm so với các kim loại kết cấu khác tăng
lên không ngừng (hình 0.2). Về mặt trữ lƣợng, nhôm nhiều hơn sắt. Theo tính toán,
nhôm chiếm 8,8% còn sắt chỉ chiếm 5,1% trọng lƣợng vỏ trái đất.

1


Hình 0.2.Dự báo tiêu thụ nhôm của thế giới 2020 .
Nhôm là kim loại nhẹ với khối lƣợng riêng bằng  = 2,71g/cm2, có hoạt tính
hóa học cao. Ở ngoài không khí nhôm bị mất vẻ sáng lóng lánh do tạo màng oxyt
có độ xít chặt cao không có rỗ xốp và liên kết bền với nền kim loại. Nhôm nguyên
chất rất dẻo  = 85%,  = 40% nhƣng độ bền không cao sau khi cán và ủ có b =
60Mpa, 0,2 = 20 Mpa. Vì vậy, để nâng cao cơ tính của nhôm ngƣời ta sử dụng
nhôm ở trạng thái hợp kim.
Hợp kim nhôm là loại vật liệu nhẹ có độ bền riêng cao, có tính ổn định
chống ăn mòn khá cao trong nhiều môi trƣờng hóa học, có tính hàn tƣơng đối tốt,
dẫn nhiệt, dẫn điện tốt. Độ bền riêng của hợp kim nhôm đura khoảng 16,5 Km,
trong khi của thép (cacbon trung bình) là 15,4 Km. Hiện nay trên thế giới nhiều
mác hợp kim nhôm biến dạng ( HKNBD) đã đƣợc sản xuất hàng loạt phục vụ cho
xây dựng công trình, công nghiệp hàng không, vũ trụ, dùng để chế tạo các loại máy
bay, tên lửa v.v.. hay các thiết bị quân sự khác. Các hợp kim nhôm đƣợc sử dụng
trong công nghiệp và đời sống tăng lên với tốc độ ngày càng lớn. Trong các công
trình xây dựng, rất nhiều kết cấu đƣợc chế tạo bằng hợp kim nhôm đã đáp ứng các
chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật, nhẹ, bền, rẻ đồng thời thỏa mãn yêu cầu trang trí, thẩm mỹ.

2


Do những yêu cầu về chất lƣợng của vật liệu ngày càng tăng đặc biệt là
trong lĩnh vực công nghệ cao, nhiệm vụ hàng đầu đặt ra cho các hợp kim nhôm là
phải tăng cơ tính để đáp ứng yêu cầu quan trọng đối với vật liệu kết cấu là bền hơn
và nhẹ hơn. Có nhiều phƣơng án để tăng độ bền và độ bền riêng của hợp kim nhôm
nhƣ: hợp kim hóa bằng nguyên tố nhẹ (Mg, Li…), tôi + hoá già (hóa bền tiết pha
phân tán), hóa bền cơ học (biến dạng nguội), làm mịn hạt (biến tính, biến dạng
mãnh liệt…) biến cứng phân tán ( nanocompozit – SAP) v.v..
Các hƣớng nghiên cứu chính đang đƣợc quan tâm hiện nay để phát huy ƣu
điểm vốn có của hợp kim nhôm nhƣ một vật liệu kết cấu nhẹ là:
-

Hợp kim hoá nhôm bằng các nguyên tố nhẹ nhƣ Mg, Li.

-

Cải tiến công nghệ nấu luyện theo hƣớng chính xác thành phần, giảm
thiểu tạp chất. Kết hợp hiệu quả các khâu xử lý: biến tính, nhiệt luyện
(tôi + hoá già) với các nguyên công gia công khác (biến dạng)...

-

Phát huy ảnh hƣởng tốt của hợp kim hoá vi lƣợng các kim loại chuyển
tiếp (Ti, Mn, Cr, Zr...).

-

Kết hợp hợp kim hoá và chế độ cơ nhiệt luyện hoá bền tổng hợp.

-

Phát triển vật liệu compozit nền hợp kim nhôm

-

Phát triển các công nghệ phụ trợ nâng cao hiệu quả ứng dụng hợp kim
nhôm vào các mục đích đặc biệt nhƣ: công nghệ hàn ma sát để chế tạo
các thiết bị khí tài quân sự bằng hợp kim nhôm.

Bằng kỹ thuật kết hợp biến dạng dẻo làm tăng khuyết tật mạng đặc biệt là
mật độ lệch và biên giới hạt với nhiệt luyện hóa bền tiết pha phân tán, ngƣời ta có
thể nâng cao chất lƣợng trƣớc hết là các chỉ tiêu cơ tính của hợp kim nhôm biến
dạng hóa bền bằng nhiệt luyện.
Mục tiêu của công trình này chính là nghiên cứu ảnh hƣởng kết hợp của
biến dạng và nhiệt luyện đến tổ chức và tính chất của các hợp kim biến dạng hóa
bền đƣợc bằng nhiệt luyện hệ Al-Mg-Si (mác 6063).

3


Cụ thể hơn, nội dung đƣợc đề cập đến trong công trình này gồm: xác định
ảnh hƣởng của biến dạng dẻo sau tôi, thời gian chờ (nghỉ) tiếp theo và chế độ hóa
già kết thúc đến tổ chức và cơ tính của hợp kim 6063 hệ Al - Mg – Si.
Vấn đề cần tìm hiểu sâu là vai trò của lệch (đƣợc hình thành thông qua biến
dạng dẻo nhẹ mẫu đã tôi) trong quá trình tiết pha phân tán. Nhƣ vậy luận văn sẽ
tiếp cận vấn đề động học quá trình tiết pha từ dung dịch quá bão hòa khi có mặt của
lệch tạo thành nhờ năng lƣợng biến dạng .
Kết quả nghiên cứu nhằm đề xuất giải pháp kỹ thuật hợp lý hỗ trợ giảm

thiểu ảnh hƣởng xấu của thời gian chờ đến cơ tính của hợp kim nhôm trong khâu
nhiệt luyện hóa bền kết thúc.

4


CHƢƠNG I: HỢP KIM NHÔM HỆ Al - Mg - Si
1.1.Giới thiệu về hệ hợp kim nhôm biến dạng Al – Mg – Si :
Nhờ độ bền cao hơn, nên nhôm thƣờng đƣợc dùng ở trạng thái hợp
kim. Theo giản đồ pha các hợp kim nhôm đƣợc chia thành hợp kim nhôm đúc và
hợp kim nhôm biến dạng. Hợp kim nhôm biến dạng là hợp kim nhôm có thành
phần các nguyên tố hợp kim nằm trong giới hạn của dung dịch rắn α. Hợp kim
nhôm biến dạng đƣợc chia thành hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền bằng
nhiệt luyện và hợp kim nhôm biến dạng hóa bền đƣợc bằng nhiệt luyện. Các hợp
kim nhôm biến dạng hóa bền đƣợc bằng nhiệt luyện ở nhiệt độ thƣờng ngoài dung
dịch rắn α còn có pha thứ hai, khi nung nóng pha này hòa tan vào dung dịch rắn,
khi làm nguội nhanh sẽ nhận đƣợc dung dịch rắn quá bão hòa; khi đƣợc cung cấp
năng lƣợng (nung nóng, biến dạng) dung dịch rắn quá bão này sẽ bị phân hóa tiết
ra các pha phân tán làm tăng độ bền của hợp kim.
Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền đƣợc bằng nhiệt luyện hệ Al – Mg –
Si đƣợc tìm ra sau chiến tranh thế giới thứ nhất (~1920) ở Thụy sĩ. Các nguyên tố
hợp kim chính gồm Mg và Si đều là các nguyên tố nhẹ. Độ hòa tan của chúng vào
dung dịch rắn  tăng theo nhiệt độ (bảng 1.1).
Bảng 1.1. Độ hòa tan của Si và Mg vào trong Al [11] (theo trọng lượng)
Nhiệt độ (C0 )

577

550

500

450

400

350

300

250

Hàm lƣợng Si(%)

1,65

1,30 0,80

0,48

0,29

0,17

0,06

0,008

Nhiệt độ (C0 )

450

400

350

300

250

200

150

100

Hàm lƣợng Mg (%)

17,4

13,5 9,9

6,7

4,4

3,1

2,3

1,9

Ngoài hai nguyên tố này ngƣời ta còn đƣa thêm một lƣợng Mn(<0,8%) để
làm tăng giới hạn bền và một số tính chất khác nhƣ khả năng chống ăn mòn, độ dai

5


va đập và chống uốn. Mn với hàm lƣợng lớn (>0,8) sẽ làm giảm hiệu quả hóa bền
và gây thô hạt khi nung nóng. Cr với hàm lƣợng khoảng 0,3% cũng tạo ra hiệu quả
tƣơng ứng. Cu có tác dụng tăng bền nhƣng nếu hàm lƣợng vƣợt quá 0,5% sẽ làm
giảm khả năng chống ăn mòn của hợp kim.
Hình 1.1 là giản đồ pha Al-Mg-Si với các mặt cắt đẳng nhiệt ở 550 0 C và
200 0C, Si và Mg tạo nên pha liên kim loại Mg2Si tƣơng ứng với tỉ lệ khối lƣợng
giữa Mg và Si là 1,73.

Hình 1.1 Mặt cắt đẳng nhiệt của giản đồ pha Al - Mg - Si ở 200 0C (a) và 500 0C (b)
Trên giản đồ pha giả hai nguyên Al-Mg-Si (hình 1.2), ta thấy ở nhiệt độ
cùng tinh 595 0 C độ hòa tan của Mg2Si vào nhôm là 1,85%.
Độ hòa tan của Mg2Si vào dung dịch rắn  giảm xuống khi hạ nhiệt độ. Nhƣ
vậy, ta có thể tạo ra dung dịch rắn quá bão hòa bằng cách tôi. Quá trình hóa già tiếp
theo sẽ tạo ra hiệu ứng hóa bền do tiết pha phân tán.

6


Hình 1.2.Mặt cắt giả hệ Al - Mg - Si qua Al-MgSi2 .
Các hợp kim thuộc hệ hai nguyên giả, tức là tỉ lệ i = %Mg/%Si = 1,73 chỉ
chứa hai pha  và Mg2 Si. Pha Mg2Si nóng chảy ở 1087 0C, độ cứng tế vi H =
4500Mpa mạng lập phƣơng tâm khối thuộc nhóm Fm3m với 12 nguyên tử trong

một ô cơ bản, thông số mạng a = 6,351 oA. Với hàm lƣợng thích hợp pha Mg2Si sẽ
làm tăng bền hợp kim, nhƣng khi quá nhiều sẽ làm hợp kim biến dòn, khó gia công
áp lực.
Lƣợng Si dƣ khi tạo ra pha Mg2Si làm tăng bền và ảnh hƣởng xấu đến khả
năng chịu ăn mòn. Với lƣợng Mg dƣ (khi tạo pha Mg2Si sẽ ảnh hƣởng xấu đến cơ
tính do Mg2Si tiết ra ở trên tinh giới hạt).
Ngày nay ngƣời ta thƣờng sử dụng hợp kim Al-Mg-Si với tổng lƣợng Si và
Mg đạt giá trị lớn nhất là 2%, trong đó hàm lƣợng Si( 0,3  1,0%) và Mg (0,4 
0,9%).

7


Ở bảng 1.2 giới thiệu một số hệ hợp kim Al-Mg-Si của các nƣớc. Trong các
hệ hợp kim này, ngƣời ta có xu hƣớng tăng hàm lƣợng Si so với tỉ lệ i = %Mg/%Si
= 1,73.
Bảng 1.2. Một số hợp kim hệ Al - Mg - Si của các nước [14].

Nƣớc

Đức

Tiêu
chuẩn

Mác hợp kim

%Mg

%Si

%Fe

%Mn

%Cr

AlMgSi0,

0,40,9

0,30,7

0,4

0,3

0,05

AlMgSi1

0,61,4

0,61,6

0,5

1,0

0,3

0,40,9

0,30,7

0,6

DIN

BS

0,5

H9,372B,BA24
Anh

DTD

0,40,15

0,61,3

0,6

0,5

D3D,346A
BA
A.A
Mỹ

A.S.T
.M

Nga

OC

6063,GS10A

0,450,9

0,20,6

0,35

0,1

0,1

6061,GS11A

0,81,2

0,40,8

0,7

0,15

0,150,35

A 31(1310)

0,40,9

0,30,7

<0,5*

<0,1*

A 33(1330)

0,81,2

0,40,8

<0,7*

<0,15*

Cu<0,1*,

A 35(1350)

0,81,4

0,81,2

<0,5*

0,5-0,9

Zn<0,2

T

*Giá trị có thể coi là tạp chất

8


Sắt là tạp chất có hại trong hệ hợp kim Al-Mg-Si. Tăng hàm lƣợng sắt sẽ
làm cho độ bền của hợp kim bị giảm, giới hạn bền kéo của hợp kim với 0,7% Si và
0,6% Mg sẽ bị giảm khoảng 10Mpa khi tăng hàm lƣợng sắt từ 0,1% lên 0,4 % [11].
Tạp chất Fe làm giảm khả năng chống ăn mòn của hợp kim. Kẽm với một lƣợng
nhỏ (<0,05%) không gây ảnh hƣởng đến độ bền của hợp kim .
Độ bền ăn mòn của hợp kim Al-Mg-Si khá tốt so với các vật liệu nhẹ khác
có độ bền tƣơng tự. Một số tính chất vật lý của hợp kim hệ Al-Mg-Si có tổng lƣợng
(%Mg + %Si = 1%) – mác 6063 trình bày trong bảng 1.3.
Bảng1.3.Tính chất vật lý của hợp kim Al - Mg - Si có (%Mg + %Si = 1%)
Các đại lƣợng vật lý

Giá trị

Khối lƣợng riêng, g/cm3

2,71

Khoảng nhiệt độ nóng chảy, 0 C

590÷600

Modun đàn hồi, kG/mm2

6500÷7500

Hệ số giãn nở nhiệt trong khoảng (20 †200 0C), 1/độ

22,7.10 -63,0.10 -6

Khả năng dẫn nhiệt, Kcal/m.h.độ

130÷170

Điện trở suất, Ωmm2/m

0,0315÷0,03851

* 1Ωmm2 /m = 1µΩm
1.2.Công nghệ gia công chế tác
Hệ hợp kim biến dạng Al-Mg-Si còn đƣợc gọi là avian, nghĩa là hợp kim
nhôm dùng để chế tạo máy bay. Thành phần một số avian công nghiệp cho trong
bảng 1.4. Do có tính công nghệ tốt, đặc biệt là khả năng biến dạng dẻo cho phép ép
đùn với tốc độ 60m/ph nên thƣờng đƣợc đúc thành thỏi có kích thƣớc 10 † 14 cm
sau đó cán hay ép ở nhiệt độ 500 0 C ÷ 540 0C và làm nguội trong nƣớc hoặc không
khí.

9

Sau quá trình gia công tạo hình, vật phẩm đƣợc đem hóa già ở trong một
thời gian nhất định để thu đƣợc độ bền mong muốn. Cuối cùng là xử lý bề mặt hay
còn gọi là anốt hóa để tăng tính thẩm mỹ, trang trí, đồng thời tăng thêm khả năng
chống mài mòn và ăn mòn.
Bảng 1.4. Thành phần một số avian công nghiệp

Do các ƣu điểm này, hợp kim biến dạng Al-Mg-Si có triển vọng ứng dụng
rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Ví dụ:
Trong máy bay : khung cửa sổ, nội thất…

10


Trong ô tô : vỏ xe, bánh xe, khung xe, nội thất …

Trong xây dựng : khung cửa, cửa cuốn, thang …

11


Ở Việt Nam, hợp kim biến dạng Al-Mg-Si đƣợc sử dụng nhiều trong xây
dụng dân dụng và kiến trúc, các nhà máy thƣờng áp dụng quy trình cơ nhiệt luyện
trong sản xuất.
Cơ nhiệt luyện là quá trình công nghệ, trong đó biến dạng dẻo và nhiệt luyện
đƣợc kết hợp một cách hợp lý nhằm phát huy đồng thời hiệu quả hoá bền do các
nguyên công này tạo nên.
Biến dạng dẻo làm tăng mật độ khuyết tật mạng tinh thể nhƣ lệch, nút trống,
khuyết tật xếp... cũng nhƣ thay đổi đặc tính phân bố của chúng. Các khuyết tật

mạng tinh thể ảnh hƣởng mạnh đến sự hình thành tổ chức hợp kim khi chuyển pha.
Cơ sở của phƣơng pháp cơ nhiệt luyện là bằng các tác động cơ – nhiệt tổng
hợp nhằm tạo ra trong tinh thể kim loại những siêu bề mặt ổn định gây cản trở sự
chuyển động tự do của lệch. Các siêu bề mặt hoặc biên giới siêu hạt hình thành từ
các „vách‟ lệch, phân chia tinh thể thành những vùng thể tích siêu nhỏ còn đƣợc
gọi là siêu hạt có tính ổn định nhiệt cao.
Vì thế có thể dùng biến dạng dẻo trƣớc để điều khiển sự tạo thành tổ chức
tối ƣu cho hợp kim sau khi nhiệt luyện.
Trong quá trình cơ nhiệt luyện không thể phối hợp một cách tuỳ tiện các
nguyên công biến dạng, nung nóng và làm nguội. Nếu biến dạng dẻo tiến hành sau
khi nhiệt luyện kết thúc thì đó không phải là cơ nhiệt luyện mà chỉ là dạng nhiệt
luyện thông thƣờng kết hợp với gia công áp lực. Biến dạng dẻo trong trƣờng hợp
này không có ảnh hƣởng trực tiếp đến chuyển pha khi nhiệt luyện mà chỉ là quá
trình biến dạng dẻo thông thƣờng.
Điểm đặc trƣng của cơ nhiệt luyện là chuyển biến pha xảy ra trong điều kiện
có mật độ sai lệch mạng tinh thể cao.
Tuỳ theo nhiệt độ biến dạng dẻo, ngƣời ta chia cơ nhiệt luyện thành hai
dạng: 1) Cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp (Low thermo mechanical treatment – LTMT),
hình 1.3; 2) Cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao (High thermo mechanical treatment –
HTMT), hình 1.4

12


LTMT mà một số sơ đồ chỉ ra trên hình 1.3 đƣợc áp dụng rất hiệu quả đối
với các hợp kim hóa già. Trong trƣờng hợp này biến dạng dẻo đƣợc tiến hành ở
nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại. Dung dịch rắn quá bão hòa sau tôi chứa mật
độ sai lệch mạng rất cao do biến dạng dẻo gây ra sẽ tiếp tục chuyển biến khi hóa
già. Nhờ vậy khi LTMT các chỉ tiêu cơ tính đặc biệt là b và 0,2 đạt những giá trị
rất cao. Sau khi LTMT kích thƣớc hạt khá nhỏ mịn, do vậy cùng với đạt đƣợc độ

bền cao, độ dẻo dai cũng giữ đƣợc ở mức tƣơng đối cao.

T0 c

T0 c
1

1

3

2

3

4 2

 (h)

T0 c

 (h)

T0 c
1

1

2

4

3

3

2

3
 (h)

Hình 1.3 Sơ đồ các dạng LTMT
1- Tôi; 2- Biến dạng nguội; 3- Hoá già nhân tạo; 4- Hoá già tự nhiên
HTMT khác với LTMT ở chỗ nguyên công biến dạng (hình 1.4) đƣợc tiến
hành ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại. Khi HTMT, biến dạng sẽ gây hóa bền
do xô lệch mạng tăng, đập nhỏ hạt, trong khi đó kết tinh lại làm thải bền, giảm mật

13


độ lệch, khử xô lệch mạng và làm hạt lớn lên. Ƣu điểm của HTMT là đồng thời có
thể tăng cả độ bền và khả năng chống sự phát triển của vết nứt.

Hình 1.4. Một số quy trình HTMT của hợp kim nhôm phụ thuộc vào phương
pháp phối hợp nguyên công tôi và biến dạng ở nhiệt độ cao.
1-Nung và giữ nhiệt để tôi;
2- Nguyên công biến dạng bằng áp lực
3-Làm nguội phôi đến nhiệt độ biến dạng ;
4-Làm nguội nhanh;
5-Nung tức thời lần hai để tôi;

6-Khoảng nhiệt độ đồng đều hóa hợp kim ;
7- Khoảng nhiệt độ gia công biến dạng [11].

14


1.3 Phƣơng pháp nâng cao cơ tí nh tổng hợp
Độ bền nói chung là khả năng chống biến dạng dẻo, chống mở rộng vết nứt
và chống mài mòn bề mặt. Khả năng chống biến dạng dẻo đƣợc đặc trƣng bằng mật
độ năng lƣợng đàn hồi e chảy ở giới hạn c là:
echảy =

 c2
2E

; [ J2/m3]

(1.1)

Còn khả năng chống phá hủy (mở rộng vết nứt, mài mòn) xác định theo độ
dai phá hủy KIC và đặc trƣng bằng năng lƣợng riêng chống mở rộng vết nứt G phá hủy
K IC2
Gphá hủy =
; [J2 /m3 ]
E

(1.2)

Nhƣ vậy độ bền tỷ lệ với tích e chảy .Gphá hủy :
echảy .Gphá hủy =

 c2 K IC2
.
; [ J2/ m5]
2E

E

(1.3)

Trong kỹ thuật thƣờng dùng tích c.KIC đặc trƣng cho độ bền. do KIC và c
phụ thuộc lẫn nhau (hình 1.5a) nên phải chọn sự thỏa hiệp để độ bền đƣợc tối ƣu
(KIC . c )* ở giá trị hợp lý c* (hình 1.5b)

Hình 1.5.Cách chọn độ bền tối ưu cho vật liệu.

15


Về nguyên tắc có hai phƣơng pháp đạt độ bền cao: 1- chế tạo các vật liệu
hoàn toàn không có lệch (gần nhƣ lý tƣởng) đạt độ bền gần lt ; 2- tạo một cấu trúc
gồm nhiều hãm lệch chống lại biến dạng dẻo
Theo phƣơng pháp thứ nhất thực hiện bằng nuôi đơn tinh thể dạng râu
(Whisker) dùng làm cốt sợi trong vật liệu compozit có nền mềm nhƣ chất dẻo, kim
loại. Trong thực tế phƣơng pháp thứ 2 khả thi và đảm bảo giá thành sẽ rẻ hơn
phƣơng pháp 1 nhiều. Nội dung của nó là tạo ra một trạng thái tổ chức vừa hãm
lệch hiệu quả vừa tích thoát kịp thời sự tập trung ứng suất bằng biến dạng dẻo hoặc
các chƣớng ngại “mềm”.
Trong bảng 1.5 giới thiệu, một số phần tử cấu trúc và tổ chức cơ bản có thể
tham gia vào các cơ chế hóa bền của vật liệu.

Bảng 1. 5 .Các phần tử cấu trúc và tổ chức ảnh hưởng đến độ bền [4]

N0

1
2
3

4

5

6

Phần tử cấu trúc hoặc

Kích

Ký

tổ chức

thƣớc

hiệu

0

Đ

1

L

2

B

3

H

3

D

3

M

Khuyết tật điểm,
nguyên tử tạp
Lệch mạng
Biên giới (hạt, pha,
đối pha)
Hạt tiết pha, đa pha
Dị hƣớng (tinh thể, tổ
chức)
Tổ chức Mactenxit

Cơ chế hóa bền
Hóa bền dung dịch rắn, hóa bền
bức xạ/ Đ
Hóa bền biến dạng /L
Hóa bền hạt mịn, hóa bền trật tự
/B
Hóa bền tiết pha, hóa bền phân
tán / H
Hóa bền định hƣớng (textual,
đơn tinh thể, sợi, hạt dài)/D
Biến dạng bằng chuyển pha

16

Mactenxit / M


Đối với vật liệu kim loại giới hạn chảy c có thể xác đinh theo công thức
sau:
 n

 c   0   m     ci2 
 i


1/ 2



k

d 1/ 2

(1.4)

Trong đó:
0 - ứng suất cần để lệch chuyển động khi d  .
m – Số gia ứng suất do hóa bền bởi chƣớng ngại “mềm”.
 ci - Số gia ứng suất do hóa bền bởi chƣớng ngại “cứng” thứ i.
k – hằng số biểu thị cấu trúc của biên hạt; d- kích thƣớc hạt.
Đối với vật liệu thực, giới hạn c tính là:
c = 0 + Đ + L + B + H

(1.5)

Trong đó các đóng góp vào hóa bền của bốn cơ chế đầu tiên tƣơng ứng là Đ ,
L, B , H (so sánh trên hình 1.6)

Hình 1.6.Khả năng nâng cao độ bền của vật liệu ( sơ đồ).

17


Những khả năng tăng bên thực tế


Tăng mật độ lệch
Hóa bền nhờ lệch, thực hiện bằng biến dạng dẻo. Đóng góp của mật độ lệch
vào hóa bền là :
L  α G b 1/2

(1.6)

Phƣơng pháp biến dạng đƣợc sử dụng rất hiệu quả cho một số sản phẩm cần
độ biến dạng cao nhƣ sợi, tấm, thanh… nhƣng nhƣợc điểm của nó là khi mật độ
lệch tăng đến 10 12 cm-2 sẽ phát sinh xu hƣớng tạo vết nứt tế vi làm giảm độ dẻo của
chúng. Cần chú ý ảnh hƣởng của hiệu ứng Baushiger khi biến dạng nhiều lần
ngƣợc chiều nhau.


Làm nhỏ hạt và siêu hạt
Biên hạt và siêu hạt có tác dụng hãm lệch. Lệch trƣợt tự do bên trong hạt và
siêu hạt buộc phải dừng lại bên biên giới hạt vì ở các hạt và siêu hạt bên cạnh trƣợt
có định hƣớng khác. Tập hợp lệch biên giới tạo ra tập trung ứng suất cục bộ cản trở
các lệch tiếp theo sau chuyển động – gây hóa bền. Đồng thời cũng có tác dụng
truyền ứng suất để trƣợt có thể xảy ra ở các hạt bên – tăng khả năng biến dạng dẻo.
Số gia ứng suất do hạt nhỏ tỷ lệ nghịch với kích thƣớc hạt d là :
B  kd-1/2



(1.7)

Tạo trƣờng ứng suất đàn hồi
Có thể tạo trƣờng ứng suất đàn hồi dƣ do xô lệch mạng tinh thể bằng khuyết
tật điểm (nút trống, nguyên tử nguyên tố hợp kim) trong dung dịch rắn. Sự tập hợp
các nguyên tử lạ xung quanh đƣờng lệch hình thành nên khí quyển kiểu Cottrell,
Suzuki, Snock gây cản trở rất mạnh đối với chuyển động của lệch. Số gia ứng suất
tỷ lệ với nồng độ nguyên tử lạ C, sự sai khác tƣơng đối kích thƣớc nguyên tử và
năng lƣợng liên kết α:
D = α G C 1/2

(1.8)

18




Hóa bền tiết pha, hóa bền tiết pha phân tán
Các hạt hoặc phần tử tiết ra của pha thứ hai gây hóa bền; hoặc gián tiếp bằng
cách ổn định hóa tổ chức hạt mịn của pha nền nếu chúng thô, cách xa nhau và nhất
là có dạng tấm hoặc mảnh; hoặc trực tiếp cản trở chuyển động của lệch nếu chúng
rất mịn rất gần nhau và có dạng cầu hoặc đồng trục.
Thực tế vai trò hóa bền đạt tối ƣu khi kích thƣớc của các phần tử d ≤ 0,01μm
với khoảng cách L ≤ 0,1μm.
Khi gặp các phần tử (chƣớng ngại) trên mặt trƣợt, lệch có thể vƣợt chƣớng
ngại bằng hai cách: hoặc lệch cắt phần tử đó (hình 1.7a) hoặc lệch đi vòng qua nó
(hình 1.7b). Trong cả hai trƣờng hợp đều cần phải gia tăng ứng suất H để lệch có
thể tiếp tục chuyển động. Độ lớn của H phụ thuộc vào bản chất, số lƣợng, hình
dáng, kích thƣớc và phân bố của phần tử tiết ra.
Nếu lệch không linh động lắm, phần tử tiết ra có dạng cầu, nhỏ, liền mạng,
“mềm” thì dễ xảy ra phƣơng án cắt qua. Ứng suất cần để thực hiện phƣơng án này
bằng :
 Hc 

 . .d

(1.9)

bL

Trong đó  - năng lƣợng bề mặt bị cắt.
Trƣờng hợp lệch đi vòng xảy ra khi lệch không thể xâm nhập vào phần tử
(lớn mà không hoặc ít liền mạng, hay nhỏ mà cứng) và lệch linh động hơn. Khi đó
đƣờng lệch sẽ uốn cong giữa các phần tử với bán kính (L – d)/2. Sau khi vƣợt qua
sẽ để lại các đƣờng vòng lệch bao quanh hạt.
Ứng suất cần để lực uốn bằng :
 Hu 

Gb
(L  d )

với L >> d

Đây chính là cơ chế Orovan.

19

(1.10)