Chế tạo vật liệu nanocompozit nền cu cốt hạt phân tán al2o3 bằng phương pháp cơ hóa kết hợp
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.8 MB, 105 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------------------------
NGUYỄN ĐỨC DUY
ĐỀ TÀI: CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT NỀN CU CỐT
HẠT PHÂN TÁN Al2O3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP
CƠ - HÓA KẾT HỢP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: KỸ THUẬT VẬT LIỆU
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS NGUYỄN ĐẶNG THỦY
HÀ NỘI - 2010
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của tôi. Các
số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây.
Tác giả luận văn:
Nguyễn Đức Duy
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
1
Lời cam đoan
2
Mục lục
3
Danh mục các bảng
7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
8
Phần mở đầu
10
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOZIT NỀN KIM LOẠI
12
1.1 Vật liệu compozit
12
1.1.1 Khái niệm về vật liệu compozit
12
1.1.2 Phân loại vật liệu compozit
13
1.2 Vật liệu compozit nền kim loại
14
1.2.1 Thành phần cấu tạo
14
1.2.1.1 Vật liệu nền
14
1.2.1.2 Vật liệu cốt
15
1.2.2 Các dạng liên kết nền - cốt
15
1.2.2.1 Liên kết cơ học
15
1.2.2.2 Liên kết có tạo pha trung gian
16
1.2.2.3 Liên kết hỗn hợp
16
1.3 Vật liệu compozit cốt hạt
16
1.3.1 Compozit hạt thô
17
1.3.1.1 Đặc điểm của vật liệu compozit hạt thô
17
1.3.1.2 Một số compozit hạt thô thông dụng
17
1.3.2 Compozit hạt mịn (phân tán)
18
1.3.2.1 Đặc điểm của vật liệu compozit hóa bền phân tán
18
1.3.2.2 Một số compozit hóa bền phân tán
19
1.3.3 Lý thuyết hóa bền phân tán
20
-2-
1.3.3.1 Đường lệch bị uốn cong giữa các hạt phân tán
23
1.3.3.2 Đường lệch cắt hạt phân tán
24
1.3.4 Một số phương pháp chế tạo vật liệu compozit cốt hạt
25
1.3.4.1 Phương pháp biến dạng tạo hình vật liệu bột và compozit hạt
25
1.3.4.2 Phương pháp khuếch tán
26
1.3.4.3 Một số phương pháp khác
26
1.4 Tổng quan về vật liệu kỹ thuật điện trên cơ sở nền Cu - vật liệu
compozit nền Cu
26
1.4.1 Vật liệu kỹ thuật điện và những yêu cầu đối với vật liệu kỹ thuật
điện
26
1.4.2 Đồng - Vật liệu kim loại có điện dẫn cao sử dụng rộng rãi nhất
28
1.4.2.1 Đồng (Cu) và tính chất của Cu
28
1.4.2.2 Sự hóa bền bằng cách làm nhỏ hạt
31
1.4.2.3 Sự hóa bền bằng dung dịch rắn (hợp kim hóa)
31
1.4.2.4 Sự hóa bền bằng các hạt gốm phân tán (compozit)
34
1.5 Vật liệu compozit Cu-Al2O3
40
1.6 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng vật liệu compozit nền kim loại
trong và ngoài nước
41
1.7 Kết luận chương 1
44
CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT
Cu-Al2O3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP CƠ - HÓA KẾT HỢP
2.1 Cơ sở lý thuyết quá trình nghiền cơ - hóa
45
45
2.1.1 Sự phát triển của phương pháp nghiền trộn cơ học
45
2.1.2 Cơ chế của quá trình nghiền trộn cơ học
46
2.1.2.1 Sự va chạm trong quá trình nghiền
46
2.1.2.2 Sự hàn nguội
47
2.1.2.3 Các giai đoạn của quá trình nghiền trộn cơ học
49
2.1.2.4 Các thông số cơ bản của quá trình nghiền
50
2.2 Lý thuyết quá trình Ép - Thiêu kết
-3-
56
2.2.1 Ép tạo hình kim loại bột - Ép sơ bộ
57
2.2.2 Quá trình thiêu kết
58
2.2.2.1 Cơ sở hóa lý của quá trình thiêu kết
58
2.2.2.2 Phân loại các dạng thiêu kết
60
2.2.2.3 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản đến quá trình
thiêu kết
61
2.3 Qui trình công nghệ chế tạo vật liệu nanocompozit Cu-Al2O3 bằng
phương pháp cơ - hóa kết hợp
62
2.3.1 Cơ sở lựa chọn phương pháp công nghệ
62
2.3.2 Đề xuất qui trình công nghệ chế tạo vật liệu Cu-Al2O3
64
2.4 Kết luận chương 2
65
CHƯƠNG 3. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VẬT LIỆU
NANOCOMPOZIT Cu-Al2O3
3.1 Công đoạn nghiền trộn cơ học
66
67
3.1.1 Mục đích của quá trình nghiền bi
67
3.1.2 Phương pháp thực nghiệm
67
3.1.2.1 Thiết bị
67
3.1.2.2 Tính toán phối liệu
68
3.1.2.3 Chế độ nghiền
70
3.1.2.4 Các giai đoạn trong quá trình nghiền
70
3.2 Công đoạn ép tạo hình sơ bộ
80
3.2.1 Mục đích
80
3.2.2 Áp lực ép
80
3.2.3 Phương pháp ép
80
3.2.4 Thiết bị ép
81
3.3 Công đoạn thiêu kết
82
3.3.1 Mục đích
82
3.3.2 Chế độ thiêu kết
82
3.3.3 Thiết bị thiêu kết
82
-4-
3.3.4 Kết quả quá trình hoàn nguyên - thiêu kết
3.4 Kết luận chương 3
83
85
CHƯƠNG 4. XÁC ĐỊNH MỘT SỐ TÍNH CHẤT VÀ TỐI ƯU QUÁ TRÌNH
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT Cu-Al2O3
4.1 Xác định độ xốp của vật liệu
86
86
4.1.1 Phương pháp xác định độ xốp
86
4.1.2 Kết quả đo độ xốp của vật liệu Cu-Al2O3
88
4.2 Xác định độ cứng của vật liệu Cu-Al2O3
89
4.3 Tổ chức tế vi của vật liệu Cu-Al2O3
91
4.4 Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu công nghệ chế tạo vật liệu Cu-Al2O3
94
4.4.1 Giới thiệu phương pháp
94
4.4.2 Mô hình nghiên cứu
95
4.4.2.1 Các bước thực hiện bài toán qui hoạch thực nghiệm
95
4.4.2.2 Xây dựng mô tả toán học tối ưu hóa hàm mục tiêu
99
4.5 Kết luận chương 4
101
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
102
TÀI LIỆU THAM KHẢO
103
-5-
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
3.1
4.1
4.2
Tựa bảng
Cơ tính của hợp kim Cu - 5%Al
Cơ tính của hợp kim Cu - 7%Al
Quá trình sản xuất hợp kim Cu [32]
Tính chất của MZC và Cu-Ni-Ti [32]
Tính chất vật liệu compozit Cu-1,6%(thể tích)WC trước và sau biến
dạng [19]
Tính chất của vật liệu Cu-4,5%(thể tích)TiB2 chế tạo bằng phương
pháp phối hợp nghiền trộn cơ học với phản ứng tự sinh nhiệt và
thiêu kết xung plasma [3]
Tính chất một số vật liệu compozit Cu-TiB2 sau khi thiêu kết xung
plasma [3]
Trang
30
30
32
33
35
39
39
So sánh các tính chất của vật liêu Cu-4,5%(thể tích)TiB2 và một số
vật liệu điện cực mới [3]
Thành phần (theo khối lượng) của hỗn hợp vật liệu bột ban đầu
40
69
Sự phụ thuộc của độ xốp vào các thông số công nghệ: nhiệt độ thiêu
kết (T), thời gian thiêu kết (τ) và áp lực ép (P)
89
Sự phụ thuộc của độ cứng vào các thông số công nghệ: nhiệt độ
thiêu kết (T), thời gian thiêu kết (τ) và áp lực ép (P)
4.3
Điều kiện thí nghiệm được chọn
90
96
4.4
Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả thí nghiệm
97
-6-
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3.1
3.2
Tựa hình
Sơ đồ phân loại vật liệu compozit theo hình dạng cốt
Hình dạng các hạt cốt WC
Ảnh SEM các hạt vật liệu bột Ag và Cu
Trình tự chuyển động của lệch mạng
Qui trình công nghệ chế tạo sản phẩm bột và compozit bằng
phương pháp biến dạng tạo hình
Một số phương pháp sản xuất vật liệu compozit cốt hạt khác
Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất đến độ dẫn điện của Cu
Cơ tính và tính dẫn điện của Cu nguyên chất [15]
Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến độ cứng của MZC và Cu-Ni-Ti
Ảnh TEM cấu trúc tế vi hợp kim Cu-Ni-Ti sau 1 giờ nung ở (a)
10050K và (b) 12270K làm nguội bằng không khí đến nhiệt độ
phòng [32]
Độ cứng của hỗn hợp Cu-5%(thể tích)TiC [20]
Ảnh TEM hỗn hợp Cu-5%(thể tích)TiC ép chảy [20]
Một số chi tiết chế tạo từ vật liệu tổ hợp hợp kim Al (A356)-SiC
dùng trong chế tạo máy
Sự va chạm của bi nghiền - hỗn hợp bột - bi nghiền trong quá trình
nghiền trộn cơ học
Mối quan hệ giữa độ bền liên kết và sức căng biến dạng [15]
Các giai đoạn quá trình nghiền trộn cơ học vật liệu dẻo - dẻo
Các giai đoạn quá trình nghiền trộn cơ học vật liệu dẻo - dòn
Một số thiết bị thông dụng dùng để nghiền trộn cơ học
Sơ đồ nguyên lý nghiền bi trong máy nghiền cánh khuấy
Kích thước của khuôn ép sơ bộ
Bề mặt tiếp xúc của hỗn hợp vật liệu bột trước (a) và sau thiêu kết
(b)
Sơ đồ qui trình công nghệ chế tạo vật liệu Cu-Al2O3
Máy nghiền bi kiểu cánh khuấy
Một số chi tiết của máy nghiền cánh khuấy
-7-
Trang
13
20
20
24
25
26
30
31
33
34
36
36
43
47
48
50
50
52
53
58
59
64
68
68
Hình
Tựa hình
3.3
3.4
-4
Cân điện tử, độ chính xác 10 g
Ảnh SEM hình dạng mẫu hỗn hợp bột ban đầu Cu-CuO-Al (a) và
sau khi nghiền với tốc độ nghiền 620 vg/ph trong thời gian 16h (b)
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
Máy phân tích rơnghen D5005 - SIEMENS
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột ban đầu
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 4h nghiền
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 6h nghiền
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu hỗn hợp vật liệu bột sau 12h nghiền
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
4.1
4.2
Mẫu bị nứt tách lớp khi ép sơ bộ với áp lực ép 400 MPa
Khuôn và chày ép sơ bộ
Máy ép thủy lực 100 T
Giản đồ thiêu kết mẫu Cu-Al2O3
Lò thiêu kết Linn 1300
Giản đồ nhiễu xạ X-ray mẫu Cu-Al2O3 sau khi thiêu kết
Mô hình xác định độ xốp của vật liệu Cu-Al2O3
Ảnh hiển vi quang học mẫu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 sau khi
thiêu kết ở 7000C trong 3h, X200 (a), X500 (b)
Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường HITACHI S-4800
Ảnh SEM mẫu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 sau khi thiêu kết ở
7000C trong 3h (X30.000)
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
Giản đồ nhiễu xạ rơnghen của mẫu hỗn hợp vật liệu bột
Ảnh SEM mẫu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 sau khi thiêu kết ở
7000C trong 3h (X50.000)
Ảnh SEM mẫu Cu-10%(khối lượng)Al2O3 sau khi thiêu kết ở
7000C trong 3h (X80.000)
Mô hình nghiên cứu qui hoạch thực nghiệm
-8-
Trang
70
72
72
75
76
77
78
79
80
81
81
82
83
84
87
91
92
92
93
93
95
PHẦN MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ nói chung, khoa học công nghệ
vật liệu cũng có sự phát triển mạnh mẽ. Bởi lẽ, vật liệu bao giờ cũng là một yếu tố
thiết yếu quyết định sự phát triển của nền công nghiệp đối với mọi quốc gia. Nền
công nghiệp càng phát triển thì yêu cầu về chất lượng vật liệu ngày càng cao, trình
độ công nghệ sản xuất vật liệu phải càng hiện đại. Vì vậy, khoa học công nghệ cần
phải có sự đổi mới, tiếp thu, sáng tạo các phương pháp công nghệ mới tiên tiến,
hiện đại và công nghệ cao một cách kịp thời, nhằm góp phần tích cực, có hiệu quả
vào công cuộc “công nghiệp hoá - hiện đại hoá” đất nước, đồng thời tiến tới hội
nhập từng bước vào cộng đồng các nước trong khu vực và trên thế giới. Sự đổi mới
công nghệ, trong đó có sự cấp thiết phát triển Công nghệ vật liệu, là một đòi hỏi
khách quan trước yêu cầu phát triển của nền kinh tế - xã hội Việt Nam.
Trước thực tế đó, trong lĩnh vực công nghệ vật liệu, bên cạnh các công nghệ
truyền thống cần phải phát triển các công nghệ mới nhằm chế tạo các vật liệu có
những tính chất đặc biệt, có khả năng đảm bảo tính ổn định cho các thiết bị máy
móc hiện đại làm việc trong điều kiện khắc nghiệt. Như một quy luật tất yếu, nhiều
loại vật liệu mới đã ra đời. Vật liệu tổ hợp (compozit) ra đời cũng trong xu hướng
phát triển đó và ngày càng có vị trí xứng đáng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp của
nền kinh tế quốc dân và quốc phòng như hàng không - vũ trụ, điện nguyên tử, đóng
tàu, chế tạo máy, xây dựng …
Vật liệu compozit đã kết hợp được nhiều tính chất ưu việt của các loại vật liệu
khác nhau hoặc tạo ra những tính chất hoàn toàn mới có khả năng thỏa mãn mọi
nhu cầu, rất đa dạng và phong phú của nền công nghiệp phát triển hiện nay cũng
như trong tương lai với các tính năng đặc biệt như: vật liệu độ bền cao, vật liệu chịu
mài mòn, vật liệu làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao và một số tính
năng khác mà vật liệu truyền thống không có được. Vì vậy, vật liệu compozit ngày
càng thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, nhà sản xuất và được ứng
dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong nền kinh tế quốc dân hiện nay.
Ở nước ta, việc nghiên cứu vật liệu tổ hợp nói chung, đặc biệt là vật liệu tổ
hợp nền kim loại nói riêng còn rất hạn chế và mới chỉ bắt đầu trong vài năm gần
đây. Việc nghiên cứu vật liệu tổ hợp nền kim loại, được phát triển theo hai hướng
chính, đó là: nghiên cứu các phương pháp chế tạo vật liệu và nghiên cứu các
-9-
phương pháp công nghệ tạo hình các chi tiết, sản phẩm từ vật liệu tổ hợp nền kim
loại. Có thể nói, đây là lĩnh vực nghiên cứu vật liệu mới tiềm năng, đầy triển vọng.
Với những tiềm năng to lớn của vật liệu tổ hợp nền kim loại. Tác giả đã lựa
chọn đề tài “Chế tạo vật liệu nanocompozit nền Cu cốt hạt phân tán Al2O3 bằng
phương pháp cơ - hóa kết hợp” để nghiên cứu. Đây là đề tài mang tính ứng dụng
cao trong thực tế hiện nay và khá mới mẻ trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu mới.
Việc nghiên cứu đề tài này, mở ra triển vọng lớn trong nghiên cứu các loại vật liệu
compozit trên cơ sở nền Cu nói chung và vật liệu compozit Cu-Al2O3 nói riêng, có
khả năng ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực như vật liệu điện cực, vật liệu chịu
mài mòn, vật liệu dụng cụ cắt.
Bản luận văn được trình bày thành 4 chương. Chương 1, trình bày tổng quan
về vật liệu compozit nền kim loại. Sau khi trình bày những vấn đề về cơ sở lý
thuyết và công nghệ chế tạo vật liệu Cu-Al2O3 trong chương 2, chương 3 sẽ đề cập
đến kỹ thuật thực nghiệm chế tạo vật liệu Cu-Al2O3 được tiến hành tại Trường Đại
học Bách khoa Hà Nội. Chương 4, xác định một số tính chất và tối ưu hóa quá trình
công nghệ chế tạo vật liệu Cu-Al2O3, và cuối cùng là kết luận của luận văn và một
số kiến nghị cho hướng đi tiếp theo của công trình nghiên cứu.
Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Đặng Thủy, người đã tận
tình hướng dẫn, gợi ý và cho những lời khuyên hết sức bổ ích trong việc nghiên cứu
và hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS. TS. Trần Văn Dũng, người đã đóng góp
những ý kiến xác thực góp phần hoàn chỉnh luận văn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Trường Cao đẳng Cơ khí - Luyện kim, Thái
Nguyên, Viện Đào tạo Sau đại học, Khoa Khoa học và Công nghệ vật liệu, Bộ môn
Cơ học vật liệu và Cán kim loại, phòng thí nghiệm Công nghệ vật liệu Kim loại,
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành
bản luận văn này.
Xin chân thành ghi nhớ những chân tình, sự giúp đỡ của các thành viên trong
nhóm nghiên cứu Kỹ thuật vật liệu cấu trúc nano nền kim loại, Khoa Khoa học và
Công nghệ vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
- 10 -
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOZIT NỀN KIM LOẠI
1.1 VẬT LIỆU COMPOZIT
1.1.1 Khái niệm về vật liệu compozit
Vật liệu compozit là loại vật liệu dị chất (không đồng chất), nó được tạo nên
bởi hai hoặc nhiều thành phần liên kết bền chặt với nhau trong đó có ít nhất một
thành phần trội hơn về mặt thể tích (khối lượng) là một kim loại, hợp kim hoặc phi
kim loại.
Vật liệu compozit là vật liệu nhiều pha, các pha tạo nên thường rất khác nhau
về bản chất, không hòa tan lẫn nhau và phân cách nhau bằng ranh giới pha, kết hợp
lại bằng sự can thiệp kỹ thuật của con người theo những sơ đồ thiết kế trước, nhằm
tận dụng và phát triển những tính chất tốt của từng pha trong vật liệu compozit cần
chế tạo. Pha liên tục trong toàn khối vật liệu được gọi là pha nền, pha phân bố gián
đoạn được nền bao bọc gọi là pha cốt.
Sự kết hợp các tính chất trong vật liệu nhiều pha là hiện tượng phổ biến. Ví
dụ, giới hạn bền cao và độ dẻo thích hợp của thép cùng tích peclit là kết quả của sự
kết hợp độ dẻo, độ dai lớn của các tấm ferit với tính cứng vững của các tấm
xementit khi chúng sắp xếp xen kẽ nhau; gỗ, tre cứng vững và bền dai chính là nhờ
kết hợp được tính bền dai của sợi xenluylo phân bố theo hướng xác định với độ
cứng vững cao của chất gỗ (lignin) bao bọc xung quanh. Qui luật kết hợp thể hiện
trong các ví dụ này là cơ sở khoa học của công nghệ vật liệu compozit.
Bằng con đường kết hợp nhân tạo các pha có bản chất khác nhau theo một
kiến trúc định trước, đảm bảo tạo nên một tổ hợp nhất định các tính chất, con người
đã sản xuất ra khá nhiều chủng loại vật liệu compozit đáp ứng nhu cầu đa dạng của
công nghệ hiện đại.
Trong vật liệu compozit tỷ lệ, hình dáng, kích thước cũng như sự phân bố của
nền và cốt tuân theo các qui định thiết kế trước.
- 11 -
Tính chất của các pha thành phần được kết hợp để tạo nên tính chất chung của
vật liệu compozit. Tuy nhiên, tính chất của compozit tạo ra không bao hàm tất cả
các tính chất của pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong đó
những tính chất tốt và phát huy thêm. Xét về các chỉ tiêu độ bền riêng, mô đun đàn
hồi riêng, độ bền nóng, độ bền mỏi cũng như nhiều tính chất khác, vật liệu
compozit cao hơn đáng kể so với các hợp kim kết cấu đã biết.
1.1.2 Phân loại vật liệu compozit
Phân loại vật liệu compozit thường dựa vào các điểm đặc trưng của chúng:
Theo bản chất của nền, vật liệu compozit được phân thành:
- Compozit nền chất dẻo;
- Compozit nền kim loại;
- Compozit nền gốm (ceramic);
- Compozit nền là hỗn hợp nhiều pha.
Theo hình dạng của cốt hoặc theo đặc điểm cấu trúc, có thể phân loại
compozit thành ba nhóm (hình 1.1):
- Vật liệu compozit cốt hạt;
- Vật liệu compozit cốt sợi;
- Vật liệu compozit cấu trúc.
Vật liệu compozit
Cốt hạt
Thô
Mịn
Cốt sợi
Liên tục
Cấu trúc
Gián đoạn
Có hướng
Tấm
Tấm ba lớp
Tổ ong
Ngẫu nhiên
Hình 1.1. Sơ đồ phân loại vật liệu compozit theo hình dạng cốt
- 12 -
1.2 VẬT LIỆU COMPOZIT NỀN KIM LOẠI
Vật liệu compozit nền kim loại có nền thường là các loại kim loại và hợp kim
có độ dẻo dai cao, tỷ trọng riêng nhỏ, độ bền cao và mô đun đàn hồi lớn. Khi đưa
thêm các phần tử cốt vào pha nền sẽ tạo ra một loại vật liệu mới có các tính chất ưu
việt hơn hẳn các pha thành phần hợp thành nên nó. Các đặc tính đặc trưng của vật
liệu compozit nền kim loại là độ dẻo dai, độ bền cao, chịu mài mòn và khả năng làm
việc ổn định ở nhiệt độ cao.
1.2.1 Thành phần cấu tạo
Compozit được cấu tạo từ hai cấu tử chính, đó là nền và cốt. Mỗi cấu tử có
một vai trò và tính chất đặc trưng, chúng liên kết với nhau để tạo ra một vật liệu có
tính chất tổng hợp, kết hợp các tính chất ưu việt của các cấu tử thành phần.
1.2.1.1 Vật liệu nền
Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà có loại vật liệu nền khác nhau. Để chế tạo
vật liệu kết cấu, cấu tử nền thường là các vật liệu có độ bền riêng cao, tỷ trọng nhỏ
như Titan, nhôm, magie và các hợp kim của chúng. Để đáp ứng yêu cầu về vật liệu
bền nóng, vật liệu chịu mài mòn thường sử dụng vật liệu nền là các kim loại có
nhiệt độ nóng chảy cao như Vonfram, Crôm và hợp kim của chúng, rất ít khi sử
dụng các hợp chất trên cơ sở sắt vì nó có độ bền riêng nhỏ và dễ bị oxi hóa.
Compozit trên cơ sở nền nhôm và hợp kim của nhôm có ưu điểm là tỷ trong
nhỏ, chống ăn mòn tốt, công nghệ chế tạo đơn giản được ứng dụng để chế tạo piston
Compozit nền Titan và hợp kim Titan: do có tỷ trọng nhỏ, độ bền riêng,
môđun đàn hồi lớn (80 ÷ 100 GPa), chống ăn mòn, chịu mài mòn tốt nên được sử
dụng nhiều trong động cơ phản lực, tuabin, cánh máy nén …
Compozit nền Đồng và hợp kim của đồng được sử dụng để chế tạo thiết bị trao
đổi nhiệt và thiết bị nhiệt do khả năng dẫn nhiệt tốt. Nhưng chủ yếu compozit này
vẫn được dùng trong vật liệu kỹ thuật điện như chổi than, tiếp điểm điện do có khả
năng dẫn điện tốt. Bên cạnh đó, compozit trên cơ sở nền đồng còn được sử dụng
làm vật liệu chế tạo bạc tự bôi trơn, bạc trượt …
- 13 -
1.2.1.2 Vật liệu cốt
Tùy theo kích thước, hình dáng và cách sắp xếp của cốt vào nền mà cốt được
chia làm ba loại: Cốt sợi, cốt hạt, cốt cấu trúc. Vật liệu cốt thường là các hợp chất
vô cơ có độ bền, độ cứng, nhiệt độ nóng chảy cao và môđun đàn hồi lớn.
Trong thực tế, thường sử dụng compozit nền kim loại cốt hạt. Cốt hạt thường
là các phần tử có kích thước nhỏ, môđun đàn hồi cao, nhiệt độ nóng chảy lớn, tỷ
trọng nhỏ và ít tương tác với nền. Khi các phần tử cốt này được đưa vào trong nền,
chúng sẽ cản trở chuyển động của lệch và gây ra hiệu ứng hóa bền vật liệu. Các loại
cốt hạt thường gặp là Al2O3, TiC, SiC …
Cốt hạt Al2O3 có nhiệt độ nóng chảy cao (trên 20000C), tỷ trọng nhỏ, độ cứng
cao.
Cốt hạt SiC có độ cứng cao, chịu nhiệt tốt, chống ăn mòn và chịu mài mòn tốt.
Cốt TiC có độ cứng, độ bền cao nên thường được sử dụng để chế tạo dụng cụ
cắt và các chi tiết trong hàng không - vũ trụ.
1.2.2 Các dạng liên kết nền - cốt
Liên kết nền - cốt là khả năng kết hợp các cấu tử với nhau. Đây là một yếu tố
quan trọng quyết định tính chất của vật liệu, đặc biệt là tính chất cơ học của vật liệu
như độ bền, giới hạn đàn hồi và tính dẻo. Liên kết nền - cốt tốt thì khả năng hóa bền
của pha cốt mới được phát huy.
Tùy thuộc vào bản chất của pha nền và pha cốt mà có thể hình thành các loại
liên kết khác nhau giữa chúng. Thường có ba kiểu liên kết nền - cốt, đó là: liên kết
cơ học, liên kết có tạo pha trung gian và liên kết hỗn hợp.
1.2.2.1 Liên kết cơ học
Liên kết cơ học nền - cốt được hình thành khi có tác dụng của ngoại lực, nền
và cốt liên kết lại với nhau thông qua sự mấp mô trên bề mặt của chúng. Đây là kiểu
liên kết đặc trưng của hai pha rắn. Nguyên nhân tạo ra liên kết này là do lực ma sát
giữa nền và cốt. Do đó khi tăng lực ma sát giữa nền và cốt thì độ bền của vật liệu
cũng tăng lên.
- 14 -
Độ bền liên kết cơ học phụ thuộc vào độ nhám bề mặt và mật độ vết nứt của
vật liệu, tức là phụ thuộc vào mức độ biến dạng. Khi mức độ biến dạng nhỏ thì mật
độ vết nứt ít phụ thuộc vào độ nhám bề mặt giữa nền và cốt. Khi mức độ biến dạng
lớn thì mật độ vết nứt ở cốt có bề mặt bóng không tăng nữa, tức là không xuất hiện
thêm vết nứt. Nguyên nhân là do liên kết cơ học giữa nền và cốt bị phá vỡ, không
có khả năng truyền lực tác dụng từ nền vào cốt nữa. Trong khi đó ở cốt có bề mặt
nhấp nhô hợp lý vẫn xuất hiện vết nứt trên bề mặt nền và cốt, tức là liên kết nền và
cốt chưa bị phá vỡ, tải trọng vẫn tiếp tục được truyền từ nền vào cốt cho đến khi độ
biến dạng lớn.
1.2.2.2 Liên kết có tạo pha trung gian
Liên kết có tạo pha trung gian là loại liên kết có sự hình thành vùng trung gian
ở ranh giới giữa hai cấu tử. Liên kết này chỉ xảy ra với các cấu tử có khả năng
khuếch tán hoặc phản ứng hóa học với nhau.
Phần lớn các hệ vật liệu compozit nền kim loại là hệ ở trạng thái không cân
bằng về nhiệt động học. Do đó luôn tồn tại gradient nồng độ giữa nền và cốt.
Gradient nồng độ chính là động lực trong quá trình khuếch tán và phản ứng hóa học
xảy ra khi có các điều kiện nhiệt động học phù hợp.
Lớp bề mặt tiếp xúc được tạo bởi phản ứng hóa học và khuếch tán thường có
tính chất cơ, lý, hóa khác biệt với tính chất của cấu tử thành phần. Nếu khả năng tạo
vùng trung gian được kiểm soát thì sẽ tạo ra liên kết mạnh giữa nền và cốt. Tuy
nhiên, nếu vùng trung gian quá dày sẽ ảnh hưởng xấu đến tính chất của vật liệu.
1.2.2.3 Liên kết hỗn hợp
Là liên kết tổng hợp, bao gồm cả liên kết cơ học và liên kết hóa học. Nghĩa là,
nền và cốt liên kết với nhau vừa thông qua độ nhấp nhô bề mặt, vừa do tạo vùng
trung gian giữa chúng.
1.3 VẬT LIỆU COMPOZIT CỐT HẠT
Vật liệu compozit cốt hạt là loại vật liệu mà tổ chức của chúng tồn tại trên nền
cơ sở có gắn pha thứ hai không có định hướng ưu tiên rõ rệt. Tính chất của vật liệu
này là đẳng hướng. Thông thường là các hạt có độ cứng và độ bền cao phân bố trên
- 15 -
nền mềm hơn. Cũng có thể cốt hạt là các pha mềm, có độ bền cắt nhỏ như graphit,
mica ..., đó là các compozit chống ma sát. Các chất điểm cứng (chất điểm phân tán,
pha thứ hai) hoàn toàn không hoà tan vào nền và không phản ứng với nền. Những
chất điểm mịn phân tán bền vững có thể là các ôxit, cacbít, nitrit, borid, silicát. Các
pha hạt (chất điểm) rắn có các đặc điểm sau:
- Độ hạt nhỏ (tuỳ yêu cầu);
- Khoảng cách giữa các chất điểm nhỏ (tuỳ yêu cầu);
- Không hoà tan vào nền;
- Độ cứng cao.
Mục đích của việc phân tán các hạt cứng này là tăng độ bền của nền, cản trở
chuyển động của lệch.
1.3.1 Compozit hạt thô
1.3.1.1 Đặc điểm của vật liệu compozit hạt thô
Khái niệm “thô” được dùng để chỉ tương tác giữa nền - cốt không xảy ra ở
mức độ nguyên tử hoặc phân tử. Cơ chế hóa bền trong compozit này là sự cản trở
biến dạng của nền ở vùng lân cận hạt cốt do sự chèn ép theo quan điểm cơ học môi
trường liên tục. Đặc điểm của loại vật liệu compozit này là các hạt gia cố có kích
thước lớn hơn 1µm với thành phần phân tán lớn hơn 25%.
1.3.1.2 Một số compozit hạt thô thông dụng
Compozit hạt thô nền polyme: Mục đích đưa các hạt cốt với vai trò là chất độn
vào polyme để cải thiện độ bền kéo, nén, chống mài mòn, độ dai, khả năng ổn định
kích thước và chịu nhiệt ... Các hạt độn thường là thạch anh, thủy tinh, Al2O3, đất
sét … nghiền nhỏ với kích thước khác nhau tùy yêu cầu. Vai trò của cốt trong
trường hợp này là tác nhân tăng bền, tạo compozit có các tính chất mới. Mặt khác,
là chất độn thuần túy nhằm tiết kiệm polyme.
Compozit hạt thô nền kim loại: Các compozit có thành phần là những phần tử
cứng như WC, TiC, …là một dạng compozit hạt thô nền kim loại được sử dụng phổ
biến làm dụng cụ cắt gọt trong gia công cơ khí. Ngoài ra, các giả hợp kim chế tạo
bằng phương pháp Luyện kim bột như W-Cu; W-Ag, Mo-Cu, Mo-Ag … cứng là
- 16 -
các compozit hạt thô được sử dụng trong kỹ thuật điện làm tiếp điểm, vừa có điện
trỏ tiếp xúc nhỏ vừa có tuổi thọ cao.
- Compozit hạt thô nền gốm: Bêtông là compozit hạt thô nền gốm được sử
dụng rộng rãi nhất. Trong compozit - bêtông, cốt chính là tập hợp các hạt rắn (đá
hoặc sỏi) được liên kết lại bởi nền là xi măng.
1.3.2 Compozit hạt mịn (phân tán)
Compozit hạt mịn - còn gọi là compozit hóa bền phân tán, thường là các vật
liệu bền nóng và ổn định nhiệt. Do vậy, chúng thường được dùng để thay thế các
vật liệu truyền thống nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng hoặc kéo dài tuổi thọ thiết
bị, công trình trong các điều kiện sử dụng tương đương.
1.3.2.1 Đặc điểm của vật liệu compozit hóa bền phân tán
Nền các compozit này thường là các kim loại hoặc hợp kim. Đặc điểm của loại
compozit này là cấu trúc tế vi gồm có pha nền chủ yếu mà bên trong nó được bố trí
phân tán bởi các hạt cốt sạch một cách đồng đều. Các phần tử cốt có kích thước nhỏ
(0,01 ÷ 0,1µm) và hàm lượng của hạt phân tán thay đổi trong khoảng 1 ÷ 15%,
thường là các vật liệu bền, cứng và có tính ổn định nhiệt cao, ví dụ như các ôxit,
nitrit, borit hoặc các pha liên kim loại …
Tương tác cốt - nền trong loại compozit này xảy ra ở mức độ vi mô ứng với
kích thước nguyên tử hoặc phân tử. Dưới tác dụng của lực, trong mẫu compozit,
nền sẽ hứng chịu hầu như toàn bộ tải trọng, các phần tử cốt nhỏ mịn phân tán đóng
vai trò hãm lệch, làm tăng bền và cứng của vật liệu. Vì vậy, độ bền phụ thuộc cả
vào tổ chức lệch hình thành trong quá trình biến dạng dẻo khi chế tạo chi tiết từ vật
liệu compozit. Hiệu ứng hóa bền phân tán đạt được trong compozit hạt mịn không
lớn lắm nhưng rất ổn định ở nhiệt độ cao. Sở dĩ như vậy vì các phần tử cốt được
chọn từ những vật liệu có khả năng ổn định tổ chức, tính chất và không hòa tan vào
nền khi nhiệt độ tăng cao. Ngoài ra, các hạt cốt còn có tác dụng hóa bền gián tiếp,
khi tạo nên tổ chức với sự không đồng trục rất lớn của các hạt (dạng thớ). Tổ chức
này tạo thành khi kết hợp biến dạng dẻo với ủ, lúc này các hạt cốt phân tán sẽ cản
trở một phần hoặc hoàn toàn quá trình kết tinh lại.
- 17 -
1.3.2.2 Một số compozit hóa bền phân tán
Compozit hạt mịn hóa bền phần tán đang là đối tượng được chú ý nghiên cứu
và có nhiều triển vọng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao. Những kết quả
đạt được đã cho phép triển khai ứng dụng ở qui mô công nghiệp một số compozit
loại này, ví dụ SAP (Sintered Aluminium Powder) và TD - Niken (Thoria Dispersed Niken).
SAP được chế tạo và xuất xưởng ở dạng bán thành phẩm tấm, ống, dây …
SAP được sử dụng để chế tạo chi tiết cần độ bền riêng lớn, làm việc ở vùng nhiệt độ
300 ÷ 5000C và chịu tác động của môi trường ăn mòn (đỉnh pitton, cánh máy nén,
cánh quạt gió và tuabin trong công nghiệp hóa chất và hóa dầu, bình ngưng tụ, lõi
quấn biến thế trong kỹ thuật điện). Tổ chức của SAP gồm nền Al với các phần tử
Al2O3 phân bố đồng đều. Tăng hàm lượng Al2O3 sẽ kéo theo sự tăng độ bền, độ
cứng, độ bền nóng của SAP và sự giảm độ dẻo dai của nó. Độ bền cao của SAP
được giải thích bởi độ phân tán lớn của pha Al2O3 và khoảng cách nhỏ giữa các
phần tử của pha này. Tính không hòa tan trong Al và không kết tụ các phần tử
Al2O3 phân tán đảm bảo sự ổn định của tổ chức và độ bền lớn ở vùng nhiệt độ đến
5000C.
TD - Niken có nền là Ni và cốt là các phần tử ôxit thori ThO2. Hàm lượng cốt
ThO2 chiếm khoảng 2%, có tác dụng hóa bền và tạo cho compozit khả năng làm
việc lâu dài ở nhiệt độ 1000 ÷ 11000C.
Vật liệu compozit TD - Niken do có độ ổn định nóng cao, không nhạy cảm với
ăn mòn biên giới pha nên được sử dụng rộng rãi trong công nghệ hàng không, vũ
trụ, chế tạo tuabin, ống dẫn và các bình áp lực làm việc ở nhiệt độ cao, dưới tác
dụng của môi trường ăn mòn.
- 18 -
Hình 1.2. Hình dạng các hạt cốt WC
Hình 1.3. Ảnh SEM các hạt vật liệu bột Ag và Cu
1.3.3 Lý thuyết hóa bền phân tán
Vấn đề mà đề tài nghiên cứu là tăng độ bền của vật liệu bằng cách giảm kích
thước của hạt phân tán (hóa bền), cho nên việc xem xét lý thuyết hóa bền phân tán
là cần thiết.
Như ta đã biết, nguyên tắc chung của hóa bền chính là sự cản trở chuyển động
của lệch. Trong hóa bền phân tán người ta đưa vào vật liệu nền những pha phân tán
không hòa tan (có thể là nguyên tố đơn chất, có thể là hợp chất hóa học của các
nguyên). Việc này thường được thực hiện bằng phương pháp biến dạng tạo hình,
trong đó các thành phần cấu thành đều ở dạng bột được phối trộn lẫn với nhau rồi
ép - thiêu kết. Vì các pha phân tán không hòa tan hoặc chỉ hòa tan rất ít trong kim
loại nền nên các vật liệu hóa bền phân tán có thể làm việc ở nhiệt độ rất cao. Cơ chế
tăng độ bền, độ cứng ở đây cũng dựa trên sự cản trở chuyển động của lệch bởi các
- 19 -
hạt phân tán. Tùy theo kích thước và khoảng cách giữa các hạt với nhau, chúng gây
ra cản trở nhất định đến chuyển động của lệch.
Cần phân biệt một cách rõ ràng giữa hóa bền phân tán với biến cứng phân tán
(hay còn được gọi là sự hóa già). Sau đây ta xem xét cụ thể hai khái niệm này.
Khi hóa già, các hạt phân tán sẽ được tiết ra từ dung dịch rắn và phụ thuộc vào
nhiệt độ, nó ở trạng thái cân bằng ổn định hay giả ổn định. Khi nhiệt độ tăng lên,
pha giả ổn định sẽ chuyển qua trạng thái cân bằng hơn và cuối cùng hòa tan vào nền
tạo thành dung dịch rắn.
Đối với các hợp kim hóa bền phân tán, pha phân tán không tương tác với nền.
Tính tương hợp hoàn toàn của pha phân tán cùng với nền đạt được trong trường hợp
khi ở kim loại nền có ôxit khó nóng chảy hoặc hợp kim thứ hai không hòa tán. Một
vài vật liệu biến cứng phân tán quen thuộc như SAP, trong đó Al2O3 phân tán trên
nền Al; TD - Niken trong đó ôxit thoriun ThO2 phân tán trên nền Ni. Trường hợp
khi hai pha của hợp kim hóa bền phân tán không hòa tan lẫn nhau, sự phân bố pha
phân tán trong nền ngay cả khi nhiệt độ tăng lên cao cũng sẽ không thay đổi, điều
này có thể được giải thích như sau: các pha phân tán không khuếch tán vào pha nền,
do đó không có sự vận chuyển chất để dẫn đến tích tụ pha phân tán, ngược lại các
hạt tiết ra trong hợp kim hóa già khi nhiệt độ tăng cao chúng có thể lớn lên, tích tụ
lại khi nâng cao nhiệt độ bằng quá trình khuếch tán.
Tính ổn định nhiệt động học của các hạt phân tán không giống nhau, nhờ đó
cho phép sử dụng chúng để hóa bền các vật liệu. Độ bền của hợp kim hóa già đạt
được nhỏ hơn 0,5Tnc. Trong khi đó, hợp kim hóa bền phân tán, do việc thải bền
không đáng kể ở nhiệt độ cao nên cho phép vật liệu làm việc ở nhiệt độ cao hơn.
Giá trị độ bền đạt được phụ thuộc vào hàm lượng thể tích của cốt hạt, mức độ
phân bố đồng đều, độ phân tán và khoảng cách giữa các hạt cốt. Sự biến đổi của
tầm quan trọng trong việc quyết định ảnh hưởng của pha phân tán là quãng đường
tự do trung bình của nền Mfp, giữa các hạt trong chất phân tán và khoảng cách của
sự phân ly giữa các hạt Dp. Những sự thay đổi này được liên hệ chặt chẽ với đường
kính hạt d và phần thể tích Vp bởi:
- 20 -
M df =
Dp =
2d
(1 − Vp )
3Vp
2d
(1 − Vp )
3Vp
(1.1)
(1.2)
Với một sự lệch mạng chuyển vị qua hạt phân tán của các hạt đứng yên, ứng
suất cần thiết phải đủ (thích đáng) để uốn cong chuyển động thành nửa vòng tròn
vành đai. Bán kính nhỏ nhất của sự uốn cong mà sự lệch mạng có thể uốn cong
dưới ảnh hưởng của trường nội lực ôi là:
_
G .b
R= m
2τ i
(1.3)
Trong đó:
Gm- môđun đàn hồi trượt của nền;
_
b - vectơ Burger;
Theo công thức Orowan, sự chống xê dịch tăng lên khi khoảng cách giữa các
hạt giảm đi:
_
G .b
τi = m
Dp
(1.4)
vì 2R = Dp
Khi ứng suất đủ lớn để tạo nên một bán kính R = Dp/2, sự chuyển động đường
vành đai lệch mạng có thể lớn lên mà không cần tiếp tục tăng ứng suất.
Giới hạn dưới của khoảng cách giữa các hạt được dự đoán khi sử dụng ứng
suất chảy của nền sạch như ứng suất cần thiết để phát triển vành đai dịch chuyển
bao quanh các hạt, hoặc Gm/1000. Với giới hạn trên, lý thuyết ứng suất kéo đứt của
o
nền có thể dùng là Gm/30. Sử dụng các giá trị trên và khoảng cách nguyên tử 3 A
cho độ lớn của vectơ Burger, khoảng cách giữa các hạt thay đổi trong khoảng 0,01
÷ 0,03 µm. Bỏ qua sự tăng ứng suất và tính chống dão, đó là mong muốn giữ được
nhiều các tính chất của vật liệu nền đến mức có thể. Công thức (1.3) sử dụng cho
các loại hạt khác nhau, nó có thể tìm thấy từ một đường cong trong đó bán kính hạt
- 21 -
phải nhỏ hơn 0,1 µm để giữ khoảng cách quãng đường tự do trong khoảng mong
muốn 0,01 ÷ 0,3 µm và để giữ hàm lượng hợp lý nhỏ hơn 15%. Dãy tiêu biểu của
các thông số cho trong công thức (1.1) là:
Mfp: 0,01 ÷ 0,3 µm;
Dp: 0,01 ÷ 0,3 µm;
Vp: 0,01 ÷ 0,3;
d: < 0,1 µm.
_
G b
Khi ứng suất tăng từ τ = 0 đến τ = m , sự dịch chuyển của đường lệch mạng
Dp
hình các cung tăng lên bao quanh các hạt phân tán cho đến khi nó có thể vượt qua
các hạt mà không cần tăng ứng suất. Bởi vì đường lệch mạng không thể đạt giá trị
bán kính bằng không, một đường bao của vùng lệch mạng có tác dụng giảm khoảng
cách giữa các hạt, Dp, bằng cách ấy cần có ứng suất lớn hơn để di chuyển một sự
lệch mạng thứ hai qua các hạt phân tán. Nó có tác dụng làm tăng hiệu quả hóa bền
trong vật liệu hóa bền phân tán.
Các hạt phân tán trong vật liệu tổ hợp hóa bền phân tán là các ôxit, cacbit,
borit trong nền kim loại. Vật liệu tổ hợp (compozit) hóa bền phân tán có độ cứng
cao và độ chống dão trong khoảng thay đổi nhiệt độ lớn.
1.3.3.1 Đường lệch bị uốn cong giữa các hạt phân tán
Khi khoảng cách giữa các hạt của pha thứ hai l khá lớn so với bán kính R của
đường lệch (l >> R) thì lệch sẽ bị uốn cong giữa các hạt (hình 1.4). Ứng suất cần
đẩy lệch giữa hai hạt cách nhau l là:
τK =
G.b
l
(1.5)
Khi ứng suất tác dụng τ ≥ τK đường lệch uốn và một phần bao lấy hạt, để lại
xung quanh nó vòng lệch, rồi tiếp tục trượt theo phương ban đầu. Mỗi hạt mới đi
qua các hạt lại tạo quanh chúng một vòng lệch. Cứ như vậy chiều dài và năng lượng
tổng cộng của lệch tăng lên. Số vòng lệch qua mỗi hạt tăng tạo ra trường ứng suất
đàn hồi, cản trở lệch vượt qua hạt phân tán.
- 22 -
τ=0
−
τ < Gm. b /Dp
−
τ = Gm. b /Dp
Hình 1.4. Trình tự chuyển động của lệch mạng
1.3.3.2 Đường lệch cắt hạt phân tán
Khi khoảng cách l << R ứng suất τK tăng lên, sẽ đến lúc lệch đi qua hạt phân
tán dễ dàng hơn cả bằng cách cắt đứt chúng. Nguyên nhân hãm lệch ở đây là:
- Do sự khác nhau về cấu trúc mạng giữa nền kim loại chính (pha cơ bản) và
hạt tiết ra (pha thứ hai), khi trượt trong mặt trượt làm xuất hiện bề mặt phân tán,
lệch gây ra xô lệch trong mặt trượt làm xuất hiện bề mặt phân chia có năng lượng
cao trong hạt phân tán;
- Sau khi bị lệch cắt trên mặt ngoài của hạt phân tán xuất hiện bậc nhỏ, vì thế
bề mặt phân chia giữa nền pha cơ bản và hạt tăng lên.
Lệch sẽ uốn cong và đi qua hạt phân tán sau khi để lại vòng lệch quanh chúng
hoặc lệch cắt ngang phân tán phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Thông thường những hạt
nhỏ, gần nhau, lệch có thể cắt ngang. Hạt càng bền và môđun đàn hồi càng lớn càng
khó cắt ngang. Những hạt phân tán lớn và cách xa nhau thường uốn cong lệch và
cho đi qua sau khi tạo thành vòng lệch xung quanh hạt.
- 23 -
1.3.4 Một số phương pháp chế tạo vật liệu compozit cốt hạt
1.3.4.1 Phương pháp biến dạng tạo hình vật liệu bột và compozit hạt
Phương pháp biến dạng tạo hình kim loại bột và compozit hạt là tương đối đơn
giản, do đó nó được sử dụng rộng rãi, hơn 60% sản phẩm compozit được sản xuất
bằng phương pháp biến dạng tạo hình vật liệu bột và compozit.
Ưu điểm của phương pháp biến dạng tạo hình vật liệu bột và compozit: điều
khiển chính xác được thành phần, kích thước của sản phẩm, tiết kiệm được nguyên
vật liệu. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có những nhược điểm: sử dụng thiết bị
phức tạp, khó chế tạo chi tiết có hình dạng phức tạp, phải sản xuất với số lượng lớn
mới đạt hiệu quả kinh tế.
Qui trình công nghệ của phương pháp biến dạng tạo hình vật liệu bột và
compozit được thể hiện như trên hình 1.5.
Tạo bột từ các nguyên liệu
ban đầu
Kiểm tra
Xử lý
Trộn theo tỷ lệ
Ép tạo hình
Thiêu kết
Kiểm tra chất lượng
Gia công hiệu chuẩn
Sản phẩm
Hình 1.5. Qui trình công nghệ chế tạo sản phẩm bột và compozit
bằng phương pháp biến dạng tạo hình
- 24 -
