Nghiên cứu ảnh hưởng của một số chế độ nhiệt luyện nhiều giai đoạn đến tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm độ bền cao hệ al zn mg cu được sản xuất trong nước

LỜI CẢM ƠN
Luận án này đƣợc thực hiện và hoàn thành tại Phòng thí nghiệm của Bộ môn
Vật liệu học, Xử lý nhiệt và Bề mặt, Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Đại học
Bách Khoa Hà Nội; Phòng thí nghiệm của Bộ môn Vật liệu và Công nghệ Vật liệu,
Khoa Cơ khí, Học viện Kỹ thuật Quân sự và Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Khoa
học và Công nghệ Quân sự, Bộ Quốc phòng.
Xin bày tỏ lòng kính trọng, sự biết ơn sâu sắc đến các cô giáo hƣớng dẫn
PGS.TS. Phùng Thị Tố Hằng và TS. Nguyễn Thị Vân Thanh, những ngƣời Cô đã
tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ tôi không những về mặt chuyên môn mà còn
về cuộc sống tinh thần trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận
án này.
Xin cảm ơn đến ThS. Nguyễn Đình Chiến và các em sinh viên tại bộ môn Vật
liệu học, Xử lý nhiệt và Bề mặt đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện các
nghiên cứu.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô, các anh, chị tại Bộ
môn Vật liệu học, Xử lý nhiệt và Bề Mặt, Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Đại
học Bách Khoa Hà Nội - nơi tôi tham gia học tập và thực hiện luận án.
Và tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thủ trƣởng đơn vị, các đồng chí,
đồng nghiệp tại Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự đã
luôn tạo điều kiện tốt nhất về vật chất và tinh thần và luôn động viên khi tôi gặp khó
khăn trong suốt thời gian tôi tham gia học tập và thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, ngƣời thân, bạn bè đã cổ vũ và
động viên tôi hoàn thành bản luận án này.
Hà Nội, ngày 28 tháng 10 năm 2020
Nghiên cứu sinh

Ngô Minh Tiến

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận án là
hoàn toàn trung thực của tôi, không vi phạm điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và
pháp luật Việt Nam. Các kết quả của luận án chƣa từng đƣợc ngƣời khác công bố.
Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trƣớc pháp luật.
Hà Nội, ngày 28 tháng 10 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn

TS. Nguyễn Thị Vân Thanh

PGS.TS. Phùng Thị Tố Hằng

ii

Nghiên cứu sinh

Ngô Minh Tiến


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... vi
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. ix
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................. x
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN........................................................................................... 5
1.1. Hợp kim nhôm độ bền cao hệ Al-Zn-Mg-Cu ............................................. 5
1.1.1. Hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg-Cu ........................................................ 5

1.1.1.1. Thành phần và ký hiệu .......................................................................... 5
1.1.1.2. Đặc điểm tổ chức tế vi và cơ tính của hợp kim .................................... 5
1.1.1.3. Ảnh hƣởng của các nguyên tố hợp kim phụ ......................................... 6
1.1.2. Hợp kim nhôm độ bền cao B95 ........................................................... 6
1.1.2.1. Tổ chức tế vi của hợp kim nhôm B95 .................................................. 8
1.1.2.2. Một số tính chất của hợp kim B95 ........................................................ 8
1.2. Chế độ xử lý nhiệt cho hợp kim nhôm B95 ................................................ 9
1.2.1. Chế độ ủ kết tinh lại ............................................................................ 9
1.2.2. Chế độ tôi ............................................................................................ 9
1.2.2.1. Nhiệt độ tôi ......................................................................................... 10
1.2.2.2. Thời gian giữ nhiệt.............................................................................. 10
1.2.2.3. Tốc độ nguội khi tôi nhôm.................................................................. 11
1.2.3. Chế độ hóa già ................................................................................... 11
1.2.3.1. Nhiệt động học quá trình tiết pha khi hóa già từ dung dịch rắn ......... 12
1.2.3.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hóa già ...................................... 14
1.2.3.3. Sự tiết pha trong hợp kim B95 khi hóa già ......................................... 16
1.2.3.4. Sự thay đổi tổ chức khi hóa già .......................................................... 18
1.2.3.5. Cơ chế hóa bền trong hợp kim hóa bền bằng tiết pha hóa già ............ 19
1.2.3.6. Cơ chế ăn mòn ứng suất trong hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg-Cu ....... 22
1.2.4. Một số chế độ hóa già hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg-Cu .................. 26
1.2.4.1. Chế độ hóa già 1 cấp hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg-Cu ...................... 26
1.2.4.2. Chế độ hóa già nhiều giai đoạn hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg-Cu...... 26
1.2.4.3. Chế độ hóa già kết hợp với biến dạng hợp kim nhôm hệ Al- Zn-MgCu (cơ nhiệt luyện) .......................................................................................... 30
1.3. Tình hình nghiên cứu công nghệ xử lý nhiệt và ứng dụng hợp kim nhôm
độ bền cao hệ Al-Zn-Mg-Cu trên thế giới và trong nƣớc ................................ 31
1.3.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc ..................................................... 33

iii

1.3.1.1. Các nghiên cứu xử lý nhiệt tôi + hóa già (hóa già 1 cấp T6) ............. 33
1.3.1.2. Các nghiên cứu xử lý nhiệt tôi + hóa già phân cấp ............................ 33
1.3.1.3. Các phƣơng pháp xử lý cơ nhiệt luyện ............................................... 36
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ...................................................... 39
Chƣơng 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................ 42
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu ............................................................................... 42
2.2. Thiết bị ...................................................................................................... 43
2.2.1. Thiết bị xử lý nhiệt và chế tạo mẫu ................................................... 43
2.2.2. Thiết bị kiểm tra, phân tích, đánh giá ................................................ 44
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................... 46
2.3.1. Phƣơng pháp thực nghiệm ................................................................. 46
2.3.1.1. Xác lập qui trình tôi ............................................................................ 46
2.3.1.2. Hóa già nhân tạo 1 cấp (hóa già truyền thống, ký hiệu T6) ............... 47
2.3.1.3. Hóa già 2 cấp (hay còn gọi là hóa già 2 giai đoạn hoặc chế độ “quá
hóa già”, ký hiệu T76) ..................................................................................... 47
2.3.1.4. Hóa già 3 cấp (hay còn gọi là hóa già 3 giai đoạn hoặc chế độ hóa già
gián đoạn, ký hiệu RRA) ................................................................................. 48
2.3.1.5. Hóa già kết hợp với biến dạng (cơ nhiệt luyện, ký hiệu T661) .......... 50
2.3.2. Mẫu nghiên cứu ................................................................................. 51
2.3.3. Phƣơng pháp đánh giá tổ chức, tính chất .......................................... 54
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .................................................................. 59
3.1. Xác lập qui trình tôi .................................................................................. 59
3.1.1. Xác lập nhiệt độ tôi ........................................................................... 59
3.1.2. Xác lập thời gian giữ nhiệt khi tôi ..................................................... 61
3.2. Nghiên cứu chế độ hóa già truyền thống (T6) .......................................... 64
3.2.1. Ảnh hƣởng của chế độ hóa già T6 đến cơ tính.................................. 64
3.2.2. Ảnh hƣởng của chế độ hóa già T6 đến tổ chức tế vi ......................... 66
3.2.3. Ảnh hƣởng của chế độ hóa già T6 đến mức độ ăn mòn .................... 72
3.3. Nghiên cứu lựa chọn chế độ hóa già phân cấp ......................................... 77
3.3.1. Nghiên cứu lựa chọn chế độ hóa già 2 cấp (T76) ............................. 77

3.3.1.1. Ảnh hƣởng chế độ hóa già T76 đến tổ chức tế vi ............................... 77
3.3.1.2. Ảnh hƣởng của chế độ hóa già T76 đến cơ tính ................................. 80
3.3.1.3. Ảnh hƣởng của chế độ hóa già T76 đến mức độ ăn mòn ................... 81
3.3.2. Nghiên cứu lựa chọn chế độ hóa già 3 cấp (RRA) ............................ 90
3.3.2.1. Ảnh hƣởng của chế độ hóa già trung gian RA đến tổ chức tế vi ........ 91
3.3.2.2. Tổ chức và tính chất của mẫu hợp kim sau hóa già 3 cấp RRA ......... 92

iv


3.4. Nghiên cứu lựa chọn chế độ xử lý nhiệt kết hợp biến dạng và hóa già (cơ
nhiệt luyện) .................................................................................................... 106
3.4.1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của mức độ biến dạng sau tôi đến tổ chức và
tính chất hợp kim ........................................................................................... 106
3.4.1.1. Ảnh hƣởng của mức độ biến dạng đến tổ chức tế vi ........................ 106
3.4.1.2. Ảnh hƣởng của mức độ biến dạng đến cơ tính ................................. 108
3.4.2. Nghiên cứu lựa chọn chế độ hóa già sau khi biến dạng .................. 109
3.4.2.1. Ảnh hƣởng của chế độ cơ nhiệt luyện đến tổ chức tế vi................... 109
3.4.2.2. Ảnh hƣởng của chế độ cơ nhiệt luyện đến cơ tính ........................... 115
3.4.2.3. Ảnh hƣởng của chế độ cơ nhiệt luyện đến mức độ chống ăn mòn ... 117
KẾT LUẬN ............................................................................................................ 128
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................. 131
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 132

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
T6

Tôi + hóa già nhân tạo

T76

Chế độ quá hóa già 2 cấp: cấp 1 hóa già tại nhiệt độ Ta, cấp 2 hóa già
tại nhiệt độ Tb (Tb > Ta)

RA

Hóa già 2 cấp: cấp 1 hóa già tại nhiệt độ Ta, cấp 2 hóa già tại nhiệt độ
Tb (Tb > Ta).

RRA

Hóa già gián đoạn 3 cấp ( Retrogression and Reaging): cấp 1 hóa già
tại nhiệt độ Ta; cấp 2 hóa già tại nhiệt độ Tb (Tb > Ta), nguội nhanh;
cấp 3 hóa già tại nhiệt độ Tc (Tc ≤ Ta).

T6I6

Chế độ hóa già 3 cấp: cấp 1 hóa già tại nhiệt độ Ta, cấp 2 hóa già tại
nhiệt độ 25 ÷ 65 oC (Tb), cấp 3 hóa già tại nhiệt độ Tc (Tc ≤ Ta).

T661

Chế độ cơ nhiệt luyện: tôi + biến dạng + hóa già nhân tạo

HTA

Tôi, biến dạng nguội, cấp 1 hóa già tại nhiệt độ cao Ta, cấp 2 hóa già

tại nhiệt độ Tb (Tb < Ta).

OCT

Tiêu chuẩn quốc gia Nga

AA

Hiệp hội nhôm của Hoa Kỳ (Aluminium Association)

ASTM

Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (American Society for
Testing and Materials)

TCVN

Tiêu chuẩn quốc gia Việt Nam

GP

Guinier – Preston

7xxx

Hệ hợp kim Al-Zn-Mg hoặc Al-Zn-Mg-Cu

PFZ

Vùng trống tiết pha (Precipitate Free Zones)

αquá bão hòa

Dung dịch rắn α quá bão hòa

GBP

Các pha tiết ra trên biên giới hạt (Grain Boundary Precipitates)

MPt

Các pha tiết ra trên nền dung dịch rắn (Matrix Precipitates)

SCC

Ăn mòn ứng suất (Stress Corrosion Cracking)

OM

Kính hiển vi quang học (Optical Microscope)

SEM-EDS

Kính hiển vi điện tử quét - phổ tán xạ năng lƣợng tia X

FeSEM

Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng (Field Emission Scanning

vi

Electron Microscope)
TEM

Hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope)

SAD

Nhiễu xạ vùng (Selected Area Diffraction)

HRTEM

Hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (High Resolution
Transmission Electron Microscope)

3D-AP

Đầu dò nguyên tử 3 chiều (3 Dimensional Atom Probe)

XRD

Nhiễu xạ tia Rơnghen (X-Ray Diffraction)

DSC

Nhiệt lƣợng quét vi sai (Differential Scanning Calorimetry)

HB

Đơn vị đo độ cứng Brinell

HRB

Đơn vị đo độ cứng Rockwell thang đo B

σb

Giới hạn bền kéo, đơn vị MPa

σ0,2

Giới hạn chảy, đơn vị MPa

δ

Độ giãn dài tƣơng đối, đơn vị (%)

G

Môđun trƣợt, đơn vị MPa

b

Giá trị tuyệt đối của vectơ Burgers

τ

Ứng suất tác động lên lệch, MPa

Δσ

Giá trị độ bền tăng, MPa

ν

Hệ số Poissons

ro

Bán kính lõi lệch

rp

Bán kính của pha tiết

Rc

Bán kính cong cực đại của đƣờng lệch

L

Khoảng cách giữa hai pha tiết

BD

Biến dạng, đơn vị (%)

X59

Phôi tấm chế tạo tại Nhà máy thuộc Tổng cục Công nghiệp quốc
phòng

θ

Góc nhiễu xạ, đơn vị độ

d(hkl)

Khoảng cách mặt nguyên tử (hkl)

n

Bậc nhiễu xạ

vii


ρ

Tốc độ ăn mòn, đơn vị mg/dm2.ngày đêm

mo

Khối lƣợng kim loại trƣớc khi thí nghiệm, đơn vị mg

m1

Khối lƣợng kim loại sau khi ngâm dung dịch ăn mòn, đơn vị mg

S

Diện tích bề mặt kim loại, đơn vị dm2

t

Thời gian, đơn vị (ngày đêm)

τgn

Thời gian giữ nhiệt, đơn vị giờ hoặc phút

T

Nhiệt độ, đơn vị (oC)

E

Điện thế ăn mòn, đơn vị (V)

j

Mật độ dòng ăn mòn, đơn vị A/cm2

Epit

Điện thế ăn mòn lỗ, đơn vị (V)

viii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Thành phần hóa học một số hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg-Cu [8]. ............ 5
Bảng 1.2 Bảng thành phần hóa học của hợp kim nhôm B95 (OCT 4784-97) và
7075 (AA– Hoa kỳ) [21]. ........................................................................................... 6
Bảng 1.3 Các pha liên kim loại thƣờng gặp trong hợp kim nhôm B95 [1, 5, 22]. .... 8
Bảng 1.4 Tính chất vật lý hợp kim nhôm biến dạng B95 theo tiêu chuẩn Nga
(ΓOCT) [21]................................................................................................................ 8
Bảng 1.5 Cơ tính hợp kim nhôm biến dạng B95 theo tiêu chuẩn Nga (ΓOCT) [21]. 9
Bảng 1.6 Một số chế độ hóa già 2 cấp [6, 26, 29, 60-63]. ....................................... 27
Bảng 1.7 Một số chế độ xử lý nhiệt hóa già 3 cấp [51, 57, 61, 63, 67, 68, 70, 71]. 28
Bảng 1.8 Một số chế độ xử lý nhiệt hóa già kết hợp với biến dạng [51, 61, 72, 75,
77]. ............................................................................................................................ 30
Bảng 1.9 Một số tính chất của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu sau khi hóa già phân cấp ... 34
Bảng 2.2 Một số tính chất của mẫu hợp kim X59 ngay sau khi cán. ...................... 43
Bảng 2.3 Kích thƣớc mẫu thử kéo (TCVN 197-1:2014) [92].................................. 52
Bảng 3.1 Độ cứng mẫu sau khi tôi ở các nhiệt độ khác nhau. ................................. 60
Bảng 3.2 Độ cứng mẫu sau khi tôi ở các thời gian giữ nhiệt khác nhau. ................ 63
Bảng 3.3 Bảng độ cứng của hợp kim sau hóa già tại nhiệt độ 120 oC, 130 oC và
160 oC. ...................................................................................................................... 65
Bảng 3.4 Bảng giới hạn bền kéo và độ giãn dài của hợp kim hóa già tại 120 oC. ... 65
Bảng 3.5 Phần trăm (%) nguyên tử của các nguyên tố trong mẫu hóa già 120 oC,
24 h. .......................................................................................................................... 69
Bảng 3.6 Giá trị cơ tính của mẫu nghiên cứu ở chế độ hóa già 2 cấp T76. ............. 81
Bảng 3.7 Đánh giá tốc độ ăn mòn hợp kim ở chế độ T76 sau khi ngâm trong dung
dịch ăn mòn bề mặt. .................................................................................................. 83
Bảng 3.8 Giá trị cơ tính của mẫu nghiên cứu ở chế độ hóa già 3 cấp RRA. ........... 95
Bảng 3.9 Đánh giá tốc độ ăn mòn hợp kim ở chế độ RRA sau khi ngâm trong dung
dịch ăn mòn bề mặt. .................................................................................................. 99
Bảng 3.10 Phần trăm (%) nguyên tử của các nguyên tố trong mẫu BD6. .............. 107

Bảng 3.11 Bảng ảnh hƣởng của biến dạng, hóa già đến cơ tính của hợp kim. ...... 116
Bảng 3.12 Đánh giá tốc độ ăn mòn mẫu hợp kim sau cơ nhiệt luyện khi ngâm trong
dung dịch ăn mòn bề mặt........................................................................................ 119
Bảng 3.13 Một số thông số ăn mòn điện hóa các mẫu xử lý nhiệt chế độ khác nhau.
................................................................................................................................ 126

ix


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Giản đồ pha Al-Zn-Mg-Cu với Zn = 6 %. ................................................ 10
Hình 1.2 Đƣờng cong chuyển biến đẳng nhiệt một số hợp kim nhôm [31]. ........... 11
Hình 1.3. Giản đồ năng lƣợng tự do của các pha ổn định β và giả ổn định (GP, β”,
β’) cho hệ hợp kim nhôm [27]. ................................................................................ 12
Hình 1.4. Giản đồ thay đổi năng lƣợng tự do theo thời gian khi hóa già của hợp kim
nhôm [27]. ................................................................................................................ 13
Hình 1.5 Kích thƣớc các phân tử tiết ra tƣơng ứng với độ quá bão hòa khác nhau
của dung dịch rắn [8]. ............................................................................................... 13
Hình 1.6 Giản đồ TTT của hợp kim nhôm 7075 [34].............................................. 15
Hình 1.7 Ảnh hƣởng của thời gian hóa già đến độ bền hợp kim ở các nhiệt độ khác
nhau (T1 < T2 < T3) [8].............................................................................................. 16
Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc mặt phân cách pha tiết ra và nền trong suốt quá trình hóa
già. ............................................................................................................................ 19
Hình 1.10 Sơ đồ chuyển động của lệch cắt qua pha phân tán [32, 50]. ................... 20
Hình 1.11 Mô hình lệch cắt ngang qua hạt khi L ≈ Rc [50]. .................................... 21
Hình 1.12 Lệch vòng qua pha tiết [50]. ................................................................... 21
Hình 1.13 Quan hệ giữa độ bền với độ lớn của pha tiết khi hóa già [6, 50, 51]. ..... 22
Hình 1.14 Cơ chế của ăn mòn ứng suất trong hóa già T6 và T76 của hợp kim ...... 23
Hình 1.15. Sơ đồ hình thành một khuyết tật bởi hòa tan anôt cục bộ xung quanh pha
liên kim (màu đen) [55]. ........................................................................................... 25

Hình 1.16 Sơ đồ hóa già 2 cấp T7x (Ta < Tb) [60]. ................................................. 27
Hình 1.17 Sơ đồ hóa già 3 cấp RRA (Ta = Tc < Tb) [61, 72, 73]. ............................ 29
Hình 1.18 Các vật liệu hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg-Cu trên máy bay [80]. .......... 32
Hình 1.19 Hợp kim nhôm B95 dùng làm cánh ổn định đạn chống tăng. ................ 32
Hình 1.20 Ảnh TEM nhãn trƣờng sáng mẫu hợp kim 7075 ở chế độ T6 [82]. ....... 33
Hình 1.21 Ảnh TEM mẫu hợp kim nhôm hóa già chế độ khác nhau: a) hóa già
120 oC trong 16 h; b) T6 hóa già 120 oC trong 24 h; c) T73; d) RRA [83].............. 34
Hình 1.22 Quan sát các lệch trên ảnh TEM mẫu hợp kim nhôm 7050 sau khi tôi,
biến dạng 5 % a) trong hạt; b) trên biên giới hạt [77]. ............................................. 36
Hình 1.23 Ảnh TEM chỉ ra các pha tiết ra trong hạt của mẫu 7050 chế độ khác
nhau: a) T6 và b) T661 [62]. .................................................................................... 36
Hình 1.24 Ảnh TEM chỉ ra các pha tiết trên biên giới hạt trong hợp kim 7050 sau
khi xử lý quá hóa già với mức độ biến dạng khác nhau: a) 0 %; b) 1 %; c) 5 % [77].
.................................................................................................................................. 37
Hình 1.25 Ảnh TEM chỉ ra các pha tiết ra trong hạt mẫu 7050 .............................. 38
Hình 1.26 Ảnh TEM chỉ ra các pha tiết trên biên giới hạt mẫu 7050: a) T6; b)
HTA1; c) HTA5 [62]. ............................................................................................... 39
Bảng 2.1 Thành phần hợp kim mẫu X59, B95 (OCT) tƣơng đƣơng 7075 (AA). . 42
Hình 2.1 Thiết bị lò nung Nabertherm, Đức. ........................................................... 44

x


Hình 2.2 Thiết bị cán tiểu hình, Việt Nam. ............................................................. 44
Hình 2.3 Máy phân tích quang phổ Q4 TASMAN, Đức. ........................................ 45
Hình 2.4 Kính hiển vi AXIO A2M, Đức. ................................................................ 45
Hình 2.5 Kính hiển vi kỹ thuật số VHX-6000 hãng Keyence, Nhật Bản. ............... 45
Hình 2.6 Thiết bị hiển vi điện tử quét JSM-7001FA FE-SEM hãng JEOL, Nhật
Bản. ........................................................................................................................... 45
Hình 2.7 Thiết bị hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao FEI Tecnai G2 20, Mỹ. 45

Hình 2.8 Thiết bị nhiễu xạ tia Rơnghen Smartlab hãng Rigaku, Nhật Bản. ........... 45
Hình 2.9 Thiết bị phun muối ERICHSEN, Đức. ..................................................... 45
Hình 2.10 Thiết bị Autolab PGSTAT12/30/302, Hà Lan. ....................................... 45
Hình 2.11 Qui trình nhiệt luyện hóa già 1 cấp T6. .................................................. 47
Hình 2.12 Qui trình nhiệt luyện hóa già 2 cấp T76. ................................................ 48
Hình 2.13 Qui trình nhiệt luyện hóa già 3 cấp RRA. .............................................. 50
Hình 2.14 Qui trình cơ nhiệt luyện T661. ................................................................ 50
Hình 2.15 Mẫu thử giới hạn bền kéo, giãn dài. ....................................................... 51
Hình 2.16 Mẫu đo ăn mòn bề mặt kích thƣớc 100 × 50 × 4 mm. ........................... 53
Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị DSC. ............................................... 55
Hình 2.18 Sơ đồ thiết bị đo đƣờng phân cực (Galvanostatic) [113]. ....................... 58
Hình 3.1 Ảnh tổ chức tế vi của hợp kim sau ủ kết tinh lại (a) và sau tôi ở nhiệt độ
460 oC (b); 470 oC (c); 480 oC (d) với thời gian giữ nhiệt 120 phút (X500)............ 60
Hình 3.2 Ảnh tổ chức tế vi của hợp kim sau khi Tôi 470 oC ở các thời gian giữ nhiệt
khác nhau 30 phút (a), 60 phút (b), 90 phút (c), 150 phút 9 (d), 180 phút (e) (X500).
.................................................................................................................................. 62
Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X hợp kim nhôm trƣớc và sau tôi 470 oC trong 120
phút. .......................................................................................................................... 62
Hình 3.4 Ảnh hƣởng của nhiệt độ, thời gian hóa già đến độ cứng của hợp kim. .... 66
Hình 3.5 Ảnh hƣởng của thời gian hóa già tại 120 oC đến giới hạn bền kéo, độ giãn
dài tƣơng đối của hợp kim. ....................................................................................... 66
Hình 3.6 Ảnh tổ chức tế vi của hợp kim khi hóa già 120 oC, thời gian giữ nhiệt khác
nhau (X500). ............................................................................................................. 68
Hình 3.7 Ảnh SEM mẫu hóa già T6: (a, b) trong hạt; c) trên biên giới hạt. ............ 69
Hình 3.8 Ảnh nhãn trƣờng sáng TEM mẫu hóa già T6: a) trong hạt; b) trên biên
giới hạt; c) SAD theo phƣơng [001]Al. ..................................................................... 70
Hình 3.9 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu sau hóa già 120 oC trong 24 h. ..................... 71
Hình 3.10 Ảnh của mẫu hợp kim xử lý chế độ hóa già truyền thống T6 sau khi thử
mức độ ăn mòn bề mặt. ............................................................................................ 72
Hình 3.11 Ảnh đánh giá mức độ ăn mòn biên giới của mẫu hợp kim ở chế độ hóa

già truyền thống T6 (hóa già 120 oC, 24 h). ............................................................. 74
Hình 3.12 Ảnh bề mặt mẫu T6 thử nghiệm phun muối tại các chu kỳ phun khác
nhau. ......................................................................................................................... 75

xi


Hình 3.13 Ảnh hiển vi kỹ thuật số bề mặt mẫu T6 sau 4 chu kỳ phun muối (T6CK4).
.................................................................................................................................. 76
Hình 3.14 Ảnh tổ chức tế vi của mẫu hóa già 2 cấp T76 (X500). ........................... 78
Hình 3.15 Ảnh SEM mẫu sau hóa già 2 cấp T76-2 trong hạt (a) và trên biên hạt (b).
.................................................................................................................................. 79
Hình 3.16 Ảnh nhãn trƣờng sáng TEM mẫu hóa già 2 cấp T76-2: trong hạt (a) và
trên biên giới hạt (b). ................................................................................................ 79
Hình 3.17 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu hợp kim sau hóa già 2 cấp T76-2:
470 °C 2h/120 °C-10 h/165 °C-15 h. ....................................................................... 80
Hình 3.18 Ảnh bề mặt các mẫu hợp kim xử lý chế độ T76 sau khi ngâm dung dịch
đánh giá ăn mòn bề mặt. ........................................................................................... 83
Hình 3.19 Ảnh SEM đánh giá mức độ ăn mòn biên giới mẫu hợp kim xử lý chế độ
T76 (X1000): a) mẫu T76-1; b) mẫu T76-2; c) mẫu T76-3. .................................... 84
Hình 3.20 Ảnh hiển vi kỹ thuật số đánh giá mức độ ăn mòn biên giới mẫu hợp kim
xử lý chế độ T76 (X200): a) mẫu T76-1; b) mẫu T76-2; c) mẫu T76-3. ................. 86
Hình 3.21 Ảnh bề mặt các mẫu T76 thử nghiệm phun muối tại các chu kỳ phun
khác nhau. ................................................................................................................. 88
Hình 3.22 Ảnh hiển vi kỹ thuật số bề mặt mẫu T76 sau 4 chu kỳ phun muối (X500).
.................................................................................................................................. 89
Hình 3.23 Ảnh OM mẫu RA (X500). ...................................................................... 91
Hình 3.24 Ảnh SEM biên giới hạt mẫu RA (X50.000). .......................................... 91
Hình 3.25 Ảnh nhãn trƣờng sáng TEM mẫu hóa già 2 cấp RA: trong hạt (a) và trên
biên giới hạt (b). ....................................................................................................... 92

Hình 3.26 Ảnh tổ chức tế vi của mẫu hóa già 3 cấp RRA (X500). ......................... 93
Hình 3.27 Ảnh SEM mẫu sau hóa già 3 cấp RRA2 trong hạt (a); trên biên giới hạt
(b).............................................................................................................................. 94
Hình 3.28 Ảnh nhãn trƣờng sáng TEM mẫu hóa già 3 cấp RRA2: trong hạt (a); trên
biên giới hạt (b). ....................................................................................................... 94
Hình 3.29 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu hợp kim sau hóa già 3 cấp RRA2. ...... 95
Hình 3.30 Đồ thị giá trị cơ tính các mẫu hợp kim sau hóa già 3 cấp RRA so với chế
độ T6. ........................................................................................................................ 96
Hình 3.31 Ảnh bề mặt các mẫu hợp kim xử lý chế độ RRA sau khi ngâm dung dịch
đánh giá ăn mòn bề mặt. ........................................................................................... 98
Hình 3.32 Ảnh SEM đánh giá mức độ ăn mòn biên giới mẫu hợp kim xử lý chế độ
RRA (X1000): a) mẫu RRA1; b) mẫu RRA2; c) mẫu RRA3. ............................... 100
Hình 3.33 Ảnh hiển vi kỹ thuật số đánh giá mức độ ăn mòn biên giới mẫu hợp kim
xử lý chế độ RRA (X200): a) mẫu RRA1; b) mẫu RRA2; c) mẫu RRA3. ............ 102
Hình 3.34 Ảnh bề mặt các mẫu RRA thử nghiệm phun muối tại các chu kỳ khác
phun nhau. .............................................................................................................. 103
Hình 3.35 Ảnh hiển vi kỹ thuật số bề mặt mẫu RRA sau 4 chu kỳ phun muối
(X500). .................................................................................................................... 105

xii


Hình 3.36 Ảnh tổ chức tế vi của hợp kim sau khi biến dạng mức độ khác nhau
(X500). .................................................................................................................... 106
Hình 3.37 a) Ảnh SEM và b) ảnh TEM mẫu hợp kim biến dạng 6 % (BD6). ....... 107
Hình 3.38 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu sau biến dạng 6 % (BD6). ........................ 108
Hình 3.39 Mối quan hệ giữa độ cứng và mức độ biến dạng. ................................. 109
Hình 3.40 Ảnh tổ chức tế vi của hợp kim khi biến dạng mức độ khác nhau, hóa già
120 oC trong thời gian 24 h (X500). ....................................................................... 110
Hình 3.41 Ảnh SEM các mẫu biến dạng khác nhau, sau đó hóa già nhân tạo. ..... 112

Hình 3.42 Ảnh nhãn trƣờng sáng TEM mẫu hợp kim nhôm sau khi cơ nhiệt luyện
chế độ BD6-20: a) trong hạt; b) trên biên giới hạt. ................................................... 112
Hình 3.43 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu BD6-20. ...................................................... 113
Hình 3.44 Giản đồ đƣờng cong DSC các mẫu cơ nhiệt luyện khác nhau. ............ 114
Hình 3.45 Ảnh hƣởng của biến dạng, hóa già đến độ cứng của hợp kim. ............. 115
Hình 3.46 Ảnh đánh giá ăn mòn bề mặt mẫu hợp kim đƣợc xử lý chế độ cơ nhiệt
luyện khác nhau sau khi ngâm dung dịch đánh giá ăn mòn bề mặt (X1). .............. 118
Hình 3.47 Ảnh hiển vi kỹ thuật số của mẫu hợp kim ở chế độ cơ nhiệt luyện khác
nhau sau khi thử trong dung dịch ăn mòn bề mặt (X200). ..................................... 119
Hình 3.48 Ảnh SEM đánh giá mức độ ăn mòn biên giới mẫu hợp kim xử lý chế độ
cơ nhiệt luyện khác nhau (X250). .......................................................................... 120
Hình 3.49 Ảnh hiển vi kỹ thuật số đánh giá mức độ ăn mòn biên giới mẫu hợp kim
xử lý chế độ cơ nhiệt luyện khác nhau (X200)....................................................... 122
Hình 3.50 Ảnh bề mặt các mẫu cơ nhiệt luyện thử nghiệm phun muối tại các chu kỳ
phun khác nhau. ...................................................................................................... 124
Hình 3.51 Ảnh hiển vi kỹ thuật số bề mặt mẫu cơ nhiệt luyện khác nhau sau khi thử
nghiệm 4 chu kỳ phun muối (X500)....................................................................... 125
Hình 3.52 Giản đồ đƣờng cong phân cực của hợp kim ở các chế độ xử lý nhiệt khác
nhau trong dung dịch NaCl 3,5% tại phòng nhiệt độ. ............................................ 126

xiii


MỞ ĐẦU
Trên thế giới, hợp kim nhôm đƣợc sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp
đã hơn 100 năm, đứng vị trí đầu tiên về kim loại màu, thứ hai (sau thép) về phƣơng
diện sản xuất và ứng dụng. Nhôm sau khi đƣợc hợp kim hóa, xử lý nhiệt, biến dạng
cho sản phẩm bền và nhẹ, khối lƣợng riêng nhỏ, độ bền riêng cao, tính công nghệ
tốt…[1-3]. Trong các loại hợp kim nhôm, hợp kim nhôm biến dạng có độ bền cao
hệ Al-Zn-Mg-Cu đƣợc ứng dụng khá phổ biến trong các ngành công nghiệp quan

trọng nhƣ: hàng hải, kỹ thuật hàng không nhƣ cánh máy bay, khung máy bay, ống
phóng, động cơ, chi tiết tên lửa và nhiều thiết bị quân sự khác [2, 4-7]. Ngoài ra, hệ
hợp kim nhôm này còn đƣợc ứng dụng nhiều trong dân dụng nhƣ: khuôn thổi nhựa,
dụng cụ thể thao, giầy trƣợt tuyết, các chi tiết yêu cầu độ bền, độ cứng cao…[8].
Mác hợp kim B95 (OCT) tƣơng đƣơng mác 7075 (AA) đƣợc sử dụng phổ biến
nhất trong hệ hợp kim này, chúng còn có thể làm phễu đạn lõm thay cho thép 40X
trong đạn chống tăng, cánh ổn định đƣờng bay đạn phóng lựu chống tăng…
Để nâng cao các chỉ tiêu cơ lý tính cho hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao hệ
Al-Zn-Mg-Cu, có thể biến tính bằng cách hợp kim hóa thêm một số nguyên tố hợp
kim với hàm lƣợng nhỏ nhƣ: Zr, Ag, Ti, B, Ni, Sc…[1,5, 6, 9-11], đây là một xu
hƣớng hoặc sau khi đúc tiến hành các bƣớc xử lý nhiệt, tùy thuộc vào từng mục
đích khác nhau mà lựa chọn chế độ xử lý nhiệt phù hợp. Quá trình xử lý nhiệt gồm
nhiều nguyên công khác nhau: ủ, tôi, hóa già và có thể kết hợp với biến dạng…
Việc lựa chọn các nguyên công phụ thuộc vào yêu cầu của sản phẩm. Hợp kim B95
(tƣơng đƣơng với 7075) thuộc nhóm hợp kim độ bền cao. Tuy nhiên, nhƣợc điểm
của chúng là nhạy cảm với ăn mòn dƣới ứng suất (SCC). Ở các hợp kim này, khi
nâng cao độ bền thì sẽ kéo theo tăng thêm độ nhạy cảm với ăn mòn ứng suất (tức là
giảm độ bền ăn mòn) và do đó giảm khả năng ứng dụng. Vì vậy, có nhiều công
trình nghiên cứu tập trung tăng độ bền ăn mòn, đặc biệt là ăn mòn ứng suất cho mác
hợp kim này. Song, trong thực tế, một số trƣờng hợp đặc biệt khi điều kiện làm việc
không bị ảnh hƣởng của môi trƣờng ăn mòn, chỉ yêu cầu độ bền phải rất cao thì vấn
đề nâng cao độ bền hơn nữa cho hợp kim này cần đƣợc ƣu tiên, việc tăng mức độ
chống ăn mòn đƣợc bổ trợ thêm bằng công nghệ tạo lớp phủ bề mặt chẳng hạn nhƣ
công nghệ anôt hóa.
Với chế độ nhiệt luyện truyền thống, ký hiệu T6 (tôi + hóa già nhân tạo) hợp
kim cho độ bền khá cao đến 580 MPa, công nghệ đơn giản dễ áp dụng nhƣng có
nhƣợc điểm nhạy cảm ăn mòn ứng suất. Tuy nhiên, nếu chi tiết yêu cầu độ bền cao
hơn nữa (≥ 600 MPa) thì công nghệ T6 không thể đáp ứng. Chế độ hóa già nhiều
giai đoạn là chế độ hóa già ở nhiều nhiệt độ khác nhau (hay còn gọi là hóa già phân
cấp hoặc nhiều cấp), có thể khắc phục đƣợc nhƣợc điểm nhạy cảm với ăn mòn ứng

suất, nhƣng độ bền có thể bị giảm và công nghệ phức tạp hơn so với chế độ T6. Chế
độ cơ nhiệt luyện (kết hợp biến dạng trong qui trình tôi + hóa già) thì mang lại cho
hợp kim độ bền rất cao (≥ 620 MPa).
Do đó, để cải thiện tổ chức, tính chất hợp kim nhôm hóa bền bằng hóa già nói
chung và hợp kim B95 (hoặc 7075) nói riêng, ngƣời ta sử dụng nhiều qui trình nhiệt
luyện mới (đƣợc coi là nhiệt luyện tiên tiến) nhƣ: cơ nhiệt luyện, hóa già 2 cấp,
nhiệt luyện nhiều giai đoạn (RRA, T6I6…). Nhiều công trình nghiên cứu trên thế
giới đã áp dụng các phƣơng pháp nhiệt luyện mới này trên hợp kim 7075 và cho kết

1


quả tốt về cơ tính hay tính bền ăn mòn [6, 12-17]. Tuy nhiên ở nƣớc ta, việc áp
dụng vào sản xuất các qui trình mới, hiện đại nhƣ đã nêu trên cho hệ hợp kim AlZn-Mg-Cu (B95 hay 7xxx) đƣợc sản xuất trong nƣớc còn chƣa đƣợc đề cập, do
chƣa có công trình nghiên cứu đi từ nguồn nguyên liệu nấu luyện trong nƣớc một
cách bài bản, cụ thể và chi tiết.
Hiện nay, Việt Nam đang từng bƣớc hiện đại hóa quân đội và công nghiệp hóa
đất nƣớc, đòi hỏi cần phải chủ động trong công nghiệp quốc phòng cũng nhƣ trong
phát triển ổn định và bền vững nền kinh tế đất nƣớc. Nhu cầu sử dụng vật liệu hợp
kim nhôm độ bền cao hệ Al-Zn-Mg-Cu nói chung, mác hợp kim B95 nói riêng
trong ngành kinh tế quốc dân và công nghiệp quốc phòng là rất lớn. Hợp kim nhôm
độ bền cao hệ Al-Zn-Mg-Cu đƣợc chế tạo tại Nhà máy thuộc Tổng cục Công
nghiệp quốc phòng có thành phần tƣơng đƣơng mác B95 (hay 7075), ký hiệu X59
sau khi nhiệt luyện truyền thống có giới hạn bền kéo chỉ đạt khoảng 580 MPa,
không đảm bảo độ bền cần thiết để làm một số chi tiết quan trọng, các chi tiết quân
sự nhƣ cánh ổn định đƣờng bay đạn phóng lựu chống tăng (cánh giữ ổn định cho
quả đạn bay với vận tốc hơn 700 m/s trong thời gian 4 ÷ 6 giây), yêu cầu độ bền
cánh phải không nhỏ hơn 600 MPa. Do đó, việc cải thiện tổ chức và tính chất cho
hợp kim nhôm độ bền cao X59 hệ Al-Zn-Mg-Cu có thành phần tƣơng đƣơng B95
(hay 7075) đƣợc nấu luyện trong nƣớc để nâng cao khả năng ứng dụng, chế tạo các

chi tiết quan trọng trong lĩnh vực quân sự nói riêng và ngành kinh tế quốc dân nói
chung là hết sức cần thiết.
Xuất phát từ những lý do trên, ý tƣởng nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện
nhiều giai đoạn cho hợp kim nhôm độ bền cao mác tƣơng đƣơng B95 hệ Al-Zn-MgCu đƣợc sản xuất trong nƣớc, có thể khắc phục đƣợc những hạn chế của công nghệ
xử lý nhiệt truyền thống đang sử dụng tại Việt Nam nói chung và các nhà máy
thuộc Tổng cục Công nghiệp quốc phòng nói riêng. Với kỳ vọng đó, nghiên cứu
sinh quyết định thực hiện luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số chế độ nhiệt
luyện nhiều giai đoạn đến tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm độ bền cao hệ AlZn-Mg-Cu được sản xuất trong nước”. Luận án nghiên cứu thành công sẽ đem lại
rất nhiều lợi ích về khoa học và thực tiễn.
* Mục đích của luận án:
- Lựa chọn chế độ ủ sau khi cán tấm, chế độ tôi, hóa già truyền thống T6 phù
hợp cho hợp kim nhôm X59 đƣợc sản xuất trong nƣớc (tƣơng đƣơng B95 hay 7075)
để làm cơ sở đánh giá các chỉ tiêu cơ tính, mức độ chống ăn mòn so với các chế độ
nhiệt luyện khác.
- Nghiên cứu và lựa chọn chế độ hóa già 2 cấp T76 phù hợp cho hợp kim để
cải thiện mức độ chống ăn mòn nhằm áp dụng cho các chi tiết cần có tính bền ăn
mòn cao.
- Nghiên cứu và lựa chọn chế độ hóa già 3 cấp RRA phù hợp cho hợp kim để
cải thiện mức độ chống ăn mòn nhƣng không làm giảm nhiều độ bền cơ tính.
- Nghiên cứu và lựa chọn chế độ cơ nhiệt luyện T661 phù hợp cho hợp kim để
nâng cao độ bền, độ cứng so với chế độ T6.
Thông qua các nghiên cứu, phân tích và đánh giá ảnh hƣởng của các sơ đồ
công nghệ, các thông số công nghệ đến tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm X59
đƣợc sản xuất trong nƣớc. Từ các kết quả này hình thành nên những qui trình công

2


nghệ và lựa chọn ứng dụng cho các sản phẩm chế tạo từ hợp kim này cần có yêu
cầu cơ tính (độ bền, độ cứng) hay tính bền ăn mòn (bền ăn mòn ứng suất). Đồng

thời qua nghiên cứu chứng tỏ tính khả thi, lợi ích tiết kiệm năng lƣợng và khả năng
làm chủ công nghệ khi sử dụng công nghệ cơ nhiệt luyện, nhiệt luyện nhiều giai
đoạn cho hợp kim nhôm độ bền cao hệ Al-Zn-Mg-Cu đƣợc sản xuất trong nƣớc.
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Luận án này nghiên cứu chế độ nhiệt luyện nhiều giai
đoạn (hóa già phân cấp), cơ nhiệt luyện cho hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao hệ
Al-Zn-Mg-Cu, cụ thể là nghiên cứu ảnh hƣởng của một số chế độ nhiệt luyện nhiều
giai đoạn cho hợp kim nhôm đƣợc nấu luyện và cán tấm tại Nhà máy thuộc Tổng
cục Công nghiệp quốc phòng (gọi tắt là X59).
- Phạm vi nghiên cứu: Luận án này sử dụng các phƣơng pháp xử lý nhiệt khác
nhau nhƣ: hóa già nhân tạo 1 cấp T6 (hóa già truyền thống) là chế độ để đối chứng
với các chế độ hóa già nhiều giai đoạn, cơ nhiệt luyện nhƣ hóa già 2 cấp T76, hóa
già 3 cấp RRA và đặc biệt là chế độ cơ nhiệt luyện T661, để cải thiện tổ chức và
tính chất cho tấm hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao X59 đƣợc sản xuất trong
nƣớc. Qui mô nghiên cứu của luận án đƣợc xác định trong phạm vi phòng thí
nghiệm.
* Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của các thông số công nghệ (nhiệt độ, thời gian)
trong chế độ hóa già T6 đến tổ chức, tính chất của tấm hợp kim nhôm biến dạng độ
bền cao X59 đƣợc sản xuất tại Nhà máy thuộc Tổng cục Công nghiệp quốc phòng.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian hóa già cấp 2 trong chế độ hóa già T76
đến tổ chức, tính chất của tấm hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao X59.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ RA, thời gian hóa già cấp 3 của chế độ
RRA đến tổ chức, tính chất của tấm hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao X59.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của biến dạng, thời gian hóa già trong chế độ T661
đến tổ chức, tính chất của tấm hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao X59.
* Phương pháp nghiên cứu:
Tác giả sử dụng phƣơng pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm để nghiên
cứu và lựa chọn. Tiến hành các thí nghiệm, đo đạc đánh giá kết quả nghiên cứu
bằng các thiết bị phân tích phù hợp, hiện đại, có độ chính xác cao để đƣa ra đƣợc

chế độ nhiệt luyện phù hợp cho hợp kim nhôm để cải thiện tổ chức và tính chất
nhằm nâng cao khả năng ứng dụng cho mác hợp kim này.
Cụ thể như sau:
- Nghiên cứu tài liệu để tìm hiểu các công trình đã công bố liên quan đến đề
tài ở trong và ngoài nƣớc. Từ đó xác định rõ những nội dung phù hợp áp dụng cho
hợp kim X59 đƣợc sản xuất trong nƣớc.
- Nghiên cứu kỹ lý thuyết về các chuyển pha trong quá trình hóa già, từ đó
nghiên cứu các công nghệ nhiệt luyện để áp dụng qui trình nhiệt luyện, thay đổi các
thông số công nghệ các bƣớc hóa già (hoặc biến dạng) cho hợp kim nhôm tấm X59
sản xuất trong nƣớc.
- Sử dụng các trang thiết bị công nghệ có sẵn, hiện đại, phù hợp với điều kiện
thực nghiệm để tiến hành thí nghiệm nhằm đạt đƣợc các kết quả kỳ vọng.

3


- Sử dụng các thiết bị phân tích hiện đại trong nƣớc nhƣ: DSC, XRD, OM,
SEM, hiển vi kỹ thuật số, độ bền phun muối, ăn mòn điện hóa và ngoài nƣớc (Nhật
Bản, Trung Quốc) nhƣ: TEM, XRD, SEM...để đánh giá các kết quả nghiên cứu bảo
đảm độ tin cậy cao.
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
- Ý nghĩa khoa học của luận án:
+ Đã làm sáng tỏ qui luật tạo pha và phân bố hóa bền (trong hạt và trên biên
giới hạt) khi lựa chọn các bậc nhiệt độ và thời gian hóa già nhờ công nghệ xử lý hóa
già nhiều giai đoạn và cơ nhiệt luyện, nhằm đạt đƣợc các tính chất mong muốn cho
hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao hệ Al-Zn-Mg-Cu đƣợc sản xuất trong nƣớc.
+ Đã xây dựng đƣợc mối quan hệ giữa tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm
độ bền cao hệ Al-Zn-Mg-Cu (độ bền, độ cứng và tính bền ăn mòn), làm cơ sở cho
việc lựa chọn các thông số công nghệ hóa già nhiều giai đoạn, làm cơ sở cho việc
lựa chọn các thông số công nghệ hóa già nhiều giai đoạn.

- Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
Các qui trình nhiệt luyện hóa già nhiều giai đoạn mà luận án xây dựng đƣợc,
trong đó các tính chất trên hợp kim đƣợc đánh giá theo các tiêu chuẩn quốc tế, hoàn
toàn có thể ứng dụng vào thực tiễn và làm chủ công nghệ cho các sản phẩm trong
lĩnh vực dân dụng, quốc phòng với các mục tiêu khác nhau (sản phẩm cần độ bền
cơ tính, độ cứng cao áp dụng qui trình T6 hoặc T661; sản phẩm cần độ bền ăn mòn
cao áp dụng qui trình T76; sản phẩm cần đồng thời độ bền cơ tính, độ cứng, bền ăn
mòn đủ cao áp dụng qui trình RRA).
* Các đóng góp mới của luận án:
- Là một nghiên cứu đầy đủ và phong phú về hóa già nhiều giai đoạn hợp kim
nhôm độ bền cao hệ Al-Zn-Mg-Cu sản xuất trong nƣớc cũng nhƣ đã góp thêm số
liệu vào ngân hàng dữ liệu hệ hợp kim Al-Zn-Mg-Cu của thế giới.
- Mở ra khả năng phát triển công nghệ nhiệt luyện tiên tiến là hóa già nhiều
giai đoạn (với tính đa dạng và linh hoạt cao) cho một số mác hợp kim nhôm khác
nhằm đạt mục tiêu về chỉ tiêu cơ tính, tính ăn mòn, thậm chí là tiết kiệm năng
lƣợng, giảm giá thành sản phẩm.
* Kết cấu của luận án:
Ngoài phần mở đầu và các mục theo qui định, nội dung nghiên cứu của luận
án đƣợc trình bày trong 03 chƣơng, cụ thể nhƣ sau:
Chƣơng 1. Tổng quan
Chƣơng 2. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu
Chƣơng 3. Kết quả và bàn luận.
Kết luận và kiến nghị
Danh mục các công trình đã công bố của luận án
Tài liệu tham khảo.

4


Chƣơng 1. TỔNG QUAN

1.1. Hợp kim nhôm độ bền cao hệ Al-Zn-Mg-Cu
1.1.1. Hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg-Cu
1.1.1.1. Thành phần và ký hiệu
Các hợp kim trong hệ Al-Zn-Mg-Cu thuộc loại hợp kim có độ bền cao. Một số
hợp kim chế tạo tại Liên bang Nga (OCT) trên cơ sở hệ Al-Zn-Mg-Cu có thành
phần hóa học nêu trong bảng 1.1.
Bảng 1.1 Thành phần hóa học một số hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg-Cu [8].

Mác hợp
kim

Thành phần hóa học các nguyên tố hợp kim nhôm, % khối lượng
Zn

Mg

Cu

Mn

Cr

Zr

Fe

Al

B93

7,0

1,9

1,0

-

-

-

0,3

Còn lại

B94

6,3

1,6

2,1

-

-

0,0512

-

Còn lại

B95

6

2,3

1,7

0,4

0,18

-

-

Còn lại

B96ц

8,5

2,7

2,3

-

-

0,15

-

Còn lại

1.1.1.2. Đặc điểm tổ chức tế vi và cơ tính của hợp kim
Các nguyên tố hợp kim chính trong hệ hợp kim nhôm này là Zn, Mg, Cu.
Trong đó, nguyên tố Zn và Mg là các nguyên tố hợp kim có độ hòa tan rất lớn trong
nhôm, nồng độ hòa tan cực đại trong Al của Zn và của Mg lần lƣợt là 82 % và
17,4 % [8]. Ở nhiệt độ thƣờng, độ hòa tan của Zn và Mg trong Al có giá trị không
đáng kể. Các nguyên tố này có thể hòa tan vào Al tạo thành dung dịch rắn hoặc tạo
thành các pha liên kim. Do đó, hệ hợp kim này có khả năng hóa bền bằng nhiệt
luyện cao vì có khả năng tạo ra đƣợc độ quá bão hòa dung dịch rắn α rất lớn (dung
dịch rắn của Al hòa tan các nguyên tố hợp kim). Trong khi đó, Cu có thể hòa tan
trong nhôm ít hơn, nhiều nhất đến 5,65 % (ở nhiệt độ cao, 548 oC) và không đáng
kể ở nhiệt độ thƣờng (0,5 %), do vậy, nó cũng tạo ra dung dịch rắn quá bão hòa và
hợp kim có khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện.
Các nguyên tố hợp kim chính trong hệ Al-Zn-Mg-Cu ngoài tạo với Al thành
dung dịch rắn α, còn tạo ra các pha liên kim, các pha thƣờng gặp là (MgZn2),
T(Al2Mg3Zn3), S(Al2CuMg) và θ(Al2Cu) [18, 19]. Tỷ lệ hàm lƣợng các nguyên tố
hợp kim và đặc biệt là tỷ lệ Mg/Zn ảnh hƣởng mạnh đến sự hình thành pha MgZn2
[1, 2, 4, 6, 14, 15], đây đƣợc coi là hóa bền chính trong hệ hợp kim nhôm này.
Chẳng hạn, trong hệ B94, B95, B96ц có các pha liên kim η(MgZn2),
T(Al2Mg3Zn3), S(Al2CuMg). Hợp kim B93 có 2 pha là η và T. Theo mức độ tăng
Cu trong hệ Al-Zn-Mg-Cu thì một phần Zn trong pha T đƣợc thay thế bằng Cu. Cả

3 pha liên kim loại đều là các pha hóa bền khi hóa già. Nung đến 480 oC các pha
liên kim ở B93 và B94 bị hòa tan hoàn toàn, ở B95 và B96ц còn sót lại một lƣợng
nhỏ pha S và tạo ra dung dịch rắn quá bão hòa khi làm nguội nhanh. Khi hóa già
chúng sẽ đƣợc tiết ra dƣới dạng pha hóa bền ở dạng nhỏ mịn, phân tán. Các nghiên
cứu ảnh hƣởng của các cấu tử khác nhau đến khả năng hóa bền hợp kim khi nhiệt
luyện cho thấy, Cu nâng cao độ bền của hợp kim ở trạng thái tôi (hóa bền dung dịch
rắn) và ít ảnh hƣởng đến hiệu ứng hóa già (ít tăng độ bền khi hóa già) [1, 8]. Từ đó

5


thấy rằng, pha hóa bền chủ yếu trong hệ Al-Zn-Mg-Cu là các pha η và T, còn pha S
giữ vai trò không đáng kể và là pha hóa bền phụ.
1.1.1.3. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim phụ
Trong hệ Al-Zn-Mg-Cu thƣờng đƣợc hợp kim hóa thêm các nguyên tố phụ là
Mn, Cr, Zr, Ti [8, 20].
Các nguyên tố Cr, Mn và Zr có tác dụng tăng tốc quá trình phân hủy dung dịch
rắn, làm nhỏ hạt, nâng cao nhiệt độ kết tinh lại. Do đó, thêm Cr, Mn và Zr có tác
dụng hóa bền và gây hiệu ứng hóa bền tổ chức.
Ngoài ra, các nguyên tố kim loại chuyển tiếp có tác dụng cải thiện độ hạt khi
kết tinh và nâng cao tính ổn định chống ăn mòn dƣới tác dụng của ứng suất. Khi có
mặt trong hợp kim, các kim loại chuyển tiếp nhƣ Cr, Mn và Zr làm biến đổi rất
mạnh tổ chức, cả về phân bố các pha cũng nhƣ hình dạng của biên giới hạt [6]. Một
mặt các nguyên tố kim loại chuyển tiếp thúc đẩy quá trình tiết pha η, T và S từ dung
dịch rắn α ở trạng thái nhỏ mịn, phân tán, mặt khác, trên biên giới chúng tạo nên
hình dạng răng cƣa và kéo dài biên giới tổng cộng của hạt α [8]. Với tổ chức đặc
trƣng này, cƣờng độ ăn mòn nứt giảm, tốc độ phát triển vết nứt ăn mòn theo biên
giới hạt cũng bị cản trở, chống ăn mòn nứt.
1.1.2. Hợp kim nhôm độ bền cao B95
B95 là một trong số các hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao đƣợc ứng dụng

rộng rãi nhất trong các hợp kim nhôm thuộc hệ Al-Zn-Mg-Cu. Hợp kim B95 có độ
bền cao hơn đura Д16 (hợp kim Al-Cu-Mg). Đây là hợp kim nhôm có nhiều tiềm
năng đang đƣợc khai thác trong ngành hàng không, dùng để chế tạo các chi tiết
khung máy bay, tên lửa, tàu hải quân và các chi tiết quan trọng trong lĩnh vực quân
sự nhƣ làm phễu đạn lõm thay cho thép 40X (PG-7VL đạn chống tăng), cánh ổn
định PG-9. Ngoài ra, hệ hợp kim nhôm độ bền cao B95 còn đƣợc ứng dụng nhiều
trong dân dụng nhƣ: khuôn thổi nhựa, giầy trƣợt tuyết, các chi tiết kết cấu có độ bền
cao, độ cứng cao…[8].
Bảng 1.2 liệt kê thành phần hóa học của hợp kim B95 (tiêu chuẩn Nga-OCT)
và hợp kim 7075 (tiêu chuẩn Hoa Kỳ-AA) có thành phần gần tƣơng đƣơng với B95.
Bảng 1.2 Bảng thành phần hóa học của hợp kim nhôm B95 (OCT 4784-97) và 7075 (AA–
Hoa kỳ) [21].

Mác Hợp
kim

Thành phần hóa học các nguyên tố hợp kim nhôm, % khối lượng
Al

Zn

Mg

Cu

Cr

Ti

Si

Fe

Ni

B95 (Nga)

86,391,5

5,07,0

1,82,8

1,42,0

0,1- Max Max Max Max
0,25 0,05 0,5 0,5 0,1

7075 (Mỹ)

87,17- 5,189,87 6,1

2,12,9

Max Max
1,2- 0,180,20
2,0 0,28
0,4 0,5

-

Mn
0,20,6
0,3

Khi tăng hàm lƣợng tổng của Zn và Mg lên 8  11 %, đƣa thêm vào khoảng
2 % Cu sẽ tạo ra nhóm hợp kim nhôm biến dạng có độ bền cao nhất. Vai trò của
đồng trong trƣờng hợp này là hòa tan vào dung dịch rắn α và hóa bền α. Tuy nhiên,
yếu tố quan trọng nhất của bổ sung thêm Cu không phải là tăng bền mà là tăng mức
độ chống ăn mòn ứng suất, đặc biệt khi thành phần Cu lớn hơn 1,5 % khối lƣợng,

6


các nguyên tử Cu khi hóa già nhiệt độ cao hơn 150 oC sẽ cùng với Al khuếch tán
mạnh thay thế một vài nguyên tử Zn để thành pha liên kim Mg(AlCuZn)2, giảm
điện thế ăn mòn và tăng bền ăn mòn ứng suất [1, 8].
Hợp kim nhôm B95 đƣợc hợp kim hóa thêm (0,2 ÷ 0,6 %) Mn, (0,1 ÷ 0,25 %)
Cr và max 0,05 % Ti nhằm làm nhỏ hạt, cải thiện tổ chức vùng biên giới, nâng cao
cơ tính và làm giảm xu hƣớng nhạy cảm với ăn mòn dƣới ứng suất.
Hợp kim B95 và 7075 có các nguyên tố hợp kim chính về cơ bản gần giống
nhau, tuy nhiên, khoảng hàm lƣợng Zn trong B95 rộng hơn và nhiều hơn so với
trong 7075. Bên cạnh đó, nguyên tố hợp kim phụ khá khác nhau. Zn là một nguyên
tố chính quan trọng vì tỷ lệ Mg/Zn ảnh hƣởng rất mạnh đến khả năng hóa bền bằng
hóa già của hợp kim này. Ngoài việc tạo pha hóa bền chính η’ và η, Zn (cùng với
Mg) còn là nguyên tố có điện thế điện cực khá âm, do đó hàm lƣợng nguyên tố này
thay đổi sẽ ảnh hƣởng trực tiếp đến tính bền ăn mòn do liên quan đến việc tạo các
pha có chứa chúng. Nguyên tố Mn của B95 nằm trong dải rộng và có giá trị ngƣỡng
trên gấp 2 lần trong hợp kim nhôm 7075. Mn là nguyên tố có độ hòa tan giảm rất
nhanh trong Al trong khoảng nhiệt độ từ 550-450 oC, hệ số khuếch tán của Mn

trong Al rất nhỏ, do vậy xu hƣớng tạo dung dịch rắn quá bão hòa Mn trong Al khá
lớn. Với hàm lƣợng nhỏ, Mn chủ yếu hóa bền dung dịch rắn. Trong B95, còn cho
phép có mặt của nguyên tố Ni, với hàm lƣợng nhỏ, đây cũng là nguyên tố hòa tan
trong dung dịch rắn, hóa bền dung dịch rắn. Nhƣ vậy, cùng với Cu, Mn và Ni là
nguyên tố hóa bền dung dịch rắn, góp phần tăng bền của hợp kim.
Mặt khác, trong hợp kim 7075 có hàm lƣợng Ti (đến 0,2 %) đáng kể hơn so
với B95 (max 0,05 %). Đây là nguyên tố có vai trò rất quan trọng làm nhỏ hạt, cải
thiện kích thƣớc hạt khi kết tinh, đồng thời có vai trò thay đổi tổ chức biên giới hạt
nhƣ Mn, Cr và Zr để làm giảm nhạy cảm ăn mòn biên giới, ăn mòn ứng suất cho
hợp kim [8].
Do vậy, mặc dù đƣợc coi là các hợp kim tƣơng đƣơng nhƣng chúng có những
tính chất khác nhau về cơ tính và tính bền ăn mòn do sự khác nhau về nguyên tố Zn
và các nguyên tố phụ. Do đó, trong một số trƣờng hợp không thể coi hợp kim B95
là hợp kim 7075 đƣợc, chúng ta chỉ nên coi chúng là tƣơng đƣơng để phục vụ cho
các nghiên cứu, khi đó các qui trình xử lý nhiệt cho hợp kim 7075 có thể đƣợc sử
dụng làm cơ sở cho quá trình xử lý nhiệt hợp kim B95.
Một khuynh hƣớng nghiên cứu hiện nay là ngƣời ta đƣa thêm vào hợp kim hệ
Al-Zn-Mg-Cu một số nguyên tố với hàm lƣợng nhỏ (gọi là nguyên tố vi lƣợng,
thƣờng là Zr, Sc, Ni, Cr, Ag…), kết hợp với công nghệ nhiệt luyện, nhằm cải thiện
tính chất và nâng cao cơ tính cho hợp kim nhôm [5, 6, 10, 11].
Trong quân đội Việt nam, phần lớn sử dụng và nấu luyện các mác hợp kim
theo tiêu chuẩn Nga, lý do là nhiều chi tiết và công nghệ đƣợc mua hoặc hỗ trợ từ
Nga, trong khi trong lĩnh vực công nghiệp dân dụng nói chung lại thƣờng sử dụng
các hợp kim theo tiêu chuẩn Mỹ (AA) hoặc của một số nƣớc khác. Từ những phân
tích về thành phần hóa học của mác B95 và 7075 mặc dù đƣợc coi là tƣơng đƣơng,
nhƣng cũng có những điểm khác nhau. Do vậy, mác nhôm đề cập trong luận án
chọn theo tiêu chuẩn của Nga, với mục tiêu hƣớng tới các ứng dụng áp dụng chủ
yếu trong lĩnh vực quân sự.

7

1.1.2.1. Tổ chức tế vi của hợp kim nhôm B95
Nhƣ trên đã nêu, các nguyên tố hợp kim hòa tan vào nhôm tạo nên dung dịch
rắn α và tạo ra nhiều pha liên kim. Do vậy, tổ chức tế vi hợp kim nhôm 7075 gồm
các pha liên kim trên nền dung dịch rắn α. Các pha liên kim chính thƣờng gặp trong
hợp kim này là pha (MgZn2), T(Al2Mg3Zn3), S(Al2CuMg) và θ(Al2Cu) đƣợc đƣa
ra trong bảng 1.3. Trong đó, các pha η(MgZn2), T(Al2Mg3Zn3), S(Al2CuMg) đều là
các pha hóa bền. Pha η và T đóng vai trò chủ yếu còn pha S là pha hóa bền phụ, sở
dĩ nhƣ vậy là vì hiệu quả hóa bền khi hóa già do Cu gây ra trong hợp kim này nhỏ,
Cu với hàm lƣợng nhỏ chủ yếu hóa bền dung dịch rắn [1, 8].
Bảng 1.3 Các pha liên kim loại thường gặp trong hợp kim nhôm B95 [1, 5, 22].

Tên pha

Công thức

θ

Al2Cu

S

AlCuMg (Al2CuMg, Al6Mg4Cu, Al5Mg2Cu6, Al6Cu4Mg2…)

T

AlMgZn (Al2Mg3Zn3, Al2Zn2Mg, Al6Mg11Zn11, AlMg4Zn11…)

η (hay ký hiệu M)

MgZn2

η’ (hay ký hiệu Z)

MgZn2, Mg4Zn7, Mg2Zn11…

N

Al7Cu2Fe, Al23CuFe4…

E

Al18Mg3Cr2, Al12Mg2Cr…

Khi nung nóng để tôi, các pha η, T và pha S hòa tan vào dung dịch rắn α và
khi tôi (làm nguội nhanh) sẽ tạo thành dung dịch rắn α quá bão hòa nguyên tố hợp
kim. Khi hóa già nhân tạo, từ dung dịch rắn α quá bão hòa tiết ra các phần tử phân
tán với kích thƣớc nhỏ mịn của các pha η, T và S, gây ra hiệu ứng hóa bền cao. Nhƣ
vậy, nguyên nhân gây ra độ bền cao của B95 chính là trong nó có lƣợng chứa của
các nguyên tố Zn, Mg và Cu khá cao, chúng có tác dụng tốt đến quá trình tiết pha
khi hóa già. Hóa già nhân tạo B95 thƣờng thực hiện ở 100  160 oC trong thời gian
10  30 h.
1.1.2.2. Một số tính chất của hợp kim B95
a) Tính chất vật lý của hợp kim B95
Tính chất vật lý của hợp kim nhôm B95 đƣợc nghiên cứu theo tiêu chuẩn Nga
(ΓOCT) đƣa ra trong bảng 1.4.
Bảng 1.4 Tính chất vật lý hợp kim nhôm biến dạng B95 theo tiêu chuẩn Nga (ΓOCT)[21].

Hệ số giãn nở nhiệt, α.106/ oC

Hợp
kim

Trạng thái
cung cấp

(20-100) C

(20-200) C

(20-300) C

B95

Ủ

23,2

24,3

25,9

o

o

o

Hệ số dẫn nhiệt

Cal/(cm.s.oC)
0,38

b) Cơ tính của hợp kim nhôm B95
Cơ tính của hợp kim nhôm B95 đƣợc nghiên cứu theo tiêu chuẩn Nga (ΓOCT)
đƣa ra trong bảng 1.5.
Nhƣợc điểm của B95 là tính dẻo thấp hơn so với các hợp kim đura và tính
chống ăn mòn kém. B95 có khuynh hƣớng bị ăn mòn dƣới ứng suất và nứt dƣới tác

8


dụng của tải trọng đổi dấu, nhạy cảm với sự tập trung ứng suất và dị hƣớng về tính
chất. Hợp kim B95 đƣợc dùng làm các chi tiết, kết cấu chịu tải trọng nặng làm việc
trong điều kiện chịu nén trong máy bay nhƣ vỏ bọc, sống dọc, khung, dầm dọc, đặc
biệt trong chế tạo cánh ổn định đạn chống tăng PG9, B41M yêu cầu độ bền cao,
thời gian hoạt động ngắn 4 ÷ 6 giây.
Bảng 1.5 Cơ tính hợp kim nhôm biến dạng B95 theo tiêu chuẩn Nga (ΓOCT) [21].

Hợp kim
B95

HB
Chế độ
Đường kính b, Mpa 0,2, MPa
nhiệt luyện thanh, mm
Không nhỏ hơn
Tôi và hóa
già nhân tạo

, %

8-22

510

400

125

7

22-100

550

430

150

6

1.2. Chế độ xử lý nhiệt cho hợp kim nhôm B95
1.2.1. Chế độ ủ kết tinh lại
Ủ kết tinh lại: về nguyên tắc, ủ kết tinh lại tiến hành ở nhiệt độ cao hơn nhiệt
độ kết tinh lại của kim loại nhôm và ứng dụng với các chi tiết bán thành phẩm đã bị
biến dạng. Việc tạo thành tổ chức mới sau khi kết tinh lại không phải do chuyển
biến pha, mà do tạo thành những hạt mới đa cạnh trong kim loại đã qua biến dạng
dẻo nguội [23].
Ủ kết tinh lại các phôi đã qua biến dạng dẻo với mục đích thu đƣợc tổ chức kết

tinh lại hoàn toàn, hạt nhỏ đa cạnh và độ dẻo lớn nhất. Đối với các hợp kim hệ AlZn-Mg-Cu, nhiệt độ ủ kết tinh lại đƣợc chọn là 230 ÷ 380 ± 50 oC, thời gian 0,5 ÷ 2
giờ [21, 24]. Chọn nhiệt độ ủ kết tinh lại sao cho đảm bảo số mầm kết tinh lại lớn,
giảm bớt hoặc loại bỏ hoàn toàn hiệu ứng hóa bền biến cứng.
Tốc độ nguội sau khi ủ: đối với hợp kim nhôm không hóa bền bằng nhiệt
luyện có thể chọn tùy ý, các hợp kim hóa bền bằng nhiệt luyện cần phải nguội
chậm. Ví dụ hợp kim nhôm B95 sau biến dạng dẻo nguội tiến hành ủ kết tinh lại,
nếu nguội nhanh bình thƣờng trong không khí cũng có thể bị tôi (hoặc bán tôi). Cho
nên ủ hợp kim nhôm B95 yêu cầu nguội cùng lò (tốc độ nguội nhỏ hơn 30 oC/h) đến
150 oC mới đƣợc lấy ra khỏi lò [25].
Vật liệu nghiên cứu trong luận án đƣợc chế tạo trong nƣớc từ khâu đúc phôi,
qua cán tấm và bị biến cứng mãnh liệt. Do vậy, để thực hiện nghiên cứu mà tránh bị
ảnh hƣởng của các yếu tố đầu vào, mẫu cần đƣợc ủ để đƣa vật liệu về trạng thái
cân bằng. Hơn nữa, trong luận án có nghiên cứu ảnh hƣởng của mức độ biến dạng
nguội đến tính chất của hợp kim sau hóa già, nên mẫu cần đƣợc ủ để loại bỏ ảnh
hƣởng của nguyên công biến dạng trƣớc đó.
1.2.2. Chế độ tôi
Mục đích của quá trình tôi nhằm tạo ra dung dịch rắn quá bão hòa các nguyên
tố hợp kim. Trong quá trình nung tôi, các pha liên kim sẽ hòa tan vào nền dung dịch
rắn của nhôm và tạo ra dung dịch rắn quá bão hòa sau khi làm nguội nhanh với tốc
độ nguội lớn hơn tốc độ nguội tới hạn của hợp kim nhôm. Quá trình hóa già tiếp
theo để tiết pha phân tán từ dung dịch rắn quá bão hòa nhận đƣợc sau tôi, nhằm đạt
đƣợc độ bền nhất định. Hiệu ứng hóa bền đạt đƣợc khi hóa già phụ thuộc vào mức
độ quá bão hòa của hợp kim nhôm sau tôi, điều này lại phụ thuộc vào việc hòa tan

9


các pha liên kim có trong hợp kim trƣớc khi tôi (ít hay nhiều, thô hay mịn), có nghĩa
là phụ thuộc vào nhiệt độ hòa tan các pha liên kim (chọn nhiệt độ tôi) và thời gian
giữ nhiệt để hòa tan các pha liên kim (chọn thời gian giữ ở nhiệt độ tôi).

1.2.2.1. Nhiệt độ tôi
Tùy thuộc vào thành phần hóa học, dạng giản đồ pha của hợp kim, tuân theo
nguyên tắc chung là nhiệt độ tôi phải cao hơn giới hạn hòa tan nguyên tố hợp kim
để có thể hòa tan nhiều nhất các nguyên tố hợp kim vào dung dịch rắn của nhôm.
Nếu hợp kim chỉ đƣợc nung nóng tới nhiệt độ thấp hơn đƣờng giới hạn hòa tan thì
trong tổ chức hợp kim vẫn còn các pha liên kim, mức độ quá bão hòa của nguyên tố
hợp kim trong dung dịch rắn sau khi tôi sẽ không đủ lớn, khi hóa già tiếp theo hiệu
ứng hóa bền sẽ không cao. Tuy nhiên, khi nhiệt độ nung quá cao thì các hạt dung
dịch rắn lớn lên rất mạnh, biên hạt thậm chí bị ôxi hóa và có thể dẫn đến nóng chảy
cục bộ, tổ chức sau khi nguội có độ bền, độ dẻo giảm đi đột ngột. Do vậy, khoảng
nhiệt độ nung tôi cho các hợp kim không rộng, chỉ khoảng 10  15 oC trên đƣờng
giới hạn hòa tan nguyên tố hợp kim.

Hình 1.1 Giản đồ pha Al-Zn-Mg-Cu với Zn = 6 %.

(a) mặt cắt đẳng nhiệt tại nhiệt độ 460 ºC, (b) Đƣờng mức độ hòa tan pha S
(Al2CuMg/Al6CuMg4) trong khoảng nhiệt độ từ 440 ÷ 490 ºC [22].
Nhiệt độ tôi của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu nói chung hay hợp kim B95 nói riêng
nằm trong khoảng 450 ÷ 490 oC [26-29]. Nhiệt độ tôi đƣợc lựa chọn sao cho hòa tan
phần lớn các pha η, T và S sẽ hòa tan vào dung dịch rắn; các pha chứa Fe không bị
hòa tan trong quá trình tôi [26]. Hình 1.1 là mặt cắt đẳng nhiệt tại 460 oC của giản
đồ pha Al-Zn-Mg-Cu với 6 % Zn (tƣơng đƣơng với hợp kim 7075 của Mỹ hay B95
của Nga) (hình 1.1a) và mức độ hòa tan pha S (Al2CuMg/Al6CuMg4) trong khoảng
nhiệt độ từ 440 ÷ 490 ºC (hình 1.1b). Nhƣ vậy, nếu chọn nhiệt độ tôi trong khoảng
460 ÷ 480 oC, trong hợp kim chỉ còn dung dịch rắn α và pha S. Khi tăng nhiệt độ
tôi, pha S sẽ hòa tan vào dung dịch rắn nhiều hơn.
1.2.2.2. Thời gian giữ nhiệt
Thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ nung tôi nhằm mục đích hòa tan các phần tử
pha liên kim vào dung dịch rắn α và mức độ bão hòa của dung dịch rắn, do đó quyết
định đến hiệu quả của bƣớc hóa già tiếp theo. Thời gian giữ nhiệt càng dài sẽ hòa

tan các pha liên kim nhƣ η, T và S… vào trong dung dịch rắn α nhiều hơn. Thời
gian giữ nhiệt phụ thuộc vào kích thƣớc, số lƣợng của phần tử pha liên kim và tốc
độ khuếch tán các nguyên tố hợp kim có trong hợp kim nhôm.

10


B95 là hợp kim đa pha với rất nhiều pha liên kim. Nếu trƣớc khi tôi, kích
thƣớc các pha này khá thô, thời gian giữ nhiệt nên kéo dài. Thời gian giữ nhiệt khi
tôi cho hợp kim này từ vài chục phút đến vài giờ. Ở nhiệt độ tôi, do Cu khuếch tán
chậm hơn so với các nguyên tố hợp kim khác nhƣ Mg, Zn [26, 30], nên sự hòa tan
của pha η sẽ dễ dàng hơn và nhanh hơn so với pha S. Do đó, việc tăng thời gian giữ
nhiệt và tăng nhiệt độ tôi, sẽ tăng lƣợng pha S hòa tan vào dung dịch rắn.
1.2.2.3. Tốc độ nguội khi tôi nhôm
Để đảm bảo nhận đƣợc dung dịch rắn quá bão hòa, tốc độ nguội khi tôi nhôm
phải lớn hơn tốc độ nguội tới hạn. Tốc độ nguội tới hạn đƣợc xác định theo giản đồ
chuyển biến đẳng nhiệt dung dịch rắn quá nguội của một số hợp kim (hình 1.2),
trong đó hợp kim nhôm 7075 có tốc độ nguội tới hạn lớn nhất (đƣờng A).

Hình 1.2 Đường cong chuyển biến đẳng nhiệt một số hợp kim nhôm [31].

Tốc độ nguội tới hạn của hầu hết hợp kim nhôm nhỏ hơn tốc độ nguội trong
nƣớc. Vì vậy các hợp kim nhôm công nghiệp đều có thể dùng nƣớc làm môi trƣờng
tôi [13]. Để giảm cong vênh, hạn chế phế phẩm, ngƣời ta nghiên cứu chọn môi
trƣờng tôi thích hợp cho các hợp kim, đặc biệt các hợp kim có Vth nhỏ. Nitơ lỏng là
một trong những môi trƣờng tôi rất tốt cho hợp kim nhôm [8].
1.2.3. Chế độ hóa già
Hóa già là quá trình gia công nhiệt các hợp kim sau khi tôi không có chuyển
biến thù hình [8, 23]. Sau khi tôi, hợp kim có tổ chức là dung dịch rắn quá bão hòa
với hiệu quả tăng bền không cao, vì vậy hợp kim sau tôi phải đƣợc hóa già. Hóa già

là quá trình phân hóa dung dịch rắn quá bão hòa. Phân hóa có thể xảy ra ngay ở
nhiệt độ thƣờng (còn gọi là hóa già tự nhiên) hoặc ở nhiệt độ nung lên cao hơn nhiệt
độ phòng (còn gọi là hóa già nhân tạo). Quá trình hóa già xảy ra do khuếch tán, vì
vậy các yếu tố nhƣ nhiệt độ, thời gian hóa già, bản chất hợp kim, thành phần các
nguyên tố cơ bản, tạp chất, trạng thái tổ chức và đặc tính biến dạng trƣớc khi hóa
già có vai trò quan trọng. Chúng gây ảnh hƣởng đến mức độ, hình thức phân hóa
của dung dịch rắn, độ phân tán, hình dạng của các phần tử tiết ra và các đặc tính tổ
chức khác.

11


1.2.3.1. Nhiệt động học quá trình tiết pha khi hóa già từ dung dịch rắn
Sau khi tôi, dung dịch rắn ở trạng thái quá bão hòa nên có năng lƣợng tự do
cao và kém ổn định. Khi hóa già, dung dịch rắn quá bão hòa có xu thế phân hóa tạo
các pha mới để giảm năng lƣợng tự do của hệ. Có hai cách phân hóa có thể xảy ra:
phân hóa kiểu liên tục (spinodal) và phân hóa theo cơ chế tạo mầm và phát triển
mầm. Phân hóa dung dịch rắn sau tôi khi hóa già hợp kim Al-Zn-Mg-Cu xảy ra theo
cơ chế thứ hai.
Theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm, khi mầm pha mới xuất hiện sẽ làm
năng lƣợng tự do của hệ tăng lên do sự xuất hiện của bề mặt phân cách pha mới
(giữa pha mới và pha dung dịch rắn) và sự biến dạng thể tích của mạng tinh thể
xung quanh pha mới (do sự khác nhau về thông số mạng giữa pha mới và pha dung
dịch rắn). Sự tăng năng lƣợng tự do này gây khó khăn cho quá trình tạo mầm đồng
thể trong quá trình tiết pha từ dung dịch rắn.
Chính vì vậy, để giảm năng lƣợng cho quá trình tạo mầm, quá trình hình thành
pha mới trong hóa già hợp kim nhôm thƣờng trải qua các pha trung gian giả ổn định
của chúng. Hơn nữa, các pha trung gian giả ổn này thƣờng đƣợc tạo mầm tại vùng
có khuyết tật mạng (vùng giàu nút trống, khuyết tật xếp, lệch,…) nhằm làm giảm
năng lƣợng tự do cần thiết cho quá trình tạo mầm.

Giả sử pha mới đƣợc tiết ra trong quá trình phân hóa dung dịch rắn quá bão
hòa (αquá bão hòa) khi hóa già hợp kim là pha β, các pha trung gian giả ổn định của
chúng là vùng GP (liền mạng với nền dung dịch rắn), β” (liền mạng với nền) và β’
(bán liền mạng với nền). Quá trình tiết pha sẽ xảy ra theo thứ tự:
αquá bão hòa → α1 + GP → α2 + β”→ α3 + β’ → α4 + β [27]
Trong đó, αi là các dung dịch rắn cân bằng tƣơng ứng với từng trạng thái pha
giả ổn định đƣợc hình thành trong dung dịch rắn. Hình 1.3 trình bày giản đồ năng
lƣợng tự do của các pha trên. Năng lƣợng tự do của hợp kim theo thứ tự tiết pha
trên sẽ đƣợc giảm dần theo tuần tự Go → G1 → G2 → G3 → G4.

Hình 1.3. Giản đồ năng lượng tự do của các pha ổn định β và giả ổn định (GP, β”, β’)
cho hệ hợp kim nhôm [27].

Các pha trung gian giả ổn định đƣợc tạo ra trƣớc thay vì pha ổn định bởi vì
năng lƣợng cần thiết cho quá trình tạo mầm của chúng nhỏ hơn nhiều so với năng

12