Nghiên cứu tối ưu hóa công nghệ hoá bền tổng hợp bằng cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng hệ al mg si và khả năng ứng dụng

....

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học Bách khoa Hà nội
*****

Nguyễn Khắc Thông

Đề tài

nghiên cứu tối ưu hoá công nghệ hoá bền
tổng hợp bằng cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm
biến dạng hệ Al-Mg-Si và khả năng ứng dụng

Chuyên ngành : Kim loại học và gia công kim loại
MÃ số: 2.09.01

Ln ¸n tiÕn sÜ kü tht

TËp thĨ h­íng dÉn khoa học:
1. GS.TS Nguyễn Khắc Xương
2. PGS.TS Nguyễn Văn Chi

Hà nội 2006


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của
riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung
thực. Những kết luận của luận án chưa từng được ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận án

Nguyễn Khắc Thông


1

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
{111} - ký hiệu họ mặt (111)
[111] - ký hiệu phương 111
[110] - ký hiệu phương 110
sfxc - sáu phương xếp chặt
lftm - lập phương tâm mặt
VGP - vùng Guinier Preston
b - Giới hạn bền kéo [MPa]
- Độ giÃn dài tương đối [%]
HB - độ cứng [kG/mm2]
X- động học chuyển pha [không thứ nguyên]
k - hằng số tốc độ chuyển pha [1/sec]
n tạo mầm - tốc độ tạo mầm
v phát triển - tốc độ phát triển mầm
n- hệ số mà không thứ nguyên, phụ thuộc vào điều kiện tạo mầm, dạng hình học
mầm, chỗ tạo mầm giữa các biên hạt.
Q - hoạt năng chuyển pha [kCal/mol]
HCHH - hợp chất hoá học
HKNBD - hợp kim nhôm biến dạng
LTMT - (Low thermo mechanical treatment) cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp
HTMT - (High thermo mechanical treatment) cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao
MMTO - cơ nhiệt luyện nhiều lần

HVĐTQ - hiển vi điện tử quét
HVQH - hiển vi quang học
CBĐN - chuyển biến đẳng nhiệt
ĐCC - độ cứng chuẩn


2

Danh mục các bảng
Trang
Bảng 1.1 Đặc tính tương tác của một số nguyên tố thường gặp với nhôm

13

Bảng 1.2 Độ hòa tan của Si và Mg vào trong Al (theo trọng lượng)

17

Bảng 1.3 Một số hợp kim hệ Al - Mg - Si của các nước

18

Bảng 1.4 Khả năng chịu uốn của hợp kim Al-Mg-Si với %Mn khác nhau.

19

Bảng 1.5 Các tính chất vật lý của hợp kim AlMgSi có (%Mg+%Si = 1%)

20

Bảng 1.6 Cơ tính của thỏi ép hợp kim nhôm theo các phương

27

Bảng 1.7 Ký hiệu và trạng thái gia công hợp kim nhôm

28

Bảng 1.8 Chế độ gia công nhiệt luyện các chi tiết dạng tấm, phiến, lá hệ

29

Al-Cu và Al-Mg-Si
Bảng 1.9 Chế độ gia công nhiệt luyện các chi tiết cán ép thanh, dải, định

29

hình và ống từ hợp kim nhôm hệ Al-Mg-Si
Bảng 1.10 Chế độ gia công nhiệt luyện các bán thành phẩm cán kéo (sợi,

29

thanh, dải, định hình và ống) từ hệ Al-Cu-Mg và Al-Mg-Si
Bảng 1.11 Chế độ gia công nhiệt luyện các chi tiết rèn, dập khuôn và rèn tự do

30

từ hợp kim Al-Mg-Si [114]
Bảng 1.12 Cơ tính điển hình hợp kim nhôm hệ Al - Mg - Si loại kết cấu,

30

kiến trúc và trang trí
Bảng 1.13 Chế độ ủ đồng đều hóa điển hình của một số hợp kim nhôm

31

Bảng1.14 Thời gian giữ nhiệt khi tôi các dạng bán thành phẩm dập và rèn.

34

Bảng 1.15 Thời gian giữ nhiệt để tôi các bán thành phẩm (ngoài rèn khuôn)

34

của các hợp kim nhôm biến dạng.
Bảng 1.16 Hình dạng của VGP của các hệ hợp kim khác nhau.

40

Bảng 1.17 Hệ số n trong tiết pha

52

Bảng 1.18 Các phần tử cấu trúc và tổ chức ảnh hưởng đến độ bền [4]

54

Bảng 2.1 Sự thay đổi cơ tính theo các chế độ gia công nhiệt khác nhau

66

Bảng 3.1 Lượng cháy hao các nguyên tố hợp kim trong quá trình nấu

69

Bảng 3.2 Thành hợp kim Al-Mg-Si

71


3

Bảng 3.3 Một vài đặc điểm sử dụng của HVQH, HVĐTQ

75

Bảng 3.4 Ma trận thí nghiệm

84

Bảng 3.5 Thông số quá trình htMt

85

Bảng 3.6 Giá trị thang nguyện vọng

87

Bảng 3.7 Giá trị trung gian của hàm mục tiêu

88

Bảng 4.1 Kết quả ®o ®é cøng HB [kG/mm2] phơ thc vµo nhiƯt ®é và thời

93

gian hoá già
Bảng 4.2 Hằng số tốc độ tiết pha k, hệ số n

98

Bảng 4.3 Bảng xác định thông số mạng a và góc nhiễu xạ

101

Bảng 4.4 Kết quả tính hằng số mạng a 0 của dung dịch rắn (hợp kim

101

AlMgSi).
Bảng 4.5 Kết quả đo cơ tính mẫu sau đẳng nhiệt, hoá già72h ở 1200C

105

Bảng 4.6 Kết quả thí nghiệm HTMT

109

Bảng 4.7 So sánh kết quả giới hạn bền kéo tính toán theo phương trình

116

(4.28) và thực nghiệm khi HTMT
Bảng 4.8 So sánh kết quả của độ cứng, độ giÃn dài tính toán theo phương

118

trình (4.38), (4.39) và kết quả thực nghiệm khi HTMT
Bảng 4.9 Giá trị gán của hàm mục tiêu vào thang nguyện vọng d.

120

Bảng 4.10 Xác định hệ số b 0 và b 1

121

Bảng 4.11 Giá trị hàm nguyện vọng đặc trưng D

122

Bảng 4.12 So sánh kết quả tính toán và kết quả thực nghiƯm cđa hµm

124

ngun väng D


4

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Trang
Hình 1.1 Hợp kim nhôm biến dạng theo giản đồ pha

14

Hình 1.2 Mặt cắt đẳng nhiệt của giản đồ pha Al-Mg-Si ở 2000C (a) và

16

5500C (b).
Hình 1.3 Mặt cắt giả hệ Al-Mg-Si qua Al-Mg 2 Si.

16

Hình 1.4 Sự ảnh hưởng của hàm lượng Mn đến giới hạn bền kéo của hợp

17

kim Al-Mg-Si, với hàm lượng Si khác nhau (hàm lượng Mg là 0,8%).
Hình 1.5 Sự ảnh hưởng của Mn đến độ dai va đập của hợp kim Al-Mg-Si

17

với 1% Si, Mg 0,75%.
Hình 1.6 Sự giảm độ bền và độ giÃn dài của hợp kim AlMgSi so với hợp

19

kim AlCuMg1 và AlZnMg (Zn 4,5%; Mg 1%) trong môi trường ăn mòn là

dung dịch muối ăn.
Hình 1.7 Xét kết tinh hợp kim hệ cùng tinh.

22

Hình 1.8 Xét kết tinh hợp kim hệ bao tinh.

22

Hình 1.9 Giản đồ pha hệ thống giả định AB với đường phân hóa Spinodal

36

RKV (a) và các đường cong năng lượng tự do øng víi ba nhiƯt ®é T 3 < T 2
< T 1 (b).
Hình 1.10 Sơ đồ giải thích cơ chế phân hóa bằng cách sinh mầm và phát

37

triển mầm.
Hình 1.11 Đường hòa tan của VGP, Pha , và trong hệ Al-Cu.

43

Hình 1.12 Đường cong chữ C vùng VGP, pha và khi phân hóa dung

43

dịch rắn quá bÃo hòa.
Hình 1.13 Sự thay đổi năng lượng tự do của dung dịch rắn phụ thuộc vào

44

kích thước của các phân tử tiết ra.
Hình 1.14 ảnh hưởng của bán kính các phần tử tiết ra đến nồng độ cân

44

bằng của dung dịch.
Hình 1.15 Gradien nồng độ của nguyên tố hợp kim trong dung dịch rắn
giữa các phần tử lớn và các phần tử nhỏ của pha tiết ra θ.

44


5

Hình 1.16 Đường cong động học với các trị số k khác nhau

49

Hình 1.17 Giản đồ tiết pha cân bằng

50

Hình 1.18 ảnh hưởng nồng độ nền đến phát triển mầm.

50

Hình 1.19 Cách chọn độ bền tối ưu cho vật liệu

53

Hình 1.20 Khả năng nâng cao độ bền của vật liệu (sơ đồ).

55

Hình 1.21 Sơ đồ tương tác lệch và pha thứ hai: a) cắt nhau; b) đi vòng

57

Hình 1.22 ảnh hưởng của kích thước hạt phân tán đến tương tác giữa lệch

57

và pha thứ hai.
Hình 2.1 Sơ đồ các dạng LTMT.

59

Hình 2.2 Một số quy trình HTMT của hợp kim nhôm phụ thuộc vào phương

60

pháp phối hợp nguyên công tôi và biến dạng ở nhiệt độ cao.
Hình 2.3 Sự phụ thuộc của giới hạn chảy vào mức độ biến dạng nguội (1),

61

nhiệt (2) và biến dạng nóng (3).

Hình 2.4 Sự thay đổi cơ tính khi biến dạng kéo với tốc độ 6,4.10-3 cm/s,

62

sau khi tôi ở 5200C.
Hình 2.5 Sự thay đổi cơ tính vào nhiệt độ biến dạng khi cán với tốc độ

63

100mm/s, độ biến dạng 10%
Hình 2.6 Sơ đồ nhiệt luyện tận dụng hai cơ chế hoá già vùng và pha.

65

Hình 2.7 Sự phụ thuộc của b sau khi cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm

66

Hình 3.1 Sơ đồ chế tạo hợp kim nghiên cứu.

69

Hình 3.2 Sơ đồ nấu luyện

72

Hình 3.3 Xác định hoạt năng tiết pha từ hệ số động học chuyển pha.

76

Hình 3.4 Xác định hoạt năng tiết pha từ tỷ phần chuyển pha.

76

Hình 3.5 Các khu vực giản đồ trạng thái hệ Al- nguyên tố hợp kim.

78

Hình 3.6 Sự phụ thuộc năng lượng tự do của pha α, pha β (F α , F β ) vào

78

thành phần ở hệ hai cấu tử.
Hình 3.7 Quan hệ giữa hàm nguyện vọng và chỉ tiêu chất lượng.

88

Hình 4.1 Kết quả phân tích nhiệt vi sai của hợp kim Al-Mg-Si

92

Hình 4.2 Độ cứng của hợp kim khi hóa già 1h, các nhiệt độ khác nhau (
qbh )

94


6

Hình 4.3 Độ cứng của hợp kim hóa già 2h, các nhiệt độ khác nhau

( qbh )
Hình 4.4 Độ cứng của hợp kim hóa già 3h ở các nhiệt độ khác nhau
( qbh )
Hình 4.5 Độ cứng của hợp kim hóa già 4h ở các nhiệt độ khác nhau
ë t < 1750C ( α qbh → β’), ë t > 1750C ( )
Hình 4.6 Độ cứng của hợp kim hóa già 5h ở các nhiệt độ khác nhau
ë t < 1500C ( α qbh → β’); ë t > 1500C ( )
Hình 4.7 Độ cứng của hợp kim hóa già 6h ở các nhiệt độ khác nhau
( thô hoá)
Hình 4.8 Tổ chức của hợp kim AlMgSi, sau tôi, X500

94

102

Hình 4.9 Tổ chức của hợp kim AlMgSi, sau tôi, hoá già 3h, X500

102

Hình 4.10 Tổ chức của hợp kim AlMgSi, sau tôi, hoá già 7h, X500

102

Hình 4.11 Quy trình nhiệt luyện mẫu nghiên cứu.

104

Hình 4.12 Động học chuyển pha ở các nhiệt độ đẳng nhiệt

106

Hình 4.13 Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt

106

Hình 4.14 ảnh HVQH hợp kim AlMgSi, X200, tôi đẳng nhiệt 4500C,dầu,

108

94
95
95
95

thời gian 10.
Hình 4.15 ảnh HVQH hợp kim AlMgSi, X200, tôi đẳng nhiệt 4000C trong

108

NaNO 3 , thời gian 10.
Hình 4.16 Hợp kim AlMgSi, X200, tỉ chøc sau khi t«i ë 5200C, hãa già ở

127

1750C, 4h.
Hình 4.17 Tổ chức sau khi HTMT, = 70%, chụp song song với phương

127

biến dạng (ảnh HVĐTQ).

Hình 4.18 Tổ chức tế vi X200, sau HTMT, hoá già ở 1750C, 6,76h .

127

Hình 4.19 Chi tiết vành xe đạp

130

Hình 4.20 Chi tiết nghiên cứu 70x3

130

Hình 4.21 Chi tiết nghiên cøu ∅70x3

130


7

Mở đầu
Trong các vật liệu kim loại thì nhôm và hợp kim nhôm được ứng dụng rộng
rÃi, chỉ sau sắt thép, trong công nghiệp và trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống
xà hội. Nhôm và hợp kim nhôm là vật liệu nhẹ có độ bền riêng cao, có tính hàn
tương đối tốt, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và chống ăn mòn tốt, trong một số trường hợp
là vật liệu không thể thay thế. Hiện nay trên thế giới nhiều mác hợp kim nhôm biến
dạng (HKNBD) đà được sản xuất hàng loạt phục vụ cho xây dựng công trình, công
nghiệp hàng không, vũ trụ, dùng để chế tạo các loại máy bay, tên lửa, ra đa, ống
phóng, khớp nối v.v.. hay các thiết bị quân sự khác. Các hợp kim nhôm được sử
dụng trong công nghiệp và đời sống ngày càng tăng lên với tốc độ ngày càng lớn.
Trong các công trình xây dựng, rất nhiều kết cấu được chế tạo bằng hợp kim nhôm

đà đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, nhẹ, bền, rẻ đồng thời thoả mÃn yêu cầu
trang trí, thẩm mỹ.
Cùng với tăng trưởng cđa nỊn kinh tÕ, trong thêi gian võa qua n­íc ta đÃ
nhập một vài dây chuyền sản xuất các kết cấu bằng nhôm và hợp kim nhôm. Một số
đà đưa vào sử dụng, một số đang trong giai đoạn sản xuất thử và chuyển giao công
nghệ. Chúng ta đà có nhiều thành công trong việc nghiên cứu chế tạo các mác hợp
kim nhôm biến dạng phục vụ cho các ngành quốc phòng, công nghiệp chế tạo máy,
công nghiệp xây dựng v.v..
ở Việt Nam một số mác HKNBD đà được Viện c«ng nghƯ thc Bé c«ng
nghiƯp, ViƯn c«ng nghƯ Bé qc phòng, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội..,
nghiên cứu chế tạo và đà có một số thành công ban đầu. Để nâng cao chất lượng sản
phẩm và công nghệ sản xuất hàng loạt lớn, việc nghiên cứu cần phải được đầu tư
tiếp tục có liên quan tới nhiều vấn đề như: thành phần hóa học, động học chuyển
pha: kết tinh từ pha lỏng, tiết pha từ dung dịch rắn quá bÃo hòa; công nghệ hoá bền,
nhiệt luyện và cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng.
Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu tối ưu hóa công nghệ hóa bền tổng hợp
cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si và khả năng ứng dụng.
Nghiên cứu được tiến hành theo các nội dung sau:


8

1) Nghiên cứu động học tiết pha khi hóa già, xây dựng giản đồ chuyển biến
đẳng nhiệt hợp kim nhôm Al-Mg-Si.
2) Tối ưu hóa công nghệ hóa bền tổng hợp cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến
dạng hệ Al-Mg-Si bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm.
3) Từ các kết quả nghiên cứu ứng dụng vào thực tế tại Liên hiệp Khoa học sản
xuất - Cơ điện chính xác thuộc Trung tâm khoa học kỹ thuật - Công nghệ
quân sự.
Điểm mới của luận án:

- Việc nghiên cứu hóa già hợp kim nhôm bằng hiển vi điện tử truyền qua
được sử dụng nhiều [1] [11] [23], tuy nhiên bằng phương pháp này khó xác định các
thông số động học của quá trình. Để khắc phục điều đó tác giả nghiên cứu cơ chế
động học và năng lượng sinh mầm tiết pha khi hóa già hợp kim nhôm biến dạng hệ
Al-Mg-Si bằng phương pháp đo cơ tính kết hợp với các phương pháp bổ trợ khác:
phân tích nhiễu xạ Rơnghen, phân tích nhiệt vi sai, hiển vi quang học và SEM, trên
cơ sở đó lập phương trình để xác định các đặc trưng động học hóa già. Phân tích kết
quả đà chỉ ra rằng, pha giả ổn định tạo ra khi phân hoá dung dịch rắn quá bÃo hoà
theo cơ chế sinh mầm từ đầu, có dạng trụ và gây hoá bền cực đại khi hoá già.
Điều này tạo cơ sở vững chắc cho công nghệ cơ nhiệt luyện mà hiệu ứng hoá bền đạt
được thông qua hiệu quả tăng mật độ lệch và phân bố đều tọa độ các nhân tố thuận
lợi cho sinh mầm.
- ĐÃ xây dựng được giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của hợp kim nhôm AlMg-Si, làm cơ sở dự đoán chuyển biến xảy ra khi cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến
dạng.
- Để nâng cao cơ tính và mở rộng phạm vi sử dụng của nó, các nhà khoa học
vật liệu [3] [16] [48] đang hướng tới những giải pháp kỹ thuật như công nghệ hợp
kim hóa, hóa bền tiết pha, hóa bền biến dạng làm tăng mật độ lệch hoặc phối hợp
hợp lý các dạng hóa bền trong một quy trình công nghệ thống nhất. Tác giả đà xây
dựng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của hợp kim nhôm Al-Mg-Si bằng phương
pháp đo cơ tính kết hợp với hiển vi điện tử quét, làm cơ sở để nghiên cứu các cơ chế
chuyển biến đẳng nhiƯt cđa hỵp kim Al-Mg-Si.


9

- ở góc độ vật liệu học, cơ nhiệt luyện là công nghệ kết hợp đồng thời biến
dạng dẻo và nhiệt luyện [3] [23] [110], làm thay đổi mạnh tổ chức của hợp kim, tạo
ra những tính chất có lợi đặc biệt là nâng cao độ bền trong khi vẫn duy trì độ dẻo,
dai ở mức độ cần thiết, hợp lý. Tác giả đà nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời các thông
số của quy trình công nghệ cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao: nhiệt độ biến dạng, mức độ

biến dạng, nhiệt độ hóa già và thời gian hóa già đến các chỉ tiêu cơ tính bằng
phương pháp quy hoạch thực nghiệm: đà áp dụng phương pháp hàm nguyện vọng
Harrington để xác định được quy trình cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng hệ
Al-Mg-Si, đảm bảo tối ưu đồng thời các chỉ tiêu cơ tính (độ bền, độ dẻo) cho phép
có thể ứng dụng tốt vào thực tế sản xuất ở Việt Nam.
Luận án được thực hiện gắn liền với đề tài cấp bộ: Nghiên cứu công nghệ
chế tạo & gia công hóa bền một số hợp kim nhôm và khả năng ứng dụng để chế tạo
các sản phẩm trong công nghiệp và đời sống. Mà số B2001-28-21, đề tài đà được
nghiệm thu năm 2004.
Sau một thời gian làm việc tích cực dưới sự hướng dẫn của GS.TS Nguyễn
Khắc Xương & PGS.TS Nguyễn Văn Chi (Đại học Bách khoa Hà Nội), tôi đà hoàn
thành tốt đề tài nghiên cứu. Trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu, tôi đà nhận
được sự giúp đỡ to lớn và có hiệu quả của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội,
Trường Đại học N«ng NghiƯp 1, ViƯn C«ng nghƯ Bé C«ng nghiƯp, ViƯn kỹ thuật
nhiệt đới - Viện Khoa học Việt Nam, Liên hiệp Khoa học sản xuất - Cơ điện chính
xác (KHSX- CĐCX). Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy hướng dẫn và các
đơn vị đà giúp tôi hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu khoa học. Do hạn chế về mặt thời
gian, thiết bị nên đề tài này không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự
giúp đỡ của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cám ơn.


10

Phần I- Tổng quan
Chương 1- Cơ sở lý thuyết
1.1. Nhôm và hợp kim nhôm biến dạng
1.1.1. Đặc điểm về tổ chức và tính chất của nhôm
Nhôm là kim loại không có chuyển biến thù hình chỉ có kiểu mạng tinh thể là
0

mạng lập phương diện tâm với thông số mạng a = 4,0413 A . Đường kính nguyên tử
0

2,86 A cấu hình điện tử của nhôm có dạng 1s22s22p63s23p1, thế ion hãa cđa ®iƯn tư
líp 3p b»ng 5,98 eV, cđa điện lớp 3s bằng 18,82 eV và 28,44 eV. Tương øng víi c¸c
thÕ ion hãa Êy, cã thĨ xt hiƯn các ion Al+1 và Al+3. Bên cạnh oxyt Al 2 O 3 rất bền,
có thể tồn tại các tạp chất Al 2 O, AlF, AlCl rất kém ổn định.
Độ lớn của hạt nhôm khi kết tinh phụ thuộc vào lượng tạp chất. Với điều kiện
kết tinh như nhau, nhôm sạch 99,8% có độ hạt từ 1ữ2 mm, còn nhôm sạch 99,99%
có thể nhận được hạt với kích thước tới 10 mm [22].
Nhôm kết tinh ở dạng mạng lập phương tâm mặt (A 1 ), chu kỳ mạng a =
0,40413nm.
Khối lượng riêng của nhôm = 2,71gam/cm3. Nhôm nguyên chất có tính
chống ăn mòn cao, do lớp màng oxyt Al2O3 mỏng và rất sít chặt, hình thành trên bề
mặt.
Tính dẫn điện và dẫn nhiệt của nhôm cao, (độ dẫn điện = 2,66.10-6.cm,
độ dẫn nhiệt ở 250C là 0,503Cal/cm.S.0C). Nhiệt độ chảy của nhôm thấp (6600C).
Nhôm sạch sau khi cán và ñ cã σ b = 60 MPa, σ 0,2 = 20 MPa vì vậy mà người ta
hầu như không dùng nhôm nguyên chất làm các chi tiết máy [20] [104] [110].
Nhôm nguyên chất rất dẻo: = 85%, = 40% nên rất dễ biến dạng ở trạng
thái nguội và trạng thái nóng. Tính gia công cắt của nhôm thấp, các tạp chất thường
có của nhôm là sắt (Fe), Silic (Si). Sắt là nguyên tố có hại, do sắt tạo với nhôm pha
tương ứng với công thức FeAl 3 giòn, nên với lượng sắt dù nhỏ, ở biên giới hạt vÉn cã


11

cùng tinh (Al+FeAl 3 ). Tổ chức này làm giảm mạnh độ dẻo của nhôm vì vậy lượng
sắt cho phép trong nhôm kỹ thuật rất nhỏ (tổng lượng tạp chất Fe + Si + Cu + Zn +

Ti + … không vượt quá 0,05 trong nhôm độ sạch cao và 1% trong nhôm kỹ thuật).
Cơ tính của nhôm phụ thuộc vào độ sạch và trạng thái gia công biến dạng. Độ
sạch càng cao nhôm càng dẻo còn trong một giới hạn nhất định biến dạng nguội
càng lớn nhôm càng bền, tuy nhiên độ dẻo sẽ giảm. Nhôm sạch 99,996% sau c¸n
ngi cã σ b = 114 MPa; sau khi đ giảm xuống còn b = 48 MPa. Độ dÃn dài tương
ứng với hai trạng thái này là = 5,5% và 48,8%.
Nhiệt độ kết tinh lại của nhôm tương đối thấp và cũng phụ thuộc vào độ sạch.
Sau khi biến dạng nguội nhôm sạch 99,996% bắt đầu kết tinh lại ở 1500C và đến
2700C quá trình kết tinh lại kết thúc. Đối với nhôm siêu sạch 99,999% quá trình kết
tinh lại xảy ra ngay ở âm 370C và hoàn thành sau một vài ngày đêm.
Nhôm là kim loại có hoạt tính hóa học cao, ở ngoài không khí nhôm bị mất
vẻ sáng lóng lánh do tạo màng oxyt. Màng oxyt nhôm không có rỗ xốp, độ sít chặt
cao và liên kết bền với nền kim loại. Chiều dày của màng này phụ thuộc vào nhiệt
độ. ở nhiệt độ thường màng này dày khoảng 5ữ10 nm; khi nung lên nhiệt độ cao
gần nhiệt độ chảy, chiều dày của màng có thể tới 200 nm.
Chính do màng oxyt có cấu tạo sít chặt và liên kết bền vững với kim loại nền
mà nhôm có tính ổn định chống ăn mòn khá cao trong nhiều môi trường hóa học.
Khả năng chống ăn mòn của nhôm phụ thuộc vào thành phần tạp chất và đặc tính
của môi trường. Trong môi trường axit vô cơ khi tăng nhiệt độ tốc độ ăn mòn nhôm
tăng lên. ảnh hưởng của nồng độ cần phải xét đối víi tõng axit cơ thĨ, vÝ dơ nh­
axit nitric lo·ng ăn mòn nhôm mạnh hơn khi đậm đặc. Trái lại dung dịch axit H 2 SO 4
loÃng tác dụng với nhôm rất yếu, khi tăng nhiệt độ và nồng độ dung dịch, tác dụng
gây ăn mòn nhôm tăng lên. Trong dung dịch axit H 3 PO 4 quá trình ăn mòn nhôm
xảy ra chậm; nhưng nhôm bị ăn mòn rất nhanh trong hỗn hợp HCl và HF. Khả năng
chống ăn mòn trong dung dịch kiềm của nhôm rất nhỏ, ví dụ xút NaOH gây ra ăn
mòn nhôm rất nhanh.
Nhôm tỏ ra ổn định trong rất nhiều dung dịch axit hữu cơ. ở nhiệt độ thường
nhôm không tác dụng với nước, hơi nước, khí CO và CO 2 . Nhưng khi nhiệt độ tăng

12

lên hơi nước tác dụng với nhôm khá nhanh ở vùng nhiệt độ 5000C và cao hơn theo
phản ứng:
2Al + 3H 2 O = Al 2 O 3 + 3H 2

(1.1)

Hydro tạo ra trong phản ứng một phần đi vào khí quyển, một phần khuếch
tán vào nhôm. So với các khí khác, hydro có khả năng hòa tan vào nhôm mạnh nhất.
Sự thay đổi đột ngột độ hòa tan chất khí khi chuyển từ trạng thái lỏng sang
rắn là nguyên nhân gây ra rỗ xốp khi kết tinh.
1.1.2. Quy luật tác dụng của nguyên tố hợp kim với nhôm
Việc nghiên cứu khả năng hòa tan của nguyên tố hợp kim vào nhôm chỉ ra
rằng không có nguyên tố nào tạo được với nhôm dung dịch rắn hòa tan vô hạn. Độ
hòa tan tăng lên theo vị trí sắp xếp nguyên tố gần nhôm trong bảng tuần hoàn
Mendeleev.
ở bảng 1.1 trình bày độ hòa tan của một số nguyên tố thường gặp trong
nhôm [22] [104].
Các nguyên tố Bi, Na, Pb, Cd .. ngay ở trạng thái lỏng cũng hòa tan có hạn và
tạo ra giản đồ dạng đơn tinh.
Các nguyên tố kim loại chuyển tiếp Ti, Mo, Zr và Cr tạo ra giản đồ dạng bao
tinh có hợp chất hóa học.
Các nguyên tố còn lại tạo với nhôm giản đồ có ph¶n øng cïng tinh.


13

Bảng 1.1. Đặc tính tương tác của một số nguyên tố thường gặp với nhôm [22]
Kim loại

Liti

Số thứ tự Nhiệt độ
trong
nóng
Dạng giản đồ pha từ phía
0
bảng tuần chảy [ C]
nhôm
hoàn
Mendelee
v
3
179
Cùng tinh có HCHH

Độ hòa tan
cực đại
(theo khối
lượng)
6,67

Berili

4

1264

Cùng tinh không có HCHH

0,05

Bor

5

2300

Cùng tinh có HCHH

0,05

Natri

11

97,7

Đơn tinh không có HCHH

0,002

Magie

12

651

Cùng tinh có HCHH

17,40

Silic

14

1440

Cïng tinh kh«ng cã HCHH

1,65

Titan

22

1665

Bao tinh cã HCHH

0,28

Vanadi

23

1900

Bao tinh cã HCHH

0,37

Crom

24

1875

Bao tinh cã HCHH

0,72

Mangan

25

1248

Cïng tinh cã HCHH

1,40

S¾t

26

1535

Cïng tinh cã HCHH

1,40

Niken

28

1455

Cïng tinh có HCHH

0,05

Đồng

29

1083

Cùng tinh có HCHH

5,65

Kẽm

30

419,5

Cùng tinh không có HCHH

85,2

Ziriconi

40

1852

Bao tinh có HCHH

0,28

Moliden

42

2625

Bao tinh có HCHH

0,20

Bạc

47

960,5

Cùng tinh có HCHH

55,6

Cadimi

48

320,9

Đơn tinh kh«ng cã HCHH

0,45

ThiÕc

50

321,9

Cïng tinh kh«ng cã HCHH

0,02

Stibi

51

503,5

Cïng tinh cã HCHH

0,1

Xeri

58

804

Cïng tinh có HCHH

0,05

Chì

82

327,4

Đơn tinh có HCHH

0,2

Bismut

83

271

Đơn tinh không có HCHH

0,2


14

1.1.3. Hợp kim nhôm biến dạng hệ Al- Mg- Si
Nhờ độ bền cao hơn, nên nhôm thường được dùng ở trạng thái hợp kim.
Hầu hết các hợp kim nhôm thông dụng hiện nay được chế tạo bằng cách nấu
chảy. Theo giản đồ pha các hợp kim nhôm được phân thành hợp kim nhôm đúc và
hợp kim nhôm biến dạng (hình 1.1).

L

A
L+


L+
C

D

Hợp kim hoá
bền được bằng
nhiệt luyện

Hợp kim nhôm đúc

Cùng tinh

Hợp kim nhôm
biến dạng
+ pha
thứ hai

B

+

C'

Hợp kim không hoá bền
được bằng nhiệt luyện

% nguyên tố hợp kim

Hình 1.1. Hợp kim nhôm biến dạng theo giản đồ pha
Hợp kim nhôm biến dạng là hợp kim nhôm có thành phần các nguyên tố hợp
kim nằm trong giới hạn của dung dịch rắn , tức là ở bên trái điểm C'. Hợp kim
nhôm biến dạng không chứa cùng tinh nên dễ biến dạng không những ở nhiệt độ
vùng một pha mà ngay cả ở nhiệt độ thường. Các hợp kim ở bên trái điểm D là các
hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền được bằng nhiệt luyện, còn các hợp kim ở
bên phải điểm D (thành phần từ D đến C') là các hợp kim nhôm biến dạng hóa bền
được bằng nhiệt luyện. Các hợp kim này ở nhiệt độ thường ngoài dung dịch rắn
còn có pha thứ hai, khi nung nóng pha này hòa tan vào dung dịch rắn, khi làm nguội
nhanh sẽ nhận được dung dịch rắn quá bÃo hoà. Dưới tác dụng của năng lượng (ví


15

dụ nung nóng hoặc biến dạng) dung dịch rắn quá bÃo hòa này sẽ bị phân hóa tiết ra
các pha phân tán làm tăng độ bền của hợp kim.
Bằng kỹ thuật kết hợp biến dạng dẻo làm tăng khuyết tật mạng, đặc biệt là
mật độ lệch và biên giới hạt với nhiệt luyện hoá bền tiết pha phân tán, người ta có
thể nâng cao chất lượng, trước hết là các chỉ tiêu cơ tính của các hợp kim nhôm biến
dạng hoá bền bằng nhiệt luyện. Mục tiêu của công trình này chính là nghiên cứu ảnh
hưởng của cơ nhiệt luyện đến tổ chức và tính chất của các hợp kim biến dạng hệ AlMg-Si.
1.1.4. Hợp kim nhôm - magiê - silic (Al-Mg-Si)
Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện hệ Al-Mg-Si được
tìm ra sau chiến tranh thế giới thứ nhất (~ 1920) ở Thuỵ Sĩ. Các nguyên tố hợp kim
chính gồm Si và Mg đều là các nguyên tố nhẹ. Độ hòa tan của chúng vào dung dịch
rắn tăng theo nhiệt độ (Bảng 1.1). Ngoài hai nguyên tố này người ta còn đưa thêm
một lượng Mn(<0,8%) để làm tăng giới hạn bền và một số tính chất khác như khả
năng chống ăn mòn, độ dai va đập và chống uốn (hình 1.4, 1.5) và bảng (1.4). Mn
với hàm lượng lớn (>0,8%) sẽ làm giảm hiệu quả hoá già và gây thô hạt khi nung
nóng. Cr với hàm lượng khoảng 0,3% cũng tạo ra hiệu quả tương ứng. Cu có tác
dụng tăng bền nhưng nếu hàm lượng vượt quá 0,5% sẽ làm giảm khả năng chống ăn
mòn của hợp kim [16] [46].
Hình 1.2 là giản đồ pha Al-Mg-Si với các mặt cắt đẳng nhiệt ở 5500C và
2000C. Si và Mg tạo nên pha liên kim loại Mg 2 Si tương ứng với tỷ lệ khối lượng giữa
Mg và Si là 1,73. Trên giản đồ pha giả hai nguyên Al-Mg 2 Si hình 1.3, ta thấy ở nhiệt
độ cùng tinh 5950C độ hòa tan của Mg 2 Si vào nhôm là 1,85%.
Độ hòa tan của Mg 2 Si vào dung dịch rắn giảm xuống khi hạ nhiệt độ, như
vậy, ta có thể tạo ra dung dịch rắn quá bÃo hòa bằng cách tôi. Quá trình hóa già tiÕp
theo sÏ t¹o ra hiƯu øng hãa bỊn do tiÕt pha phân tán.
Các hợp kim thuộc hệ 2 nguyên giả, tøc lµ tØ lƯ i = %Mg/%Si = 1,73 chØ chøa
hai pha α vµ Mg 2 Si. Pha Mg 2 Si nóng chảy ở 10870C, độ cứng tế vi Hà = 4500MPa
mạng lập phương tâm khối thuộc nhóm Fm3m với 12 nguyên tử trong một ô cơ bản,

16

0

thông số mạng a = 6,351 A . Với hàm lượng thích hợp pha Mg 2 Si sẽ làm tăng bền
hợp kim, nhưng khi quá nhiều sẽ làm hợp kim biến dòn, khó gia công áp lực [15].
Lượng Si dư khi tạo ra pha Mg 2 Si làm tăng bền và ảnh hưởng xấu đến khả
năng chịu ăn mòn. Với lượng Mg dư (khi tạo pha Mg 2 Si) sẽ ảnh hưởng xấu đến cơ
tính do Mg 2 Si tiết ra ở trên tinh giới hạt [63].

a)

2,0 Si

b)

+ Si

1,6
1,2

+ Mg2Si+Si

+ Si
+ Mg2Si+Si

1,2
0,8

0,6

0,6

Mg2Si

0,4

0,8

1,2



0,4

+ Mg2Si
0,4

Si

1,6

0,8

Al

2,0

1,6

Mg

Mg2Si
+ Mg2Si

Al

0,4

0,8

1,2

1,6

Mg

Hình 1.2. Mặt cắt đẳng nhiệt của giản đồ pha Al-Mg-Si ở 2000C (a) và 5500C (b)
t0C
700

L
0

595 C

600

1,8

11,7

500
400

+ Mg2Si

300
200
100
Al

2

4

6

8

10

12 % Mg2Si

Hình 1.3. Mặt cắt giả hÖ Al-Mg-Si qua Al-Mg2Si


17

Bảng 1.2. Độ hòa tan của Si và Mg vào trong Al [17, 18] (theo trọng lượng)
Nhiệt độ (0C)

577

550

500

450

400

350

300

250

Hàm lượng Si (%)

1,65

1,30

0,80

0,48

0,29

0,17

0,06

0,008

Nhiệt độ (0C)

450

400

350

300

250

200

150

100

Hàm lượng Mg (%)

17,4

13,5

9,9

6,7

4,4

3,1

2,3

1,9

Đ ộ bền kéo k,

35

1% Si

30
0,5 % Si

25
20
15
0

0,3

0,6

0,9

1,2 %Mn

Hình 1.4. Sự ảnh hưởng của hàm lượng Mn đến giới hạn bền kéo của hợp
kim Al-Mg-Si, với hàm lượng Si khác nhau (hàm lượng Mg là 0,8%) [63]
2,4

Đ ộ dai va đập ak, kG/mm2

2,2
2,0

Với 0,1% Fe

Víi 0,3% Fe

1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
0

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 %Mn

Hình 1.5. Sự ảnh hưởng của Mn ®Õn ®é dai va ®Ëp cđa hỵp kim
Al-Mg-Si víi 1% Si, Mg 0,75% [104].
Ngày nay người ta sử dụng hợp kim Al-Mg-Si với tổng lượng Si và Mg đạt giá trị

lớn nhất là 1,5%, trong đó hàm lượng Si (0,3ữ1,0%) và Mg (0,4ữ 0,9%).


18

ở bảng 1.3 giới thiệu một số hợp kim hệ Al-Mg-Si của các nước. Trong các
hợp kim của hệ này, người ta có xu hướng tăng hàm lượng Si so víi tØ lƯ i =
%Mg/%Si = 1,73.
B¶ng 1.3. Mét sè hợp kim hệ Al - Mg - Si của các nước [22]
Nước
Đức

Tiêu

Mác hợp kim

%Mg

%Si

%Fe

%Mn

%Cr

AlMgSi0,5dek

0,4ữ0,9

0,3ữ0,7

0,4

0,3

0,05

AlMgSi1

0,6ữ1,4

0,6ữ1,6

0,5

1,0

0,3

DTD

H9,372B,BA24

0,4ữ0,9

0,3ữ0,7

0,6

≤ 0,5

-

BA

D3D,346A,BA25

0,4÷1,5

0,6÷1,3

≤ 0,6

0,4÷1,0

NF

A - GS

0,4÷0,9

0,2÷0,7

≤ 0,5

≤ 0,3

-

A - SG

0,5÷1,3

0,6÷1,5

≤ 0,5

≤ 1,0

-

0,45-÷0,85

0,2÷0,6

≤ 0,35

≤ 0,1

≤ 0,1

0,5÷0,85

0,6÷1,2

≤ 0,45

0,25÷0,7

≤ 0,1

GS10

0,45÷0,85

0,2÷0,6

≤ 0,5

≤ 0,1

GS11R

0,4÷1,5

0,6÷1,3

≤ 0,6

≤ 0,4÷1,0

-

EXTRUDAL

0,4÷0,6

0,5÷0,7

≤ 0,3

< 0,1

-

0,5ữ1,0

0,5ữ1,5

-

0,2ữ1,0

-

chuẩn
DIN

BS
Anh

Pháp

UNI
ý

P-AlSi0,4Mg
(3569)
P-AlSi1MgMn

(3571)

Canada

G.S.A

VSM
Thuỵ Sỹ

AlSiMg
(Anticorodal)

Mỹ

0,5

0,1

A.A

6063, GS10A, 212

0,45ữ0,9

0,2ữ0,6

0,35

0,1

0,1

A.S.T.M

6061, GS11A, 281

0,8÷1,2

0,4÷0,8

≤ 0,7

≤ 0,15

0,15÷0,35

A

31(1310)

0,4÷0,9

0,3÷0,7

< 0,5*

< 0,1*

A 33(1330)

0,8÷1,2

0,4÷0,8

< 0,7*

< 0,15*

A 35(1350)

0,8÷1,4

0,8÷1,2

< 0,5*

0,5-0,9

AB(1340)

0,45÷0,9

0,5÷1,2

< 0,5*

0,15-0,35**

S.A.E

OCT
Nga

(478474)

*Giá trị có thể coi là tạp chất, ** có thĨ thay Mn b»ng Cr.[22]

Cu < 0,1*,
Zn < 0,2
Cu 0,15÷0,35
Cu 0,15-÷0,4
Cu < 0,1*,
Zn < 0,2*
Cu 0,1÷0,5


19

Bảng 1.4. Khả năng chịu uốn của hợp kim Al-Mg-Si với %Mn khác nhau (tấm
dày 1mm, Si:1%, Mg :0,8%, Fe:0,3%) trạng thái: ủ đồng đều và tôi [104].
Số lần uốn quanh góc 900 đến khi gÃy
Mn%

Bán kính uốn
r = 5mm

0

0,5

3

0,1

2

6

0,3

2,5

9

0,6

2,5

12

0,9

4

12

1,2

6

13

Sự hao hụt

k

r = 2,5mm

k
[%]
12

AlCuMg
AlZnMg

8
AlMgSi

4

Sự hao hụt

0
k
[%]
60

AlCuMg

AlZnMg

40
AlMgSi

20
0
0

1

2

3

4

6

8

Tháng

12

Hình 1.6. Sự giảm độ bền và độ giÃn dài của hợp kim AlMgSi so
với hợp kim AlCuMg1 và AlZnMg (Zn 4,5%; Mg 1%) trong môi
trường ăn mòn là dung dịch muối ăn [104].


20

Sắt là tạp chất có hại trong hệ hợp kim Al-Mg-Si. Tăng hàm lượng sắt sẽ làm
cho độ bền của hợp kim bị giảm. Giới hạn bền kéo của hợp kim với 0,7% Si, 0,6%
Mg sẽ bị giảm khoảng 10 MPa khi tăng hàm lượng sắt từ 0,1% lên 0,4% [66]. ảnh
hưởng xấu của tạp chất Fe đến độ bền hợp kim Al-Mg-Si cũng được chỉ ra trong các
tài liệu [77], [78].
Kẽm với một lượng nhỏ (< 0,05%) không gây ảnh hưởng đến độ bền của hợp kim.
Độ bền ăn mòn của hợp kim Al-Mg-Si khá tốt so với các vật liệu kim loại
nhẹ khác có độ bền tương tự hình 1.6. Tạp chất Fe làm giảm khả năng chống ăn mòn
của hợp kim.
Một số tính chất vật lý của các hợp kim hệ Al-Mg-Si có tổng lượng Mg và Si
là 1% được chỉ ra trong bảng 1.5.
Bảng 1.5. Các tÝnh chÊt vËt lý cđa hỵp kim AlMgSi cã (%Mg+%Si = 1%)
Các đại lượng vật lý

Giá trị

Khối lượng riêng

2,71 g/cm3

Khoảng nhiệt độ chảy

590ữ600 0C

Modun đàn hồi
Hệ số giÃn nở nhiệt trong khoảng (20ữ2000C)
Khả năng dẫn nhiệt
Điện trở riêng

* 1.mm2/m = 1àm

6500ữ7500 kG/mm2
22,7.10-6ữ23,0.10-61/độ
130ữ170 Kcal/m.h.độ
0,0315ữ 0,0385 .mm2/m


21

1.1.5. Tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm trong trạng thái đúc
1.1.5.1. Vai trò và tổ chức khi đúc đối với tính chất của bán thành phẩm
Tổ chức và tính chất của các bán thành phẩm biến dạng phụ thuộc rất nhiều
vào tổ chức phôi đúc. Chất lượng thỏi đúc quyết định bởi hình dáng, kích thước hạt
và tổ chức bên trong. Hạt trong thỏi đúc có thể thô to hoặc nhỏ mịn. Hình dạng của
chúng có thể đều trục, kéo dài Cấu trúc bên trong hạt được quyết định bởi hình
dáng và kích thước nhánh cây kÕt tinh tr­íc, cịng nh­ bëi kÝch th­íc, sù ph©n bố
của các pha trung gian.
Cơ tính của vật liệu chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi cấu trúc bên trong hạt ở
trạng thái đúc, cũng như sau khi nhiệt luyện. Cấu trúc bên trong hạt càng hoàn hảo,
độ bền, độ dẻo càng cao.
Sở dĩ tổ chức sau đúc có ảnh hưởng lớn đến cơ tính của bán thành phẩm sau
biến dạng là do nó có đặc tính di truyền.
Kích thước hạt của phôi đúc nhỏ, sẽ càng nhỏ hơn do quá trình biến dạng,
nếu tiến hành ủ kết tinh lại số lượng tâm mầm sẽ càng nhiều. Đó chính là bản chất
của tính di truyền tổ chức đúc, yếu tổ ảnh hưởng quyết định đến tổ chức, tính chất
của các bán thành phẩm biến dạng.
1.1.5.2. Đặc điểm của tổ chức hợp kim sau đúc
Có nhiều yếu tố gây ảnh hưởng đến ®é lín cđa h¹t trong thái ®óc. Tèc ®é
ngi lín, nhiệt độ rót khuôn thấp, vật lẫn phi kim loại không tan, tác dụng của biến

tính, của siêu âm các yếu tố ấy sẽ làm nhỏ hạt khi kết tinh.
Nếu như ảnh hưởng đến độ lớn của hạt có nhiều yếu tố khác nhau thì ảnh
hưởng đến sự hoàn hảo cấu trúc bên trong, đến kích thước bloc (siêu hạt) chủ yếu là
tốc độ nguội. Để tăng cơ tính của hợp kim nhôm đúc, cần tạo ra tổ chức hạt nhỏ và
siêu hạt mịn.
Nghiên cứu đặc điểm phân bố tạp chất và thành phần pha khi đúc hợp kim
nhôm cần dựa vào giản đồ pha. Như đà trình bày ở trên các hợp kim nhôm thông
thường khi kết tinh tuân theo hai dạng giản đồ cùng tinh và bao tinh.


22

Phụ thuộc vào dạng giản đồ pha, vào tốc độ nguội khi kết tinh (tức là khả
năng khuếch tán trong trạng thái rắn và lỏng), tổ chức sau khi đúc có các đặc điểm
khác nhau.
Để rút ra đặc điểm chung về tổ chức của hợp kim nhôm khi kết tinh theo giản
đồ dạng cùng tinh, ta xét hợp kim I hình 1.7.
Khi đạt điều kiện cân bằng, kết tinh bắt ®Çu ë nhiƯt ®é t 1 víi sù tiÕt ra pha rắn
có thành phần C 1 . Quá trình kÕt tinh kÕt thóc ë nhiƯt ®é t 3 víi pha có thành
phần C 3 đúng bằng thành phần của hợp kim.
Trong điều kiện làm nguội nhanh khi đúc ứng với thực tế, khuếch tán trong
pha rắn không đáng kể, lúc ấy chỉ đáng quan tâm đến quá trình này trong pha lỏng.
tA
A
t1

I
L1

1

L+



t1
4

tA

5

+

Al

C 1 C2 C 3 C4

a

C

%B

Hình 1.7. XÐt kÕt tinh hỵp kim hƯ
cïng tinh.

β1

α1

C

E

C

L+β

t1

L4

α4

II

I

L3
α3

tC

L

L2

α2
t3

tB

L

D

E

β

b

C2 C1 B

α+β

α
Al

C5

C4 C3 d

Hình 1.8. Xét kết tinh hợp kim hệ
bao tinh.

Tại nhiệt ®é t 3 , ta thÊy ®ång thêi x¶y ra 2 quá trình sau:
L3 3

(1.2)

2 + L 3 3

(1.3)

Quá trình (1.3) ứng với tốc độ nguội nhanh khi đúc sẽ xảy ra không hoàn
toàn vì khuếch tán trong pha rắn không kịp và kết quả 2 + L 3 sÏ cßn d­. Pha L 3 sÏ
tiÕp tơc kết tinh cho đến khi đạt đến thành phần L E , lúc này xảy ra phản ứng cùng
tinh
L E → (α + β)

(1.4)


23

và quá trình sẽ kết thúc.
Như vậy trong nội bộ một hạt ở trung tâm do kết tinh trước sẽ có giàu nhôm.
Đi ra phía ngoài, do kết tinh sau, thành phần tạp chất giàu lên. Cuối cùng trên biên
hạt cã cïng tinh (α + β). KiĨu tỉ chøc nµy đặc trưng đối với mọi hợp kim từ C đến
E.
Các hợp kim nhôm kết tinh theo giản đồ bao tinh, sự phân bố nguyên tố hợp
kim trong tổ chức xét trên một hạt sau kết tinh không cân bằng, xảy ra theo chiều
ngược lại.
Ví dụ xét hợp kim I trên hình 1.8. Sản phẩm sau khi kết tinh là dung dịch rắn
, trong đó nguyên tố hợp kim phân bố giàu nhất ở trung tâm hạt. ở biên hạt, hàm
lượng nguyên tố hợp kim rất nhỏ gần phía nhôm nguyên chất.
Các hợp kim bên phải điểm C trên hình 1.8 tương tự hợp kim II.
Trong trường hợp kết tinh cân b»ng, sau ph¶n øng bao tinh pha β biÕn mÊt,

pha láng d­ tiÕp tơc kÕt tinh ra α, tỉ chøc sau kết tinh là có thành phần bằng thành
phần của hợp kim.
Khi kết tinh không cân bằng, đầu tiên pha lỏng tiết ra pha 1 ; thành phần pha
lỏng khi đó biến đổi đến L c , còn thành phần pha rắn biến đổi đến E , lúc này phản
ứng bao tinh:
Lc + E D

(1.5)

Phản ứng (1.5) xảy ra không kịp với quá trình nguội, do vậy L c và E sẽ còn dư.
Pha L C d­ sÏ tiÕp tơc kÕt tinh ra α vµ thành phần thay đổi từ C đến A. Kết
quả nhận được tinh thể bên trong là có thành phần thay đổi và bọc bên ngoài là
cũng có thành phần thay đổi.
Nếu làm nguội với tốc độ lớn (tôi từ thể lỏng, đúc trong khuôn kim loại),
khuếch tán trong pha lỏng không kịp xảy ra thì sẽ nhận được dung dịch rắn quá bÃo
hòa.
Các kim loại chuyển tiếp, đặc biệt các nguyên tố nhóm VIB và nhóm VIIB
của bảng tuần hoàn Mendeleev, có xu hướng tạo dung dịch rắn quá bÃo hòa rất
mạnh khi kết tinh. Ví dụ ở trạng thái cân bằng, độ hòa tan Mn trong nhôm lín nhÊt