Ảnh hưởng của cu đến quá trình chuyển pha và cơ tính của hợp kim 6063

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ảnh hưởng của Cu đến q trình chuyển
pha và cơ tính của hợp kim 6063

CAO THẾ TOÀN
Ngành Khoa học vật liệu
Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Nguyễn Hồng Hải
Chữ ký của GVHD

Nghành:

Khoa học vật liệu

Viện:

Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

HÀ NỘI, 6/2020



CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn : CAO THẾ TOÀN
Đề tài luận văn: Ảnh hưởng của Cu đến q trình chuyển pha và cơ tính
của hợp kim 6063.
Chuyên ngành: Khoa học vật liệu
Mã số SV: CB180074
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
15 tháng 07 năm 2020 với các nội dung sau:
+ Đã chỉnh sửa tồn bộ phần tóm tắt thành đoạn văn.
+ Việt h a các bảng và h nh v tại Chương 1,2,
+ Đã chỉnh sửa ại các h nh ảnh b mờ tại Chương 2
+ Đã thêm các đơn v đo còn thiếu trong Chương
+ Đã sửa (bỏ) các trích dẫn sai do lỗi đánh máy.
+ Đã đưa kết quả chụp XRD của các mẫu lên phần đầu thảo luận.
+ Đã chú thích h nh chụp tổ chức tế vi bằng SEM là mẫu chụp bề mặt gẫy
+ Đã căn chỉnh sửa lại lỗi trình bày trong luận văn.
Ngày 18 tháng 7 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG



Luận văn tốt nghiệp

Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-------------------------------------------

-------------------------------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

- Họ tên sinh viên: Cao Thế Toàn

- MSSV: CB180074

- Viện: Khoa học và kỹ thuật Vật liệu – Trường Đại học Bách Khoa Hà
Nội.
1. Tên đề tài
Nghiên cứu ảnh hưởng của Cu đến q trình chuyển pha và cơ tính của
hợp kim 6063.
Nội dung
- Chương 1: Tổng quan về hợp kim Al-Mg-Si
- Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm
- Chương 3: Một số kết quả và thảo luận
- Chương 4: Kết luận
2. Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Hồng Hải
3. Ngày hoàn thành: 29/05/2020
Hà Nội, ngày 18 tháng 12 năm 2018

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Nguyễn Hồng Hải

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải



Luận văn tốt nghiệp

Khoa học và kỹ thuật Vật liệu
LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đồ án này em đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều
của thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Hồng Hải – Trưởng bộ môn Vật liệu &
Công nghệ Đúc của Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật Liệu - Trường Đại Học Bách
Khoa Hà Nội. Em xin chân thành cảm ơn thầy đã giúp đỡ em thực hiện luận văn
này.
Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến q thầy cơ cùng tồn thể cán bộ
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội nói chung, Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật
Liệu nói riêng trong suốt 2 năm học tập và rèn luyện vừa qua đã ân cần chỉ bảo,
tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cũng như truyền thụ lại những
kinh nghiệm quý báu và nhưng kiến thức chuyên sâu về nghành vật liệu để em
hồn thành chương trình Thạc sỹ tại Viện Khoa học và kỹ thuật Vật liệu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, để vững bước và tự tin đóng góp mơt phần
nhỏ vào sự phát triển của nghành xuất nhập khẩu kim loại trong nước.

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải


Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

Luận văn tốt nghiệp

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Với đề tài: Ảnh hưởng của Cu đến q trình chuyển pha và cơ tính của
hợp kim 6063, luận văn đã tiến hành khảo sát mác hợp kim 6063, từ đó hợp kim
hóa thêm Cu để chứng minh được sự hình thành pha mới, xác định cơng nghệ
nhiệt luyện tối ưu, phân tích tổ chức pha mới hình thành và xác định cơ tính của
hợp kim mới.
Luận văn đã trình bày kết quả nghiên cứu khi hợp kim hóa thêm Cu vào
hợp kim 6063 từ 0.1 đến 0.5% với cơng nghệ nhiệt luyện tơi + hóa già ở nhiệt độ
523o K tại các mốc thời gian hóa già 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 phút. Kết quả
nghiên cứu cho thấy rằng: với hàm lượng hợp kim hóa 0.3% Cu ở thời gian hóa
già 30 phút, giá trị độ bền cao nhất đạt 240MPa, giá trị độ dãn dài cao nhất đạt
10,7%, giá trị độ cứng cao nhất đạt 89HB, tỉ trọng đạt 2,714g/cm3 xấp xỉ với mác
hợp kim 6063. Điều này cũng phù hợp với kết quả phân tích XRD, SEM, TEM
khi kết quả cho thấy có sự hình thành pha bốn ngun Q, với cơng thức trong
điều kiện thực nghiệm là Al4Cu2Mg8Si7, có hình dạng hạt trịn hoặc bầu dục và
cấu trúc tổ ong phức tạp. Pha Q đóng vai trị quyết định về việc tăng bền cho hợp
kim sau xử lý nhiệt.

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Cao Thế Toàn

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải


Luận văn tốt nghiệp

Khoa học và kỹ thuật Vật liệu
MỤC LỤC

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................ 1
1.1

1.2

1.3

1.4

Phân loại hợp kim nhôm ............................................................................ 1
1.1.1

Hệ thống kí hiệu cho hợp kim nhơm........................................... 1

1.1.2

Phân loại hợp kim nhôm ............................................................. 2

Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện ........................ 5
1.2.1

Hợp kim nhơm với 4% Cu .......................................................... 5

1.2.2

Hợp kim Al-Mg-Cu..................................................................... 6

1.2.3

Hợp kim nhôm hệ Al-Mg-Si ....................................................... 7

1.2.4

Công nghệ nhiệt luyện .............................................................. 11

Hợp kim nhôm Al-Mg-Si-Cu ................................................................... 14
1.3.1

Vùng cân bằng pha của hợp kim Al-Mg-Si-Cu ........................ 14

1.3.2

Tính phổ biến của Q và các pha cân bằng cùng tồn tại ............ 16

1.3.1

Cấu trúc tinh thể và tổ chức tế vi của pha Q – AlCuMgSi ....... 19

1.3.2

Các pha hóa bền và tiền pha Q’ ................................................ 19

1.3.3

Cấu trúc tinh thể của pha Q’ ..................................................... 22

1.3.1

Sự tiết pha trong hợp kim Al-Mg-Si và Al-Mg-Si-Cu.............. 24

1.3.2

Pha hóa bền trong hợp kim Al-Mg-Si-Cu ................................. 27

Tổng quan nghiên cứu .............................................................................. 31
1.4.1

Mục đích nghiên cứu ................................................................. 31

1.4.2

Nội dung nghiên cứu ................................................................. 32

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM........ 33
2.1

Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 33

2.2

Thực nghiệm ............................................................................................ 34
2.2.1

Nấu luyện hợp kim Al-Mg-Si-Cu ............................................. 34

2.2.2

Xử lý nhiệt................................................................................. 37

2.2.3

Cân tỷ trọng ............................................................................... 38

2.2.4

Đo độ cứng HB ......................................................................... 40

2.2.5

Đo độ bền và độ giãn dài .......................................................... 44

2.2.6

Tổ chức tế vi.............................................................................. 46

2.2.7

Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................ 47

2.2.8

Ảnh hiển vi điện tử truyền qua TEM ........................................ 48

2.2.9

Phân tích XRD .......................................................................... 49

2.2.10

Máy quang phổ phát xạ Spectro Lab ........................................ 51

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 52
3.1

Kết quả xác định thành phần hóa học và đo tỷ trọng ............................... 52

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải


Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

Luận văn tốt nghiệp

3.2

Kết quả phân tích XRD ............................................................................ 53

3.3

Kết quả đo độ cứng HB ........................................................................... 55

3.4

Kết quả đo độ bền kéo và độ giãn dài ...................................................... 56

3.5

Tổ chức hiển vi quang học ....................................................................... 62
3.5.1

3.6

Tổ chức hiển vi điện tử quét ..................................................... 63

Tổ chức hiển vi điện tử truyền qua .......................................................... 66

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN ................................................................................. 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 68

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải


Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

Luận văn tốt nghiệp

DANH MỤC HÌNH VẼ
H nh 1.1 Ký hiệu các họ hợp kim nhôm Theo tiêu chuẩn ASTM ........................ 1
H nh 1.2 Phân loại hợp kim Al theo giản đồ pha .................................................. 2
H nh 1.3 Giản đồ trạng thái Al-Cu ........................................................................ 5
H nh 1.4 Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ pha ba cấu tử hệ Al-Cu-Mg ở 2000C(a) và
5000C(b);
1 – AlCu4,2Mg0,25Mn0,4; 2 – AlCu2,6Mg0,35Mn0,1; 3 –
AlCu4,3Mg0,60Mn0,6; 4 – AlC4,3Mg1,50Mn0,6; 1 – AlCu4,0Mg2,0Mn0,6 ..... 6
H nh 1. Mặt cắt đẳng nhiệt của giản đồ pha Al-Mg-Si ở 5500C và 2000C ......... 8
H nh 1. Mặt cắt giả hệ Al - Mg - Si qua Al-Mg2Si ............................................. 9
H nh 1. Giản đồ đường trong hệ cân bằng pha Al-Mg-Si-Cu ở nhiệt độ phòng15

H nh 1. Sơ đồ cân bằng pha của họ hợp kim Al-Mg-Si-Cu ............................. 16
H nh 1. Minh họa lịch sử phát triển họ hợp kim Al-Mg-Si-Cu......................... 18
H nh 1.1 Ảnh điện tử phân tán ngược SEM của mẫu phôi 2014 cho thấy cấu
trúc tế vi kiểu tổ ong của pha Q ........................................................................... 20
H nh 1.11 Ảnh hiển vi quang học của một mẫu thỏi có Mg / Si> 1 (Mg: 1.15, Si:
0.92, Cu: 1.99) cho thấy pha Q có cấu trúc đan xen ............................................ 21
H nh 1.12 Ảnh vi mô TEM của mẫu Al-Mg-Si-Cu (với lượng dư) theo hướng
[001]: (a) BF (trường sáng), (b) SADP (mẫu nhiễu xạ vùng được chọn), (c ) sơ
đồ của bốn biến thể kết thúc của pha Q. Mũi tên chỉ ra một số biến thể trong hình
ảnh BF trong (a) ................................................................................................... 22
H nh 1.13 Một mơ hình nhiễu xạ mơ phỏng của các pha β’ và Q’ trong nền Al
với [100] Al // [0001] β’, (020) Al // (0220) β’ và [100] Al // [0001 ] Q’, (020) Al
// (2130) Q’ ........................................................................................................... 24
H nh 1.14 Tỉ phần cân bằng của các pha khi hóa già tại 1900C theo thành phần
hóa học của hợp kim Al-Mg-Si-Cu ...................................................................... 29
H nh 1.1 Sự thay đổi độ cứng theo thời gian hóa già tại nhiệt độ 1900C với các
thành phần hợp kim khác nhau tương ứng với tỉ phần pha .................................. 29
H nh 1.1 Tỉ phần cân bằng của các pha khi hóa già tại 1770C theo thành phần
hóa học của hợp kim Al-Mg-Si-Cu ...................................................................... 30
H nh 1.1 Sự thay đổi độ cứng theo thời gian hóa già tại nhiệt độ 1770C với các
thành phần hợp kim khác nhau tương ứng với tỉ phần pha .................................. 30
H nh 1.1 Sơ đồ minh họa các bước tiến hành nghiên cứu ................................ 32
H nh 2.1 Quy trình xử lý nhiệt cho hợp kim Al-Mg-Si-Cu sau đúc [6] .............. 34
H nh 2.2 Minh họa thiết kế khuôn kim loại ........................................................ 35
H nh 2.3 Công nghệ xử lý nhiệt mác hợp kim Al-Mg-Si-Cu .............................. 37
H nh 2.4 Mẫu được gá để nhiệt luyện ................................................................. 37
H nh 2. Lò nung ................................................................................................. 38
H nh 2. Cân phân tích điện tử và bộ giá tỷ trọng .............................................. 39

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải

Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

Luận văn tốt nghiệp

H nh 2. Thiết bị đo độ cứng .............................................................................. 40
H nh 2. Nguyên lý thử độ cứng ......................................................................... 41
H nh 2. Thiết bị đo độ bền kéo .......................................................................... 45
H nh 2.1 Kính hiển vi quang học ...................................................................... 46
H nh 2.11 Sơ đồ hoạt động của Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ...................... 47
H nh 2.12 Sơ đồ nguyên lý tạo ảnh trong TEM .................................................. 49
H nh 2.13 Máy XRD - X'Pert³ MRD XL ............................................................ 50
H nh 2.14 Máy quang phổ phát xạ ...................................................................... 51
H nh 3.1 Tỷ trọng của các mẫu hợp kim ............................................................. 52
H nh 3.2 Kết quả phân tích XRD mẫu có hàm lượng 0,3%Cu hóa già tại 30p .. 53
H nh 3.3 Kết quả phân tích XRD với mẫu có hàm lượng 0,4%Cu hóa già tại 30p
.............................................................................................................................. 54
H nh 3.4 Kết quả đo độ cứng HB ........................................................................ 56
H nh 3. Giản đồ thử kéo mẫu M3 và thời gian hóa hóa già 25p ....................... 57
H nh 3. Giản đồ thử kéo mẫu M4 và thời gian hóa hóa già 25p ....................... 57
H nh 3. Giản đồ thử kéo mẫu M3 và thời gian hóa già 30p .............................. 57
H nh 3. Giản đồ thử kéo mẫu M4 và thời gian hóa già 30p .............................. 58
H nh 3. Giản đồ thử kéo mẫu M3 và thời gian hóa già 35p .............................. 58
H nh 3.1 Giản đồ thử kéo mẫu M4 và thời gian hóa hóa già 35p ..................... 58
H nh 3.11 Biểu đồ giới hạn bền theo thời gian ................................................... 59
H nh 3.12 Độ bền và độ dãn dài của mẫu M3 và M4 tại 25p so với mẫu 6063 . 59
H nh 3.13 Độ bền và độ dãn dài của mẫu M3 và M4 tại 30p so với mẫu 6063 . 60
H nh 3.14 Độ bền và độ dãn dài của mẫu M3 và M4 tại 35p so với mẫu 6063 . 60
H nh 3.1 Ảnh hiển vi quang học của mẫu chứa 0.3% Cu hóa già tại 30p ........ 62

H nh 3.1 Ảnh hiển vi quang học của mẫu chứa 0.4%Cu hóa già tại 30p ......... 62
H nh 3.1 Ảnh SEM của hợp kim Al-1.0Mg2Si ................................................. 63
H nh 3.1 Cấu trúc tổ ong của pha Q (Vùng 2 của hình 3.17) ........................... 64
H nh 3.1 Ảnh SEM mặt gãy của mẫu sau thử kéo hợp kim Al-1.0Mg2Si0.35%Cu............................................................................................................... 65
H nh 3.2 Pha Q-AlCuMgSi với cấu trúc tổ ong phức tạp ................................. 65
H nh 3.21 Ảnh TEM của hợp kim Al-Mg-Si-Cu ................................................ 66
H nh 4. .1 Bảng thành phần mẫu chứa 0.1%Cu ................................................. 69
H nh 4. .2 Bảng thành phần mẫu chứa 0.2%Cu ................................................. 70
H nh 4. .3 Bảng thành phần mẫu chứa 0.3%Cu ................................................. 71
H nh 4. .4 Bảng thành phần mẫu chứa 0.4%Cu ................................................. 72
H nh 4. . Bảng thành phần mẫu chứa 0.5%Cu ................................................. 72
H nh 4. . Kết quả đo độ giãn dài của mẫu 0.3%Cu hóa già 25p ...................... 73

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải


Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

Luận văn tốt nghiệp

H nh 4. . Kết quả đo độ dãn dài của mẫu 0.4%Cu hóa già 25p ........................ 74
H nh 4. . Kết quả đo độ dãn dài của mẫu 0.3%Cu hóa già 30p ........................ 75
H nh 4. . Kết quả đo độ dãn dài của mẫu 0.4%Cu hóa già 30p ........................ 76
H nh 4. .1 Kết quả đo độ dãn dài của mẫu 0.3%Cu hóa già 35p ...................... 77
H nh 4. .11 Kết quả đo độ dãn dài của mẫu 0.4%Cu hóa già 35p ...................... 78

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải


Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

Luận văn tốt nghiệp

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Độ hòa tan của Si và Mg vào trong Al (theo trọng lượng) .................... 8
Bảng 1.2 Một số hệ hợp kim Al-Mg-Si của các nước ......................................... 10
Bảng 1.3 Tính chất vật lý của hợp kim Al-Mg-Si có (%Mg + %Si = 1%) ......... 10
Bảng 1.4 Thành phần một số avian công nghiệp ................................................ 11
Bảng 1.5 Thành phần một số hợp kim Al-Mg-Si-Cu .......................................... 16
Bảng 1.6 Quá trình tiết pha và cấu trúc của pha trong các hợp kim nhôm ......... 21
Bảng 1.7 Cấu trúc pha và quá trình tiết pha của hợp kim 6xxx .......................... 25
Bảng 1.8 Thành phần hóa học của một số mẫu hợp kim Al-Mg-Si-Cu .............. 31
Bảng 2.1 Thành phần hóa học của hợp kim 6063 ............................................... 33
Bảng 2.2 Ký hiệu và tên gọi ................................................................................ 42
Bảng 2.3 Lực thử đối với các điều kiện thử khác nhau ....................................... 42
Bảng 2.4 Tỷ số 0,102 x F/D2 đối với vật liệu kim loại khác nhau ..................... 43
Bảng 2.5 Kích thước mẫu thử kéo ...................................................................... 45
Bảng 3.1 Thành phần hợp kim Al-Mg-Si-Cu nghiên cứu ................................... 52
Bảng 3.2 Kết quả đo độ cứng các mẫu ................................................................ 55
Bảng 3.3 Bảng cơ tính của hợp kim nhơm 6063 ................................................. 61

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải


Luận văn tốt nghiệp

Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Phân loại hợp kim nhơm

1.1.1

Hệ thống kí hiệu cho hợp kim nhôm

Ký hiệu tiêu chuẩn của các họ hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn ASTM
oại biến dạng

oại đúc

1xxx

Al sạch ( 99%)

1xx.x

Al thỏi

2xxx

Al-Cu hoặc Al-Cu-Mg

2xx.x

Al-Cu

3xxx

Al-Mn

3xx.x

Al-Mn

4xxx

Al-Si

4xx.x

Al-Si

5xxx

Al-Mg

5xx.x

Al-Mg

6xxx

Al-Mg-Si

6xx.x

Al-Mg-Si

7xxx

Al- n-Mg hoặc Al-Zn-Mg-Cu

7xx.x

Al-Zn

8xxx

Al-các nguyên tố khác

8xx.x

Al-Sn

1.1 Ký hiệu các họ hợp kim nhôm Theo tiêu chuẩn ASTM
Trong đó:
 Mác nhơm sạch 1xx.x, chữ số thứ 2 và chữ số thứ 3 chỉ hàm lượng nhôm
vượt quá 99%, giá trị của chúng là hai chữ số ngay sau dấu thập phân,
chính xác đến 0,01%. VD: 170.0 có chứa 99,70%.
 Mác 2xx.x đến 9xx.x: các chữ số thứ 2 và thứ 3 phân loại hợp kim khác
nhau trong nhóm.
 Trong tất cả các kí hiệu hợp kim đúc, con số thứ 4, chữ số ngay bên phải
dấu chấm, chi cho ta biết dạng sản phẩm:
• 0 chỉ vật đúc castings
• 1 chỉ khn đúc thỏi tiêu chuẩn

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải

1

Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

Luận văn tốt nghiệp

• 2 chỉ đúc thỏi có dải thành phần hẹp hơn so với đúc thỏi tiêu
chuẩn.
 Chữ cái tiếp đầu A, B, C: biểu hiện sự khác biệt về thành phần các tạp
chất trong một mác hợp kim. VD: HK 356 có hàm lượng các tạp chất
khác nhau, nhất là Fe, sẽ được kí hiệu là A356, B356, C356. Thành phần
các nguyên tố hợp kim hoàn toàn giống nhau.
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1659-75 quy định ký hiệu hợp kim nhôm được bắt
đầu bằng Al và tiếp theo lần lượt ký hiệu hoá học của nguyên tố hợp kim cùng
chỉ số % của nó, nếu là hợp kim đúc thì sau cùng có chữ Đ (Ví dụ: AlCu4Mg là
hợp kim nhơm chứa 4% Cu, 1%Mg). Với nhôm sạch ký hiệu bằng Al và chỉ số
phần trăm của nó (ví dụ: Al99; Al99,5).

1.1.2

Phân loại hợp kim nhôm

1.2 Phân loại hợp kim Al theo giản đồ pha

Trong thực tế nhôm được sử dụng chủ yếu ở dưới dạng hợp kim. Về thành phần
thì nhơm là chủ yếu, ngồi ra cịn có các ngun tố khác đưa vào để cải thiện các
tính chất của nhơm, mục đích tạo ra các hợp kim có đặc tính tối ưu phù hợp với
yêu cầu kỹ thuật. Hợp kim nhơm có cơ tính tố hơn nhơm ngun chất, độ bền

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải

2


Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

Luận văn tốt nghiệp

riêng cao, dễ chế tạo và rẻ hơn nên ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các
ngành công nghiệp và đời sống hàng ngày.
Phụ thuộc vào bản chất của nguyên tố hợp kim hóa và thành phần của chúng có
các tính chất khác nhau. Cách phân loại thơng dụng hiện nay là chia hợp kim
nhơm thành 2 nhóm: hợp kim nhôm biến dạng và hợp kim nhôm đúc được phân
biệt theo giản đồ trạng thái nhôm – các nguyên tố hợp kim. Trên giản đồ Hình
1.2 chỉ rõ các vùng thành phần của hai loại hợp kim này.
a) Hợp kim nhơm biến dạng
à hợp kim nhơm có thành phần với hàm lượng nguyên tố hợp kim nằm ở trong
giới hạn của dung dịch rắn, tức ở bên trái điểm C’’ (hình 1.2). Hợp kim nhơm
biến dạng được dùng khá phổ biến. Biến dạng với hai mục đích: biến dạng tạo
hình, biến dạng làm thay đổi tổ chức dẫn đến làm thay đổi tính chất của hợp kim.
Dựa vào khả năng có hoặc khơng thể hóa bền bằng nhiệt luyện, hợp kim nhôm
biến dạng lại được chia ra làm hai loại:
Hợp kim nhơm biến dạng khơng thể hóa bền bằng nhiệt luyện. Những họ hợp
kim: Al – Mn (Mn = 1,0-1,6%) và Al – Mg (Mg < 0,60%) thuộc nhóm này.
-

Hợp kim nhơm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện. Nhóm này bao gồm
các họ:
+) Al – Cu – Mg (hay còn gọi là đuara);
+) Al – Mg – Si (còn gọi là avian)
+) Al – Mg – Si – Cu

+) Al – Zn – Mg – Cu (hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao)
+) Al – Mg – Si – Fe – Ni; Al – Cu – Mg – Fe – Ni; Al – Cu – Mn.

Hợp kim nhôm biến dạng khơng hóa bền bằng nhiệt luyện được bởi vì, khi nâng
nhiệt độ, trong nhơm khơng có hoặc có chuyển biến pha nhưng chuyển biến pha
xảy ra rất chậm chạp, q trình bão hịa của các ngun tố trong nền hợp kim
không đáng kể làm cho tổ chức và tính chất của hợp kim khơng thay đổi sau
nhiệt luyện.

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải

3


Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

Luận văn tốt nghiệp

Với hợp kim nhơm hóa bền bằng nhiệt luyện, muốn tăng bền người ta có thể tơi
+ hóa già.
Hợp kim nhơm biến dạng có một số đặc điểm sau đây:
- Hàm lượng các nguyên tố hợp kim khá nhỏ. Khi nung nóng các ngun tố hợp
kim này có thể hịa tan hết vào trong dung dịch đặc nên hợp kim dẻo, dễ biến
dạng.
- Do phải biến dạng nên hợp kim cần có độ dẻo cao hơn rất nhiều so với nhơm
đúc nên hàm lượng các ngun tố có hại, thí dụ sắt và silic, phải được khống chế
rất chặt chẽ và càng ít càng tốt.
- Các chi tiết sau biến dạng bao giờ cũng còn tồn tại ứng suất dư gây biến cứng
và làm cho chi tiết bền hơn. Bởi vậy thường phải nhiệt luyện chi tiết trước khi sử
dụng để phát huy hết khả năng của hợp kim nhôm biến dạng.

- Khả năng chống ăn mịn của hợp kim nhơm biến dạng rất kém. Các nguyên tố
như sắt và đồng thường làm giảm tính chống ăn mịn cho nên phải khống chế
chặt chẽ.
- Sau biến dạng nên tiến hành anôt hóa bề mặt để nâng cao tính năng sử dụng
cũng như tính thẩm mỹ cho chi tiết.
b) Hợp kim nhơm đúc:
Trong tổ chức của hợp kim nhôm đúc phải gồm chủ yếu là cùng tinh và do đó
chứa nhiều hợp kim hơn. Trong các hệ Al-nguyên tố hợp kim chỉ có hệ Al-Si có
cùng tính với thành phần hợp kim ít nhất (11,3%Si), nên tốn ít hợp kim, rẻ nên
thường dùng để đúc; còn ở các hệ khác cùng tinh có lượng chứa hợp kim cao hơn
rất nhiều như Al-Cu với 33%Cu, Al-Mg với 34,5%Mg nên đắt và bị hạn chế sử
dụng.
Cơ tính của vật đúc hợp kim nhơm phụ thuốc nhiều vào tốc độ nguội và biến
tính. Đúc trong khuôn kim loại (ly tâm, áp lực) do nguội nhanh hơn nhiều trong
khuôn cát nên tổ chức nhận được nhỏ mịn hơn, cải thiện mạnh cơ tính. Biến tính
có tác dụng mạnh đến tổ chức và cơ tính của hợp kim Al-Si.

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải

4


Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

Luận văn tốt nghiệp

Đây là loai vật liệu kết cấu được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật. Ngày nay, các
cơng trình nghiên cứu, một mặt cố gắng tìm ra những giải pháp nhằm nâng cao
tính cơng nghệ, mặt khác là tạo ra nhũng loại hợp kim mới có tính năng hồn hảo
hơn, phù hợp với nhu cầu của thực tế sản xuất. Trong phần này giới thiệu chủ

yếu về hợp kim nhôm đúc.
1.2 Hợp kim nhơm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện

1.2.1

Hợp kim nhôm với 4% Cu

1.3 Giản đồ trạng thái Al-Cu
Độ hịa tan của Cu trong nhơm giảm theo nhiệt độ, khi lượng Cu chứa 54% sẽ tạo
thành hợp chất CuAl2 (θ). Từ giản đồ trạng thái ta thấy hợp kim có tổ chức gồm
dung dịch rắn (có 5%Cu) và các phân tử pha CuAL2 II tiết ra từ dung dịch rắn đó.
Khi nung nóng hợp kim này lên đến nhiệt độ cao hơn đường hòa tan giới hạn CD
( nhiệt độ 5480C) các phân tử CuAL2 II sẽ hoàn tan hết vào dung dịch rắn nên sau
khi tơi có được dung dịch rắn α quá bão hóa chứa tới 4%Cu. Tổ chức tế vi của

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải

5


Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

Luận văn tốt nghiệp

hợp kim sau khi tôi chỉ là dung dịch rắn (α+θ), các pha CuA

2 II

khi hóa già đã

tiết ra để hóa bền.

1.2.2

Hợp kim Al-Mg-Cu

(a)

(b)

1.4 Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ pha ba cấu tử hệ Al-Cu-Mg ở 2000C(a) và
5000C(b);
1 – AlCu4,2Mg0,25Mn0,4; 2 – AlCu2,6Mg0,35Mn0,1; 3 –
AlCu4,3Mg0,60Mn0,6; 4 – AlC4,3Mg1,50Mn0,6; 1 – AlCu4,0Mg2,0Mn0,6
Theo giản đồ pha (hình 1.4) ta thấy độ hịa tan của các pha θ(CuAl2) và
S(CuMgAl2) tăng lên khi tăng nhiệt độ. Do đặc điểm này, có thể dễ dàng nhận
được dung dịch rắn α quá bão hòa bằng cách tơi. Khi hóa già phụ thuộc vào nhiệt
độ và thời gian giữ nhiệt. Sự tiết pha xảy ra có thể ở các trạng thái khác nhau như
vùng GP. Các pha chuyển tiếp giả ổn định θ’, hoặc S’ hoặc các pha ổn định
θ(CuAl2) và S(CuMgAl2) kích thước nhỏ, phân tán đều trong nền dung dịch rắn
α. Tất cả các pha này đều tạo ra hiệu ứng hóa bền đáng kể. Tuy vậy, sự hình
thành tổ chức gồm hỗn hợp vùng GP với các pha giả ổn định θ’, S’ sẽ cho ta các
chỉ tiêu về cơ tính lớn nhất.
Các tạp chất Fe, Si gây ảnh hưởng xấu đến cơ tính của đua-ra (Al-Mg-Cu), chúng
có thể tạo ra các pha dạng Cu2FeAL7, vừa gây giòn hợp kim do kết tinh ở dạng

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải

6

Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

Luận văn tốt nghiệp

thô to, vừa làm giảm hiệu quả của nhiệt luyện do chiếm giữ một lượng đồng đáng
kể tạo pha hóa bền. Trong thực tế người ta cố gắng giảm thấp các tạp chất này.
Khống chế tỷ lệ của chung để tạo ra các pha dạng α(Al-Fe-Si-Mn) kết tinh thành
hạt nhỏ, ít ảnh hưởng đến độ dẻo, không làm giảm hiệt quả háo bền khi tơi và
hóa già.
Với hàm lượng Mg nhiều thì xuất hiện các pha S (CuMgAl2) và pha T
(CuMg5Al5) khi tỉ lệ Mg/Cu mà lớn thì có thêm pha Mg2Al3… Tất cả các pha
này đều tạo ra một hiệu ứng hóa bền đáng kể.
Đưa thêm Mn với hàm lượng nhỏ 0,8%, Cr nhỏ hơn 0,3% sẽ làm nhỏ hạt, tăng cơ
tính đặc biệt là độ dai phá hủy. Đồng với hàm lượn nhỏ hơn 0,5% có tác dụng tốt
làm tăng cơ tính, nhưng nếu vượt quá giá trị này sẽ làm giảm khả năng chống ăn
mòn của hợp kim.

1.2.3

Hợp kim nhôm hệ Al-Mg-Si

1.2.3.1. Giới thiệu về hệ hợp kim nhôm biến dạng Al – Mg – Si
Nhờ độ bền cao hơn, nên nhôm thường được dùng ở trạng thái hợp kim. Theo
giản đồ pha các hợp kim nhôm được chia thành hợp kim nhôm đúc và hợp kim
nhôm biến dạng. Hợp kim nhôm biến dạng là hợp kim nhôm có thành phần các
nguyên tố hợp kim nằm trong giới hạn của dung dịch rắn α. Hợp kim nhôm biến
dạng được chia thành hợp kim nhơm biến dạng khơng hóa bền bằng nhiệt luyện
và hợp kim nhơm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện. Các hợp kim nhôm
biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện ở nhiệt độ thường ngồi dung dịch rắn

α cịn có pha thứ hai, khi nung nóng pha này hịa tan vào dung dịch rắn, khi làm
nguội nhanh sẽ nhận được dung dịch rắn quá bão hịa; khi được cung cấp năng
lượng (nung nóng, biến dạng) dung dịch rắn quá bão này sẽ bị phân hóa tiết ra
các pha phân tán làm tăng độ bền của hợp kim.
Hợp kim nhơm biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện hệ Al – Mg – Si được
tìm ra sau chiến tranh thế giới thứ nhất (~1920) ở Thụy sĩ. Các nguyên tố hợp
kim chính gồm Mg và Si đều là các nguyên tố nhẹ. Độ hòa tan của chúng vào
dung dịch rắn  tăng theo nhiệt độ (bảng 1.1).

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải

7


Luận văn tốt nghiệp

Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

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 mịn, độ dai va
đập và chống uốn. Mn với hàm lượng lớn ( 0,8) sẽ làm giảm hiệu quả hóa bền
và gây thơ 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.
Bảng 1.1 Độ hòa tan của Si và Mg vào trong Al (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

1.5 Mặt cắt đẳng nhiệt của giản đồ pha Al-Mg-Si ở 5500C và 2000C
Hình 1.5 là giản đồ pha Al-Mg-Si với các mặt cắt đẳng nhiệt ở 5500C và 200 0 C,
Si và Mg tạo nên pha liên kim loại Mg2Si tương ứng với tỉ lệ khối lượng giữa Mg

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải

8


Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

Luận văn tốt nghiệp

và Si là 1,73. Trên giản đồ pha giả hai nguyên Al-Mg-Si (hình 1.6), ta thấy ở
nhiệt độ cùng tinh 595 0 C độ hịa tan của Mg2Si vào nhơm là 1,85%.
Độ hòa tan của Mg2Si 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 tơi. Q trình hóa già tiếp
theo sẽ tạo ra hiệu ứng hóa bền do tiết pha phân tán.

1.6 Mặt cắt giả hệ Al - Mg - Si qua Al-Mg2Si
Các hợp kim thuộc hệ hai nguyên giả, tức là tỉ lệ i = %Mg/%Si = 1,73 chỉ chứa
hai pha  và Mg2Si. Pha Mg2Si nóng chảy ở 10870C, độ cứng tế vi
Hm=4500Mpa mạng lập phương tâm khối thuộc nhóm Fm3m với 12 nguyên tử

trong một ô cơ bản, thông số mạng a = 6,3510A. Với hàm lượng thích hợp pha
Mg2Si sẽ làm tăng bền hợp kim, nhưng khi quá nhiều sẽ làm hợp kim biến dịn,
khó gia cơng áp lực.

ượng Si dư khi tạo ra pha Mg2Si làm tăng bền và ảnh

hưởng xấu đến khả năng chịu ăn mòn. Với lượng Mg dư (khi tạo pha Mg 2Si sẽ
ảnh hưởng xấu đến cơ tính do Mg2Si tiết ra ở trên tinh giới hạt). Ngày nay người
ta thường sử dụng hợp kim Al-Mg-Si với tổng lượng Si và Mg đạt giá trị lớn nhất
là 2%, trong đó hàm lượng Si (0,3  1,0%) và Mg (0,4  0,9%). Ở bảng 1.2 giới
thiệu một số hệ hợp kim Al-Mg-Si của các nước. Trong các hệ hợp kim này,
người ta có xu hướng tăng hàm lượng Si so với tỉ lệ i = %Mg/%Si = 1,73.
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 và 0,6%

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải

9


Luận văn tốt nghiệp

Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

Mg sẽ bị giảm khoảng 10 Mpa khi tăng hàm lượng sắt từ 0,1% lên 0,4 %. Tạp
chất Fe làm giảm khả năng chống ăn mòn của hợp kim. 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 nhẹ khác có độ
bền tương tự. Một số tính chất vật lý của hợp kim hệ Al-Mg-Si có tổng lượng
(%Mg + %Si = 1%) – mác 6063 trình bày trong bảng 1.3.

Bảng 1.2 Một số hệ hợp kim Al-Mg-Si của các nước
Nước

Anh

Tiêu
chuẩn

Mác hợp kim

%Mg

%Si

BS

H9,372B,
BA24

0,4-0,9

0,30,7

D3D,346A

0,40,15

0,61,3

6063, GS10A

0,450,9

0,20,6

6061, GS11A

0,8-1,2

0,40,8

DTD
BA

Mỹ

AA
ASTM

%Fe

%Mn

%Cr

0,150,35

*Giá trị có thể coi là tạp chất
Bảng 1.3 Tính chất vật lý của hợp kim Al-Mg-Si có (%Mg + %Si = 1%)
Các đại lượng vật lý

Khối lượng riêng, g/cm3
Khoảng nhiệt độ nóng chảy, 0C
Mơ-đun đàn hồi, kG/mm2
Hệ số giãn nở nhiệt trong khoảng (20-2000C), 1/độ
Khả năng dẫn nhiệt, Kcal/m.h.độ
Điện trở suất, Ωmm2/m

Giá trị
2.71
590-600
6500-7500
22,7.10-6 – 3,0. 10-6
130-170
0.0315-0.03851

*Ωmm2/m = 1µΩm

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải

10


Luận văn tốt nghiệp

Khoa học và kỹ thuật Vật liệu
1.2.3.2. Cô g g ệ gia cô g c ế tác

Hệ hợp kim biến dạng Al-Mg-Si còn được gọi là avian, nghĩa là hợp kim nhôm
dùng để chế tạo máy bay. Thành phần một số avian công nghiệp cho trong bảng
1.4. Do có tính cơng nghệ tốt, đặc biệt là khả năng biến dạng dẻo cho phép ép

đùn với tốc độ 60m/ph nên thường được đúc thành thỏi có kích thước 10 ÷ 14 cm
sau đó cán hay ép ở nhiệt độ 5000C ÷ 5400C và làm nguội trong nước hoặc khơng
khí. Sau q trình gia cơng tạo hình, vật phẩm được đem hóa già ở trong một thời
gian nhất định để thu được độ bền mong muốn. Cuối cùng là xử lý bề mặt hay
cịn gọi là anốt hóa để tăng tính thẩm mỹ, trang trí, đồng thời tăng thêm khả năng
chống mài mòn và ăn mòn.
Họ AA6xxx thuộc hệ Al - Mg - Si với pha hóa bền Mg2Si và các mác điển hình
là AA 6061 và AA 6070 với các đặc tính là:
- Có độ bền kém đura (σb =400Mpa).
- Có tính dẻo cao hơn ở trạng thái nóng lẫn trạng thái nguội và có tính hàn cao.
Các mác trên được dùng rộng rãi để ép chảy thành các khung nhơm qua anot hóa
(với chiều dày hàng chục μm) có tác dụng bảo vệ tốt, chống ăn mịn trong khí
quyển, có nhiều màu sắc và một phần chống mài mịn làm các kết cấu có tính mỹ
thuật, trang trí rất đa dạng từ khung (cửa các loại, tường vách ngăn trang trí, tủ,
hộp...), ống cho đến bản in.
Bảng 1.4 Thành phần một số avian cơng nghiệp
Ngun tố chính (%)

Nguyên tố phụ (%)

Mg

Si

Cu

Fe

Cr

Mn

AA6061

0,8-1,2

0,4-0,8

0,15-0,4

<0,7

0,04-0,35

<0,15

AA6063

0,45-0,9

0,2-0,6

<0,1

<0,65

<0,1

<0,1

AA6060

0,35-0,6

0,3-0,6

<0,1

0,1-0,3

0,05

0,1

1.2.4

Công nghệ nhiệt luyện

Thông qua giản đồ pha trạng thái của nhơm (hình 1.2), ta thấy α là dung dịch đặc
dẻo ở nhiệt độ cao có thể hòa tan nhiều nguyên tố hợp kim. Khi nhiệt độ giảm
dẫn đến năng hòa tan cũng sẽ giảm theo, từ đó tiết ra pha β rắn làm giảm độ dẻo

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Hải

11