Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự thay đổi cấu trúc mạng tinh thể của hợp kim nhôm ma giê khi biến dạng ở nhiệt độ âm bằng phương pháp mô phỏng số động học phân tử.docx

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự thay đổi cấu trúc mạng tinh thể của hợp kim nhôm ma giê khi biến dạng ở nhiệt độ âm bằng phương pháp mô phỏng[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự thay đổi cấu trúc mạng tinh thể của hợp kim nhôm ma giê khi biến dạng ở nhiệt độ âm bằng phương pháp

Giảng viên hướng dẫn: TS ĐẶNG THỊ HỒNG HUẾ

Bộ môn: Cơ học vật liệu và Biến dạng kim loại

HÀ NỘI, 10/2021

Chữ ký của GVHD

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

Đề tài : Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự thay đổi cấu trúc mạng tinh thể

của hợp kim nhôm ma giê khi biến dạng ở nhiệt độ âm bằng phương pháp môphỏng số động học phân tử

Tác giả luận văn: Trần Văn Khánh Khóa: 2020A

Người hướng dẫn: TS ĐẶNG THỊ HỒNG HUẾ

Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Giáo viên hướng dẫn

Ký và ghi rõ họ tên

TS ĐẶNG THỊ HỒNG HUẾ

Lời cảm ơn

Để hoàn thành luận văn này, trước hết tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết

ơn tới TS Đặng Thị Hồng Huế, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong quá trìnhthực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô của Viện Khoa học và Kỹ thuật vậtliệu, đặc biệt là các thầy cô của Bộ môn Cơ học vật liệu và Biến dạng kim loại, các

em sinh viên trong nhóm nghiên cứu của tôi đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong thời gianhọc tập và làm nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè vì sự quan tâm, động viên và luônđồng hành cùng tôi theo thời gian

Lời cam đoan

Tôi, Trần Văn Khánh xin cam đoan, luận văn là công trình nghiên cứu củatôi dưới sự hướng dẫn của TS Đặng Thị Hồng Huế

Các kết quả nêu trong báo cáo luận văn là trung thực, không sao chép ở bất

cứ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2021

HỌC VIÊN

Trần Văn Khánh

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự thay đổi cấu trúc mạng

tinh thể của hợp kim nhôm ma giê khi biến dạng ở nhiệt độ âm bằng phương pháp mô phỏng số động học phân tử.

Tác giả luận văn: Trần Văn Khánh Khóa: 2020 A

Người hướng dẫn: TS ĐẶNG THỊ HỒNG HUẾ

Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Từ khóa: Mô phỏng số động học phân tử, cấu trúc mạng tinh thể FCC,

khoang trống, lệch, hợp kim nhôm ma giê

Nhôm và hợp kim nhôm là vật liệu được sử dụng rộng rãi trong đời sống bởitrọng lượng nhẹ, khả năng chống ăn mòn trong môi trường nước biển cao và có tínhdẫn điện, dẫn nhiệt tốt Bên cạnh đó, độ bền của hợp kim nhôm cao hơn nhiều sovới kim loại nhôm nguyên chất Tuy nhiên, so với thép thì giới hạn bền và giới hạnchảy của đa số hợp kim nhôm thấp hơn Nhằm tận dụng ưu điểm là khả năng chống

ăn mòn trong nhiều môi trường và đặc biệt trong môi trường nước biển và tận dụngđặc điểm về trọng lượng nhẹ của loại vật liệu này để thay thế các chi tiết bằng théptrong công nghiệp hàng không, công nghiệp khai thác dầu mỏ, nhiều nghiên cứu cảithiện độ bền của hợp kim nhôm đã được công bố trên thế giới Tuy nhiên, cácnghiên cứu đối với hợp kim nhôm ma giê còn hạn chế, đặc biệt là nghiên cứu ảnhhưởng của nhiệt độ đến sự biến đổi cấu trúc và cơ tính bằng phuwong pháp môphỏng số động học phân tử Vì vậy, luận văn lựa chọn vấn đề này để thực hiện vớimục tiêu tìm ra nhiệt độ tối khi biến dạng nhằm thu được hợp kim nhôm ma giê có

độ bền cao Phương pháp nghiên cứu được tác giả sử dụng là nghiên cứu lý thuyếtkết hợp với mô phỏng số Cụ thể, các vấn đề liên quan đến cơ sở lý thuyết về nhôm

và hợp kim nhôm như đặc điểm kiểu mạng, giản đồ pha của hợp kim hai nguyên,thành phần các nguyên tố hóa học có trong vật liệu, các phương pháp tăng bền, xử

lý nhiệt với hợp kim nhôm đã được trình bày chi tiết trong luận văn trong phần tổngquan Phương pháp mô phỏng số động học phân tử được tác giả sử dụng để lý giải

cơ chế biến đổi cấu trúc, cơ chế tạo các hạt siêu mịn do sự biến đôit cấu trúc và sự

Thực hiện quá trình mô phỏng động học phân tử ở các nhiệt độ các nhiệt độkhác nhau lần lượt là: -196oK, 300oK, 600oK, với độ biến dạng là 80% Kết quả môphỏng chỉ ra rằng độ bền của mẫu ở -196oK lớn nhất Điều này được giải thích là do

ở nhiệt độ âm, khả năng biến dạng ở hợp kim nhôm

( VIẾT TIẾP KHI PHÂN TÍCH XONG KẾT QUẢ)

Học viên

Ký và ghi rõ họ tên

Trần Văn Khánh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM

1.1 Tổng quan vật liệu nhôm và hợp kim nhôm ma giê

1.1.1 Cấu trúc của nhôm và hợp kim nhôm ma giê

1.1.2 Lệch mạng trong tinh thể nhôm và hợp kim nhôm

1.1.3 Ảnh hưởng của cấu trúc đến tính chất của hợp kim nhôm ma giê

1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự biến đổi cấu trúc của hợp kim nhôm ma giê.1.3 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4 Kết luận

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ

2.1 Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử

2.2 Xây dựng mô hình động lực học phân tử

2.2.1 Thế tương tác

2.2.2 Mô hình động lực học phân tử

2.3 Phân tích cấu trúc

2.3.1 Hàm phân bố xuyên tâm

2.3.2 Số phối trí và đơn vị phối trí

3.1 Thiết lập mô hình hình học, nguyên tử

3.2 Đinh nghĩa hàm năng lượng và các nhóm nguyên tử

3.2.1 Thiết lập điều kiện biên về nhiệt độ

3.3 Thiết lập file đầu ra của quá trình mô phỏng

3.4 Phân tích kết quả và kết luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Nhôm kim loại và hợp kim nhôm ma giê

Nhôm là vật liệu kim loại có khối lượng riêng bằng một phần ba thép và nhỏhơn đồng, tỉ số độ bền trên một đơn vị khối lượng cao là yếu tố giúp vật liệu nàyđược sử dụng rộng rãi trong sản xuất Thực tế, trên thế giới có hơn 1600 vật liệu kỹthuật được sử dụng, trong đó có 300 loại nhôm và hợp kim nhôm với hơn 50 mácthông dụng Ban đầu, hợp kim nhôm được sử dụng để thay thế gang đúc và hợp kimđồng bởi khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường, đặc biệt tỏng môi trườngnước biển Ngày nay, nhôm đã dần thay thế rất nhiều loại vật liệu khác với mục đíchgiảm trọng lượng chi tiết nhất là công nghiệp hàng không, vũ trụ Trong côngnghiệp ô tô, hóa chất, các chi tiết làm việc dưới môi trường nước biển, hợp kimnhôm được thay thế thép bởi khả năng chống ăn mòn Vì tính ứng dụng cao nên vậtliệu này ngày càng được sử dụng rộng rãi Các nghiên cứu tập trung vào cải thiệntính chất cơ lý, hóa nhằm đáp ứng ngày càng tốt hơn yêu cầu kỹ thuật khi sử dụngloại vật liệu này đã được thế giới quan tâm trong nhiều năm trở lại đây

Hơn nữa, nhôm và hợp kim của nó là một vật liệu có độ dẻo cao nên khả năngbiến dạng lớn, có tính dẫn nhiệt, dẫn điện tốt Nhôm được sử dụng rộng rãi thứ haitrên thế giới chỉ sau thép Đây là nguyên tố có trữ lượng lớn thứ ba trong vỏ trái đất,nhôm có nguồn gốc từ bauxite khoáng sản Bauxite được chuyển đổi thành oxitnhôm (alumina) thông qua quy trình của nhà bác học Bayer Tất cả nhôm trongcông nghiệp được sản xuất bởi quy trình này từ năm 1886 cho đến nay, các tínhnăng cơ bản của nhôm nguyên chất không thay đổi kể từ khi Karl Josef Bayer đượccấp bằng sáng chế tại Đức năm 1888 Nhôm và hợp kim có các tính chất cơ, lý hóanổi bật như sau:

1 Tính chống ăn mòn

Khi tiếp xúc với không khí, lớp oxit nhôm hình thành tức thời trên bề mặtnhôm Lớp này có khả năng chống ăn tốt trong không khí, trong môi trường kiềmđặc biệt trong môi trường nước biển

2 Độ dẫn nhiệt

Độ dẫn nhiệt của nhôm lớn gấp ba lần thép, tính chất này khiến nhôm trởthành vật liệu quan trọng ứng dụng trong truyền nhiệt kể cả làm mát và sưởi ấm.Cùng với sự an toàn, không độc hại, đặc tính này giúp nhôm được dùng để chế tạodụng cụ nấu ăn và đồ dùng nhà bếp

3 Độ dẫn điện

Nhôm và đồng đều có khả năng dẫn điện rất cao, mặc dù độ dẫn điện củanhôm chỉ bằng 62% đồng, tuy nhiên khối lượng của nhôm lại chỉ bằng 1/3 khốilượng của đồng nếu tính trên 1m chiều dài dây dẫn có cùng đường kính Vì vậy, sốlượng dây dẫn điện bằng nhôm lớn gấp hai lần số lượng m dây dẫn bằng đồng trongngành điện

4 Độ phản xạ ánh sáng

Nhôm có khả năng phản xạ rất lớn các tia hồng ngoại và tia cực tím, độ phản

xạ của nhôm đối với ánh sáng khoảng 80% Điều này giúp nhôm được sử dụngtrong chế tạo các thiết bị chiếu sáng Nhôm được làm vật liệu cách nhiệt chống lạicác tia sáng vào mùa hè đồng thời chống mất nhiệt trong mùa đông Điều này làmnhôm có độ sáng đẹp trong trang trí nội thất

5 Tính chất cơ học

Nhôm có độ dẻo và khả năng biến dạng lớn mà không bị phá hủy nên vậtliệu này được sử dụng trong chế tạo nhiều chi tiết có kích thước và hình dạng phứctạp bằng công nghệ biến dạng, kéo, ép chảy, kéo dây… Bên cạnh đó, tính khả đúccủa nhôm cao do nhiệt độ nóng chảy thấp, độ co ngót thấp nên việc đúc chính xáccác chi tiết bằng nhôm thực hiện một cách dễ dàng, mang lại hiệu quả kinh tế cao

Thông thường, giới hạn bền kéo của nhôm khoảng 90 MPa, giới hạn này cóthể tăng lên tới 690 MPa nếu hợp kim hóa nhôm với một số kim loại khác

1.2 Hệ thống ký hiệu hợp kim nhôm

Khi nhôm được hợp kim hóa với một số nguyên tố phổ biến là đồng, thiếc, magiê, silic, măng gan và một lượng nhỏ crom, titan, zirconi, chì, bismuth, niken… thìtính chất cơ, lý, hóa của hợp kim nhôm thay đổi rất nhiều từ độ dẫn điện, dẫn nhiệt,khả năng chống ăn mòn và nhất là cơ tính Vì vậy, việc kiểm soát % các nguyên tốhợp kim đóng vai trò quan trọng trong việc thay đổi tính chất cơ học của hợp kimnhôm

Theo tiêu chuẩn Việt Nam 1659-75, ký hiệu hợp kim nhôm bắt đầu bằng chữ

Al, tiếp theo là ký hiệu của nguyên tố hợp kim cùng chỉ số % của nó, ví dụAlCu5Mg, Al99, Al99,5

Theo tiêu chuẩn Hoa kỳ (AA-Aluminum Association) xxxx (hợp kim nhômbiến dạng) và xxx.x (hợp kim nhôm đúc

6 Hợp kim nhôm AA5052

Bảng 1.1: Thành phần hợp kim AA5052

N tố Si Fe Cu Mn Cr Zn Mg Al

% KL

Bảng 1.2 Tính chất vật lý và cơ tính của hợp kim nhôm AA5052

Giới hạn kéo (MPa) 242 Sự dãn nở nhiệt 23.7x10-6/K

Độ giãn dài tương đối 12% Hệ số dẫn nhiệt 138W/m.K

Mô đun đàn hồi (Gpa) 70 Điện trở 0.0495x10-6 Ω.m

7 Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim

Magiê (Mg) là nguyên tố chính và tham gia vào quá trình hóa bền hợp kim,

làm tăng độ bền đồng làm giảm giới hạn bền mỏi và không làm giảm độ dẻo bằngcách cách tạo thành dung dịch rắn Độ hòa tan của Mg trong Al ở 577oC là 17.4%

và ở 250oC là 2.95% Với hàm lượng thấp Mg hòa tan hoàn toàn vào trong Al để tạo

ra dung dịch rắn α có độ bền cao hơn nhôm nguyên chất nhưng vẫn giữ được độdẻo Trong hợp kim được tăng cường dung dịch rắn, nguyên tố Mg hòa tan cũngđóng vai trò đến tốc độ đông đặc Tuy nhiên hàm lượng Mg cao cũng tạo nên phakết tủa β (Mg2Al3) ở ranh giới hạt không có lợi Để tránh tạo nên lưới Mg2Al3 người

ta thường chỉ dùng < 4% Mg để chống nhạy cảm với ăn mòn tinh giới và ăn mònứng suất Khi có mặt đồng thời Mg và Si có thể tạo ra pha Mg2Si được tiết ra từdung dịch rắn α có tác dụng tăng bền cho hợp kim Tuy nhiên nếu lượng Mg2Sinhiều thì sẽ làm giảm mạnh tính dẻo của hợp kim Đối với hợp kim AA5052 dohàm lượng Si không cao lên pha Mg2Si tạo ra không nhiều nên tác dụng hóa bềnkhông đáng kể

Sắt (Fe) thường được coi là tạp chất với hàm lượng 0.1-0.4% trong các hợp

kim nhôm nói chung và các hợp kim nhôm biến dạng nói riêng Sắt xâm nhập vàohợp kim nhôm từ nguyên liệu ban đầu hoặc do sự hòa tan sắt vào hợp kim lỏngtrong quá trình nấu luyện khi sử dụng nồi nấu bằng gang thép Sắt là nguyên tố cóảnh hưởng mạnh đến tính chất cơ học, lý tính và đặc tính công nghệ của hợp kim,sắt trong hợp kim nhôm sẽ tương tác với nhôm tạo pha Al3Fe rất giòn, kết tinh ởdạng hình kim thoi to Cùng tinh (α +Al3Fe) xuất hiện ngay cả khi hàm lượng Fe rấtnhỏ và phân bố đều theo biên giới hạt Tổ chức này làm tăng độ bền, độ cứng nhưnglại làm giảm mạnh tính dẻo - một chỉ tiêu quan trọng của hợp kim nhôm biến dạng;mặt khác nó còn làm tăng sự nhạy cảm với ăn mòn điện hóa do chênh lệch thế điệncực giữa Al và FeAl3 khá lớn Hợp kim nhôm chứa sắt (Fe) làm tăng nhiệt độ kếttinh lại

Silic (Si) hòa tan rất ít vào nhôm ở 577oC là 1.65% còn ở 250 oC là 0.05% Đốivới hợp kim nhôm biến dạng, hàm lượng Si thường dao động trong khoảng 0.2-1.2% Nếu hàm lượng Si ở mức thấp, nó sẽ hòa tan vào nhôm tạo ra dung dịch rắn

có độ bền cao hơn nhôm nguyên chất và vẫn giữ được độ dẻo cao Khi tăng hàmlượng Si sẽ tạo ra cùng tinh (α+Si) gồm những hạt Si dạng kim hoặc dạng hạt (nếuđược biến tính) trên nền α, cùng tính có độ bền cao hơn α nhưng độ dẻo lại kém.Khi tồn tại đồng thời cả Fe và Si sẽ xuất hiện các pha liên kim loại dạng xương cáα(Al-Fe-Si) và β(Al-Fe-Si) giòn và kết tinh ở dạng tấm thô to Trong trường hợpnày, độ dẻo và tính ổn định chống ăn mòn của hợp kim nhôm cũng bị giảm mạnh.Khi tăng hàm lượng Si thì hệ số giãn nở nhiệt và độ dẫn nhiệt của hợp kim giảm đi

Và cải thiện tính chảy lỏng của hợp kim

Mangan (Mn) làm giảm tác hại của Fe và làm giảm độ nhạy cảm với ăn mòn

ứng suất Theo giảng đồ pha Al-Mn thì Mn có thể hòa tan trong nhôm và tạo thànhdung dịch α Độ hòa tan lớn nhất trong Mn trong dung dịch rắn α đạt 1.8% ở 650oC

và giảm rất nhanh trong vùng nhiệt độ từ 450-650 oC Đây là vùng nhiệt độ tôi củaphần lớn các hợp kim nhôm công nghiệp Do ảnh hưởng của Fe và Si thì độ hòa tancủa Mn trong dung dịch rắn α cũng giảm đi

Chromium (Cr) được thêm vào để tăng độ dai va đập, độ cứng và đặc biệt

tăng khả năng chống ăn mòn tinh giới và ăn mòn khí quyển ngay cả trong điều kiện

ăn mòn trong nước biển Hàm lượng đồng (Cu) khoảng 0.10% để giảm ăn mòn cục

bộ Kẽm (Zn) có hàm lượng khoản 0.10% không có ảnh hưởng đến khả năng chống

ăn mòn nhưng tăng cường khả năng đúc và độ bền

8 Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến biến dạng vật liệu ở nhiệt độ âm

• Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ biến dạng trong quá trình biến dạng ở nhiệt độ âm ảnh hưởng làyếu tố ảnh hưởng lớn đến quy trình này Khác với khi biến dạng ở nhiệt độ nóngkim loại sẽ trở lên mềm và dẻo hơn thì biến dạng ở nhiệt độ âm tính chất và hành viứng xử của kim loại sẽ biến đổi Khi đó sẽ ảnh hưởng đến lực và công biến dạngcho quá trình Biến dạng ở nhiệt độ âm có ưu điểm là bề mặt đẹp mịn, ít bị oxy hóanhư biến dạng nóng Không xảy ra quá trình hòa tan khí làm thay đổi thành phần,tính chất các pha trong kim loại Hơn thế nữa nó làm tăng mạnh mật độ lệch hơn sovới biến dạng nguội hay biến dạng nóng vì nó ngăn ngừa được quá trình hồi phụchay kết tinh xảy ra trong biến dạng nóng Nhưng đồng thời nó làm tăng mạnh cáckhuyết tật mạng dễ gây phát triển thành các vết nứt tế vi dẫn đến quá trình phá hủyphôi Đối với giai đoạn ngâm mẫu ở nhiệt độ nitơ lỏng hay có thể gọi là ủ lạnh sẽ

xuất hiện một số khoảng nhiệt độ gây phát triển vết nứt tế vi gây hiện tượng mẫu bịgiòn nên cần phải nghiên cứu và tránh gia công ở khoảng nhiệt độ này.

• Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng

Ứng suất chảy thường tăng với tốc độ biến dạng, tốc độ biến dạng tác động tạimột hằng số biến dạng có thể lấy xấp xỉ:

σ = C ε &n (1.1) Trong đó C là hằng số hóa bền, nó phụ thuộc vào biến dạng, nhiệt độ và vậtliệu; n là hằng số nhạy cảm của ứng suất với tốc độ biến dạng Trong hầu hết cáckim loại tại nhiệt độ phòng chỉ số n là thấp Tỷ lệ của các ứng suất chảy σ2 và σ1 tạicác tốc độ biến dạng ́ ε2 và ́ ε1 là:

σ ≈ & ε & ε

& & (1.3)

Tuy nhiên, chú ý trong một số trường hợp quan trọng, ví dụ nếu mong muốn để

dự báo tải trọng hình thành trong kéo dây hoặc biến dạng tấm (ở đó tốc độ biếndạng có thể lên đến 104/s) từ dữ liệu nhận được trong thí nghiệm kéo, mà ở đó tốc

độ biến dạng có thể thấp đến 10-4/s, ứng suất chảy có thể hiệu chỉnh trừ khi n là rấtnhỏ Tỷ số được tính toán từ công thức trên cho các mức độ thay đổi

Chú ý ở đây phải phân biệt được tốc độ biến dạng và tốc độ hay vận tốc củadụng cụ gia công Tốc độ biến dạng được hiểu là mức độ biến dạng trên một đơn vịthời gian (1/s), còn vận tốc gây biến dạng là mức độ chuyển vị trên một đơn vị thờigian (mm/s)

1.3 Khuyết tật đường trong mạng tinh thể của nhôm và hợp kim nhôm

Các sai lệch điểm như nút trống, nguyên tử xen kẽ, … nếu chúng nằm liềnnhau trên một đường thằng trong mạng tinh thể hợp kim nhôm, chúng tạo ra sai lệchđường Tuy nhiên dạng sai lệch này không có tính ổn định cao, ví dụ như các núttrống có thể tập trung thành cụm hoặc phân tán đều dưới những tác dụng khác nhau.Dạng điển hình nhất của sai lệch đường mà là lệch (dislocation) Chúng có nhữngdạng hình học nhất định và tính ổn định cao

Lý thuyết về lệch ngày nay đã trở thành bộ phận quan trọng của vật lý chất rắnnói chung và vật lý kim loại nói riêng Nó giúp giải thích được nhiều vấn đề về cơtính, lý tính của kim loại và hợp kim mà trước đây dựa trên những lý thuyết cổ điểnchưa có sự giải thích đúng đắn Ngoài ra, thuyết lệch đã mở ra những triển vọngmới và to lớn trong việc chế tạo kim loại và hợp kim có độ bền cao, trong đó có hợpkim nhôm A5052 với kiểu mạng A1 và A3

1.Các nghiên cứu trong và ngoài nước về sự thay đổi cơ tính của hợp kim nhôm ma

giê khi biến dạng ở nhiệt độ âm

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý biến dạng ở nhiệt độ âm

Phương pháp biến dạng ở nhiệt độ âm (CR - cryorolling) là một trong nhữngphương pháp tiềm năng đã được sử để chế tạo ra vật liệu có hạt siêu mịn UFG thậmchí là nano (NG) với mật độ lệch cao làm tăng hiệu ứng hóa bền biến dạng Biếndạng ở nhiệt độ âm là một quá trình xử lý đơn giản ở nhiệt độ thấp mà yêu cầu lựctác dụng tương đối nhỏ để gây ra biến dạng mãnh liệt nhằm tạo ra các đặc tính cấutrúc vi mô kết tinh trong các loại vật liệu Phương pháp này sử dụng kỹ thuật biếndạng phôi ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nitơ lỏng hoặc nhiệt độ hiđro lỏng được sửdụng rộng rãi để cải thiện các tính chất của vật liệu Biến dạng ở nhiệt độ âm có thểđáp ứng tốt cho các quy mô công nghiệp lớn để sản xuất các vật liệu có cấu trúcsiêu mịn, cũng như cấu trúc nano Biến dạng ở nhiệt độ âm là một trong nhữnghướng nghiên cứu tiềm năng để sản xuất các hợp kim nhôm có hạt siêu mịn Độ bềnkéo và độ dai của vật liệu được cải thiện do sự loại bỏ quá trình hồi phục của vậtliệu trong suốt quá trình biến dạng ở nhiệt độ âm Hơn nữa, biến dạng ở nhiệt độ âm

có nhiều thuận lợi như việc yêu cầu biến dạng dẻo thấp hơn, quá trình sản xuất đơngiản và khả năng sản xuất vật liệu một cách liên tục.

Hiện nay có nhiều kỹ thuật được áp dụng như biến dạng ở nhiệt độ âm đốixứng (CR), biến dạng ở nhiệt độ âm không đối xứng (ACR), biến dạng ở nhiệt độ

âm kết hợp biến dạng dính… mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng Kỹthuật biến dạng ở nhiệt độ âm mở đường cho ứng dụng dây chuyền công nghiệp làmcứng bề mặt khi làm nguội Hợp kim Al là một trong những kim loại áp dụngphương pháp này phổ biến hơn cả, bởi vì hợp kim nhôm có khả năng biến dạng dẻocao khi ở nhiệt độ thấp Tấm hợp kim Al biến dạng ở nhiệt độ âm có thể đạt độ bềnkéo cao hơn 30% so với các tấm hợp kim Al tương tự biến dạng ở nhiệt độ phòng[15] Trong các điều kiện xử lý tối ưu, việc ngăn chặn sự hồi phục động trong quátrình biến dạng dưới nhiệt độ thấp dẫn đến mật độ lệch cao, do đó dẫn đến tăng vịtrí tạo mầm trong quá trình ủ và dẫn đến quá trình phát triển hạt nhỏ mịn hơn Trong phương pháp này có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cơ tính cũng nhưngđặc trưng của vật liệu được nghiên cứu và chỉ ra bởi nhiều công trình khoa học Ảnhhưởng của quá trình ủ đến sự phát triển của cấu trúc vi mô và tính chất cơ học củahợp kim AA5083 bằng phương pháp biến dạng ở nhiệt độ âm được nghiên cứu bởiLee và cộng sự [16] Việc tối ưu hóa quy trình biến dạng ở nhiệt độ âm và quy trình

ủ sau biến dạng đã tạo nên các hạt có kích thước <200nm và các hạt thon kéo dài,thể hiện sự kết hợp tốt giữa độ bền cao và độ giãn dài đồng đều Các mẫu làm lạnhcho thấy sự gia tăng ít nhất 10% trong cả hai độ bền kéo và giới hạn chảy của hợpkim AA5083 so với biến dạng ở nhiệt độ phòng [17] Ảnh hưởng của biến dạng ởnhiệt độ âm và biến dạng ở nhiệt độ phòng lên các đặc tính cơ học và cấu trúc vi môcủa hợp kim nhôm AA6063 được Parigrahi và Jayaganthan nghiên cứu [18, 19] Đãquan sát thấy độ bền nâng cao (257 MPa) của hợp kim AA6063 được biến dạng ởnhiệt độ âm so với các mẫu biến dạng ở nhiệt độ phòng (232 MPa) So với các hạtthô các kim loại và hợp kim UFG có cường độ cao thường cho thấy độ giãn dàigiảm Parigragi và Jayaganthan cũng phát hiện ra rằng sự tích tụ lệch và các kết tủadạng nano là yếu tố tăng cường độ bền, trong khi mật độ kết tủa nano cao và mật độlệch thấp cải thiện độ giãn dài của hợp kim AA6063 được biến dạng ở nhiệt độ âmsau đó được ủ trong thời gian ngắn và kết hợp hóa già Sự gia tăng độ bền và độgiãn dài tương ứng có thể là do sự hình thành các kết tủa mịn và hiệu ứng phục hồi

tĩnh trong quá trình ủ Kỹ thuật biến dạng ở nhiệt độ âm cũng có thể cải thiện đáng

kể giới hạn chảy, ứng suất kéo tới hạn, tăng độ dai va đập của AA7075 [20, 21] Sựkết hợp vượt trội của các đặc tính cơ học ( giới hạn chảy 611 MPa và độ giãn dài15%) của AA7075 có thể đạt được đối với các mẫu được làm lạnh sau khi biến dạngthực 0.5 sau đó được hóa già tự nhiên trong khoảng 1000h [22]

Vật liệu UFG/NG (Ultra fine grain/nano grain) được chế tạo từ phương phápbiến dạng ở nhiệt độ âm có tiềm năng ứng dụng trong công nghệ sinh học Trivedi

và cộng sự [23] đã nghiên cứu tiềm năng ứng dụng chỉnh hình của UFG Zr số lượnglớn bằng biến dạng ở nhiệt độ âm sau đó ủ ở 400˚C và 450˚C trong 30 phút Hoạttính sinh học của hợp kim được nghiên cứu bằng cách ủ tế bào gốc có nguồn gốc từtủy xương Người ta thấy rằng Zr được làm lạnh thể hiện khả năng tương thích sinhhọc trong ống nghiệm đặc biệt kết hợp với hoạt tính sinh học đáp ứng Ngoài ra, quátrình ủ ngắn các mẫu được tìm thấy dẫn đến sự hình thành cấu trúc vi mô đa phươngthức dẫn đến sự kết hợp tốt nhất giữa độ bền kéo và độ giãn dài Hạt UFG/NG làmtăng độ bền trong khi hạt thô tạo độ giãn dài tốt Shi và cộng sự [24] nhận thấy rằng

Zr được làm lạnh cho thấy một sự dẻo dai bất thường với sự gia tăng khả năng biếndạng Sự gia tăng mật độ lệch dẫn đến độ bền được nâng cao, và chuyển động củalệch mật độ cao có sẵn tạo ứng suất cao đến từ các hạt và hạt có kích thước nanogóp phần cải thiện độ dẻo

Biến dạng ở nhiệt độ âm cũng tìm thấy trong các ứng dụng trong chế tạo hợpkim UFG/NG Ti Trong quá trình biến dạng ở nhiệt độ âm, quá trình song tinhchuyên sâu trong Ti tăng tốc động học của quá trình tinh chỉnh cấu trúc vi mô và cóthể thu được kích thước hạt/hạt nhỏ xấp xỉ 80nm khi lượng ép đạt 93% [25] Ti vớicấu trúc hạt đa cạnh có thể được chế tạo bằng biến dạng ở nhiệt độ âm sau đó ủ ởnhiệt độ thấp [26] Cấu trúc hạt đa cạnh Ti này cho thấy giới hạn chảy cao, độ giãndài đồng đều Việc tăng cường độ bền là kết quả của các hạt siêu mịn trong khi độdẻo tăng lên là do một phần lớn các ranh giới hạt góc lớn và cấu trúc hạt đa cạnh[26] Zherebtsov và cộng sự [27] so sánh sự phát triển cấu trúc vi mô của CP Titrong biến dạng ở nhiệt độ âm và biến dạng ở nhiệt độ phòng Ở nhiệt độ -196 ̊ C,quá trình kết tinh mở rộng hơn về thời gian của giai đoạn kết tinh và tỷ lệ hạt kếttinh Cấu trúc vi mô với kích thước hạt / hạt nhỏ = 80nm ở nhiệt độ âm hoặc =

200nm ở nhiệt độ phòng đã được hình thành trong quá trình biến dạng để biến dạngđến độ biến dạng thực là 2.66

Kỹ thuật biến dạng ở nhiệt độ âm cũng đã được sử dụng để chế tạo các tấmUFG / NG Cu, [28] thép tấm, [29, 30], v.v biến dạng ở nhiệt độ âm Cu nguyênchất của Konkova và cộng sự [28] Kết cấu có chứa thành phần đồng thau {110}

<112> rõ rệt, được giải thích về mặt ngăn cản trượt sự ngang của lệch ở nhiệt độ

âm Roy và cộng sự [29] đã báo cáo tổng hợp thép không gỉ AISI 304L có cấu trúcnano AISI 304L thông qua biến dạng ở nhiệt độ âm và ủ trong phạm vi nhiệt độ

700˚C và 800˚C Biến dạng ở nhiệt độ âm thúc đẩy quá trình song tinh trong phaaustenite, biến đổi thành martensite với độ dày 50–100nm Sự phát triển của cấutrúc Austenit trong thép không gỉ có thể xử lý cao với sự phân bố kích thước hạt haiphương thức có thể đạt được độ bền cao (1295 MPa), độ dẻo cao (0.47) Đây là mộtphương pháp mới còn nhiều yếu tố ảnh hưởng chưa được làm sáng tỏ Cần nhiềucác công trình khóa học nghiên cứu sâu hơn

Từ các kết quả nêu trên cho thấy, biến dạng ở nhiệt độ âm có những ưunhược điểm nhất định so với các phương pháp SPD Phương pháp biến dạng ởnhiệt độ âm yêu cầu khả năng biến dạng dẻo của vật liệu thấp, lực tác dụng nhỏ.Không tiêu tốn nhiều năng lượng nhiệt để nung phôi Khả năng làm nhỏ hạt hạtcao cũng như cấu trúc của vật liệu được cải thiện Từ đó cho thấy phương phápnày có triển vọng thực hiện được trong điều kiện thực nghiệm tại Việt Nam

Tất cả các nghiên cứu đã trược công bố ở trên đều sử dụng phương pháp thựcnghiệm hoặc kết hợp thực nghiệm với mô phỏng macro để nghiên cứu lý giải cơ chếhóa bền và sự thay đổi cơ tính của vật liệu mà chưa có công trình nào dùng phươngpháp mô phỏng động học phân tử để mô phỏng một cách tường minh và đầy đủnhất cơ chế hóa bền, cơ chế làm nhỏ hạt của vật liệu Đặc biệt là hợp kim đa nguyênnhư nhôm giê A5052 khi biến dạng ở nhiệt độ âm Vì vậy, luận văn chọn hướngnghiên cứu mới này để thực hiện

1.3 Kết luận

Trong luận văn này chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của lệch đến sự thay đổi cấutrúc và tính chất của hợp kim nhôm A5052 dưới tác động cả nhiệt độ và mức độbiến dạng Cụ thể một số đặc điểm hình học của lệch, các yếu tố ảnh hưởng đến

sự hình thành, phân tách lệch, sự chuyển động của lệch đến cơ chế hóa bền vậtliệu Các loại: lệch thằng (lệch biên), lệch xoắn và lệch hỗn hợp sự hình thành và