Nghiên cứu ảnh hưởng của hoá già phân cấp sau biên dạng nguội đến cơ tính và độ nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất của hợp kim nhôm hệ al zn mg chứa lượng nhỏ kim loại chuyển tiếp

Một trong những nhiệm vụ của ngành cung cấp vật liệu là phát triển hợp kim nhôm để đáp ứng nhu cầu vật liệu cho ngành hàng không và ô tô với mong muốn giảm khối lượng và tăng hiệu suất s

C ẤP SAU BIẾN DẠNG NGUỘI ĐẾN CƠ TÍNH VÀ ĐỘ

NH Ỏ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP

LU ẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ N ỘI - 2008

* * * * *

NGUY ỄN ĐỨC VĂN

SAU BI ẾN DẠNG NGUỘI ĐẾN CƠ TÍNH VÀ ĐỘ NHẠY

KIM LO ẠI CHUYỂN TIẾP

CHUYÊN NGÀNH: K Ỹ THUẬT VẬT LIỆU

MỤC LỤC

Trang

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 1

Danh mục các bảng 4

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 5

MỞ ĐẦU 7

PHẦN I TỔNG QUAN 10

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

1.1 NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM BIẾN DẠNG 10

1.1.1 Đặc điểm về tổ chức, tính chất của nhôm 10

1.1.2 Tương tác của nguyên tố hợp kim với nhôm 12

1.1.3 Phân loại hợp kim nhôm 14

1.1.4 Tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm sau biến dạng 17

1.1.4.1 Định hướng tinh thể học hoặc TEXTUA biến dạng 17

1.1.4.2 Mật độ lệch sau biến dạng trong hợp kim nhôm 18

1.1.4.3 Sự đồng đều tổ chức và giảm khuyết tật đúc 18

1.2 ĐẶC ĐIỂM NHIỆT LUYỆN HỢP KIM NHÔM 19

1.2.1 Ủ nhôm và hợp kim nhôm 20

1.2.2 Tôi các hợp kim nhôm 22

1.2.3 Hoá già hợp kim nhôm 23

1.3 ĂN MÒN DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ỨNG SUẤT 24

1.3.1 Ý nghĩa của ăn mòn ứng suất 24

1.3.2 Các phương pháp nghiên cứu 25

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn ứng suất 26

1.3.4 Chống ăn mòn ứng suất 29

1.4 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN HỢP KIM NHÔM 31

CHƯƠNG 2 HỢP KIM NHÔM HỆ Al-Zn-Mg 38

2.1 TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT 38

2.1.1 Đặc điểm thành phần hợp kim hệ Al-Zn-Mg 38

2.1.2 Đặc điểm tổ chức hợp kim hệ Al-Zn-Mg 38

2.1.2.1 Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim 39

2.1.2.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim chính 39

2.1.2.3 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim phụ (kim loại chuyển tiếp) 41

2.1.3 Nhiệt luyện hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg 43

2.1.4 Ứng dụng của hợp kim Al-Zn-Mg 44

2.2 ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 45

PHẦN II KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 48

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 48

3.1 LƯỢC ĐỒ QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU 48

3.2 QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM TRỰC GIAO BẬC HAI VÀ PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HOÁ ĐA CHỈ TIÊU 48

3.2.1 Quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc hai 48

3.2.2 Tối ưu hóa đa chỉ tiêu 56

3.2.3 Xây dựng hàm nguyện vọng yD 57

3.3 CÁC THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 59

3.3.1 Khuôn đúc 59

3.3.2 Thiết bị phân tích thành phần 60

3.3.3 Thiết bị nhiệt luyện 60

3.3.4 Thiết bị đo độ cứng 60

3.3.5 Hiển vi quang học nghiên cứu tổ chức với sự trợ giúp của phần mềm máy tính 61

3.3.6 Thiết bị thử thử kéo 62

3.4 CHẾ TẠO MẪU NGHIÊN CỨU 62

3.4.1 Sơ đồ chế tạo mẫu nghiên cứu 62

3.4.2 Nấu hợp kim nghiên cứu 64

3.4.2.1 Nguyên liệu 64

3.4.2.2 Tính toán phối liệu nấu hợp kim nghiên cứu 64

3.4.2.3 Nấu luyện hợp kim 66

3.5 QUY TRÌNH NHIỆT LUYỆN 67

3.6 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN BỀN 69

3.7 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ NHẠY CẢM ĂN MÒN ỨNG SUẤT (PHƯƠNG PHÁP THỬ NHANH) 69

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT 72

4.1 TỔ CHỨC TẾ VI 72

4.2 XÁC ĐỊNH QUY TRÌNH HOÁ GIÀ TỐI ƯU 74

4.2.1 Xây dựng các hàm mục tiêu 74

4.2.1.1 Xây dựng hàm mục tiêu y 1 74

4.2.1.2 Xây dựng hàm mục tiêu y 2 81

4.2.2 Giải bài toán tối ưu đa chỉ tiêu bằng hàm nguyện vọng 82

4.2.2.1 Xây dựng mô hình toán học hàm nguyện vọng y D 84

4.2.2.2 Tối ưu hoá hàm nguyện vọng y D 85

4.3 KẾT LUẬN 85

4.4 ĐỀ XUẤT 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

PHỤ LỤC 90

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Δ - độ nhạy cảm ăn mòn [MPa]

E - môđun đàn hồi [GPa]

G - môđun trượt [GPa]

AA - tiêu chuẩn của Hội Nhôm (Aluminium Association) ΓOCT - tiêu chuẩn Nga

TCVN - tiêu chuẩn Việt Nam

HKTG - hợp kim trung gian

HCHH - hợp chất hoá học

Me - nguyên tố hợp kim

Tnc - nhiệt độ nóng chảy [oC]

Tktl - nhiệt độ kết tinh lại [oC]

Tuktl - nhiệt độ ủ kết tinh lại [oC]

vngth - tốc độ nguội tới hạn [oC/s]

exp(x) - hàm ex

D anh mục các bảng

Trang

Bảng 1.1 Các tính chất vật lý cơ bản của nhôm 11

Bảng 1.2 Đặc tính tương tác của một số nguyên tố thường gặp với nhôm 13

Bảng 1.3 Ký hiệu hợp kim nhôm theo AA 16

Bảng 1.4 Ký hiệu và trạng thái gia công hợp kim nhôm 20

Bảng 1.5 Môi trường nhạy cảm với ăn mòn ứng suất của một số vật liệu 27

Bảng 1.6 Sự phát triển của các hệ hợp kim nhôm 37

Bảng 2.1 Một số hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg 38

Bảng 3.1 Giá trị bậc cơ bản và chặng biến đổi 51

Bảng 3.2 Ma trận thí nghiệm 54

Bảng 3.3 Thông số của quá trình hoá già 55

Bảng 3.4 Giá trị thang nguyện vọng 56

Bảng 3.5 Giá trị trung gian của hàm mục tiêu 58

Bảng 3.6 Thành phần và ký hiệu nhôm sạch kỹ thuật dạng thỏi 64

Bảng 4.1 Kết quả nghiên cứu 76

Bảng 4.2 Giá trị gán của hàm mục tiêu và thang nguyện vọng d 82

Bảng 4.3 Xác định hệ số b0 và b1 82

Bảng 4.4 Giá trị hàm nguyện vọng đặc trưng yD 84

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Trang

Hình 1.1 Sơ đồ phân loại hợp kim nhôm theo giản đồ pha 15

Hình 1.2 Hình ảnh phá hủy do ăn mòn ứng suất 25

Hình 1.3 Ăn mòn ứng suất gây nứt vùng chịu kéo 25

Hình 1.4 Ăn mòn ứng suất với độ biến dạng không đổi 26

Hình 1.5 Mô tả quá trình hàn khuấy ma sát 30

Hình 1.6 Vết nứt ở chỗ khớp nối 31

Hình 1.7 Hình ảnh vết nứt ngang trên bề mặt 31

Hình 1.8 Ảnh quang học cho thấy vết nứt bắt đầu từ mối hàn-với nền và phát triển theo biên giới hạt 31

Hình 1.9 Ảnh quang học cho thấy vết nứt bắt đầu từ vùng dung dịch rắn quá bão hoà và phát triển theo biên giới hạt 31

Hình 1.10 So sánh một số đặc điểm của nhôm và thép 32

Hình 1.11 Sản lượng tiêu thụ nhôm của thế giới 1994 - 2004 32

Hình 1.12 Dự báo tiêu thụ nhôm của thế giới 2020 33

Hình 1.13 Một số lĩnh vực ứng dụng hợp kim nhôm 34

Hình 1.14 Cầu hình cung 34

Hình 1.15 Khớp nối gầm cầu 34

Hình 1.16 Một số ứng dụng khác của hợp kim nhôm 35

Hình 2.1 Sự hoà tan của các nguyên tố hợp kim theo nhiệt độ 40

Hình 2.2 Quy trình công nghệ 46

Hình 3.1 Lược đồ quá trình nghiên cứu 48

Hình 3.2 Sơ đồ phương pháp quy hoạch thực nghiệm 48

Hình 3.3 Quan hệ giữa hàm nguyện vọng và chỉ tiêu chất lượng 57

Hình 3.4 Cấu tạo khuôn kim loại 59

Hình 3.5 Lò nung Nabertherm 61

Hình 3.6 Máy đo độ cứng Struers Duramin - 2 61

Hình 3.7 Kính hiển vi quang học Axiovert 100A 62

Hình 3.8 Máy thử kéo nén vạn năng ZDM 5/91 của Đức 62

Hình 3.9 Sơ đồ chế tạo mẫu nghiên cứu 63

Hình 3.10 Quy trình nhiệt luyện mẫu nghiên cứu 67

Hình 3.11 Mẫu chưa ăn mòn 68

Hình 3.12 Thử kéo mẫu bị đứt 68

Hình 3.13 Mẫu chưa ăn mòn bị phá hủy 68

Hình 3.14 Mẫu đã bị ăn mòn 68

Hình 3.15 Mẫu đã ăn mòn bị phá hủy 69

Hình 3.16 Sơ đồ gá mẫu thử ăn mòn 70

Hình 4.1 Mẫu sau đúc (x500) 72

Hình 4.2 Mẫu sau cán (x200) 72

Hình 4.3 Mẫu thí nghiệm ở tâm (x200) 72

Hình 4.4 Mẫu thí nghiêm ở tâm (x500) 72

Hình 4.5 Mẫu tối ưu (x500) 73

Hình 4.6 Mẫu tối ưu (x1000) 73

mechanical properties behaviour of materials and sensitivity below stress corrosion in aluminium alloy system (Al-Zn-Mg) with small quantity transition metal”

2 Fundamental science and practical of subject:

- Aluminum and alloy aluminium are metal material applied wide indicate after steel, in industry and difference field of application of social life This is light material, have high edicated strength, well-relativistic weldability, heat conductibility, electrical conduction and well-corrosion resistant, in case it is material anti-replacement material

- That is new alloy system have high strength, well-technological (deformationable), have wide applied prospective in aeronautics, sea ship and automobile industry

3 Research results of subject:

- Progressed melt in aluminium alloy system 7xxx (Al-Zn-Mg)

- Experimental planning conception, function application Harrington and aided of Design-Expert software, discovered grade ageing behaviour after conformable cold deformation ensure optimization parallel mechanical properties behaviour of materials and corrosion resistant

cơ tính và độ nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất của hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg chứa lượng nhỏ kim loại chuyển tiếp”

2 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:

- Nhôm và hợp kim nhôm là vật liệu kim loại được ứng dụng rộng rãi, chỉ sau thép, trong công nghiệp và trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống xã hội Đây là loại vật liệu nhẹ, có độ bền riêng cao, có tính hàn tương đối tốt, khả năng dẫn nhiệt, dẫn điện và tính chống ăn mòn tốt, trong một số trường hợp là vật liệu không thể thay thế

- Đây là hệ hợp kim mới có độ bền cao, có tính công nghệ tốt (gia công biến dạng), có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong hàng không, tầu biển,

ô tô

3 Kết quả của đề tài:

- Đã tiến hành nấu luyện được hợp kim nhôm hệ 7xxx (Al-Zn-Mg)

- Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, ứng dụng hàm nguyện vọng Harrington và có sự trợ giúp của phần mềm Design-Expert, đã tìm

ra chế độ hoá già phân cấp sau biến dạng nguội thích hợp đảm bảo tối

ưu đồng thời chỉ tiêu cơ tính và tính chống ăn mòn

đã đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật như nhẹ, bền, rẻ, đồng thời thoả mãn yêu cầu trang trí, thẩm mỹ

Khoa học kỹ thuật càng ngày phát triển, nhu cầu sử dụng vật liệu càng tăng lên Vật liệu sử dụng phổ biến là thép đáp ứng được độ bền và các chỉ tiêu cơ tính cho nhiều kết cấu, nhưng thép có nhược điểm là khối lượng riêng lớn (7,83.103 kg/m3) làm tăng trọng lượng của công trình Hợp kim nhôm là vật liệu có rất nhiều triển vọng, với chế độ nhiệt luyện hợp lý, hợp kim nhôm

sẽ đáp ứng về độ bền và các chỉ tiêu khác Ngoài ra hợp kim nhôm còn có khả năng chịu ăn mòn tốt thích hợp với các kết cấu ngoài trời Ưu điểm nổi bật của hợp kim nhôm là khối lượng riêng thấp nên giảm được trọng lượng của thiết bị và tiết kiệm năng lượng vận chuyển

Một trong những nhiệm vụ của ngành cung cấp vật liệu là phát triển hợp kim nhôm để đáp ứng nhu cầu vật liệu cho ngành hàng không và ô tô với

mong muốn giảm khối lượng và tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu mà vẫn đáp ứng được độ bền Vật liệu đầu tiên là hợp kim hệ Al-Li dạng tấm mỏng, có độ bền cao, đùn ép làm cánh máy bay và dạng thỏi cán cho khung thân máy bay

Với khối lượng nhẹ làm tăng hiệu quả kinh tế cho ngành ô tô, ứng dụng trong một số chi tiết như bộ phận giảm chấn và nắp che, với hình dạng và cơ tính phụ thuộc vào đặc điểm làm việc Bộ phận giảm xung, ngăn ngừa va đập mạnh phải kết hợp độ bền và khả năng tạo hình biến dạng dẻo thích hợp, khi

đó các hợp kim hệ 7xxx (Al-Zn-Mg) tỏ ra ưu việt hơn cả

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 hoá học, động học chuyển pha khi kết tinh từ kim loại lỏng, tiết pha từ dung dịch rắn quá bão hoà, công nghệ hoá bền, nhiệt luyện và cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm biến dạng

Mục tiêu của đề tài này là “Nghiên cứu ảnh hưởng của hoá già phân cấp sau biến dạng nguội đến cơ tính và độ nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất của hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg chứa lượng nhỏ kim loại chuyển tiếp”

Nghiên cứu được tiến hành theo các nội dung sau:

- Vật liệu nghiên cứu thuộc hệ hợp kim Al-Zn-Mg có chứa lượng nhỏ Mn,

Cr, Ti, có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong hàng không, tầu biển, ô tô

- Nghiên cứu chế tạo hợp kim có thành phần mong muốn

- Tìm ra chế độ hoá già phân cấp sau biến dạng nguội thích hợp đảm bảo tối

ưu hoá đồng thời chỉ tiêu cơ tính và tính chống ăn mòn bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, ứng dụng hàm nguyện vọng Harrington và có sự

trợ giúp của phần mềm máy tính

Điểm mới của luận văn:

- Đối với vật liệu hoá bền tiết pha phân tán, công nghệ hoá già phân cấp làm biến 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 cần thiết, cải thiện tính chống ăn mòn dưới ứng suất

- Tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng các thông số của quy trình công nghệ hoá già hai cấp như nhiệt độ và thời gian hoá già cấp I và cấp

II, đến các chỉ tiêu cơ tính bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Trong luận văn đã áp dụng phương pháp hàm nguyện vọng Harrington với sự trợ giúp của phần mềm Design-Expert để xác định được quy trình hoá già phân cấp hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Zn-Mg, đảm bảo tối ưu đồng thời các chỉ tiêu (độ bền và khả năng chống ăn mòn dưới ứng suất), từ đó cho phép có thể ứng dụng tốt vào thực tế sản xuất

Sau một thời gian làm việc tích cực, dưới sự hướng dẫn của GS.TS Nguyễn Khắc Xương, tôi đã hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ to lớn và có hiệu quả của tập thể cũng như cá nhân trong Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Giao thông vận tải và các đơn vị khác có liên quan Tôi xin bày tỏ lòng biết

ơn đối với Thầy giáo hướng dẫn và các đơn vị đã giúp tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp Do hạn chế về mặt thời gian, thiết bị, cũng như các yếu tố chủ quan và khách quan, nên luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót

Rất mong được sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn !

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, tính chất của nhôm

Ngày nay nhôm là kim loại rất quen thuộc trong đời sống, với sản lượng nhôm và hợp kim nhôm đứng ở vị trí thứ hai sau thép Hợp kim nhôm

có ưu điểm chính là: trọng lượng riêng nhỏ (độ bền riêng của hợp kim nhôm khoảng 16,5 Km so với của thép là 15,4 Km), độ dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường khá tốt

Khi nhôm tương tác với các nguyên tố khác tạo ra các hợp kim nhôm với những ưu điểm vượt trội, dùng làm vật liệu kết cấu trong công nghiệp, trong xây dựng, dân dụng, …

Nhôm là kim loại không có chuyển biến thù hình, có kiểu mạng tinh thể

là mạng lập phương diện tâm với thông số mạng a = 4,04 Å Đường kính nguyên tử 2,86 Å, cấu hình điện tử của nhôm có dạng 1s22s22p63s23p1, thế ion hoá của điện tử lớp 3p bằng 5,98 eV, của điện tử lớp 3s bằng 18,82 eV và 28,44 eV Tương ứng với các thế ion ấy, có thể xuất hiện các ion Al+1 và Al+3 Bên cạnh ôxít Al2O3 rất bền, có thể tồn tại các hợp chất Al2O, AlF, AlCl rất kém ổn định

Khối lượng riêng của nhôm ρ = 2,7 g/cm3, nhôm nguyên chất có tính chống ăn mòn cao do lớp màng ôxít Al2O3 mỏng và rất xít chặt được hình thành trên lớp bề mặt [11]

Tính dẫn điện và dẫn nhiệt của nhôm cao, nhiệt độ nóng chảy thấp Cơ tính của nhôm sạch thấp nên ít được sử dụng làm các chi tiết máy

Một số tính chất vật lý quan trọng của nhôm được trình bày ở (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Các tính chất vật lý cơ bản của nhôm

Khối lượng riêng ở 20 oC, (g/cm3) 2,698

Nhôm nguyên chất rất dẻo Ψ = 85 %, δ = 40 % nên rất dễ biến dạng ở trạng thái nguội và trạng thái nóng Tính gia công cắt của nhôm thấp do nhôm dẻo nên phoi quánh 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 FeAl3 dòn, nên với lượng sắt dù nhỏ, ở biên giới hạt vẫn có cùng tinh (Al + FeAl3) 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 Đối với

nhôm sạch 99,996 % sau cán nguội có σb = 114 MPa, sau khi ủ giảm xuống còn σb = 48 MPa, độ dãn dài tương ứng với hai trạng thái này là δ = 5,5 % và 48,8 %

Nhôm là kim loại có hoạt tính hoá học cao, ở ngoài không khí tạo màng ôxít nhôm Màng ôxít nhôm không có rỗ xốp, độ xít 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 5 - 10 nm, khi nung lên nhiệt độ cao gần nhiệt

độ chảy, chiều dày của màng có thể tới 200 nm Do vậy nhôm có tính ổn định

ăn mòn khá cao trong nhiều môi trường hoá học Khả năng chống ăn mòn của nhôm phụ thuộc vào thành phần tạp chất và đặc tính của môi trường, đối với môi trường có hỗn hợp axít HCl và HF hoặc môi trường kiềm NaOH nhôm bị

ăn mòn rất nhanh

Nhôm nguyên chất mềm, dẻo, chống ăn mòn và dẫn điện tốt Được sử dụng ở dạng tấm và dây cáp dẫn điện Để làm vật liệu kết cấu, chế tạo những chi tiết yêu cầu độ bền cao thì nhôm nguyên chất không đáp ứng được độ bền

Vì vậy phải hợp kim hoá nhôm để tạo ra các hợp kim đáp ứng yêu cầu độ bền cao, ví dụ ứng dụng trong ngành hàng không, xe cộ, khí tài quân sự, …

1.1.2 Tương tác của nguyên tố hợp kim với nhôm

Qua các nghiên cứu khả năng hoà tan của nguyên tố hợp kim vào nhôm [11] chỉ ra rằng không có nguyên tố hợp kim nào tạo được với nhôm dung dịch rắn hoà tan vô hạn Độ hoà tan tăng lên theo vị trí sắp xếp nguyên tố gần nhôm trong bảng tuần hoàn Mendeleev

Các nguyên tố Bi, Na, Pb, Cd, ngay ở trạng thái lỏng cũng chỉ hoà 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 hoá học Các

nguyên tố còn lại tạo với nhôm giản đồ có phản ứng cùng tinh [11] (bảng 1.2)

Bảng 1.2 Đặc tính tương tác của một số nguyên tố thường gặp với nhôm

Kim loại

Số thứ tự trong bảng tuần hoàn Mendeleev

Nhiệt

độ nóng chảy ( o C)

Dạng giản đồ pha

từ phía nhôm

Độ hoà tan cực đại (theo khối lượng)

Các nguyên tố kim loại chuyển tiếp có tác dụng cải thiện độ hạt khi kết tinh và nâng cao tính ổn định chống ăn mòn dưới tác dụng của ứng suất Khi

có mặt trong nhôm, các kim loại này làm biến đổi rất mạnh tổ chức cả về sự phân bố các pha cũng như hình dạng của biên giới hạt Thúc đẩy quá trình tiết pha η, T, S từ dung dịch rắn α ở trạng thái nhỏ mịn phân tán, mặt khác chúng tạo nên hình dạng răng cưa và kéo dài biên giới tổng cộng của hạt α

Khi đúc nhôm do nguội nhanh, sự khuếch tán xảy ra không kịp nên trong các thỏi đúc hợp kim nhôm thể hiện rõ nét các đặc tính thiên tích, ở hợp kim nhôm biểu hiện thiên tích vùng thuận và vùng nghịch khá mạnh Khảo sát thiên tích nhánh cây ta thấy quy luật phân bố nồng độ giảm dần về phía trục nhánh cây của các nguyên tố tạo với nhôm cùng tinh như Cu, Mg, Mn, Si, … Nguyên tố Ti, Zr, Cr, nồng độ của chúng nghèo dần khi đi từ trục nhánh cây

ra ngoài biên giới Hậu quả của thiên tích nhánh cây tạo ra tổ chức thừa như các cùng tinh thừa bao quanh biên giới hạt trong tổ chức tế vi của hợp kim nhôm biến dạng Bằng cách áp dụng ủ khuếch tán có thể khử bỏ được dạng thiên tích này để tránh ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

Tổ chức hợp kim nhôm biến dạng nhỏ mịn, mật độ xít chặt so với sau khi đúc, thiên tích nhánh cây, rỗ xốp bọt khí giảm đi đáng kể

1.1.3 Phân loại hợp kim nhôm

Do có độ bền cao hơn, nên hợp kim nhôm được sử dụng rộng rãi hơn trong kỹ thuật 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)

Hình 1.1 Sơ đồ phân loại hợp kim nhôm theo giản đồ pha

I - Hợp kim nhôm biến dạng; II - Hợp kim nhôm đúc

1 - Hợp kim nhôm biến dạng không hoá bền bằng nhiệt luyện

2 - Hợp kim nhôm biến dạng có hoá bền bằng nhiệt luyện 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, 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 bên trái điểm (a) là các hợp kim nhôm biến dạng không hoá bền được bằng nhiệt luyện, còn các hợp kim ở bên phải điểm (a) (thành phần từ a đến c) là các hợp kim nhôm biến dạng hoá bền được bằng nhiệt luyện Các hợp kim này ở nhiệt độ thường ngoài dung dịch rắn α còn có pha thứ hai, khi nung nóng pha này hoà tan vào dung dịch rắn, khi làm nguội nhanh sẽ nhận được dung dịch rắn quá bão hoà Dưới tác dụng của năng lượng (quá trình nung nóng, hoặc biến dạng) dung dịch rắn quá bão hoà này sẽ bị phân hoá tiết ra các pha phân tán làm tăng độ bền của hợp kim Các nhóm hợp kim này được

sử dụng nhiều do khả năng biến dạng tạo hình thuận lợi cũng như sự thay đổi

tổ chức và cơ tính, đạt được khả năng làm việc tốt hơn

Các hợp kim bên phải điểm (c) trong tổ chức chứa cùng tinh có nhiệt

độ nóng chảy thấp được xếp vào loại hợp kim nhôm đúc, các hợp kim nhôm đúc trước cùng tinh có tổ chức (α + cùng tinh) có thể được tăng bền bằng nhiệt luyện, nhưng hiệu quả hoá bền giảm dần khi nồng độ tiến dần tới điểm cùng tinh Do có nhiều pha thứ hai dòn (thường là hợp chất hoá học) nên các hợp kim này thường dòn, khó biến dạng Nhôm và hợp kim của nó có ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật và đời sống, để chế tạo các chi tiết máy hoặc kết cấu xây dựng, nhôm được sử dụng ở dạng hợp kim

Bằng kỹ thuật kết hợp với 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

để nâng cao cơ tính của hợp kim nhôm biến dạng Mục tiêu chính của luận văn này là nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hoá già đến tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Zn-Mg

Theo tiêu chuẩn của Hội Nhôm (Aluminium Association - AA) các hợp kim nhôm được chia làm 8 nhóm, ký hiệu theo hệ thống số (bảng 1.3)

Bảng 1.3 Ký hiệu hợp kim nhôm theo AA

1 1xxx: Nhôm sạch (Al > 99 %) 1 1xx x: Nhôm sạch (Al > 99 %)

2 2xxx: Al-Cu, Al-Cu-Mg 2 2xx.x: Al-Cu

3 3xxx: Al-Mn 3 3xx.x: Al-Si-Cu, Al-Si-Mg

4 4xxx: Al-Si 4 4xx.x: Al-Si

6 6xxx: Al-Mg-Si 6 6xx.x: Không có

7 7xxx: Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu 7 7xx.x: Al-Zn

8 8xxx: Al-các nguyên tố khác 8 8xx.x: Al-Sn

xxx: Tra theo tiêu c huẩn xx.x: T ra theo tiêu chuẩn

1.1.4 Tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm sau biến dạng

Nhôm và hợp kim của nhôm có độ dẻo cao nhờ đó bằng phương pháp gia công áp lực có thể chế tạo các bán thành phẩm biến dạng như tấm, ống, thanh,

Tuỳ theo nhiệt độ xảy ra biến dạng, người ta phân thành biến dạng nguội, biến dạng nóng Biến dạng nguội là biến dạng được tiến hành ở nhiệt

độ thấp hơn (0,25 - 0,3)Tnc, biến dạng nóng là biến dạng được tiến hành ở nhiệt độ lớn hơn (0,5 - 0,6)Tnc Biến dạng dẻo gây biến đổi mạnh tổ chức và

do đó ảnh hưởng lớn đến tính chất của nhôm và hợp kim nhôm

Phụ thuộc vào phương pháp gia công và hình dạng chi tiết, các tinh thể

sẽ có hình dạng khác nhau, trong dây kim loại tinh thể có dạng sợi, thớ còn trong các tấm cán nó có dạng vẩy hay dạng tấm

Các phần tử pha liên kim loại sẽ phân bố tương ứng với sự định hướng của hạt Chúng sắp xếp kéo dài theo phương biến dạng chính

1.1.4.1 Định hướng tinh thể học hoặc TEXTUA biến dạng

Hệ trượt chủ yếu của nhôm là {111}, <110> Trong các thỏi nhôm ép quan sát thấy sự định hướng theo chiều trục các phương tinh thể [111] và [100] Phần lớn các hạt định hướng sao cho phương [111] song song với trục thỏi ép, còn 5 - 30 % các hạt còn lại định hướng phương [100] theo trục của thỏi

Đối với tấm cán quan sát thấy textua (110) [112] Ở đây các mặt (110) của hạt song song với mặt tấm cán, còn phương [112] song song với phương cán Mức độ textua biến dạng xác định bởi số lượng các hạt có định hướng tinh thể theo phương biến dạng Mức độ này tăng lên khi tăng nhiệt độ và mức biến dạng đến một giá trị tới hạn

Quá trình trượt để tạo ra biến dạng dư kèm theo quá trình quay của mỗi hạt tinh thể Sự quay của tinh thể cũng là sự quay của mặt trượt và xu hướng

chung là tiến gần về trục biến dạng chính Biến dạng càng lớn, mức độ quay càng nhiều và đến một mức nào đó các hạt có định hướng gần giống nhau, trùng với trục biến dạng chính (textua biến dạng), nó thể hiện rõ khi với mức

độ biến dạng lớn (70 - 90 %) theo độ giảm tiết diện ngang

Cơ tính của kim loại sau khi biến dạng nóng phụ thuộc vào sự thay đổi

tổ chức của kim loại khi tiến hành gia công Nếu kim loại sau khi biến dạng nóng có tổ chức đa cạnh (không kết tinh lại) thì biến dạng như thế sẽ nâng cao được độ bền của kim loại, đặc biệt là giới hạn chảy có thể tăng từ 20 - 60 %

1.1.4.2 Mật độ lệch sau biến dạng trong hợp kim nhôm

Ở trạng thái ủ, mật độ lệch trong nhôm khoảng 107 - 108 cm-2 Sau khi biến dạng, giá trị mật độ lệch có thể đạt tới 1010 - 1011cm-2 Tổ chức lệch trong hợp kim nhôm phục thuộc vào trạng thái biến dạng

Trong hợp kim nhôm biến dạng nguội tổ chức này có dạng tổ ong, biên giới các ô là các búi lệch Phía trung tâm ô mật độ lệch nhỏ bao gồm các lệch phân bố rời rạc Sau biến dạng nóng, tổ chức lệch trong nhôm khác đi do có quá trình hồi phục Lệch ở đây tạo thành các vách lệch, đó chính là biên giới siêu hạt, phía trong thể tích siêu hạt hầu như không chứa lệch Mật độ lệch trong hợp kim nhôm biến dạng nóng khá cao, khoảng 109 - 1010cm-2

1.1.4.3 Sự đồng đều tổ chức và giảm khuyết tật đúc

Phôi đúc thường có các khuyết tật như: độ hạt không đồng đều, thiên tích thành phần, rỗ co và rỗ khí, vật lẫn xỉ và ôxít Sau biến dạng tổ chức trở nên nhỏ mịn, xít chặt, mật độ cao hơn và đồng nhất so với trạng thái đúc

Trong khi biến dạng nóng hay biến dạng nguội, thiên tích nhánh cây giảm xuống nhưng không nhiều, các rỗ xốp và bọt khí hàn liền lại Tính chất của hợp kim nhôm sau biến dạng thay đổi rất mạnh Đặc điểm của hợp kim

nhôm chứa kim loại chuyển tiếp là tổ chức khi biến dạng khá ổn định do nhiệt

độ kết tinh lại khá cao

Nhiệt độ và phương pháp biến dạng có ảnh hưởng rất lớn tới nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim nhôm Ví dụ các mẫu đuyra có thành phần hoá học (4,3 %Cu - 1,5 %Mg - 0,6 %Mn) bị biến dạng như nhau là 85 %, thì mẫu cán nguội có nhiệt độ kết tinh lại là 350 oC, cán nóng kết tinh lại ở 390 oC còn sau khi ép nóng có nhiệt độ kết tinh lại cao nhất ở 500 oC

Như vậy trong trường hợp cuối cùng, nếu mẫu tiếp tục được nhiệt luyện hoá bền gồm tôi và hoá già, tổ chức nhận được sẽ vẫn ở trạng thái chưa kết tinh lại, kết quả mẫu bị hoá bền rất mạnh Khi biến dạng nguội sự hoá bền xảy ra do hiệu quả biến cứng Sự biến cứng hoá bền được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật để hoá bền chi tiết nhôm Sau biến dạng hoạt độ hoá học của nhôm tăng lên Tuy nhiên tính nhạy cảm đối với một số dạng ăn mòn như ăn mòn biên giới và ăn mòn dưới tác dụng của ứng suất giảm xuống [11]

1.2 ĐẶC ĐIỂM NHIỆT LUYỆN HỢP KIM NHÔM

Nhôm là kim loại không có chuyển biến thù hình Nhiệt luyện hoá bền hợp kim nhôm dựa trên cơ sở tạo ra dung dịch rắn quá bão hoà và quá trình phân hoá tiết pha phân tán tiếp theo có tác dụng hoá bền Các dạng nhiệt luyện hợp kim nhôm là: ủ, tôi và hoá già Trong (bảng 1.4) trình bày ký hiệu các trạng thái gia công nhiệt luyện hợp kim nhôm

Bảng 1.4 Ký hiệu và trạng thái gia công hợp kim nhôm

Ký

hiệu Ý nghĩa nhiệt luyện

Ký

h iệu Ý nghĩa nhiệt luyện

Hợp kim nhôm biến dạng Hợp kim nhôm biến dạng và đúc

T1H1 Tôi, biến cứng 20 %, hoá già nhân tạo H19 Biến dạng với mức biến cứng rất lớn

Hợp kim nhôm đúc H2X Biến dạng tiếp theo ủ hồi phục

1.2.1 Ủ nhôm và hợp kim nhôm

Nguyên công nhiệt luyện này bao gồm nung nóng vật liệu lên đến nhiệt

độ xác định, giữ nhiệt thời gian cần thiết, sau đó làm nguội chậm (thường là nguội cùng lò) nhằm khử bỏ trạng thái không cân bằng thường gặp trong chi tiết sau khi đúc (thiên tích, cùng tinh, bao tinh, …) sau khi biến dạng dẻo hoặc

sau khi nhiệt luyện Các dạng ủ thông thường áp dụng cho hợp kim nhôm là ủ đồng đều hoá và ủ kết tinh lại

* Ủ đồng đều hoá

Là nguyên công nhiệt luyện đầu tiên sau đúc Nguyên tắc chọn nhiệt độ cần bảo đảm năng suất cao, phân bố thành phần hoá học đồng đều và tổ chức sau ủ hợp lý Nhiệt độ ủ đồng đều hoá thấp hơn nhiệt độ cùng tinh và lớn hơn nhiệt độ đường giới hạn hoà tan của nguyên tố hợp kim vào dung dịch rắn α Các hợp kim nhôm thông dụng thường được chọn nhiệt độ trong khoảng 450

- 540 oC Thời gian giữ nhiệt phụ thuộc vào kích thước chi tiết, độ lớn của các phần tử pha thứ hai, thông thường kéo dài từ 4 - 10 giờ Làm nguội sau khi giữ nhiệt có thể tiến hành cùng lò hoặc ngoài không khí Với tốc độ nguội lớn

sẽ đảm bảo độ dẻo cao, tăng hiệu ứng ép khi gia công áp lực

Trường hợp đặc biệt cần quan tâm đó là khi ủ hợp kim nhôm chứa các kim loại chuyển tiếp Khi ủ đồng đều hoá các hợp kim nhôm loại này xảy ra hai quá trình:

- Sự hoà tan của các nguyên tố hợp kim thông thường như Cu, Mg,

Zn, vào dung dịch rắn và làm đồng đều thành phần trong thỏi

- Quá trình tiết ra của các nguyên tố kim loại chuyển tiếp như Mn, Cr,

Ti, ở dạng hợp chất liên kim loại

Các pha liên kim loại chứa kim loại chuyển tiếp nhỏ mịn ổn định cao, phân bố đồng đều, có tác dụng nâng cao độ bền và nhiệt độ kết tinh lại, làm tăng hiệu ứng ép và có thể ảnh hưởng tốt đến khả năng chống ăn mòn dưới ứng suất của nhiều hợp kim

Tiến hành thí nghiệm với chế độ ủ phân cấp nhằm đồng đều hoá thành phần ở 500 oC trong 3 giờ và 540 oC trong 3 giờ

* Ủ kết tinh lại

Ủ kết tinh lại áp dụng cho các chi tiết sau khi biến dạng dẻo Mục đích

là làm cho quá trình kết tinh lại xảy ra hoàn toàn những tổ chức nhận được phải có hạt nhỏ Nhiệt độ kết tinh lại được tính theo công thức (1.1):

Tktl = (0,5 - 0,8) Tnc (1.1) Với hợp kim nhôm, Tktl ≈ 330 oC sau quá trình kết tinh lại lần thứ nhất, hợp kim sẽ bắt đầu quá trình kết tinh lại lần thứ hai dẫn đến làm hạt thô, để tránh hạt thô do quá trình nuốt hạt, nhiệt độ ủ kết tinh thường chọn theo công thức (1.2):

Tuktl = Tktl + (50 - 100) oC (1.2) Tốc độ nguội sau khi ủ đối với hợp kim nhôm không hoá bền bằng nhiệt luyện có thể chọn tuỳ ý, còn đối với hợp kim hoá bền được bằng nhiệt luyện thì phải làm nguội chậm (hoặc nguội với tốc độ thích hợp) Các nhóm hợp kim nhôm biến dạng hoá bền được bằng nhiệt luyện như 2xxx (Al-Cu-Mg), Al-Cu, 6xxx (Al-Mg-Si) và 7xxx (Al-Zn-Mg) được ủ theo quy trình điển hình là: Tủ= 413 oC, τgiữ nhiệt= 2 - 3 giờ, còn chế độ nguội thì khác nhau

Một dạng ủ của kết tinh lại là ủ không hoàn toàn Loại ủ này áp dụng cho các hợp kim nhôm không hoá bền bằng nhiệt luyện Nhiệt độ ủ thường chọn thấp hơn nhiệt độ kết thúc kết tinh lại và tổ chức nhận được hoặc là đa cạnh hoá hoặc là kết tinh lại chưa hoàn toàn

1.2.2 Tôi các hợp kim nhôm

Tôi các hợp kim nhôm nhằm tạo ra dung dịch rắn quá bão hoà để hoá bền tiếp theo nhờ tiết pha phân tán Như vậy chỉ những hợp kim nhôm mà độ hoà tan của các nguyên tố hợp kim trong dung dịch rắn giảm dần khi hạ nhiệt

độ thì mới có thể tôi

Việc chọn nhiệt độ tôi các hợp kim nhôm căn cứ vào nhiều yếu tố như: giản đồ trạng thái, số lượng và hàm lượng các nguyên tố hợp kim, các pha

liên kim loại mà chúng có thể tạo thành Nguyên tắc chọn nhiệt độ tôi là lấy nhiệt độ tôi thấp hơn nhiệt độ cùng tinh từ 5 - 10 oC Khoảng dung sai nhiệt

độ được chọn phụ thuộc vào từng họ hợp kim cụ thể

Thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ nung tôi nhằm mục đích hoà tan các phần tử pha thứ hai vào dung dịch rắn α và đồng đều hoá thành phần Thời gian giữ nhiệt phụ thuộc vào kích thước của phần tử pha thứ hai, hệ số khuếch tán của các nguyên tố hợp kim và kích thước chi tiết Trong tổ chức các hợp kim nhôm biến dạng, những phần tử pha thứ hai nhỏ mịn, phân tán, do vậy thời gian giữ nhiệt ngắn không quá vài chục phút Còn trong hợp kim nhôm đúc, các phần tử này thô to, thời gian giữ nhiệt đến hàng giờ và lâu hơn

Để đảm bảo nhận được dung dịch rắn quá bão hoà, tốc độ nguội khi tôi hợp kim phải lớn hơn tốc độ nguội tới hạn Tốc độ nguội tới hạn xác định theo giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của dung dịch rắn quá nguội

Hầu hết các hợp kim nhôm có tốc độ nguội tới hạn nhỏ hơn tốc độ nguội trong nước Như vậy các hợp kim nhôm công nghiệp đều có thể tôi trong nước Tuy nhiên, để giảm cong vênh, hạn chế phế phẩm, hiện vẫn có nhiều công trình nghiên cứu chọn môi trường tôi thích hợp cho các hợp kim, đặc biệt là các hợp kim có vngth nhỏ Nitơ lỏng là một trong những môi trường tôi rất thích hợp cho hợp kim nhôm

Sau khi tôi, hợp kim có tổ chức là dung dịch rắn quá bão hoà với hiệu quả tăng bền không lớn Để tăng bền người ta phải tiến hành hoá già ở nhiệt

độ và thời gian nhất định để nhận được cơ tính tổng hợp tốt nhất theo yêu cầu

kỹ thuật

1.2.3 Hoá già hợp kim nhôm

Hoá già là phương pháp gia công nhiệt luyện nhằm phân hoá dung dịch rắn quá bão hoà nhận được sau khi tôi các hợp kim không có chuyển biến thù hình

Hoá già phân cấp: hoá già tiến hành bằng cách giữ nhiệt không phải ở một nhiệt độ mà ở những nhiệt độ khác nhau gọi là hoá già phân cấp Trong

kỹ thuật đối với hợp kim nhôm thường gặp hoá già hai cấp, cấp một ở nhiệt

độ thấp và cấp hai ở nhiệt độ cao hơn

Mục đích cơ bản của hoá già phân cấp là tạo ra tổ chức có mật độ phần

tử tiết ra lớn và sự phân bố của chúng đồng đều Khi hoá già ở nhiệt độ thấp,

do mức độ quá bão hoà dung dịch rắn lớn, số tâm mầm tiết ra sẽ rất nhiều Nâng nhiệt độ hóa già cấp hai cao hơn, pha tiết ra có khả năng sinh mầm ký sinh không chỉ trên lệch, biên giới siêu hạt, khuyết tật xếp, mà cả trên các vùng GP tạo ra trong giai đoạn hoá già cấp một Như vậy tổ chức nhận được

sẽ nhỏ mịn, phân tán hơn so với trường hợp chỉ hoá già một cấp ở nhiệt độ cao

1.3 ĂN MÒN DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ỨNG SUẤT

Ăn mòn dưới ứng suất là trường hợp thường gặp nhất trong thực tiễn gây tổn thất khá lớn trong tổng số thiệt hại do ăn mòn Khi đó hai tác nhân cùng phối hợp, thúc đẩy lẫn nhau làm phá huỷ vật liệu nhanh hơn Ứng suất

và ăn mòn được xem xét trong điều kiện: môi trường ăn mòn có hoạt tính trung bình không đổi và ứng suất kéo hoặc uốn nằm trong vùng đàn hồi

1.3 1 Ý nghĩa của ăn mòn ứng suất

- Ứng suất tác dụng đồng thời với ăn mòn thì cả hai đều được khuếch đại và gây nên phá huỷ nhanh chóng chi tiết (hình 1.2: a - vết nứt phát triển và cắt ngang hạt tinh thể; b - vết nứt đi qua biên giới hạt, xuất hiện các vết nứt trong; c - các vết nứt phát triển) Ví dụ các dạng ăn mòn ứng suất: vỏ đạn bị ăn mòn làm mất tác dụng, bình nhiên liệu N2O bằng hợp kim titan bị vỡ gây tai nạn nguy hiểm

- Môi trường: mỗi loại vật liệu có những môi trường điển hình làm nhạy cảm với ăn mòn ứng suất

- Ứng suất có thể là ứng suất dư hình thành trong quá trình chế tạo, hoặc do đặc điểm của chi tiết (vỏ đạn và đầu đạn) trong ví dụ trên

vỏ đạn chịu kéo Tuy các ứng suất này còn nhỏ hơn rất nhiều so với giới hạn đàn hồi của vật liệu chi tiết

gây nứt vùng chịu kéo [10]

1.3 2 Các phương pháp nghiên cứu

Về cơ bản có hai trường hợp: Nếu vật liệu cần chọn làm việc trong môi trường hoạt tính và thời gian ngắn, người ta tiến hành thử mẫu dưới tải trọng lớn và môi trường như yêu cầu đáp ứng điều kiện làm việc Trong trường hợp cần chọn vật liệu để làm các kết cấu làm việc rất lâu dài trong môi trường hoạt tính nào đó, người ta có thể áp dụng phương pháp thử nhanh Kết quả thử nhanh đánh giá độ nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất của vật liệu Căn

cứ vào chỉ tiêu này người ta chọn vật liệu có độ nhạy cảm nhỏ nhất

Căn cứ vào kết cấu mẫu người ta phân ra hai loại: a - ứng suất tạo ra trong mẫu là do thiết bị kéo tạo ra có chiều dọc trục và giá trị không đổi; b -

ứng suất tạo ra nhờ đặt vào mẫu một biến dạng uốn có độ lớn xác định và không đổi (hình 1.4)

Hình 1.4 Ăn mòn ứng suất với độ biến dạng không đổi [10]

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn ứng suất

Quá trình ăn mòn thường khởi đầu ở vùng tinh giới, sự phát triển của

ăn mòn dưới ứng suất không khác gì với việc phát triển vết nứt dưới tác dụng của tải trọng thay đổi Hai yếu tố này khi được kết hợp với nhau sẽ làm cho nguy hiểm tăng lên gấp bội

* Ảnh hưởng của ứng suất

Ứng suất nén có tác dụng hạn chế ăn mòn ứng suất Chỉ có ứng suất kéo có tác dụng thúc đẩy ăn mòn ứng suất, do đó ở các thùng chứa vết nứt do

ăn mòn ứng suất chỉ phát triển ở mặt ngoài nơi chịu ứng suất kéo (hình 1.3)

Để làm giảm tác hại của ăn mòn ứng suất, người ta có thể tạo ứng suất nén dư

ở mặt ngoài bằng phun bi hoặc phun cát

Hai nhóm ứng suất cần quan tâm là ứng suất bên ngoài (ngoại ứng suất)

và ứng suất bên trong (nội ứng suất) Ứng suất bên ngoài thường có giá trị lớn

có thể xác định cũng như chế ngự được, còn ứng suất bên trong khó xác định

và đánh giá Ngày nay người ta thường quan tâm nhiều đến nội ứng suất trên lớp bề mặt Nội ứng suất bề mặt thường liên quan đến các công nghệ nhiệt luyện và xử lý bề mặt như tôi bề mặt, các công nghệ biến cứng bằng cơ học

a

b

a

b

như: phun bi, phun cát làm sạch, lăn ép, … ứng suất do xử lý tạo lớp phủ bề mặt có thể bằng điện hoá hoặc bằng các phương pháp khác nhau, các xử lý này đều có thể gây ứng suất cả ở lớp phủ cũng như trong vật liệu chi tiết

* Môi trường nhạy cảm với ăn mòn ứng suất

Một số loại vật liệu và các môi trường làm vật liệu bị ăn mòn ứng suất (bảng 1.5)

Bảng 1.5 Môi trường nhạy cảm với ăn mòn ứng suất của một số vật liệu

khí quyển; hơi nước

cất

ngân

methanol + HCl

Thép cacbon

Dung dịch NaOH; dung dịch NaOH + NaSiO3; dung dịch nitrat;

Ca (NH4,Na); hỗn hợp axít H2SO4 + HNO3; dung dịch HCN; dung dịch H2S; nước biển; hợp kim lỏng NaPb

Thép không gỉ

Dung dịch MgCl2, BaCl2; dung dịch NaCl + H2O2; nước biển;

H2S; dung dịch NaOH + H2S; nước ngưng tụ có chứa muối clorua

* Ảnh hưởng của thời gian

Thời gian có ảnh hưởng trực tiếp đến độ lớn và sự phân bố ứng suất bên trong, do đó ảnh hưởng đến ăn mòn dưới ứng suất Đặc biệt, đối với các chi tiết bằng vật liệu kim loại sau khi tôi, ram và hoá già Các tổ chức giả ổn định có xu hướng chuyển đến trạng thái ổn định hơn, nội ứng suất sẽ thay đổi khi có các chuyển biến pha này

* Ảnh hưởng bởi thành phần hoá học của vật liệu

Ăn mòn ứng suất là hiện tượng phổ biến, xảy ra ở rất nhiều vật liệu: trong thép các loại, trong hợp kim đồng, hợp kim niken, hợp kim titan, hợp kim magiê, … và trong hợp kim nhôm

Các công trình nghiên cứu chỉ ra rằng đối với hợp kim nhôm, ăn mòn dưới ứng suất chủ yếu xảy ra ở các hợp kim có thể hóa bền bằng nhiệt luyện, còn đối với các hợp kim nhôm đúc hiện tượng này chỉ xảy ra ở một vài hệ ví dụ: hệ Al-Mg (Mg > 5 %); Al-Si-Mg (Si ≥ 7 %) sau tôi và hóa già

Trong số các hệ hợp kim nhôm phổ biến trong công nghiệp, các hợp kim của hai hệ: Al-Cu-Mg-Mn (2xxx) và Al-Zn-Mg(Cu) (7xxx) thuộc loại nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất

Nghiên cứu cơ chế ăn mòn dưới ứng suất hợp kim hệ 7xxx người ta đề suất hai khả năng hình thành các vết nứt ăn mòn:

- Sau tôi và hóa già các phần tử β(MgZn2) rất nhỏ mịn tiết ra theo biên giới hạt Xung quanh các phần tử này là vùng dung dịch rắn α nghèo Zn và Mg, trở thành dương cực Dưới tác dụng của môi trường điện ly xảy ra hòa tan các phần tử β(MgZn2) có thế điện cực

âm hơn, để lại các lỗ rỗ (vết nứt tế vi) Các vết nứt tế vi này phân bố thành dãy theo biên giới hạt, chúng dễ dàng phát triển dưới tác dụng của ứng suất và gây ra nứt ăn mòn theo biên giới hạt

- Khi hóa già trong hợp kim hệ 7xxx hình thành vùng trắng cận biên giới hạt Nguyên nhân của vùng trắng là sự khuếch tán thoát nhanh nút trống ra biên giới hạt, để lại vùng cận biên giới không đủ điều kiện sinh mầm tiết pha Vùng trắng trở nên kém bền (so sánh với

nền còn lại), chính nó bị ăn mòn và tạo thành vết nứt phát triển Trên (hình 1.6, 1.7, 1.8, 1.9) chỉ ra các vết nứt phát triển khi ăn mòn ứng suất xảy ra trên chi tiết ống lồng từ hợp kim nhôm 7020 {(4,0 - 5,0) %Zn; (1,0 - 1,4) %Mg; (0,05 - 0,50) %Mn; (0,10 - 0,35) %Cr; (0,08 - 0,35) %(Zr + Ti); nhiệt luyện ở chế độ T6} [17]

- Tìm cách tạo ứng suất nén dư trên bề mặt vật liệu

- Bảo vệ catôt vật liệu nhằm loại trừ khả năng phân cực anôt và do đó giảm nguyên nhân gây ăn mòn

- Thay đổi vật liệu nếu có thể được

- Dùng chất ức chế

- Ứng dụng các công nghệ mới, ví dụ: hàn khuấy ma sát (FSW) Quá trình hàn FSW được phát minh và kiểm chứng thực nghiệm bởi Wayne Thomas và một nhóm đồng nghiệp tại viện Hàn Châu Âu tháng 12 năm 1991 Trên (hình 1.5) trình bày sơ đồ nguyên lý hoạt động của FSW Trong FSW, một trụ vai có gắn probe đầu dò dạng ren hoặc không ren (dạng chốt hoặc kẹp) được quay với tốc độ

không đổi và di chuyển ngang với tốc độ không đổi dọc theo đường trục hàn giữa hai tấm vật liệu Các tấm này luôn được ép bằng lực

ép P xác định từ hai bên sườn để tránh vùng tiếp giáp bị đẩy ra khi đầu dò quay Chiều dài của probe ngắn hơn một chút so với chiều sâu hàn yêu cầu và trụ vai tiếp xúc chặt chẽ với bề mặt làm việc

Hình 1.5 Mô tả quá trình hàn khuấy ma sát [20, 32]

Nhiệt ma sát được sinh giữa vai của trụ hàn có tính chịu mài mòn cao

và probe với các tấm hàn Nhiệt này sinh ra bởi vật liệu bị xoắn mạnh, giống như nhiệt từ quá trình hòa trộn cơ học và là đoạn nhiệt trong vật liệu, làm cho vật liệu bị biến mềm mà chưa đạt đến điểm chảy (do đó được gọi là quá trình hàn trạng thái rắn Quá trình hàn của vật liệu được dễ dàng nhờ biến dạng dẻo khốc liệt ở trạng thái rắn có xảy ra quá trình tái kết tinh động của vật liệu cơ

sở FSW chủ yếu được ứng dụng cho hàn nhôm và hợp kim nhôm, khi chi tiết hàn lớn khó xử lý nhiệt sau hàn để khôi phục tổ chức, tính chất về trạng thái tôi và hóa già

Hình ảnh các dạng ăn mòn ứng suất của hợp kim hệ Al-Zn-Mg [17]

Hình 1.8 Ảnh quang học cho thấy

vết nứt bắt đầu từ mối hàn-với nền

và phát triển theo biên giới hạt

8

Hình 1.9 Ảnh quang học cho thấy

9

vết nứt bắt đầu từ vùng dung dịch rắn quá bão hòa và phát triển theo

biên giới hạt

1.4 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN HỢP KIM NHÔM

Ngày nay khi nhịp độ sản xuất nhôm tăng lên mạnh hơn, vị trí của vật liệu kim loại này được đưa lên hàng thứ hai sau thép

Nhôm và hợp kim nhôm có những ưu điểm hơn so với thép được so sánh ở sơ đồ (hình 1.10)

Hình 1.10 So sánh một số đặc điểm của nhôm và thép [35]

Hợp kim nhôm đầu tiên ra đời năm 1906 đó là hợp kim do Alfred Wienmer tìm ra và hiện nay được phát triển thành các đuyra trên cơ sở hệ hợp kim Al-Cu-Mg đang được sử dụng rộng rãi

Sản lượng và nhu cầu ứng dụng nhôm so với các kim loại kết cấu khác tăng lên không ngừng (hình 1.11, 1.12)

Hình 1.11 Sản lượng tiêu thụ nhôm của thế giới 1994 - 2004 [36]

Hình 1.12 Dự báo tiêu thụ nhôm của thế giới 2020 [36]

Độ bền riêng của hợp kim nhôm khoảng 16,5 Km (đuyra), trong khi của thép (cacbon trung bình) là 15,4 Km Vì vậy, khi sử dụng hợp kim nhôm làm vật liệu kết cấu, nó tỏ ra có những ưu điểm rất lớn Về mặt trữ lượng, nhôm nhiều hơn sắt, theo tính toán nhôm chiếm 8,8 % còn sắt chỉ chiếm 5,1

% trọng lượng vỏ trái đất

Hợp kim nhôm ngày càng phát triển về chủng loại cũng như số lượng,

để đáp ứng với yêu cầu không ngừng nâng cao của công nghệ và lĩnh vực ứng

dụng (bảng 1.6)

Hình 1.16 Một số ứng dụng khác của hợp kim nhôm

Với những ưu điểm khối lượng riêng nhẹ, chống ăn mòn và độ bền riêng cao đồng thời có khả năng tái sinh được nên hợp kim nhôm được sử dụng phổ biến, đặc biệt là trong vận tải, đóng gói và xây dựng Ngoài ra hợp kim nhôm còn có vai trò quan trọng trong ứng dụng cơ sở hạ tầng, hàng không, công nghệ cao (hình 1.13, 1.14, 1.15, 1.16)

Nhiệm vụ đặt ra đầu tiên cho các hợp kim nhôm là phải tăng cơ tính để đáp ứng yêu cầu quan trọng đối với vật liệu kết cấu là bền hơn và nhẹ hơn Nhôm rất phù hợp để chế tạo vật liệu nhẹ và bền Có nhiều cách để tăng độ bền của hợp kim nhôm như tôi và hoá già, tăng bền cơ học (biến cứng nguội), biến cứng phân tán hoặc làm mịn hạt

Hiện nay, hợp kim nhôm vẫn đang được nghiên cứu phát triển Các hướng chính để phát huy ưu điểm vốn có của hợp kim nhôm như một vật liệu kết cấu nhẹ là:

- Hợp kim hoá nhôm bằng các nguyên tố nhẹ như Mg, Li,

- Hợp kim hệ: Al-Mg-Li; Al-Cu-Li (ưu việt so với hệ 2xxx và 7xxx)

- Cải tiến công nghệ nấu luyện theo hướng chính xác thành phần, giảm thiểu tạp chất Kết hợp hiệu quả các khâu xử lý như biến tính, nhiệt luyện (tôi và hoá già) với các nguyên công gia công khác (biến dạng, …)

- Phát huy ảnh hưởng tốt của hợp kim hoá vi lượng các kim loại chuyển tiếp (Ti, Mn, Cr, Zr, )

- Kết hợp hợp kim hoá và chế độ cơ nhiệt luyện hoá bền tổng hợp

- Phát triển vật liệu compozit nền hợp kim nhôm

- Phát triển các công nghệ phụ trợ, như công nghệ hàn khuấy ma sát (Friction Stir Welding - FSW) để nâng cao chất lượng hợp kim nhôm trong các ứng dụng đặc biệt Theo hướng này, người ta có thể khai thác triệt để các hợp kim nhôm có độ bền cao sau nhiệt luyện (hệ 2xxx và 7xxx) để chế tạo các thiết bị lớn với yêu cầu cao về độ bền, khối lượng riêng nhỏ, chống ăn mòn tốt trong công nghiệp, đặc biệt là trong quân sự [14, 15, 16]