Ảnh hưởng của biến dạng dẻo tới cơ tính của hợp kim AlMgSi khi hoá già

ảnh h−ởng của biến dạng dẻo tới cơ tính của hợp kim AlMgSi khi hoá già Effect of plastic deformation prior to ageing on strength properties of AlMgSi alloy Nguyễn Khắc Thụng, Đào Quang Kế SUMMARY Effect of plastic deformation prior on strength properties of AlMgSi alloy was investigated. This effect brought about by ageing at 1750C was described by strength – deformation ratio curves. The obtained results showed a considerable rise of strength properties because of cold deformation prior to ageing. It results in choosing the reasonable LTHT operation that yields higher values of strength properties compared with the traditional heat - treatment (quenching and ageing). Key words: Ageing, strength, heat - treatment. 1. Đặt vấn đề Nhôm và hợp kim nhôm là vật liệu nhẹ có độ bền riêng cao, chống ăn mòn tốt. Hiện nay trên thế giới nhiều mác hợp kim nhôm biến dạng đã đ−ợc sản xuất hàng loạt phục vụ cho công nghiệp hàng không, vũ trụ, dùng để chế tạo các loại máy bay, tên lửa, ra đa, ống phóng, khớp nối v.v hay các thiết bị quân sự khác. Các hợp kim nhôm đ−ợc sử dụng trong công nghiệp và đời sống ngày càng tăng lên với tốc độ ngày càng lớn. Do vậy, để nâng cao chất l−ợng sản phẩm và công nghệ sản xuất hàng loạt, đã có nhiều nghiên cứu nhằm đạt đ−ợc tối −u hoá các chỉ tiêu cơ tính. Nguyễn Khắc X−ơng, Phạm Minh Ph−ơng, Nguyễn Khắc Thông (2001; 2003) đã lựa chọn tối −u hoá cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp và cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao của hợp kim nhôm biến dạng hệ AlMgSi bằng ph−ơng pháp quy hoạch thực nghiệm trong các nghiên cứu của họ. Các tác giả Đào Châu Long (2003), Nguyễn Khắc Thông, Nguyễn Văn Chi (2005), Zhu và Sellas (2000) đã nghiên cứu động học quá trình hoá già của hợp kim nhôm. Các tác giả An (2001), Manish & cs (2000) cũng đã nghiên cứu ảnh h−ởng của các nguyên tố kim loại, kim loại chuyển tiếp tới động học quá trình hoá già hợp kim nhôm. Trong bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu ảnh h−ởng của biến dạng dẻo tới cơ tính của hợp kim AlMgSi khi hóa già bằng ph−ơng pháp đo độ cứng và hiển vi điện tử quét. 2. Thực nghiệm 2.1.Chế tạo mẫu nghiên cứu Hợp kim nghiên cứu đ−ợc nấu luyện trên cơ sở phối liệu các hợp kim trung gian AlMg10; AlSi13 và Al nguyên chất. Khi nấu luyện phải tuân theo nguyên tắc: cho nhôm vào tr−ớc, nung chảy, quá nhiệt ở 50ữ1000C rồi lần l−ợt cho các hợp kim trung gian vào theo nguyên tắc hợp kim trung gian có nhiệt độ nóng chảy cao, cháy hao ít cho vào tr−ớc. Khi các hợp kim đã nóng chảy hết, khuấy đều, biến tính, tinh luyện, khử khí rồi tiến hành rót khuôn. Hợp kim nhôm nghiên cứu sau khi nấu luyện đ−ợc tiến hành phân tích thành phần hoá học trên máy quang phổ phát xạ nguyên tử ARL-3460 của hãng FISON Thụy sỹ, kết quả: 0,46604%Si; 0,76939%Mg; 0,14563% Cu; 0,01364 Cr; 0,03821% Fe còn lại là Al. Hợp kim nghiên cứu có 2 nguyên tố hợp kim đó là Mg, Si. Các mẫu nghiên cứu đ−ợc chế tạo ở dạng tấm với kích th−ớc 10 x 15 x 100 mm. Sau khi đúc, mẫu đ−ợc ủ đồng đều hoá nhằm khắc phục hiện t−ợng thiên tích của vật đúc. Hợp kim nhôm nghiên cứu đ−ợc ủ đồng đều hóa ở nhiệt độ 5300C, trong thời gian 4h. Tiến hành tôi ở 4800C, thời gian giữ nhiệt khi tôi 20 phút, làm nguội trong môi tr−ờng n−ớc. Sau đó đem biến dạng nguội bằng ph−ơng 1 t (0C) 1 2 τ (h)τ ủ 4 τ tôi 5 6 2 2 Hình 1. Quy trình công nghệ chế tạo mẫu nghiên cứu 1- ủ; 2. làm nguội ngoài không khí; 3- Tôi; 4- làm nguội trong n−ớc; 5- Biến dạng ở 1200C; 6- Hoá già ở 1750C. τ hoá già 3 pháp cán, với các mức độ biến dạng khác nhau: 15%, 25%, 50%, và 75%. Sau biến dạng tiến hành hoá già ở 1750C với các thời gia hoá già khác nhau 1, 2, 3, 4, 5, 6 , 7 và 8h. Trên hình 1 thể hiện quy trình công nghệ chế tạo mẫu nghiên cứu. 2.2 Kết quả đo cơ tính Kết quả đo độ cứng HB ứng với các mẫu sau khi tôi, biến dạng và hoá già ở 1750C với mức độ biến dạng tăng từ 0% đến 75% (bảng 1). Bảng 1. Kết quả đo độ cứng τ (h) ε (%) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 38,38 42,36 48,56 52,63 54,36 58,45 60,26 62,36 64,36 15 52,26 61,46 76,28 80,46 89,56 97,46 98,16 86,58 75,62 25 58,36 68,56 78,56 85,46 98,28 120,46 112,36 93,56 78,36 50 63,28 82,28 96,36 118,28 130,32 124,36 118,36 96,34 82,28 75 72,36 88,56 128,12 145,36 136,26 128,26 120,46 100,28 86,28 Hình 2 là đồ thị thể hiện ảnh h−ởng của biến dạng dẻo đến độ cứng của hợp kim nghiên cứu khi hoá già. Từ các kết quả nghiên cứu, ta có nhận xét sau; - Hợp kim sau khi biến dạng có độ cứng sau hoá già cao hơn hợp kim không biến dạng. - Trên các đ−ờng cong thực nghiệm sau tôi - biến dạng - hoá già, khi mức độ biến dạng tăng thì thời gian đạt độ cứng cực đại ngắn. Điều đó có nghĩa là biến dạng đã đẩy nhanh quá trình tiết pha khi hoá già để đạt đến trạng thái tổ chức ứng với cực đại độ cứng. - Ta biết rằng biến dạng dẻo sẽ làm xuất hiện các khuyết tật mạng tinh thể nh− lệch, nút trống Sau khi tôi, mật độ khuyết tật mạng tinh thể cũng tăng lên. Do ảnh h−ởng của mật độ khuyết tật mạng tinh thể cao gây ra bởi tác động tổng hợp của biến dạng dẻo và tôi, làm cho quá trình tiết pha khi hoá già sẽ xảy ra nhanh hơn. Tóm lại biến dạng dẻo làm tăng c−ờng độ mật độ lệch và nút trống. Nếu mức độ biến dạng càng lớn thì mật độ lệch và nút trống càng lớn. Lệch cũng nh− nút trống là yếu tố thúc đẩy quá trình 2 Hình 2. ảnh h−ởng của biến dạng tiết pha khi hoá già. Chính vì vậy mức độ biến dạng càng lớn thì thời gian đạt cực đại cơ tính càng Khi thời gian hoá già dài, cơ tính của hợp kim giảm và khi đó vùng Guinier – Preston và pha β’ phâ .3 ảnh tổ chức tế vi hiển vi điện tử quét với độ phóng đại 3500 lần. tổ chức của hợp kim AlMgSi ngh . Kết luận nghiên cứu về hợp kim AlMgSi cho thấy biến dạng dẻo sau khi tôi thúc đẩy quá trình h 30 60 90 120 150 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Thời gian hóa già H B ( kG /m m 2) 0% 15% 25% 50% 5% ngắn. n huỷ thành pha β (Mg2Si) ổn định và chúng tích tụ, lớn lên theo thời gian. 2 Hình 3 và 4 là ảnh iên cứu với các thời gian hoá già 2 giờ và 6 giờ ở cùng một nhiệt độ cho ta thấy rõ sự phân bố của các pha tiết ra Mg2Si. Hình 3. Tổ chức sau tôi, hoá già ở 1750C, 2 giờ, X 3500 Hình 4. Tổ chức sau tôi, hoá già ở 1750C, 6 giờ, X 3500 3 Từ những oá già và làm tăng cơ tính. Tăng mức độ biến dạng sẽ rút ngắn thời gian hoá già để đạt đ−ợc cực đại về cơ tính. 3 Tài liệu tham khảo An Y.G. (2001), “Strain Path Changes Effects on Stretch Formability of 6082 Aluminium Alloy”, Metallurgical and Materials Transactions a, Vol (17), pp 258ữ263. Đoàn Châu Long (2003), “Quá trình hoá già trong hệ hợp kim Al-Mg-Si xảy ra khi nung liên tục”, Hội nghị khoa học chuyên ngành “vật liệu và xử lý vật liệu kim loại”, tr 105ữ115. Nguyễn Khắc X−ơng, Phạm Minh Ph−ơng, Nguyễn Khắc Thông (2001) “Quy trình tối −u cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp hợp kim nhôm biến dạng”, Hội nghị khoa học lần thứ 19 tr−ờng đại học Bách Khoa Hà nội. Tuyển tập công trình khoa học 10/ 2001, tr 115ữ119. Nguyễn Khắc X−ơng, Phạm Minh Ph−ơng, Nguyễn Khắc Thông, (2003) “Lựa chọn quy trình tối −u cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si”, tạp chí Khoa học và công nghệ, tập (41) số 3, tr 29ữ34. Nguyễn Khắc Thông, Nguyễn Văn Chi (2005). Động học tiết pha khi hoá già hợp kim Al-Mg-Si, tạp chí Khoa học và công nghệ, tập (43), số 4, tr127ữ132. Manish D. Dighe, Arun M.Gokhale, Mark F.Horstemmeyer, and Mosher D.A. (2000), “Effect of Strain Rate on Damage Evolution in Cast Al-Mg-Si Base Alloy”, Metallurgical and materials transactions a, Vol (31a) , pp 1725-1731. Murayama M., Hono K., Miao W.F. , and Laughlin D.E. (2001), “The Effect of Cu Additions on the Precipitation Kinetics in an Al-Mg-Si Alloy with Excess Si”, Metallurgical and Materials Transactions a, Vol (32a) , pp 239ữ246. Zhu, Q; Sellars, C.M. (2000), “Microstructural evolution of aluminium-magnesium alloys during thermomechanical processing”, Materials Science Forum v 331 (I). pp 409ữ420. Weatherly G.C., Perovic A., N.k. Mukhopadhyay, Lloyd, and D.D. Perovic (2001), “The Precipitation of the Q Phase in an AA6111 Alloy”, Metallurgical and Materials Transactions a, Vol (32A) , pp 213ữ218. 4