Tải bản đầy đủ

Quá trình hóa già hợp kim Al – Cu

VẬT LIỆU HỌC
1

Quá trình hóa già hợp kim Al – Cu
Hoá già là quá trình gia công nhiệt luyện các họp kim sau khi tôi không có
chuyển biến thù hình, mà nó chủ yếu là quá trình phân hoá dung dịch rắn quá
bão hoà dưới tác dụng của nhiệt độ và thời gian, đưa tổ chức của họp kim về
trạng thái năng lượne ổn định hơn. Thực chất của quá trình hoá già là chuyển
hệ thống từ trạng thái có năng lượng cao và không cân bằng về trạng thái có
năns lượng thấp hơn (vì quá trình hoá già là quá trình tự xảy ra). Cơ sở lý thuyết
về quá trình hoá già được áp dụng cho tất cả các họp kim tạo trên cơ sở kim
loại có chuyển biến thù hình.
Sự thay đổi tổ chức khi hoá già:
Quá trình hóa già xảy ra có khuếch tán. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian hoá
già, bản chất hợp kim, thành phần các nguyên tố cơ bản, tạp chất, trạng thái tổ
chức và đặc tính biến dạng trước khi hoá già có vai trò rất lớn. Các yếu tố này
gây ảnh hưởng đến mức độ, hình thức phân hoá dung dịch rắn, độ phân tán các
phần tử tiết ra, hình dạng của chúng và đặc tính tổ chức khác.
Các giai đoạn phân hoá dung dịch rắn quá bão hoà:
Nghiên cứu bản chất tổ chức tạo ra khi hoá già, các giai đoạn và đặc tính động
học của quá trình phân hoá dung dịch rắn quá bão hoà có ý nghĩa lý thuyết và

thực tiễn rất quan trọng. Đặc điểm tổ chức hình thành khi phân hoá dung dịch
rắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đến nay nhiều công trình nghiên cứu dựa trên
những phương tiện hiện đại cũng đang nghiên cứu để làm sáng tỏ bản chất động
học quá trình hoá già. Từ đầu thế kỷ 20, hợp kim AI - 4%Cu đã được nghiên
cứu nhiều và được làm hợp kim tiêu biểu cho sự nghiên cứu về động học quá
trình hoá già. Cơ chế hoá bền hợp kim nhôm cũng được giải thích trên cơ sở của
các công trình nghiên cứu về hợp kim này.
Sau khi tôi hợp kim sẽ nhận được dung dịch rắn a quá bão hoà, ở nhiệt độ
thường tổ chức này không ổn định và có xu hướng phân hoá. Khi ta tăng nhiệt
độ (khi nhiệt độ lớn hơnl50°C) hoặc kéo dài thời gian, giữ cho nhiệt độ không
đổi thì sự thay đổi tổ chức bắt đầu hình thành các vùng Guinier — Preston
(VGP), tiếp theo là sự tạo pha 0” (VGP2), pha 0’ và pha 0(CUA12).

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
1


VẬT LIỆU HỌC
2

VGP là vùng của dung dịch rắn quá bão hoà được làm gi ầu nguyên tố hợp kim.
Tất nhiên nó có cùng kiểu mạng tinh thể với dung dịch rắn. Do sự tồn tại chênh
lệch đường kính nguyên tử Àd giữa Cu và Al, sự hình thành VGP gây ra trườn £
ứng suất đàn hồi khá lớn. Giữa VGP và pha mẹ (nền) không có giới hạn rõ rệt.
Thành phần Cu của VGP trong hệ Al + 4%Cu cao hơn 4% và nhỏ hơn 52%
(thành phần ứng với CuAl2). ớ đây các nguyên tử Cu chiếm một trong số các
mặt của họ {100}, còn trên các mặt song song về hai phía với nó chỉ có nguyên
tử Al. Vì bán kính nguyên tử Cu (rCu) nhỏ hơn bán kính nguyên tử Al (rAI).
Do vậy dãn đến mặt nguyên tử Al dịch ép về
phía mặt nguyên tử Cu, khoảng 14 lớp tính
theo mỗi phía chịu ảnh hưởne xê dịch vị trí
do xuất hiện mặt phẳng nguyên tử Cu trung
tâm. Sự
chênh
lệch khá
lớn giữa
rCu

rA1 gây
biến dạng

đàn hồi tương đối mạnh, do vậy VGP Irong
hộ AI - Cu có dạng đĩa.
Kích thước VGP phụ thuộc vào thành phần
hợp kim, nhiệt độ và thời gian hoá già, giá
trị trung bình khoảns 10 - 100A°. Tùy thuộc
vào thành phần hợp kim, nhiệt độ và thời
gian hoá già mà vùns VGP có đường kính
khoảng 100A°.
Về mặt động học VGP được coi như trạng
thái pha giả ổn định. So với vùng tạo ra ban
đầu tạo ra do ba động thành phần, VGP
khác hẳn. Vùng ba động thành phần
không ổn định thì VGP lại ổn định hơn
theo thời gian.
VGP có thể lớn lên bằng cách “thiên tích” các vùng nhỏ lân cận theo cơ chế
TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
2


VẬT LIỆU HỌC
3
khuyếch tán.
Thành phần VGP ở nhiệt độ nhất định không phụ thuộc vào thành phần hợp
kim. Một trong những điểm quan trọng nhất về mặt nhiệt động học có thể coi
VGP như trạng thái pha giả ổn định, là sự tồn tại của đường hoà tan VGP tương
tự như đường hoà tan pha 0 trên giản đồ pha và tồn tại đường cong vòm biểu thị
sự cân băng giả ốn định cua pha mẹ và *VGP
So sánh mật độ lệch và mật độ VGP khi hoá già thấy rằng mật độ VGP lớn hơn
mật độ lệch. Trên cơ sở đó, người ta cho rằng VGP sinh ra theo cơ chế đồng pha
trên các vùng ba động nồng độ. Do vậy các VGP phân bố khá đồng đều trên
toàn bộ thể tích của chi tiết. Quá trình phân hoá tiếp theo tạo ra pha 0”. Pha
0” về thành phần gần giống với công thức CUA12, về cấu trúc tinh thể có kiểu
mạng chính phương a = 4,04A°, c = 7,68A°. Về kích thước, pha 0” dày khoảng
100A°

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
2


VẬT LIỆU HỌC
4

và đường kính khoảng 1500A0, pha 0” còn được kí hiệu là VGP2. Kí hiệu này
nói lên pha 0” giống VGP ở chỗ mạng tinh thể của nó hoàn toàn liên tục với
nền.
Pha 0’ có thành phần ứng với công thức CuAl2, kiểu mạng chính phương, Theo
mặt (001) có hằng số mạng a = 4,04A° và hoàn toàn liền mạng với nền a. Theo
mặt (100) hằng số mạng tương ứng là a = 4,04A° và c = 5,80A°. Như vậy 0’ liền
mạns một phần với a. Trườne hợp ứng suất đàn hồi sinh ra do tạo VGP và pha
0” lớn hơn so với trường họp tạo 0’.
Pha 0 (CuAl7) là pha hoàn toàn độc lập với nền, kiểu mạng chính phương với
các thông số mạng a = 6,06A° và c = 4,87A°.
Về cơ chế sinh mầm của các pha 0”, 0’ người ta cho rằng chúng tạo ra ở trên các
lệch, biên giới siêu hạt, khuyết tật xếp và ở các vùng nút trống, đồng thời chúng
còn sinh ra trên các pha 9” hoặc 0’ đã xuất hiện trước. Như vậy, về thứ tự các
pha 0”, 0’ có thể sinh ra bằng cách tiếp tục phát triển các VGP hoặc cũng có thể
sinh ra hoàn toàn độc lập không phụ thuộc vào các vùng đó. Pha 0 (CuAl2)
cũng vậy. Nó có thể kế tục các pha trung gian 0”, 0’ hoặc cũng có thể sinh ra
độc lập với các pha đó.
Sự biến đổi năng lượng tự do khi chuyển biến pha trong trạng thái rắn biểu diễn
bằng công thức:
AF = - AFV + AFbm + AFdh.
Hai thành phần AFbm và AFdh có giá trị dương làm ngăn cản quá trình tạo
mầm khi chuyển biến pha. Sự tạo hình thành VGP, 0”, 9’ trên lệch, biên giới
hạt, siêu hạt, khuyết tật xếp, vùng nút trống làm giảm bớt đại lượng Fdh, trong
khi đó tiết ra pha ổn định 0 làm tăng AFbm. Khi các mầm 0 được tạo trên biên
giới hạt hoặc các pha 0”, 0’ sẽ làm giảm giá trị AFbm.
Trên giản đồ pha, vị trí hoà tan VGP thấp nhất rồi đến pha 0”, pha 0’ và cao
nhất là đường hoà tan vùng 0. Do vậy các sản phẩm phân hoá VGP, pha 0’, pha
0 sẽ có giản đồ chữ c của nó

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
3


VẬT LIỆU HỌC
5

Đường hòa tan của VGP, pha 0 ", 9' và 9 trong hệ Al-Cu.

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
3


VẬT LIỆU HỌC
6

Nhánh trên của đường cong chữ c tiến tới nhiệt độ hoà tan tương ứng TVGp,
Te-, Te . Nếu ta tiến hành hoá già ở nhiệt độ Tị < TVGp lần lượt sẽ tạo ra các
sản phẩm aqbh —» VGP —» 0’ —» 0.

c

Đường cong chữ
hình
thành VGP, pha 0' và 9 khi
phân hóa dung dịch rắn quá bão
hòa

Sự kết tụ các phần tử tiết pha:
Khi thành phần pha mẹ đạt tới cân bằng trong quá trình phân huỷ dung dịch rắn
quá bão hoà, khối lượng của các pha tăng lên và nồng độ các nguyên tố hợp kim
trong dung dịch rắn giảm xuống, khi dung dịch rắn đạt được nồng độ cân bằng ở
mỗi nhiệt độ xác định, việc sinh mần sẽ ngừng lại, tổng thể tích của các pha tách
ra không thay đổi nhưng tổ chức của họp kim chưa ổn định, chúng có xu hướng
kết tụ lại và lớn lên và làm giảm năng lượng của hệ thống. Động lực của quá
trình là sự chênh lệch năng lượng tự do của các phân tử tiết ra.
Đối với độ quá nguội đã cho AFV và G là hằng số. Từ đó cho thấy năng lượng
tự do tính cho một nguyên tử (f) tỷ lệ nghịch với kích thước của cácphần tử tiết
ra, bán kính của các phần tử tiết ra càng nhỏ, năng lượng tự do của nó càng
lớn và do đó nó cân bằng với dung dịch rắn xung quanh và có nồng độ cao hơn.
Khi các phần tử tiết ra có bán kính lớn, thì có sự chênh lệch nồng độ nguyên tố
hoà tan nên sẽ có dòng nguyên tử các nguyên tố hoà tan di chuyển từ vùng
xung quanh phần tử nhỏ đến vùng xung quanh phần tử lớn. Kết quả là các
phần tử nhỏ hoà tan và các phần tử lớn tiếp tục phát triển, kéo theo là năng
lượng tự do của hệ thống giảm. Quá trình này được gọi là quá trình tích tụ các
phần tử tiết ra.

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
4


VẬT LIỆU HỌC
7

Các yếu tô ảnh hưởng đến quá trình hoá già:
Hóa già chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Các yếu tố ảnh hưởng mạnh và rực
tiếp đến động học hóa già là nhiệt độ, thời gian, thành phần hóa học và tổ chức
của hợp kim trước khi hóa già
*Ở nhiệt độ cao (548°C) nhôm có khả năng hoà tan tới 5,65%Cu và tạo dung
dịch a nhưng ở nhiệt độ thường chỉ hoà tan đựoc khoảng 0,2%. Đồng làm tăng
bền cho hợp kim nhôm mạnh hơn so với Silic. Khi hạ nhiệt độ, dung dịch rắn a
tiết ra pha CuAl2 có độ cứng 530HB (tương đương với Mg2Si) làm tăng độ bền,
độ cứng cho hợp kim nhôm nhưng lại làm giảm độ dẻo của hợp kim.
Trong các hợp kim nhôm biến dạng, hàm lượng Cu thườn £ ở mức 0,1 - 4,9%.
Với hàm lượng như vậy thì tổ chức của hợp kim nhôm biến dạng ở nhiệt độ
thường sẽ là a + CuAl2lI.
Hàm lượne Cu nhỏ hơn 0,5% sẽ có tác dụng làm tăng cơ tính nhưne nếu vượt
quá giá trị này thì nó sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn của hợp kim.

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
5

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
5


VẬT LIỆU HỌC
8

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
5

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
5


VẬT LIỆU HỌC
9

Hoá già là quá trình gia công nhiệt luyện các họp kim sau khi tôi không có
chuyển biến thù hình, mà nó chủ yếu là quá trình phân hoá dung dịch rắn quá
bão hoà dưới tác dụng của nhiệt độ và thời gian, đưa tổ chức của họp kim về
trạng thái năng lượne ổn định hơn. Thực chất của quá trình hoá già là chuyển
hệ thống từ trạng thái có năng lượng cao và không cân bằng về trạng thái có
năns lượng thấp hơn (vì quá trình hoá già là quá trình tự xảy ra). Cơ sở lý thuyết
về quá trình hoá già được áp dụng cho tất cả các họp kim tạo trên cơ sở kim
loại có chuyển biến thù hình.
Sự thay đổi tổ chức khi hoá già:
Quá trình hóa già xảy ra có khuếch tán. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian hoá
già, bản chất hợp kim, thành phần các nguyên tố cơ bản, tạp chất, trạng thái tổ
chức và đặc tính biến dạng trước khi hoá già có vai trò rất lớn. Các yếu tố này
gây ảnh hưởng đến mức độ, hình thức phân hoá dung dịch rắn, độ phân tán các
phần tử tiết ra, hình dạng của chúng và đặc tính tổ chức khác.
Các giai đoạn phân hoá dung dịch rắn quá bão hoà:
Nghiên cứu bản chất tổ chức tạo ra khi hoá già, các giai đoạn và đặc tính động
học của quá trình phân hoá dung dịch rắn quá bão hoà có ý nghĩa lý thuyết và
thực tiễn rất quan trọng. Đặc điểm tổ chức hình thành khi phân hoá dung dịch
rắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đến nay nhiều công trình nghiên cứu dựa trên
những phương tiện hiện đại cũng đang nghiên cứu để làm sáng tỏ bản chất động
học quá trình hoá già. Từ đầu thế kỷ 20, hợp kim AI - 4%Cu đã được nghiên
cứu nhiều và được làm hợp kim tiêu biểu cho sự nghiên cứu về động học quá
trình hoá già. Cơ chế hoá bền hợp kim nhôm cũng được giải thích trên cơ sở của
các công trình nghiên cứu về hợp kim này.
Sau khi tôi hợp kim sẽ nhận được dung dịch rắn a quá bão hoà, ở nhiệt độ
thường tổ chức này không ổn định và có xu hướng phân hoá. Khi ta tăng nhiệt
độ (khi nhiệt độ lớn hơnl50°C) hoặc kéo dài thời gian, giữ cho nhiệt độ không
đổi thì sự thay đổi tổ chức bắt đầu hình thành các vùng Guinier — Preston
(VGP), tiếp theo là sự tạo pha 0” (VGP2), pha 0’ và pha 0(CUA12).

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
1


VẬT LIỆU HỌC
10

VGP là vùng của dung dịch rắn quá bão hoà được làm gi ầu nguyên tố hợp kim.
Tất nhiên nó có cùng kiểu mạng tinh thể với dung dịch rắn. Do sự tồn tại chênh
lệch đường kính nguyên tử Àd giữa Cu và Al, sự hình thành VGP gây ra trườn £
ứng suất đàn hồi khá lớn. Giữa VGP và pha mẹ (nền) không có giới hạn rõ rệt.
Thành phần Cu của VGP trong hệ Al + 4%Cu cao hơn 4% và nhỏ hơn 52%
(thành phần ứng với CuAl2). ớ đây các nguyên tử Cu chiếm một trong số các
mặt của họ {100}, còn trên các mặt song song về hai phía với nó chỉ có nguyên
tử Al. Vì bán kính nguyên tử Cu (rCu) nhỏ hơn bán kính nguyên tử Al (rAI).
Do vậy dãn đến mặt nguyên tử Al dịch ép về
phía mặt nguyên tử Cu, khoảng 14 lớp tính
theo mỗi phía chịu ảnh hưởne xê dịch vị trí
do xuất hiện mặt phẳng nguyên tử Cu trung
tâm. Sự
chênh
lệch khá
lớn giữa
rCu

rA1 gây
biến dạng
đàn hồi tương đối mạnh, do vậy VGP Irong
hộ AI - Cu có dạng đĩa.
Kích thước VGP phụ thuộc vào thành phần
hợp kim, nhiệt độ và thời gian hoá già, giá
trị trung bình khoảns 10 - 100A°. Tùy thuộc
vào thành phần hợp kim, nhiệt độ và thời
gian hoá già mà vùns VGP có đường kính
khoảng 100A°.
Về mặt động học VGP được coi như trạng
thái pha giả ổn định. So với vùng tạo ra ban
đầu tạo ra do ba động thành phần, VGP
khác hẳn. Vùng ba động thành phần
không ổn định thì VGP lại ổn định hơn
theo thời gian.
VGP có thể lớn lên bằng cách “thiên tích” các vùng nhỏ lân cận theo cơ chế
TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
2


VẬT LIỆU HỌC
11
khuyếch tán.
Thành phần VGP ở nhiệt độ nhất định không phụ thuộc vào thành phần hợp
kim. Một trong những điểm quan trọng nhất về mặt nhiệt động học có thể coi
VGP như trạng thái pha giả ổn định, là sự tồn tại của đường hoà tan VGP tương
tự như đường hoà tan pha 0 trên giản đồ pha và tồn tại đường cong vòm biểu thị
sự cân băng giả ốn định cua pha mẹ và *VGP
So sánh mật độ lệch và mật độ VGP khi hoá già thấy rằng mật độ VGP lớn hơn
mật độ lệch. Trên cơ sở đó, người ta cho rằng VGP sinh ra theo cơ chế đồng pha
trên các vùng ba động nồng độ. Do vậy các VGP phân bố khá đồng đều trên
toàn bộ thể tích của chi tiết. Quá trình phân hoá tiếp theo tạo ra pha 0”. Pha
0” về thành phần gần giống với công thức CUA12, về cấu trúc tinh thể có kiểu
mạng chính phương a = 4,04A°, c = 7,68A°. Về kích thước, pha 0” dày khoảng
100A°

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
2


VẬT LIỆU HỌC
12

và đường kính khoảng 1500A0, pha 0” còn được kí hiệu là VGP2. Kí hiệu này
nói lên pha 0” giống VGP ở chỗ mạng tinh thể của nó hoàn toàn liên tục với
nền.
Pha 0’ có thành phần ứng với công thức CuAl2, kiểu mạng chính phương, Theo
mặt (001) có hằng số mạng a = 4,04A° và hoàn toàn liền mạng với nền a. Theo
mặt (100) hằng số mạng tương ứng là a = 4,04A° và c = 5,80A°. Như vậy 0’ liền
mạns một phần với a. Trườne hợp ứng suất đàn hồi sinh ra do tạo VGP và pha
0” lớn hơn so với trường họp tạo 0’.
Pha 0 (CuAl7) là pha hoàn toàn độc lập với nền, kiểu mạng chính phương với
các thông số mạng a = 6,06A° và c = 4,87A°.
Về cơ chế sinh mầm của các pha 0”, 0’ người ta cho rằng chúng tạo ra ở trên các
lệch, biên giới siêu hạt, khuyết tật xếp và ở các vùng nút trống, đồng thời chúng
còn sinh ra trên các pha 9” hoặc 0’ đã xuất hiện trước. Như vậy, về thứ tự các
pha 0”, 0’ có thể sinh ra bằng cách tiếp tục phát triển các VGP hoặc cũng có thể
sinh ra hoàn toàn độc lập không phụ thuộc vào các vùng đó. Pha 0 (CuAl2)
cũng vậy. Nó có thể kế tục các pha trung gian 0”, 0’ hoặc cũng có thể sinh ra
độc lập với các pha đó.
Sự biến đổi năng lượng tự do khi chuyển biến pha trong trạng thái rắn biểu diễn
bằng công thức:
AF = - AFV + AFbm + AFdh.
Hai thành phần AFbm và AFdh có giá trị dương làm ngăn cản quá trình tạo
mầm khi chuyển biến pha. Sự tạo hình thành VGP, 0”, 9’ trên lệch, biên giới
hạt, siêu hạt, khuyết tật xếp, vùng nút trống làm giảm bớt đại lượng Fdh, trong
khi đó tiết ra pha ổn định 0 làm tăng AFbm. Khi các mầm 0 được tạo trên biên
giới hạt hoặc các pha 0”, 0’ sẽ làm giảm giá trị AFbm.
Trên giản đồ pha, vị trí hoà tan VGP thấp nhất rồi đến pha 0”, pha 0’ và cao
nhất là đường hoà tan vùng 0. Do vậy các sản phẩm phân hoá VGP, pha 0’, pha
0 sẽ có giản đồ chữ c của nó

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
3


VẬT LIỆU HỌC
13

Đường hòa tan của VGP, pha 0 ", 9' và 9 trong hệ Al-Cu.

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
3


VẬT LIỆU HỌC
14

Nhánh trên của đường cong chữ c tiến tới nhiệt độ hoà tan tương ứng TVGp,
Te-, Te . Nếu ta tiến hành hoá già ở nhiệt độ Tị < TVGp lần lượt sẽ tạo ra các
sản phẩm aqbh —» VGP —» 0’ —» 0.

c

Đường cong chữ
hình
thành VGP, pha 0' và 9 khi
phân hóa dung dịch rắn quá bão
hòa

Sự kết tụ các phần tử tiết pha:
Khi thành phần pha mẹ đạt tới cân bằng trong quá trình phân huỷ dung dịch rắn
quá bão hoà, khối lượng của các pha tăng lên và nồng độ các nguyên tố hợp kim
trong dung dịch rắn giảm xuống, khi dung dịch rắn đạt được nồng độ cân bằng ở
mỗi nhiệt độ xác định, việc sinh mần sẽ ngừng lại, tổng thể tích của các pha tách
ra không thay đổi nhưng tổ chức của họp kim chưa ổn định, chúng có xu hướng
kết tụ lại và lớn lên và làm giảm năng lượng của hệ thống. Động lực của quá
trình là sự chênh lệch năng lượng tự do của các phân tử tiết ra.
Đối với độ quá nguội đã cho AFV và G là hằng số. Từ đó cho thấy năng lượng
tự do tính cho một nguyên tử (f) tỷ lệ nghịch với kích thước của cácphần tử tiết
ra, bán kính của các phần tử tiết ra càng nhỏ, năng lượng tự do của nó càng
lớn và do đó nó cân bằng với dung dịch rắn xung quanh và có nồng độ cao hơn.
Khi các phần tử tiết ra có bán kính lớn, thì có sự chênh lệch nồng độ nguyên tố
hoà tan nên sẽ có dòng nguyên tử các nguyên tố hoà tan di chuyển từ vùng
xung quanh phần tử nhỏ đến vùng xung quanh phần tử lớn. Kết quả là các
phần tử nhỏ hoà tan và các phần tử lớn tiếp tục phát triển, kéo theo là năng
lượng tự do của hệ thống giảm. Quá trình này được gọi là quá trình tích tụ các
phần tử tiết ra.

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
4


VẬT LIỆU HỌC
15

Các yếu tô ảnh hưởng đến quá trình hoá già:
Hóa già chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Các yếu tố ảnh hưởng mạnh và rực
tiếp đến động học hóa già là nhiệt độ, thời gian, thành phần hóa học và tổ chức
của hợp kim trước khi hóa già
*Ở nhiệt độ cao (548°C) nhôm có khả năng hoà tan tới 5,65%Cu và tạo dung
dịch a nhưng ở nhiệt độ thường chỉ hoà tan đựoc khoảng 0,2%. Đồng làm tăng
bền cho hợp kim nhôm mạnh hơn so với Silic. Khi hạ nhiệt độ, dung dịch rắn a
tiết ra pha CuAl2 có độ cứng 530HB (tương đương với Mg2Si) làm tăng độ bền,
độ cứng cho hợp kim nhôm nhưng lại làm giảm độ dẻo của hợp kim.
Trong các hợp kim nhôm biến dạng, hàm lượng Cu thườn £ ở mức 0,1 - 4,9%.
Với hàm lượng như vậy thì tổ chức của hợp kim nhôm biến dạng ở nhiệt độ
thường sẽ là a + CuAl2lI.
Hàm lượne Cu nhỏ hơn 0,5% sẽ có tác dụng làm tăng cơ tính nhưne nếu vượt
quá giá trị này thì nó sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn của hợp kim.

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
5

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
5


VẬT LIỆU HỌC
16

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
5

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
5


VẬT LIỆU HỌC
17

Hoá già là quá trình gia công nhiệt luyện các họp kim sau khi tôi không có
chuyển biến thù hình, mà nó chủ yếu là quá trình phân hoá dung dịch rắn quá
bão hoà dưới tác dụng của nhiệt độ và thời gian, đưa tổ chức của họp kim về
trạng thái năng lượne ổn định hơn. Thực chất của quá trình hoá già là chuyển
hệ thống từ trạng thái có năng lượng cao và không cân bằng về trạng thái có
năns lượng thấp hơn (vì quá trình hoá già là quá trình tự xảy ra). Cơ sở lý thuyết
về quá trình hoá già được áp dụng cho tất cả các họp kim tạo trên cơ sở kim
loại có chuyển biến thù hình.
Sự thay đổi tổ chức khi hoá già:
Quá trình hóa già xảy ra có khuếch tán. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian hoá
già, bản chất hợp kim, thành phần các nguyên tố cơ bản, tạp chất, trạng thái tổ
chức và đặc tính biến dạng trước khi hoá già có vai trò rất lớn. Các yếu tố này
gây ảnh hưởng đến mức độ, hình thức phân hoá dung dịch rắn, độ phân tán các
phần tử tiết ra, hình dạng của chúng và đặc tính tổ chức khác.
Các giai đoạn phân hoá dung dịch rắn quá bão hoà:
Nghiên cứu bản chất tổ chức tạo ra khi hoá già, các giai đoạn và đặc tính động
học của quá trình phân hoá dung dịch rắn quá bão hoà có ý nghĩa lý thuyết và
thực tiễn rất quan trọng. Đặc điểm tổ chức hình thành khi phân hoá dung dịch
rắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đến nay nhiều công trình nghiên cứu dựa trên
những phương tiện hiện đại cũng đang nghiên cứu để làm sáng tỏ bản chất động
học quá trình hoá già. Từ đầu thế kỷ 20, hợp kim AI - 4%Cu đã được nghiên
cứu nhiều và được làm hợp kim tiêu biểu cho sự nghiên cứu về động học quá
trình hoá già. Cơ chế hoá bền hợp kim nhôm cũng được giải thích trên cơ sở của
các công trình nghiên cứu về hợp kim này.
Sau khi tôi hợp kim sẽ nhận được dung dịch rắn a quá bão hoà, ở nhiệt độ
thường tổ chức này không ổn định và có xu hướng phân hoá. Khi ta tăng nhiệt
độ (khi nhiệt độ lớn hơnl50°C) hoặc kéo dài thời gian, giữ cho nhiệt độ không
đổi thì sự thay đổi tổ chức bắt đầu hình thành các vùng Guinier — Preston
(VGP), tiếp theo là sự tạo pha 0” (VGP2), pha 0’ và pha 0(CUA12).

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
1


VẬT LIỆU HỌC
18

VGP là vùng của dung dịch rắn quá bão hoà được làm gi ầu nguyên tố hợp kim.
Tất nhiên nó có cùng kiểu mạng tinh thể với dung dịch rắn. Do sự tồn tại chênh
lệch đường kính nguyên tử Àd giữa Cu và Al, sự hình thành VGP gây ra trườn £
ứng suất đàn hồi khá lớn. Giữa VGP và pha mẹ (nền) không có giới hạn rõ rệt.
Thành phần Cu của VGP trong hệ Al + 4%Cu cao hơn 4% và nhỏ hơn 52%
(thành phần ứng với CuAl2). ớ đây các nguyên tử Cu chiếm một trong số các
mặt của họ {100}, còn trên các mặt song song về hai phía với nó chỉ có nguyên
tử Al. Vì bán kính nguyên tử Cu (rCu) nhỏ hơn bán kính nguyên tử Al (rAI).
Do vậy dãn đến mặt nguyên tử Al dịch ép về phía mặt nguyên tử Cu, khoảng 14
lớp tính theo mỗi phía chịu ảnh hưởne xê dịch vị trí do xuất hiện mặt phẳng
nguyên tử Cu trung tâm. Sự chênh lệch khá lớn giữa rCu và rA1 gây biến dạng
đàn hồi tương đối mạnh, do vậy VGP Irong hộ AI - Cu có dạng đĩa.
Kích thước VGP phụ thuộc vào thành phần
hợp kim, nhiệt độ và thời gian hoá già, giá
trị trung bình khoảns 10 - 100A°. Tùy thuộc
vào thành phần hợp kim, nhiệt độ và thời
gian hoá già mà vùns VGP có đường kính
khoảng 100A°.
Về mặt động học VGP được coi như trạng
thái pha giả ổn định. So với vùng tạo ra ban
đầu tạo ra do ba động thành phần, VGP
khác hẳn. Vùng ba động thành phần
không ổn định thì VGP lại ổn định hơn
theo thời gian.
VGP có thể lớn lên bằng cách “thiên tích” các vùng nhỏ lân cận theo cơ chế
khuyếch tán.
Thành phần VGP ở nhiệt độ nhất định không phụ thuộc vào thành phần hợp
kim. Một trong những điểm quan trọng nhất về mặt nhiệt động học có thể coi
VGP như trạng thái pha giả ổn định, là sự tồn tại của đường hoà tan VGP tương
tự như đường hoà tan pha 0 trên giản đồ pha và tồn tại đường cong vòm biểu thị
sự cân băng giả ốn định cua pha mẹ và *VGP
So sánh mật độ lệch và mật độ VGP khi hoá già thấy rằng mật độ VGP lớn hơn
mật độ lệch. Trên cơ sở đó, người ta cho rằng VGP sinh ra theo cơ chế đồng pha
trên các vùng ba động nồng độ. Do vậy các VGP phân bố khá đồng đều trên
TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
2


VẬT LIỆU HỌC
19
toàn bộ thể tích của chi tiết. Quá trình phân hoá tiếp theo tạo ra pha 0”. Pha
0” về thành phần gần giống với công thức CUA12, về cấu trúc tinh thể có kiểu
mạng chính phương a = 4,04A°, c = 7,68A°. Về kích thước, pha 0” dày khoảng
100A°

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
2


VẬT LIỆU HỌC
20

và đường kính khoảng 1500A0, pha 0” còn được kí hiệu là VGP2. Kí hiệu này
nói lên pha 0” giống VGP ở chỗ mạng tinh thể của nó hoàn toàn liên tục với
nền.
Pha 0’ có thành phần ứng với công thức CuAl2, kiểu mạng chính phương, Theo
mặt (001) có hằng số mạng a = 4,04A° và hoàn toàn liền mạng với nền a. Theo
mặt (100) hằng số mạng tương ứng là a = 4,04A° và c = 5,80A°. Như vậy 0’ liền
mạns một phần với a. Trườne hợp ứng suất đàn hồi sinh ra do tạo VGP và pha
0” lớn hơn so với trường họp tạo 0’.
Pha 0 (CuAl7) là pha hoàn toàn độc lập với nền, kiểu mạng chính phương với
các thông số mạng a = 6,06A° và c = 4,87A°.
Về cơ chế sinh mầm của các pha 0”, 0’ người ta cho rằng chúng tạo ra ở trên các
lệch, biên giới siêu hạt, khuyết tật xếp và ở các vùng nút trống, đồng thời chúng
còn sinh ra trên các pha 9” hoặc 0’ đã xuất hiện trước. Như vậy, về thứ tự các
pha 0”, 0’ có thể sinh ra bằng cách tiếp tục phát triển các VGP hoặc cũng có thể
sinh ra hoàn toàn độc lập không phụ thuộc vào các vùng đó. Pha 0 (CuAl2)
cũng vậy. Nó có thể kế tục các pha trung gian 0”, 0’ hoặc cũng có thể sinh ra
độc lập với các pha đó.
Sự biến đổi năng lượng tự do khi chuyển biến pha trong trạng thái rắn biểu diễn
bằng công thức:
AF = - AFV + AFbm + AFdh.
Hai thành phần AFbm và AFdh có giá trị dương làm ngăn cản quá trình tạo
mầm khi chuyển biến pha. Sự tạo hình thành VGP, 0”, 9’ trên lệch, biên giới
hạt, siêu hạt, khuyết tật xếp, vùng nút trống làm giảm bớt đại lượng Fdh, trong
khi đó tiết ra pha ổn định 0 làm tăng AFbm. Khi các mầm 0 được tạo trên biên
giới hạt hoặc các pha 0”, 0’ sẽ làm giảm giá trị AFbm.
Trên giản đồ pha, vị trí hoà tan VGP thấp nhất rồi đến pha 0”, pha 0’ và cao
nhất là đường hoà tan vùng 0. Do vậy các sản phẩm phân hoá VGP, pha 0’, pha
0 sẽ có giản đồ chữ c của nó

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
3


VẬT LIỆU HỌC
21

Nhánh trên của đường cong chữ c tiến tới nhiệt độ hoà tan tương ứng TVGp,
Te-, Te . Nếu ta tiến hành hoá già ở nhiệt độ Tị < TVGp lần lượt sẽ tạo ra các
sản phẩm aqbh —» VGP —» 0’ —» 0.

Sự kết tụ các phần tử tiết pha:
Khi thành phần pha mẹ đạt tới cân bằng trong quá trình phân huỷ dung dịch rắn
quá bão hoà, khối lượng của các pha tăng lên và nồng độ các nguyên tố hợp kim
trong dung dịch rắn giảm xuống, khi dung dịch rắn đạt được nồng độ cân bằng ở
mỗi nhiệt độ xác định, việc sinh mần sẽ ngừng lại, tổng thể tích của các pha tách
ra không thay đổi nhưng tổ chức của họp kim chưa ổn định, chúng có xu hướng
kết tụ lại và lớn lên và làm giảm năng lượng của hệ thống. Động lực của quá
trình là sự chênh lệch năng lượng tự do của các phân tử tiết ra.
Đối với độ quá nguội đã cho AFV và G là hằng số. Từ đó cho thấy năng lượng
tự do tính cho một nguyên tử (f) tỷ lệ nghịch với kích thước của cácphần tử tiết
ra, bán kính của các phần tử tiết ra càng nhỏ, năng lượng tự do của nó càng
lớn và do đó nó cân bằng với dung dịch rắn xung quanh và có nồng độ cao hơn.
Khi các phần tử tiết ra có bán kính lớn, thì có sự chênh lệch nồng độ nguyên tố
hoà tan nên sẽ có dòng nguyên tử các nguyên tố hoà tan di chuyển từ vùng
xung quanh phần tử nhỏ đến vùng xung quanh phần tử lớn. Kết quả là các
phần tử nhỏ hoà tan và các phần tử lớn tiếp tục phát triển, kéo theo là năng
lượng tự do của hệ thống giảm. Quá trình này được gọi là quá trình tích tụ các
phần tử tiết ra.

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
4


VẬT LIỆU HỌC
22

Các yếu tô ảnh hưởng đến quá trình hoá già:
Hóa già chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Các yếu tố ảnh hưởng mạnh và rực
tiếp đến động học hóa già là nhiệt độ, thời gian, thành phần hóa học và tổ chức
của hợp kim trước khi hóa già
*Ở nhiệt độ cao (548°C) nhôm có khả năng hoà tan tới 5,65%Cu và tạo dung
dịch a nhưng ở nhiệt độ thường chỉ hoà tan đựoc khoảng 0,2%. Đồng làm tăng
bền cho hợp kim nhôm mạnh hơn so với Silic. Khi hạ nhiệt độ, dung dịch rắn a
tiết ra pha CuAl2 có độ cứng 530HB (tương đương với Mg2Si) làm tăng độ bền,
độ cứng cho hợp kim nhôm nhưng lại làm giảm độ dẻo của hợp kim.
Trong các hợp kim nhôm biến dạng, hàm lượng Cu thườn £ ở mức 0,1 - 4,9%.
Với hàm lượng như vậy thì tổ chức của hợp kim nhôm biến dạng ở nhiệt độ
thường sẽ là a + CuAl2lI.
Hàm lượne Cu nhỏ hơn 0,5% sẽ có tác dụng làm tăng cơ tính nhưne nếu vượt
quá giá trị này thì nó sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn của hợp kim.

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
5

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
5


VẬT LIỆU HỌC
23

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
5

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
5


VẬT LIỆU HỌC
24

Hoá già là quá trình gia công nhiệt luyện các họp kim sau khi tôi không có
chuyển biến thù hình, mà nó chủ yếu là quá trình phân hoá dung dịch rắn quá
bão hoà dưới tác dụng của nhiệt độ và thời gian, đưa tổ chức của họp kim về
trạng thái năng lượne ổn định hơn. Thực chất của quá trình hoá già là chuyển
hệ thống từ trạng thái có năng lượng cao và không cân bằng về trạng thái có
năns lượng thấp hơn (vì quá trình hoá già là quá trình tự xảy ra). Cơ sở lý thuyết
về quá trình hoá già được áp dụng cho tất cả các họp kim tạo trên cơ sở kim
loại có chuyển biến thù hình.
Sự thay đổi tổ chức khi hoá già:
Quá trình hóa già xảy ra có khuếch tán. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian hoá
già, bản chất hợp kim, thành phần các nguyên tố cơ bản, tạp chất, trạng thái tổ
chức và đặc tính biến dạng trước khi hoá già có vai trò rất lớn. Các yếu tố này
gây ảnh hưởng đến mức độ, hình thức phân hoá dung dịch rắn, độ phân tán các
phần tử tiết ra, hình dạng của chúng và đặc tính tổ chức khác.
Các giai đoạn phân hoá dung dịch rắn quá bão hoà:
Nghiên cứu bản chất tổ chức tạo ra khi hoá già, các giai đoạn và đặc tính động
học của quá trình phân hoá dung dịch rắn quá bão hoà có ý nghĩa lý thuyết và
thực tiễn rất quan trọng. Đặc điểm tổ chức hình thành khi phân hoá dung dịch
rắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đến nay nhiều công trình nghiên cứu dựa trên
những phương tiện hiện đại cũng đang nghiên cứu để làm sáng tỏ bản chất động
học quá trình hoá già. Từ đầu thế kỷ 20, hợp kim AI - 4%Cu đã được nghiên
cứu nhiều và được làm hợp kim tiêu biểu cho sự nghiên cứu về động học quá
trình hoá già. Cơ chế hoá bền hợp kim nhôm cũng được giải thích trên cơ sở của
các công trình nghiên cứu về hợp kim này.
Sau khi tôi hợp kim sẽ nhận được dung dịch rắn a quá bão hoà, ở nhiệt độ
thường tổ chức này không ổn định và có xu hướng phân hoá. Khi ta tăng nhiệt
độ (khi nhiệt độ lớn hơnl50°C) hoặc kéo dài thời gian, giữ cho nhiệt độ không
đổi thì sự thay đổi tổ chức bắt đầu hình thành các vùng Guinier — Preston
(VGP), tiếp theo là sự tạo pha 0” (VGP2), pha 0’ và pha 0(CUA12).

TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
1


VẬT LIỆU HỌC
25

VGP là vùng của dung dịch rắn quá bão hoà được làm gi ầu nguyên tố hợp kim.
Tất nhiên nó có cùng kiểu mạng tinh thể với dung dịch rắn. Do sự tồn tại chênh
lệch đường kính nguyên tử Àd giữa Cu và Al, sự hình thành VGP gây ra trườn £
ứng suất đàn hồi khá lớn. Giữa VGP và pha mẹ (nền) không có giới hạn rõ rệt.
Thành phần Cu của VGP trong hệ Al + 4%Cu cao hơn 4% và nhỏ hơn 52%
(thành phần ứng với CuAl2). ớ đây các nguyên tử Cu chiếm một trong số các
mặt của họ {100}, còn trên các mặt song song về hai phía với nó chỉ có nguyên
tử Al. Vì bán kính nguyên tử Cu (rCu) nhỏ hơn bán kính nguyên tử Al (rAI).
Do vậy dãn đến mặt nguyên tử Al dịch ép về phía mặt nguyên tử Cu, khoảng 14
lớp tính theo mỗi phía chịu ảnh hưởne xê dịch vị trí do xuất hiện mặt phẳng
nguyên tử Cu trung tâm. Sự chênh lệch khá lớn giữa rCu và rA1 gây biến dạng
đàn hồi tương đối mạnh, do vậy VGP Irong hộ AI - Cu có dạng đĩa.
Kích thước VGP phụ thuộc vào thành phần
hợp kim, nhiệt độ và thời gian hoá già, giá
trị trung bình khoảns 10 - 100A°. Tùy thuộc
vào thành phần hợp kim, nhiệt độ và thời
gian hoá già mà vùns VGP có đường kính
khoảng 100A°.
Về mặt động học VGP được coi như trạng
thái pha giả ổn định. So với vùng tạo ra ban
đầu tạo ra do ba động thành phần, VGP
khác hẳn. Vùng ba động thành phần
không ổn định thì VGP lại ổn định hơn
theo thời gian.
VGP có thể lớn lên bằng cách “thiên tích” các vùng nhỏ lân cận theo cơ chế
khuyếch tán.
Thành phần VGP ở nhiệt độ nhất định không phụ thuộc vào thành phần hợp
kim. Một trong những điểm quan trọng nhất về mặt nhiệt động học có thể coi
VGP như trạng thái pha giả ổn định, là sự tồn tại của đường hoà tan VGP tương
tự như đường hoà tan pha 0 trên giản đồ pha và tồn tại đường cong vòm biểu thị
sự cân băng giả ốn định cua pha mẹ và *VGP
So sánh mật độ lệch và mật độ VGP khi hoá già thấy rằng mật độ VGP lớn hơn
mật độ lệch. Trên cơ sở đó, người ta cho rằng VGP sinh ra theo cơ chế đồng pha
trên các vùng ba động nồng độ. Do vậy các VGP phân bố khá đồng đều trên
TIỂU LUẬN 5 – NHÓM 90
2


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×