Luận án Nghiên cứu ứng dụng chuyển biến mactenxit trong hệ hợp kim đồng nhôm

t trong tổ chức được diễn ra và sau cùng làm nguội với một tốc độ đã xác định trước. Mục đích chính của ủ là để hợp kim mềm hơn, dẻo hơn tại một giới hạn chảy, độ bền kéo hợp lý. Một số mục đích khác khi thực hiện quá trình ủ: +) Khử bỏ ứng suất dư bên trong được sinh ra do quá trình biến dạng nguội hay do công đoạn làm nguội nhanh của quá trình xử lí nhiệt trước đó. +) Nâng cao tính chống ăn mòn và cải thiện độ chịu mài mòn cho hợp kim Thƣờng hóa 37 Thường hóa có thể coi là một hình thức của ủ, nhưng quá trình làm nguội được thực hiện ngoài không khí để hạn chế hơn sự phát triển của hạt xảy ra trong quá trình làm nguội so với việc làm nguội chậm cùng lò. Kết quả sau cùng sẽ nhận được sự kết hợp cân đối hơn giữa độ dẻo và độ bền. Ví dụ, một số mẫu đồng thanh nhôm niken đúc được thường hóa tại nhiệt độ 6750C trong 2-6 giờ (tùy vào chiều dày) rồi làm nguội trong không khí. Kết quả là cùng với những sự chuyển biến trong tổ chức, tính chống ăn mòn được cải thiện, hạn chế được sự phát triển của hạt khi làm nguội để đảm bảo cơ tính đạt được. Thường hóa cũng có thể được thực hiện trong việc khử bỏ ứng suất, nghĩa là hợp kim cũng sẽ được nung nóng đến một nhiệt độ xác định, giữ nhiệt trong một khoảng thời gian đặt trước, chính trong lúc này ứng suất bên trong sẽ được khử bỏ, và rồi sau cùng làm nguội chậm ngoài không khí. Tuy nhiên, trong quá trình thường hóa, việc lớn lên của hạt và mềm hóa vẫn sẽ xảy ra và không thể tránh khỏi trong thời gian giữ nhiệt; nếu độ hạt quá lớn thì cần giảm thời gian giữ nhiệt và chấp nhận bên một lượng ứng suất dư xuất hiện trong hợp kim. Tôi Thực hiện nung nóng hợp kim đến một nhiệt độ xác định, giữ nhiệt trong một khoảng thời gian hợp lý đủ để các chuyển biến quan trọng xảy ra trong tổ chức và cuối cùng nguội nhanh trong dầu hoặc nước. Mục đích của quá trình tôi là để tăng độ cứng cho kim loại, mà từ đó có thể cải thiện được cả tính chịu mài mòn; hay cải thiện độ bền tại một độ dẻo nhất định. Ram Quá trình ram đươc thực hiện để cải thiện cơ tính của các hợp kim sau khi chúng được biến dạng nóng, nguội hay xử lí nhiệt trước đó. Quá trình biến dạng nóng hay nguội hoặc quá trình tôi tại một nhiệt độ xác định sẽ có thể làm biến cứng kim loại. Ngoài ra ram còn để khử bỏ ứng suất dư bên trong sau quá trình biến dạng nguội hay tôi; điều chỉnh lại cơ tính phù hợp với yêu cầu sử dụng; có thể góp phần cải thiện tính chống ăn mòn cho tổ chức. Nhiệt độ ram trong khoảng từ 500-7000C thường để thực hiện với các hợp kim sau khi tôi (cài thiện độ dẻo ở một độ cứng nhất định); nhiệt độ ram trong khoảng từ 400-5400C để thực hiện cho các hợp kim sau quá trình biến dạng nóng hay nguội để giảm bớt sự biến cứng và nhiệt độ ram dưới 3500C thì cơ bản là để khử bỏ ứng suất dư. Nghiên cứu về chuyển biến pha của hợp kim đồng thanh nhôm sau tôi từ 350oC đến 550oC hầu như chưa có nghiên cứu gì về quá trình này đặc biệt là những ứng dụng của nó trong mài mòn và nhớ hình. c. Đặc điểm xử lý nhiệt hợp kim đồng thanh nhôm Đặc điểm xử lý nhiệt trong đồng thanh nhôm 38 Khác với thép, nhiệt độ ram cho các hợp kim đồng thanh nhôm cao hơn nhiệt độ chuyển biến thông thường, phần lớn rơi trong khoảng 565 đến 675oC. Khi lựa chọn nhiệt độ ram cần phải xem xét tới cả độ cứng và những tính chất đạt đượ từ quá trình tôi trước đó. Thời gian ram thông thường là 2 giờ. Và với nhiều trường hợp cần phải nung thật chậm để tránh nứt như với các sản phẩm phức tạp và kích thước lớn. Quá trình ram kết thúc, đối với mẫu hợp kim đồng thanh nhôm thì điều phải làm nguội nhanh bằng việc dùng môi trường tôi nước, các hình thức phun hay dùng quạt; việc làm nguội chậm trong khoảng nhiệt độ từ 565-2750C sẽ xảy ra quá trình phân hóa pha β mactenxit (giữ lại được sau quá trình ram) thành pha biến giòn là cùng tích (α+ γ2). Sự xuất hiện của một lượng đáng kể pha cùng tích này sẽ làm giảm độ giãn dài, độ dẻo; giảm giới hạn chịu phá hủy; giảm độ dai va đập và tính chống ăn mòn trong nhiều trường hợp. Thường thì sự nguy hại của chuyển biến cùng tích sẽ thấp hơn đối với các hợp kim đồng thanh nhôm có chứa niken, nhữnghợp cũng có thể nguội ngoài không khí sau khi ram. [39] Những sự đề phòng trong quá trình xử lí nhiệt cho thép cũng có thể xem xét khi xử lí nhiệt đồng thanh nhôm. Trong các hợp kim đồng thanh nhôm khi nhiệt luyện, tốc độ nguội tới hạn thường nhỏ hơn so với thép, thời gian giữ nhiệt tại nhiệt độ yêu cầu ít nhất là 45 phút và có thể giư nhiệt lâu hơn nữa mà không lo quá về hiện tượng oxy hóa như trong thép. Tôi dầu cũng được sử dụng cho các sản phẩm lớn, phức tạp để tránh nứt, nhất là trong các hợp kim Cu-Al-Ni như C63000. Brông nhôm một pha α là những hợp kim đồng thanh nhôm có chứa ít hơn 9%, hoặc có thể là ít hơn 8,5% Al (với 3% Fe). Chúng chủ yếu là hợp kim đơn pha (không tính tới các phần tử phân tán giàu sắt trong các hợp kim Cu-Al có thêm Fe). Với brông nhôm một pha α, hiệu quả hóa bền chỉ có bằng việc biến dạng nguội, hay ủ khử ứng suất là phương pháp xử lí nhiệt duy nhất được sử dụng. Các hợp kim phổ biến trong nhóm này là C60600, C61000, C61300, C61400. Ngoài ra, các hợp kim chứa trên 9,6% Al, trong tổ chức có chứa một lượng nhỏ pha β ở nhiệt độ cao, sẽ có sự hạn chế trong việc xử lí nhiệt thì cũng có thể xem xét thực hiện biến dạng nguội để hóa bền. Ủ đối với brông nhôm một pha α được thực hiện trong khoảng nhiệt độ từ 540-8700C, nếu hợp kim có chứa sắt thì nhiệt độ ủ sẽ yêu cầu cao hơn ở giới hạn trên.[40] Brông nhôm 2 pha α-β là những hợp kim đồng thanh nhôm mà trong tổ chức có chứa nhiều hơn một pha như brông nhôm một pha, như thế thực hiện được việc xử lí nhiệt bằng tôi, ram một cách hiệu quả và có lợi hơn. Những hợp kim này dù có hay không chứa sắt thì vẫn sẽ được áp dụng những quy trình xử lí nhiệt như xử lí nhiệt trong thép với những giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt đã được xây dựng. Đối với những hợp kim này, việc xử lí nhiệt bằng tôi để hóa bền chủ yếu là giữ nhiệt ở một nhiệt độ cao nhất định, từ đó có thể hòa tan tất cả vào trong pha β, đồng nhất thành pha β và tổ chức sau tôi nhận được sẽ là một tổ chức β matenxit cứng ở nhiệt độ phòng, sau khi ram sự tiết pha lại ra các pha α hình kim nhỏ mịn cùng pha β mactenxit ram.[11], [15], [17], [19], [20], [27], [40]–[44] 2.5. Vai trò của chuyển biến mactenxit trong ứng dụng chịu mài mòn và hiệu ứng nhớ hình cho hợp kim đồng Cu-Al-Fe và Cu-Al-Fe-Ni. 2.5.1. Vai trò mactenxit trong ứng dụng mài mòn 39 Vai trò của quá trình chuyển biến mactenxit đến tăng khả năng chống mài mòn được thể hiện ở quá trình hóa già sau chuyển biến. Những nghiên cứu về quá trình này được thể hiện như sau: Hình 2. 18: Brong nhôm C95400, đồng đều dung dịch rắn ở 9000C trong 02h, tôi nước, ram ở 650 0C trong 02h và tôi nước. Hạt α (mactenxit màu trắng) nhỏ hơn ở trạng thái đúc.[45] Khi giảm tốc độ nguội thì tỷ phần pha α tăng dần cùng với cỡ hạt. Pha β’ – có dạng hình kim giống với mactenxit trong thép. Mặc dù dưới kính hiển vi các hạt này có dạng hình kim nhưng thực tế đó là mặt cắt của các hạt này và nó có dạng tấm phẳng. Do pha β không tồn tại ở nhiệt độ phòng nên tất cả các pha được gọi là β ở nhiệt độ phòng thực tế là pha β’. Pha β’ này rất cứng, giòn và có độ bền kéo lớn. Nếu hợp kim có tỷ lệ pha β’ lớn thì sẽ dẫn đến hợp kim dễ bị ăn mòn, do đó hợp kim đồng thanh nhôm thường chỉ có khoảng 9% nhôm. Các pha có dạng hình tấm trong là cùng tích, kết quả của chuyển pha β thành α + γ2 ở nhiệt độ dưới 565 o C. Hợp kim đồng thanh nhôm cùng tích có tính chịu mài mòn rất tốt. Hình 2. 19: Tổ chức Brong nhôm đúc trong khuôn kim loại. Hợp kim với thành phần 5%Ni và 5%Fe (tương tự như C95500). Nguội nhanh, tổ chức Vit-man-tet (sáng) được nhìn thấy trên nền tổ chức mactenxit (màu tối)[45] Dựa vào giản đồ pha kết hợp với lý thuyết về xử lý nhiệt đối với Brong nhôm có thể cho thấy sự xuất hiện của vit-man-tet có liên quan đến quá trình chuyển biến mactenxit trong hợp kim nghiên cứu. Quá trình chuyển biến này có ảnh hưởng đến tổ chức và cơ tính của Brong nhôm. Dựa theo nghiên cứu của nhóm tác giả F. Hasan, G. Lorimer và N. Ridley [46] trên hợp kim Cu- 40 10Al-5Fe-5Ni, có thể thấy được những nét đặc trưng về tính chất, cơ chếcủa chuyển biến mactenxit và về mặt tinh thể học của tổ chức này trong các hợp kim đồng thanh nhôm nói chung. Hình thái học và tinh thể học của tổ chức mactenxit được tạo ra bởi quá trình tôi trong hợp kim Cu-10Al-5Fe-5Ni đã được phân tích bởi kính hiển vi điện tử xuyên (TEM). Khi thực hiện tôi hợp kim ở khoảng 10000C, pha β (mạng bcc, tồn tại ở nhiệt độ cao) sau cùng sẽ có chuyển biến thành tổ chức mactenxit dựa trên cấu trúc dạng 3R. Một số lượng lớn pha tiết giàu sắt (kích thước khoảng 0,1 µm) đã được quan sát thấy trong các tấm mactenxit. Các tấm mactenxit ở dạng bản 2 mặt song song ghép đôi. Khi mà hợp kim được tôi từ vùng 2 pha (α+β), pha β khi này với hàm lượng %Al hoàn toàn sẽ chuyển biến thành tổ chức mactenxit hoặc dựa trên cấu trúc dạng 2H hoặc 3R có trật tự. Khi ram, tổ chức mactenxit này tiết ra Al, Ni, Fe ở dạng các hợp chất điện tử NiAl, Fe3Al; đồng thời nền là dung dịch rắn giàu đồng mạng fcc.[46][14][47] Chuyển biến mactenxit trong hợp kim 2 nguyên hệ Cu-Al và trong các hợp kim đa nguyên dựa trên hệ Cu-Al chủ yếu kéo theo các chuyển biến cấu trúc mạng bcc 9R hoặc bcc hcp ở dạng chuyển tiếp. Tuy vậy, một số các thành phần hợp kim có thể ảnh hưởng tới tinh thể học và tổ chức, các pha nhận được sau cùng. Chuyển biến mactenxit trong các hợp kim hệ Cu-Al-Ni đã được phân tích nhiều nhưng với hệ hợp kim Cu-Al-Fe thì kết quả công bố còn ít hơn. [32], [48]– [51] Ảnh hiển vi của mẫu hợp kim được tôi từ 10200C (có chứa pha β mạng fcc tại khoảng nhiệt độ này) cho trong hình 2.20a. Có thể thấy được biên giới pha β và các tấm mactenxit phân bố theo nhóm. Cũng với mẫu đó, ta nhận thấy rõ hơn dạng các tấm lá mỏng qua ảnh chụp TEM cho trong hình 2.20b. Hình 2. 20: a) Ảnh quang học cho mẫu hợp kim được tôi từ 10200C ; b) Ảnh TEM [46] Dùng bản sao cacbon theo hình 2.21a, cho thấy sự hiện diện của các pha tiết dạng khối lập phương kích thước khoảng 0,1 µm, phân bố đồng nhất trong toàn bộ cấu trúc. Và qua phương pháp nhiễu xạ tia X cho các phần tử pha tiết từ phương pháp bản sao cacbon trên, cho ra kết quả là chúng rất giàu sắt. Dựa trên gốc thành phần hóa học, các pha tiết được xem xét có cấu trúc mạng bcc, tuy nhiên, theo phân tích nhiễu xạ điện tử như trong hình 2.21b, cho thấy các pha tiết này có cấu trúc được sắp xếp theo một cách trật tự (B2). 41 Hình 2. 21: a) Phương pháp bản sao cacbon cho mẫu được tôi từ 10200C, cho thấy các pha tiết dạng khối hộp ; b) Thực hiện nhiễu xạ điện tử cho một lượng pha tiết lớn trong hình 2.21a, cho ra cấu trúc B2 [46] Có nhiều công trình nghiên cứu với mục đích làm giảm sự hình thành của các pha liên kim giàu sắt bằng cách nguội thật nhanh nhưng trong tổ chức vẫn xuất hiện các pha liên kim này. Kích thước các pha tiết này giảm khi tốc độ nguội tăng, trong khi hình dạng và sự phân bố của chúng gần như không bị ảnh hưởng. Ảnh chụp vi nhiễu xạ ở hình 2.21b cho thấy được sự liên kết với ảnh hiển vi trong hình 2.21a khi chứng minh có sự tồn tại của các tấm mactenxit phân bố theo nhóm. Các vân, sọc kẻ bên trong mỗi tấm sinh ra do lỗi xử lí nhiệt hay các quá trình khác trước đó. Phép nhiễu xạ điện tử cũng đã được thực hiện trên các tấm mactenxit riêng lẻ cho ra cấu trúc 3R (hoặc 9R) không có trật tự. Phép nhiễu xạ dọc theo phương [010] dựa trên hệ trục tọa độ theo vùng cho trong hình 2.22a. Phép nhiễu xạ dọc theo các phương [210] và [-210] là như nhau và cho trong hình 2.22b. Dạng mactenxit ở đây thường được gọi là pha β’ mactenxit. Cũng theo hình 2.22b, phép nhiễu xạ điện tử đã cho thấy được các bản mactenxit 2 ghép đôi 2 mặt song song.[17], [20], [21], [52] Hình 2. 22: a) Ảnh nhiễu xạ điện tử dọc theo mặt trục [0 1 0] thực hiện trên các tấm mactenxit (cấu trúc 9R); b) Ảnh nhiễu xạ điện tử dọc theo phương [2 1 0], nhận được từ nhóm các tấm mactenxit song song ghép đôi.[52] 42 Hình 2. 23: a) Ảnh TEM cho mẫu được tôi từ 8500C các pha mactenxit β’1 và γ’ b) Phép nhiễu xạ điện tử dọc theo phương [0 1 0] trên pha mactenxit β’1 c) Ảnh nhiễu xạ điện tử dọc theo phương [0 1 0] trên pha mactenxit γ’ (tại vị trí các góc 900 so với chính nó) [52] Một số mẫu hợp kim được tôi tại vùng 2 pha (α+β), tổ chức mactenxit có được từ pha β sẽ cho ra 2 hình thái pha khác nhau, có thể thấy trong hình 2.23a. Một loại, với các sọc kẻ hay các vân bên trong, và thực hiện phép nhiễu xạ điện tử đối với loại hình thái mactenxit này (β’1) có thể thấy cho ra cấu trúc 3R (hay 18R) có điều chỉnh. Sự phản xạ qua phép nhiễu xạ điện tử có được từ phân tích pha β’1 là rất yếu, và rất khó phát hiện cho dù cấu trúc tinh thể của pha gốc là B2 hay DO3. Tuy nhiên, với một hàm lượng nhôm hợp lý trong pha gốc β sẽ là hợp lí khi cho rằng nó có cấu trúc DO3. Đối với loại thứ hai, γ’; có thể nhận thấy các tấm mactenxit riêng lẻ cũng được ghép đôi lại, nhưng không cho thấy có các vân, kẻ sọc bên trong và nhiễu xạ điện tử đã cho ra cấu trúc 2H trong trường hợp này. Như vậy có 2 loại mactenxit ở đây với cấu trúc 18R và 2H, thường được nhắc đến với tên là β’1 và γ’. Quá trình ram tổ chức mactenxit này cũng đươc tiến hành ở nhiều nhiệt độ khác nhau. Cấu trúc tổng hợp có được sẽ bao gồm pha nền α (dung dịch rắn giàu đồng mạng fcc), cùng với đó là các pha tiết dựa trên cơ sở hợp chất điện tử NiAl (cấu trúc mạng B2). Các mẫu hợp kim được ram ở nhiệt độ dưới 5000C, trong khoảng thời gian ngắn sẽ cho ra các pha tiết NiAl tạo mầm hoặc trên biên giới các tấm mactenxit hay trên bề mặt của các phần tử phân tán giàu sắt đã hình thành trước đó (hình 2.24).[16] Hình 2. 24: Ảnh TEM của mẫu được tôi từ 10200C và ram tại 5000C trong 1 giờ cho thấy các pha tiết trên biên giới các tấm mactenxit và trên bề mặt của các pha tiết ra giàu sắt bên trong các tấm mactenxit [16] 43 Hình 2. 25: a) Ảnh chụp pha β’-mactenxit theo trường sáng ; b) Ảnh chụp pha β’-mactenxit theo trường tối, cho thấy các pha tiết giàu sắt.[53] Những bằng chứng vi mô gián tiếp có được trong các quá trình nghiên cứu, thực nghiệm đã cho ra kết luận rằng, sự hình thành các pha tiết giàu sắt trong hệ hợp kim Cu-Al-Fe xảy ra trước cả chuyển biến mactenxit. Trong hình 2.25b ảnh chụp theo chế độ trường tối thấy được sự tương phản của các pha tiết giàu sắt trong nền mactenxit và cũng cho thấy được các pha tiết này có chung một định hướng theo định hướng của chùm tia điện tử. Các pha tiết ra dạng khối hình hình lập phương và nếu chúng đều được hình thành theo định hướng dạng lập phương- lập phương trong mối quan hệ với pha β thì tất cả các biến thể sẽ song song (minh họa trong hình 2.25) Ngược lại, nếu các pha tiết này không định hướng như vậy hoặc nếu chúng hình thành ở phía bên trong các tấm mactenxit thì từ tính đa dạng trong định hướng là chỉ có một phàn trong số tất cả số lượng pha tiết được nhìn thấy bên ảnh chụp theo trường tối ở hình trên. Lưu ý rằng có một sự dịch chuyển nhỏ (yếu ớt) trong định hướng giữa các phần tử pha tiết ra gần sát các tấm mactenxit, điều này có thể được giải thích do sự khác nhau trong biến dạng về mạng tinh thể giữa các tấm gần kề nhau. Và bằng chứng bổ sung thêm cho việc các pha tiết giàu sắt được hình thành trước cả khi chuyển biến mactenxit xảy ra là xét theo kích thước trung bình của các tấm mactenxit riêng lẻ. Từ đó thấy được các pha tiết giàu sắt đã hình thành trước, và sự xuất hiện của chúng đã ảnh hưởng tới sự tạo mầm, rồi hạn chế sự lớn lên của các tấm mactenxit. Khi hợp kim được tôi từ vùng pha β, pha β’-mactenxit với cấu trúc mạng 9R. Các tấm mactenxit song song ghép đôi. Khi hợp kim được nung nóng tới vùng 2 pha α+β, sự phân chia các thành phần hợp kim diễn ra và pha β trở nên giàu Al, Ni hơn. Trong khoảng nhiệt độ 840- 870 0 C, thành phần pha β sẽ gần giống trong hợp kim Cu-12,5%Al-6%Ni-2,5%Fe. Khi thực hiện tôi ở nhiệt độ này, tổ chức pha β’1 và γ’ sẽ nhận được. Sự tồn tại đồng thời 2 hình thái khác nhau này của mactenxit đã được phân tích, nghiên cứu nhiều trong các hợp kim hệ Cu-Al. Hai dạng này được hình thành như là kết quả của sự phân chia nhôm theo các vùng giàu nhôm và vùng nghèo nhôm; cũng rất khó để liên hệ sự diễn giải này với sự phân chia, tỉ lệ trong tổ chức vì các vùng có chứa β’1 và γ’ chỉ tới vài micromet về kích thước.[54][55] Hợp kim Cu-10%Al-5%Fe-5%Ni hợp kim điển hình, được phân tích, nghiên cứu về tinh thể học tổ chức mactenxit và chuyển biến mactenxit, đại diện cho cho các hợp kim đồng thanh nhôm. Các kết quả nghiên cứu đưa ra một số kết luân chung rằng: 44 Tôi hợp kim tại vùng pha β, các pha giàu sắt (kích thước 0,1µm) sẽ tiết khi trước khi chuyển biến mactenxit xảy ra; tổ chức mactenxit nhận được có cấu trúc 9R với hình thái là các tấm mactenxit song song ghép đôi. Khi tôi hợp kim từ vùng 2 pha α+β, pha β khi này với mật độ nhôm cao hơn sẽ chuyển biến thành tổ chức mactenxit với cấu trúc 18R hoặc 2H. Khi ram, tổ chức mactenxit sẽ tiết ra nhôm, sắt, niken ở dạng các pha liên kim trên cơ sở các hợp chất điện tử như Fe3Al, NiAl, cùng với đó tổ chức nền sẽ là dung dịch rắn giàu đồng mạng fcc. Khi có Ni, các pha tiết (NiAl) sẽ tạo mầm trên biên giới của các tấm mactenxit hoặc trên các pha tiết giàu sắt hình thành trước đó (do chúng cũng có sự tương tự về cấu trúc mạng và thông số mạng).[43] Về sự ảnh hưởng của chuyển biến mactenxit và tổ chức mactenxit tới tính chất của các hợp kim đồng thanh nhôm: Pha β chỉ ổn định ở nhiệt độ cao và sẽ có phản ứng cùng tích β(α + γ2) ở nhiệt độ thấp hơn; sau phản ứng cùng tích, độ bền hợp kim tăng không đáng kể, trong khi đó độ dai phá hủy giảm mạnh, hợp kim trở nên giòn. Tuy vậy nếu làm nguội nhanh bằng cách tôi trong nước, pha β sẽ chuyển biến không khuyếch tán tạo ra β’(mactenxit) có kiểu mạng sáu phương (chuyển biến matenxit). Ngược với Mactenxit trong thép vừa cứng vừa bền, mactenxit tạo ra khi tôi brông nhôm còn mềm hơn cả tổ chức eutectoid [α + γ2]. Tuy vậy khi ram mactenxit này ở khoảng 5000C sẽ nhận được hiệu ứng hóa bền đáng kể mà không làm giòn hợp kim do γ2 tiết ra ở dạng nhỏ mịn, phân tán đều. Các brông chứa khoảng 10-13% Al sau nhiệt luyện tôi và ram đạt được cơ tính cao, khả năng chống ăn mòn và mài mòn tốt hơn. Người ta thường đưa thêm sắt, niken và khi đó sẽ kết hợp với quá trình chuyển biến mactenxit để cho ra những tính chất tốt nhất sau cùng cho đồng thanh nhôm (nâng cao độ bền nóng, chống ăn mòn và oxy hóa, độ chịu mài mòn). Hình 2. 26: Một ví dụ về sự ảnh hưởng của các pha α, các pha mactenxit tới cơ tính (độ cứng) trong các hợp kim hệ Cu-Al[52] Tôi hóa bền và ram (còn gọi là tôi và ram tăng bền) được sử dụng chủ yếu cho các hợp kim đồng nhôm và đồng- nickel-nhôm, và cho một số hợp kim đồng mangan đúc với kẽm khoảng 37- 41%. Đồng thanh nhôm với 9-11,5% Al, cũng như đồng thanh nickel-nhôm với 8,5-11,5% Al, tăng bền bằng cách tôi bởi phản ứng chuyển pha dạng mactenxit. Các hợp kim có hàm lượng 45 nhôm cao hơn sẽ quá nhạy, dễ bị nứt khi tôi, trong khi với hàm lượng nhôm thấp không có đủ pha ở nhiệt độ cao để đáp ứng với xử lý tôi. Cấu trúc tế vi và kết quả xử lý nhiệt của brông nhôm theo hàm lượng nhôm rất khác nhau. Đặc điểm này tương tự như sự khác nhau về hàm lượng carbon trong thép. Không giống như thép, brông nhôm được hóa già ở trên nhiệt độ chuyển đổi thông thường, thường trong khoảng 565-675°C. Trong việc lựa chọn nhiệt độ hóa già, cần xem xét đến tính chất cần đạt và độ cứng sau khi tôi, thời gian hóa già bình thường là 2 giờ, chi tiết lớn hoặc phức tạp nên được nung nóng từ từ để tránh nứt. Sau hóa già điều quan trọng là brông nhôm được làm nguội nhanh bằng nước, phun làm nguội, hoặc quạt gió. Làm nguội chậm qua khoảng 565-275°C có thể tạo ra phân hủy pha β martensitic dư, tạo thành các cùng tích α-β dòn.[52][33][34][44][20] Lượng tổ chưc cùng tích lớn có thể giảm độ giãn dài, độ bền kéo, độ dai va đập, làm giảm mạnh tính chịu va đập, giảm khả năng chịu ăn mòn trong một số môi trường. Để chống lại biến đổi cùng tích gây bất lợi, quá trình làm nguội sau khi ram nên bao gồm các khâu: đưa hợp kim đến nhiệt độ dưới 370°C trong khoảng 5 phút, và đến một nhiệt độ dưới 275°C trong vòng 15 phút. Thông thường, sự nguy hiểm của biến đổi cùng tích thấp hơn nhiều brông nickel-nhôm, và các hợp kim có thể được làm nguội bởi không khí sau ram. Các biện pháp phòng ngừa thông thường được sử dụng trong xử lý nhiệt cho thép có thể được áp dụng đối với đồng nhôm, với tốc độ làm nguội tới hạn là hơi thấp hơn so với thép. Thời gian giữ nhiệt nên ít nhất 45 phút ở nhiệt độ giữ nhiệt và thời gian dài hơn có thể được sử dụng mà không sợ bị oxy hóa bề mặt. Tôi dầu được sử dụng cho chi tiết nặng, phức tạp để tránh nứt, đặc biệt trong brông nickel-nhôm như C63000. Brông nhôm- Alpha là những brông nhôm có chứa ít hơn 9% Al, hoặc ít hơn 8,5% Al với đến 3% Fe. Về cơ bản chúng là hợp kim một pha, trừ hạt nhỏ mịn giàu sắt trong những hợp kim có chứa sắt. Đối với brông nhôm α, hiệu quả tăng bền có thể đạt được bằng biến dạng nguội và xử lý nhiệt sử dụng trong thực tế là ủ hoặc khử ứng suất. Các hợp kim phổ biến nhất của nhóm này là C60600, C61000, C61300, và C61400. Ngoài ra, các hợp kim có chứa tới 9,6% Al, với cấu trúc tế vi có chứa một lượng nhỏ của pha β ở nhiệt độ cao, có những hạn chế khả năng xử lý nhiệt như vậy, chúng cũng có thể được hóa bền bằng biến dạng nguội. Ủ brông nhôm α được thực hiện ở nhiệt độ khoảng 540 đến 870°C, với các hợp kim chứa sắt đòi hỏi nhiệt độ gần điểm cuối của dải nhiệt độ này. Hợp kim có thành phần trung gian (có chứa một lượng nhỏ của pha β), chẳng hạn như C61900, thường được ủ ở 595-650 °C. Hình 227 trình bày những đường cong để ủ điển hình brông nhôm α C61300 và C61400.[2] 46 Hình 2. 27: Đường cong dẻo cho brông nhôm α- biến dạng nguội.[2] Brông nhôm phức tạp α-β là những brông nhôm có tổ chức tế vi chứa nhiều hơn một pha. Các hợp kim này xử lý nhiệt tôi và ram sẽ rất có lợi. Các hợp kim đồng-nhôm, có và không có sắt, được xử lý nhiệt bởi các quy trình tương tự như quy trình xử lý nhiệt thép và có sơ đồ chuyển đổi đẳng nhiệt giống như trong thép carbon. Các hợp kim đó được giữ ở nhiệt độ cao nhằm hòa tan tất cả các pha vào pha β, sau tôi hợp kim có tổ chức martensite β cứng ở nhiệt độ phòng, tiếp theo ram tạo tiết pha α hình kim nhỏ mịn trong cấu trúc, tạo thành martensite β. Bảng 2.3 cho tính bền kéo điển hình và độ cứng của brông nhôm α-β sau các giai đoạn xử lý nhiệt khác nhau. Bảng 2.3: Xử lý nhiệt điển hình và kết quả tính chất của brông nhôm α-β [2] Hợp kim Điều kiện cơ bản (a) Độ bền kéo MPa Giới hạn chảy Mpa (b) Độ giãn dài, % (c) Độ cứng, HB C62400 Rèn hoặc ép đùn 620-690 240-260 14-16 163-183 Xử lý dung dịch rắn ở 870°C và tôi, ram 2h tại 620°C 675-725 345-385 8-14 187-202 C63000 Rèn hoặc ép đùn 730 365 13 187 Xử lý dung dịch rắn ở 855°C và tôi, ram 2h tại 650°C 760 425 13 212 C95300 Đúc 495-530 185-205 27-30 137-140 Xử lý dung dịch rắn ở 855°C và tôi, ram 2h tại 620°C 585 290 14-16 159-179 C95400 Đúc 585-690 240-260 14-18 156-179 47 Xử lý dung dịch rắn ở 870°C và tôi, ram 2h tại 620°C 655-725 330-370 8-14 187-202 (a) điều kiện đúc là điển hình cho chi tiết vừa ở nhiệt độ trên 540 °C và quạt làm nguội hoặc khuôn nguội, ủ ở 620 °C, và va quạt nguội (nhanh). (b) Tại giãn dài 0,5% dưới tải. (c) 50 mm (2 in.) 2.5.2. Vai trò mactenxit trong ứng dụng nhớ hình Hợp kim nhớ hình được áp dụng cho các nhóm vật liệu kim loại có thể trở lại hình dáng hoặc kích thước được xác định trước khi bị hủy bới quả trình xử lý nhiệt. Nói chung, các vật liệu này có thể biến dạng ở nhiệt độ tương đối thấp và có khả năng trở lại hình dáng ban đầu (trước khi bị biến dạng) khi xử lý ở nhiệt độ cao hơn. Những nhóm vật liệu như vậy được gọi là có khả năng nhớ hình một chiều. Một số vật liệu có khả năng trở lại hình dạng ở nhiệt độ thấp; những nhóm vật liệu như vậy có khả năng nhớ hai chiều. Hình 2. 28: Dạng chuyển biến phân đoạn dưới tác dụng ứng suất khi làm nguội và nung nóngT,chuyển biến từ trễ. Ms, nhiệt độ bắt đầu chuyển biến Mactenxit; Mf, nhiệt độ kết thúc chuyển biến Mactenxit; As, nhiệt độ bắt đầu chuyển biến austenite; Af, nhiệt độ kết thúc chuyển biến austenite[56] Hình 2.29a cho thấy trường hợp biến dạng thông thường đối với vật liệu chịu tải: biến dạng đàn hồi tuyến tính, tiếp đến biến dạng dẻo có hóa bền và phá hủy. Khi nung nóng chiều dài thay đổi thuận nghịch phù hợp với hệ số giãn nở nhiệt. Các trường hợp còn lại thuộc về hiệu ứng nhớ hình: giả đàn hồi, giả dẻo (hiệu ứng một chiều) và hiệu ứng hai chiều. Giả đàn hồi xuất hiện ở vật liệu có tính đàn hồi kiểu cao su. Khi chịu tải ζ ≥ ζTα biến dạng phi tuyến r