CHƯƠNG 1.1 Nhôm kim loại và hợp kim nhôm ma giê Nhôm là vật liệu kim loại có khối lượng riêng bằng một phần ba thép và nhỏ hơn đồng, tỉ số độ bền trên một đơn vị khối lượng cao là yếu tố giúp vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong sản xuất. Thực tế, trên thế giới có hơn 1600 mác vật liệu kỹ thuật được sử dụng, trong đó có 300 mác vật liệu là nhôm và hợp kim nhôm với hơn 50 mác thông dụng. Ban đầu, hợp kim nhôm được sử dụng để thay thế gang đúc và hợp kim đồng bởi khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường, đặc biệt trong môi trường nước biển. Ngày nay, nhôm đã dần thay thế rất nhiều loại vật liệu khác với mục đích giảm trọng lượng chi tiết nhất là công nghiệp hàng không, vũ trụ.
Trong công nghiệp ô tô, hóa chất, các chi tiết làm việc dưới môi trường nước biển, hợp kim nhôm được thay thế thép bởi khả năng chống ăn mòn. Vì tính ứng dụng cao nên vật liệu này ngày càng được sử dụng rộng rãi. Các nghiên cứu tập trung vào cải thiện tính chất cơ lý, hóa nhằm đáp ứng ngày càng tốt hơn yêu cầu kỹ thuật khi sử dụng loại vật liệu này đã được thế giới quan tâm trong nhiều năm trở lại đây. Hơn nữa, nhôm và hợp kim của nó là một vật liệu có độ dẻo cao nên khả năng biến dạng lớn, có tính dẫn nhiệt, dẫn điện tốt.
Nhôm được sử dụng rộng rãi thứ hai trên thế giới chỉ sau thép. Đây là nguyên tố có trữ lượng lớn thứ ba trong vỏ trái đất, nhôm có nguồn gốc từ bauxite khoáng sản. Bauxite được chuyển đổi thành oxit nhôm (alumina) thông qua quy trình của nhà bác học Bayer. Tất cả nhôm trong công nghiệp được sản xuất bởi quy trình này từ năm 1886 cho đến nay, các tính năng cơ bản của nhôm nguyên chất không thay đổi kể từ khi Karl Josef Bayer được cấp bằng sáng chế tại Đức năm 1888.
Theo tiêu chuẩn Hoa kỳ (AA-Aluminum Association) xxxx (hợp kim nhôm biến dạng) và xxx.1 Hợp kim nhôm A5052 Bảng 1. 1 Thành phần hợp kim nhôm A5052 1 N. tố Si Fe Cu Mn Cr Zn Mg Al % KL 0. 2 Tính chất vật lý và cơ tính của hợp kim nhôm A5052 Giới hạn bền kéo (MPa) 242 Sự dãn nở nhiệt 23.7x10-6/K Giới hạn chảy (MPa) 145 Nhiệt độ sôi 650 oC Độ giãn dài tương đối 12% Hệ số dẫn nhiệt 138W/m.K Mô đun đàn hồi (GPa) 70 Điện trở 0.2 Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim Magiê (Mg) là nguyên tố chính và tham gia vào quá trình hóa bền hợp kim, làm tăng độ bền, giảm giới hạn bền mỏi và độ dẻo không thay đổi do tạo thành dung dịch rắn.
Độ hòa tan của Mg trong Al ở 577oC là 17.4% và ở 250oC là 2. Với hàm lượng thấp Mg hòa tan hoàn toàn vào trong Al để tạo ra dung dịch rắn α có độ bền cao hơn nhôm nguyên chất nhưng vẫn giữ được độ dẻo. Trong hợp kim được tăng cường dung dịch rắn, nguyên tố Mg hòa tan cũng đóng vai trò đến tốc độ kết tinh khi đúc. Tuy nhiên hàm lượng Mg cao cũng tạo nên pha kết tủa β (Mg2Al3) ở ranh giới hạt, điều này không có lợi cho tính chất của hợp kim sau đúc.
Để tránh tạo nên lưới Mg2Al3 người ta thường dùng hàm lượng Mg nhỏ hơn 4% để chốnglại sự nhạy cảm với ăn mòn tinh giới và ăn mòn ứng suất. Khi có mặt đồng thời cả hai nguyên tố Mg và Si có thể tạo ra pha liên kim Mg2Si, pha này được tiết ra từ dung dịch rắn α có tác dụng tăng bền cho hợp kim nhôm. Tuy nhiên, nếu lượng Mg2Si nhiều thì sẽ làm giảm mạnh tính dẻo của vật liệu này. Đối với hợp kim nhôm A5052 do hàm lượng Si không cao nên pha Mg2Si tạo ra không nhiều do đó tác dụng hóa bền cho vật liệu không đáng kể.
Sắt (Fe) thường được coi là tạp chất với hàm lượng 0.4% trong các hợp kim nhôm nói chung và các hợp kim nhôm biến dạng nói riêng. Sắt xâm nhập vào hợp kim nhôm từ nguyên liệu ban đầu hoặc do sự hòa tan sắt vào hợp kim lỏng trong quá trình nấu luyện khi sử dụng nồi nấu bằng gang thép. Sắt là nguyên tố có ảnh hưởng mạnh đến cơ, lý tính và đặc tính công nghệ của hợp kim, sắt trong hợp kim nhôm sẽ tương tác với nhôm tạo pha Al3Fe rất giòn, kết tinh ở 2 dạng hình kim. Cùng tinh (α +Al3Fe) xuất hiện ngay cả khi hàm lượng Fe rất nhỏ và phân bố đều theo biên giới hạt.
Tổ chức này làm tăng độ bền, độ cứng nhưng lại làm giảm mạnh tính dẻo - một chỉ tiêu quan trọng của hợp kim nhôm biến dạng; mặt khác nó còn làm tăng sự nhạy cảm với ăn mòn điện hóa do chênh lệch thế điện cực giữa Al và FeAl3 khá lớn. Hợp kim nhôm chứa sắt (Fe) làm tăng nhiệt độ kết tinh lại. Silic (Si) hòa tan rất ít vào nhôm ở 577oC là 1. Đối với hợp kim nhôm biến dạng, hàm lượng Si thường dao động trong khoảng 0.
Nếu hàm lượng Si ở mức thấp, nó sẽ hòa tan vào nhôm tạo ra dung dịch rắn có độ bền cao hơn nhôm nguyên chất và vẫn giữ được độ dẻo cao. Khi tăng hàm lượng Si sẽ tạo ra cùng tinh (α+Si) gồm những hạt Si dạng kim hoặc dạng hạt (nếu được biến tính) trên nền α, cùng tinh có độ bền cao hơn α nhưng độ dẻo lại kém. Khi tồn tại đồng thời cả Fe và Si sẽ xuất hiện các pha liên kim loại dạng xương cá α(Al-Fe-Si) và β(Al-Fe-Si) giòn và kết tinh ở dạng tấm thô to. Trong trường hợp này, độ dẻo và tính ổn định chống ăn mòn của hợp kim nhôm cũng bị giảm mạnh.
Khi tăng hàm lượng Si thì hệ số giãn nở nhiệt và độ dẫn nhiệt của hợp kim giảm đi và cải thiện tính chảy lỏng của hợp kim. Mangan (Mn) làm giảm tác hại của Fe và làm giảm độ nhạy cảm với ăn mòn ứng suất. Theo giản đồ pha Al-Mn thì Mn có thể hòa tan trong nhôm và tạo thành dung dịch α. Độ hòa tan lớn nhất trong Mn trong dung dịch rắn α đạt 1.8% ở 650oC và giảm rất nhanh trong vùng nhiệt độ từ 450-650 oC.
Đây là vùng nhiệt độ tôi của phần lớn các hợp kim nhôm công nghiệp. Do ảnh hưởng của Fe và Si thì độ hòa tan của Mn trong dung dịch rắn α cũng giảm đi. Chromium (Cr) được thêm vào để tăng độ dai va đập, độ cứng và đặc biệt tăng khả năng chống ăn mòn tinh giới và ăn mòn khí quyển ngay cả trong điều kiện ăn mòn trong nước biển. Hàm lượng đồng (Cu) khoảng 0.10% để giảm ăn mòn cục bộ.
Kẽm (Zn) có hàm lượng khoảng 0.10% không có ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn nhưng tăng cường khả năng đúc và độ bền.3 Khuyết tật trong nhôm và hợp kim nhôm Các sai lệch điểm như nút trống, nguyên tử xen kẽ, nguyên tử thay thế … nếu chúng nằm liền nhau trên một đường thẳng trong mạng tinh thể hợp kim nhôm, chúng tạo ra sai lệch đường. Tuy nhiên, dạng sai lệch này có tính ổn định 3 không cao, ví dụ như các nút trống có thể tập trung thành cụm hoặc phân tán đều dưới những tác dụng khác nhau. Dạng điển hình nhất của sai lệch đường là lệch (dislocation). Chúng có những dạng hình học nhất định và tính ổn định cao.
Lý thuyết về lệch ngày nay đã trở thành bộ phận quan trọng của vật lý chất rắn nói chung và vật lý kim loại nói riêng. Nó giúp giải thích được nhiều vấn đề về cơ tính, lý tính của kim loại và hợp kim mà trước đây dựa trên những lý thuyết cổ điển chưa có sự giải thích đúng đắn. Ngoài ra, lý thuyết lệch đã mở ra những triển vọng mới và to lớn trong việc chế tạo kim loại và hợp kim có độ bền cao, trong đó có hợp kim nhôm A5052 với kiểu mạng A1 và A3 với cấu trúc nano khi biến dạng ở nhiệt độ âm.2 Tổng quan nghiên cứu sự thay đổi cơ tính của hợp kim nhôm ma giê Trong những năm gần đây, nghiên cứu chế tạo vật liệu nano đối với vật liệu kim loại nói chung và với nhôm và hợp kim nhôm nói riêng là một hướng nghiên cứu đang phát triển mạnh được quan tâm bởi nhiều nhà khoa học trên thế giới. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano thường được sử dụng như ép trong kênh gấp khúc, ép trên rãnh chu kỳ, xoắn áp lực cao, cán dính, rèn đa chiều… Vật liệu chế tạo ra được kiểm tra cơ tính bằng các thiết bị cơ học, các phương pháp kiểm tra từ cổ điển đến hiện đại.
Tuy nhiên, để lý giải cơ chế hóa bền của hợp kim này cũng như ảnh hưởng của nhiệt độ, tốc độ biến dạng, phương pháp chất tải bằng phương pháp mô phỏng số động học phân tử có rất ít các công trình được công bố, và đặc biệt hiếm đối với hợp kim nhôm A5052. Mô phỏng số động học phân tử là một công cụ hữu hiệu để nghiên cứu cấu trúc vật liệu ở cấp độ nguyên tử, đây là phương pháp tiên tiến trong nghiên cứu cơ, lý tính, độ bền của vật liệu trong khoa học vật liệu nói chung. Do đó, việc nghiên cứu ứng xử cơ học cấu trúc ở cấp độ nano bằng cách tiếp cận mô phỏng động lực học phân tử, nguyên tử đã nhận được sự quan tâm đáng kể của giới khoa học vật liệu, vật lý ứng dụng trong những năm gần đây. Nhiều nhà nghiên cứu đã công bố các công trình có tính mới và ứng dụng cao trong lĩnh vực này.
Cụ thể, Zhou et al. đã sử dụng các mô phỏng động lực học phân tử để khảo sát cơ chế biến dạng của đồng tinh thể nano [3-9]. Li và cộng sự đã nghiên cứu các cơ 4 chế biến dạng của nano Fe kiểu mạng lập phương tâm khối bằng phương pháp mô phỏng động học phân tử [10,11]. Sainath đã tiến hành nghiên cứu đặc tính biến dạng dưới ứng suất kéo của dây nano sắt kiểu mạng lập phương thể tâm ở nhiệt độ 10 K và tốc độ biến dạng 1 × 108 ps-1 bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử nguyên tử [12].
Setoodeh và cộng sự đã nghiên cứu các tính chất cơ học của vật liệu nano niken ở các nhiệt độ khác nhau bằng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử [13]. Koh et al đã nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến tính chất cơ học của nano kim loại [14].