I. Giới thiệu về hợp kim nhôm Al Zn Mg Cu và chế độ nhiệt luyện
Hợp kim nhôm Al-Zn-Mg-Cu là một trong những vật liệu quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại, đặc biệt trong lĩnh vực hàng không và quốc phòng. Hợp kim nhôm độ bền cao này được ưa chuộng nhờ khả năng chịu lực tốt, độ cứng cao và khối lượng nhẹ. Chế độ nhiệt luyện đóng vai trò quyết định trong việc tối ưu hóa các tính chất cơ học của hợp kim, bao gồm độ bền kéo, độ cứng, và khả năng chống ăn mòn. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện đến cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu.
1.1. Tổng quan về hợp kim nhôm Al Zn Mg Cu
Hợp kim nhôm Al-Zn-Mg-Cu thuộc nhóm hợp kim nhôm độ bền cao, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu độ bền và độ cứng cao. Thành phần chính của hợp kim bao gồm nhôm (Al), kẽm (Zn), magie (Mg) và đồng (Cu), với các nguyên tố hợp kim phụ như Zr, Ag, Ti giúp cải thiện tính chất cơ học. Cấu trúc vi mô của hợp kim được hình thành thông qua quá trình xử lý nhiệt, bao gồm tôi và hóa già, giúp tạo ra các pha tiết ra trong nền dung dịch rắn, từ đó tăng cường độ bền và độ cứng.
1.2. Vai trò của chế độ nhiệt luyện
Chế độ nhiệt luyện là yếu tố then chốt quyết định tính chất cơ học của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu. Quá trình này bao gồm các giai đoạn như tôi, hóa già và kết hợp với biến dạng. Nhiệt luyện giúp tối ưu hóa cấu trúc vi mô, tạo ra các pha tiết ra có kích thước và phân bố phù hợp, từ đó cải thiện độ bền kéo, độ cứng và khả năng chống ăn mòn. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện đến các tính chất này, đặc biệt là trong các điều kiện làm việc khắc nghiệt.
II. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm
Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện đến hợp kim Al-Zn-Mg-Cu. Các mẫu hợp kim được xử lý nhiệt theo các chế độ khác nhau, bao gồm tôi, hóa già 1 cấp (T6), hóa già phân cấp (T76, RRA) và kết hợp với biến dạng (cơ nhiệt luyện). Các phương pháp phân tích bao gồm kính hiển vi điện tử (SEM, TEM), nhiễu xạ tia X (XRD) và đo độ cứng, độ bền kéo để đánh giá tính chất cơ học và cấu trúc vi mô của hợp kim.
2.1. Thiết bị và quy trình thực nghiệm
Các mẫu hợp kim Al-Zn-Mg-Cu được xử lý nhiệt trong lò nung Nabertherm và biến dạng bằng máy cán tiểu hình. Quá trình tôi được thực hiện ở nhiệt độ 460-480°C, sau đó hóa già ở các nhiệt độ khác nhau (120°C, 130°C, 160°C). Các mẫu được phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) để quan sát cấu trúc vi mô, đồng thời sử dụng nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định các pha tiết ra. Độ cứng và độ bền kéo được đo bằng các thiết bị chuyên dụng.
2.2. Phương pháp đánh giá tính chất cơ học
Các tính chất cơ học của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu được đánh giá thông qua đo độ cứng Brinell (HB) và độ bền kéo (σb). Độ cứng được đo bằng máy đo độ cứng Rockwell, trong khi độ bền kéo được xác định bằng máy kéo vạn năng. Ngoài ra, khả năng chống ăn mòn của hợp kim được đánh giá thông qua thử nghiệm phun muối và đo tốc độ ăn mòn trong dung dịch NaCl 3,5%. Các kết quả được so sánh giữa các chế độ nhiệt luyện khác nhau để xác định chế độ tối ưu.
III. Kết quả và thảo luận
Kết quả nghiên cứu cho thấy chế độ nhiệt luyện có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học và cấu trúc vi mô của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu. Chế độ hóa già 1 cấp (T6) mang lại độ bền cao nhưng nhạy cảm với ăn mòn ứng suất. Trong khi đó, chế độ hóa già phân cấp (T76, RRA) giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn nhưng độ bền có thể giảm nhẹ. Chế độ cơ nhiệt luyện (kết hợp biến dạng và hóa già) cho thấy sự cân bằng tốt giữa độ bền và khả năng chống ăn mòn, đặc biệt phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ bền cao.
3.1. Ảnh hưởng của chế độ hóa già 1 cấp T6
Chế độ hóa già 1 cấp (T6) mang lại độ bền kéo cao nhất, đạt khoảng 580 MPa, nhưng nhạy cảm với ăn mòn ứng suất. Cấu trúc vi mô của hợp kim sau hóa già T6 cho thấy sự hình thành các pha tiết ra phân bố đều trong nền dung dịch rắn, giúp tăng cường độ bền. Tuy nhiên, sự xuất hiện của các vùng trống tiết pha (PFZ) trên biên giới hạt làm giảm khả năng chống ăn mòn của hợp kim.
3.2. Ảnh hưởng của chế độ hóa già phân cấp T76 RRA
Chế độ hóa già phân cấp (T76, RRA) giúp cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu. Chế độ T76 làm giảm kích thước các pha tiết ra trên biên giới hạt, từ đó giảm nguy cơ ăn mòn ứng suất. Chế độ RRA (Retrogression and Reaging) kết hợp hóa già ở nhiều nhiệt độ khác nhau, giúp tối ưu hóa cấu trúc vi mô và cải thiện cả độ bền và khả năng chống ăn mòn.
IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn
Nghiên cứu này đã chứng minh rằng chế độ nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa tính chất cơ học và cấu trúc vi mô của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu. Chế độ hóa già 1 cấp (T6) phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ bền cao, trong khi chế độ hóa già phân cấp (T76, RRA) và cơ nhiệt luyện mang lại sự cân bằng tốt giữa độ bền và khả năng chống ăn mòn. Những kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn chế độ nhiệt luyện phù hợp cho các ứng dụng cụ thể trong ngành hàng không, quốc phòng và công nghiệp dân dụng.
