Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu sự phát triển vết nứt trong tấm bimetal Al-Cu

Luận văn thạc sĩ HCMUTE nghiên cứu sự phát triển vết nứt trong tấm bimetal Al-Cu, cung cấp cái nhìn sâu sắc về vật liệu và ứng dụng.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Hải Quan
• Người hướng dẫn: TS. Phan Thanh Nhàn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Sự Phát Triển Vết Nứt Trong Tấm Bimetal Al/Cu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về đề tài nghiên cứu
• 1.2. Ứng dụng vật liệu bimetal Al/Cu
• 1.3. Giới thiệu phương pháp hàn ma sát khuấy
• 1.4. Các nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước
• 1.4.1. Các nghiên cứu nước ngoài
• 1.4.2. Các nghiên cứu trong nước
• 1.5. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.6. Ý nghĩa nghiên cứu
• 1.7. Nội dung, giới hạn đề tài và phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Thành phần cấu tạo
• 2.2. Khả năng gia công
• 2.3. Hợp kim nhôm A1050
• 2.4. Sự hình thành cấu trúc tế vi trong mối hàn ma sát khuấy
• 2.5. Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt
• 2.6. Vùng ảnh hưởng nhiệt
• 2.7. Giới thiệu sự hình thành vết nứt
• 2.8. Sự lan truyền vết nứt
• 3. CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN NỘI DUNG THÍ NGHIỆM
• 3.1. Quá trình tạo mẫu thí nghiệm
• 3.2. Vật liệu thí nghiệm
• 3.3. Máy móc thiết bị chế tạo mối hàn
• 3.4. Quá trình thí nghiệm
• 3.5. Khảo sát cấu trúc tế vi vùng tiếp giáp
• 3.6. Khảo sát sự phát triển vết nứt
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Kết quả khảo sát cấu trúc tế vi vùng tiếp giáp Al/Cu
• 4.2. Khảo sát sự phát triển vết nứt theo các phương khác nhau
• 4.2.1. Tác dụng lực theo phương vuông góc
• 4.2.2. Tác dụng lực cùng phương với mối hàn
• 4.3. Phân tích bề mặt vết nứt
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Hướng nghiên cứu mới
• 5.2. Nghiên cứu ứng dụng
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về tấm bimetal Al Cu

Tấm bimetal Al-Cu là một loại vật liệu composite được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất linh kiện điện. Việc chế tạo tấm bimetal này gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc liên kết hai kim loại có tính chất khác nhau. Phương pháp hàn ma sát khuấy (FSW) đã được phát triển để giải quyết vấn đề này. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng FSW không chỉ giúp cải thiện độ bền của mối hàn mà còn giảm thiểu các khuyết tật thường gặp trong các phương pháp hàn truyền thống. Đặc biệt, tấm bimetal Al-Cu có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, giúp tiết kiệm nguyên liệu và giảm trọng lượng sản phẩm.

1.1. Ứng dụng của tấm bimetal Al Cu

Tấm bimetal Al-Cu được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như ngành điện, ô tô và các thiết bị dân dụng. Các sản phẩm như ống lót dầu, vòng bi và các linh kiện điện tử đều sử dụng tấm bimetal này. Việc sử dụng tấm bimetal giúp tiết kiệm tài nguyên đồng quý giá và giảm chi phí sản xuất. Nghiên cứu cho thấy rằng tấm bimetal Al-Cu có thể thay thế các sản phẩm đồng nguyên chất, mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn cho các nhà sản xuất.

II. Phương pháp hàn ma sát khuấy FSW

Hàn ma sát khuấy (FSW) là một phương pháp hàn tiên tiến, được phát minh vào năm 1991. Phương pháp này không yêu cầu vật liệu phụ và không gây ra ứng suất lớn trong quá trình hàn. FSW giúp tạo ra mối hàn có độ bền cao và ít khuyết tật. Nghiên cứu cho thấy rằng FSW có thể áp dụng hiệu quả cho việc liên kết các kim loại khác nhau, đặc biệt là trong trường hợp của tấm bimetal Al-Cu. Các ưu điểm của FSW bao gồm khả năng tự động hóa cao, thời gian hàn nhanh và độ chính xác cao trong việc kiểm soát các thông số hàn.

2.1. Ưu điểm và nhược điểm của FSW

FSW có nhiều ưu điểm so với các phương pháp hàn truyền thống như hàn TIG hay MIG. Không cần bổ sung kim loại phụ, không phát sinh khí độc hại và có thể kiểm soát dễ dàng các thông số hàn. Tuy nhiên, FSW cũng có nhược điểm như cần lực ấn lớn và không thể thực hiện trong không gian chật hẹp. Những yếu tố này cần được xem xét khi áp dụng FSW cho các dự án thực tế.

III. Nghiên cứu sự phát triển vết nứt trong tấm bimetal Al Cu

Nghiên cứu sự phát triển vết nứt trong tấm bimetal Al-Cu là một vấn đề quan trọng trong ngành khoa học vật liệu. Việc khảo sát cấu trúc tế vi và sự phát triển của vết nứt giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành và lan truyền vết nứt. Các thí nghiệm cho thấy rằng vết nứt thường phát triển theo bề mặt tiếp giáp giữa hai vật liệu, và độ bền của mối hàn có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của vết nứt. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp thông tin quý giá cho các nhà khoa học mà còn có thể ứng dụng trong thực tiễn sản xuất.

3.1. Phân tích sự phát triển vết nứt

Sự phát triển vết nứt trong tấm bimetal Al-Cu được phân tích thông qua các thí nghiệm kéo và uốn. Kết quả cho thấy rằng vết nứt có xu hướng phát triển theo hướng có ứng suất cao nhất. Việc khảo sát cấu trúc tế vi vùng tiếp giáp Al-Cu cho thấy sự hình thành các hợp chất liên kim loại có ảnh hưởng đến độ bền của mối hàn. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc cải thiện chất lượng mối hàn và giảm thiểu sự phát triển của vết nứt trong các sản phẩm bimetal.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Tấm bimetal Al/Cu là vật liệu composite được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như điện năng, ô tô, hàng không và thiết bị dân dụng nhờ tính năng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, khả năng chống ăn mòn và độ bền cơ học cao. Theo ước tính, việc sử dụng tấm bimetal Al/Cu giúp tiết kiệm đáng kể tài nguyên đồng quý hiếm, giảm trọng lượng sản phẩm và chi phí nguyên liệu. Tuy nhiên, việc liên kết hai kim loại có tính chất vật liệu khác nhau như nhôm A1050 và đồng đỏ C1100 vẫn là thách thức lớn trong công nghệ chế tạo vật liệu.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là khảo sát sự phát triển của vết nứt trong tấm bimetal Al/Cu được chế tạo bằng phương pháp hàn ma sát khuấy (FSW), nhằm đánh giá độ bền và tính ổn định của mối hàn dưới tác động lực cơ học. Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát cấu trúc tế vi vùng tiếp giáp giữa hai kim loại, phân tích sự phát triển vết nứt theo các hướng khác nhau dưới tác dụng lực uốn ba điểm, từ đó đưa ra đánh giá về khả năng liên kết và ứng dụng thực tiễn của vật liệu.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2018-2020, sử dụng mẫu thí nghiệm kích thước 300×100×5 mm. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu bimetal Al/Cu, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm thiểu rủi ro hư hỏng và mở rộng ứng dụng trong các ngành công nghiệp trọng điểm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW): Phương pháp hàn không nóng chảy, sử dụng lực ma sát và biến dạng dẻo để liên kết hai kim loại khác nhau, tạo ra vùng mối hàn có cấu trúc tế vi đặc trưng gồm vùng khuấy (Stir Zone - SZ), vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (Thermo-Mechanically Affected Zone - TMAZ) và vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat Affected Zone - HAZ).

• Lý thuyết phát triển vết nứt trong vật liệu dẻo: Mô tả sự hình thành và lan truyền vết nứt dựa trên cân bằng năng lượng, vùng biến dạng dẻo quanh đầu vết nứt và mối quan hệ giữa ứng suất phá hủy với kích thước vết nứt. Các kiểu dịch chuyển vết nứt (Kiểu I, II, III) được xem xét dưới các điều kiện tải trọng khác nhau.

• Khái niệm về cấu trúc tế vi và tính chất cơ học của hợp kim nhôm A1050 và đồng đỏ C1100: Bao gồm thành phần hóa học, tính chất vật lý, cơ học, khả năng gia công và hàn, ảnh hưởng của các yếu tố này đến chất lượng mối hàn và sự phát triển vết nứt.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng vật liệu nhôm A1050 và đồng đỏ C1100 kích thước 300×100×5 mm, chế tạo tấm bimetal bằng phương pháp hàn ma sát khuấy tại xưởng thí nghiệm Trường Đại học Nha Trang.

• Thiết kế mẫu thí nghiệm: Mẫu được thiết kế theo tiêu chuẩn ASTM E1290 và ASTM E290, tạo vết nứt nhân tạo ở các vị trí khác nhau trên mối hàn để khảo sát sự phát triển vết nứt dưới tác dụng lực.

• Phương pháp phân tích: Quan sát cấu trúc tế vi vùng tiếp giáp bằng kính hiển vi Olympus-CK40M với độ phóng đại từ 100 đến 2400 lần, sử dụng máy mài MA-PP-200M để chuẩn bị mẫu, tẩm thực bề mặt bằng dung dịch hóa chất chuyên dụng. Sử dụng máy kéo nén Instron-3366 để thực hiện thí nghiệm uốn ba điểm, ghi nhận sự phát triển vết nứt qua camera phóng đại 1000x và phần mềm điều khiển.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình chế tạo mẫu, thí nghiệm và phân tích kéo dài trong khoảng 2 năm (2018-2020), với nhiều lần lặp lại thí nghiệm để đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc tế vi vùng tiếp giáp Al/Cu: Quan sát dưới kính hiển vi cho thấy các hạt đồng khuếch tán sang nhôm không đồng đều, tạo nên các vệt đen xen kẽ giữa hai kim loại. Sự phân bố hạt không đồng đều ảnh hưởng đến tính chất cơ học của mối hàn. Kết quả này được minh họa qua hình ảnh phóng đại 1000x và 2400x, cho thấy rõ sự biến đổi cấu trúc tế vi tại vùng tiếp giáp.

2. Sự phát triển vết nứt dưới tác dụng lực uốn ba điểm: Thí nghiệm cho thấy vết nứt phát triển chủ yếu theo bề mặt tiếp giáp giữa nhôm và đồng với tỷ lệ cao nhất, không phân nhánh. Lực uốn lớn hơn tương ứng với năng lượng phá hủy mối hàn cao hơn, dẫn đến độ liên kết giữa hai vật liệu tốt hơn. Cụ thể, mẫu chịu lực uốn đạt tải trọng tối đa Fb khoảng 8 kN trước khi đứt.

3. Ảnh hưởng của vị trí vết nứt: Vết nứt tạo ở vị trí gần vùng khuấy (Stir Zone) phát triển nhanh và ổn định hơn so với vị trí xa vùng này. Tốc độ phát triển vết nứt trong vật liệu nền đồng và nhôm có sự khác biệt rõ rệt, với vết nứt trong đồng phát triển nhanh hơn khoảng 15% so với nhôm.

4. Phân tích bề mặt vết nứt: Bề mặt vết nứt thể hiện rõ các dấu hiệu lan truyền theo kiểu intergranular (theo ranh giới hạt) trong đồng và kiểu dẻo hơn trong nhôm, phù hợp với đặc tính cơ học của từng vật liệu. Các biểu đồ mô tả sự thay đổi chiều dài vết nứt theo thời gian và lực tác dụng được trình bày chi tiết trong luận văn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân sự phát triển vết nứt tập trung tại vùng tiếp giáp Al/Cu là do sự khác biệt về tính chất cơ học và cấu trúc tế vi giữa hai kim loại, tạo ra ứng suất tập trung khi chịu tải. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về sự phát triển vết nứt trong mối hàn ma sát khuấy giữa các vật liệu khác nhau, đồng thời bổ sung thêm dữ liệu cụ thể về tấm bimetal Al/Cu.

So sánh với các nghiên cứu về hợp kim Cu-Al và các hợp kim nhôm khác, sự phát triển vết nứt trong tấm bimetal Al/Cu có đặc điểm riêng biệt do cấu trúc tế vi phức tạp và sự khuếch tán không đồng đều của các hạt kim loại. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và tính ổn định của mối hàn.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu là giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành và phát triển vết nứt trong vật liệu bimetal, từ đó có thể kiểm soát và cải thiện quy trình hàn ma sát khuấy để nâng cao chất lượng sản phẩm. Dữ liệu thu thập được có thể được trình bày qua các biểu đồ lực - biến dạng, hình ảnh kính hiển vi và bảng so sánh các thông số cơ học.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình hàn ma sát khuấy: Điều chỉnh các thông số như tốc độ quay, lực ấn và tốc độ tịnh tiến để giảm thiểu sự không đồng đều trong cấu trúc tế vi vùng tiếp giáp, từ đó hạn chế sự phát triển vết nứt. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 6-12 tháng, do phòng thí nghiệm cơ khí đảm nhiệm.

2. Phát triển kỹ thuật kiểm tra không phá hủy: Áp dụng các phương pháp như siêu âm hoặc chụp X-quang để phát hiện sớm vết nứt trong tấm bimetal Al/Cu trước khi đưa vào sử dụng, nhằm giảm thiểu rủi ro hư hỏng trong quá trình vận hành. Khuyến nghị triển khai trong 12 tháng, phối hợp với các trung tâm kiểm định vật liệu.

3. Nghiên cứu bổ sung về ảnh hưởng môi trường: Thực hiện các thí nghiệm mô phỏng điều kiện ăn mòn và nhiệt độ cao để đánh giá tác động của môi trường làm việc đến sự phát triển vết nứt, từ đó đề xuất biện pháp bảo vệ phù hợp. Thời gian nghiên cứu dự kiến 18 tháng, do các viện nghiên cứu vật liệu thực hiện.

4. Ứng dụng kết quả nghiên cứu trong thiết kế sản phẩm: Áp dụng các thông số kỹ thuật và dữ liệu về sự phát triển vết nứt để thiết kế các chi tiết bimetal Al/Cu có độ bền cao hơn, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của ngành điện và ô tô. Thời gian triển khai 6 tháng, do các doanh nghiệp sản xuất linh kiện đảm nhận.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư vật liệu: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về cấu trúc tế vi và cơ chế phát triển vết nứt trong tấm bimetal Al/Cu, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu mới và cải tiến công nghệ hàn.

2. Doanh nghiệp sản xuất linh kiện điện và ô tô: Thông tin về độ bền và tính ổn định của mối hàn giúp doanh nghiệp tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí bảo trì.

3. Các trung tâm kiểm định và bảo trì thiết bị: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ trong việc xây dựng quy trình kiểm tra không phá hủy và đánh giá tuổi thọ vật liệu, từ đó đảm bảo an toàn vận hành.

4. Sinh viên và giảng viên ngành kỹ thuật cơ khí: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan đến vật liệu bimetal và công nghệ hàn ma sát khuấy.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn hàn ma sát khuấy để chế tạo tấm bimetal Al/Cu?
   Hàn ma sát khuấy không gây nóng chảy, không cần vật liệu phụ, giảm biến dạng và khuyết tật, tạo mối hàn có cơ tính tốt hơn so với các phương pháp truyền thống như hàn TIG hay MIG.

2. Vết nứt phát triển chủ yếu ở vị trí nào trên tấm bimetal?
   Vết nứt phát triển nhiều nhất tại vùng tiếp giáp giữa nhôm và đồng, do sự khác biệt về tính chất cơ học và cấu trúc tế vi tạo ra ứng suất tập trung.

3. Làm thế nào để kiểm soát sự phát triển vết nứt trong thực tế?
   Có thể kiểm soát bằng cách tối ưu hóa thông số hàn, sử dụng kỹ thuật kiểm tra không phá hủy định kỳ và thiết kế chi tiết phù hợp với điều kiện làm việc.

4. Ảnh hưởng của cấu trúc tế vi đến độ bền mối hàn như thế nào?
   Cấu trúc tế vi không đồng đều làm giảm khả năng liên kết, tạo điều kiện cho vết nứt phát triển nhanh hơn, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và tuổi thọ của mối hàn.

5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các vật liệu bimetal khác không?
   Có thể áp dụng các phương pháp và kết quả nghiên cứu để khảo sát sự phát triển vết nứt trong các loại vật liệu bimetal khác, tuy nhiên cần điều chỉnh phù hợp với đặc tính vật liệu cụ thể.

Kết luận

• Đã chế tạo thành công tấm bimetal Al/Cu bằng phương pháp hàn ma sát khuấy, tạo điều kiện khảo sát cấu trúc tế vi và sự phát triển vết nứt.
• Vết nứt phát triển chủ yếu tại vùng tiếp giáp giữa nhôm và đồng, không phân nhánh và có xu hướng phát triển ổn định dưới tác dụng lực uốn ba điểm.
• Cấu trúc tế vi không đồng đều ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học và độ bền của mối hàn.
• Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu hóa quy trình hàn và thiết kế vật liệu bimetal có độ bền cao hơn.
• Đề xuất các giải pháp kiểm soát vết nứt và ứng dụng kết quả nghiên cứu trong sản xuất, kiểm tra và bảo trì thiết bị.

Tiếp theo, cần triển khai các nghiên cứu bổ sung về ảnh hưởng môi trường và phát triển kỹ thuật kiểm tra không phá hủy để hoàn thiện quy trình ứng dụng thực tế. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng kết quả để nâng cao hiệu quả sản xuất và sử dụng vật liệu bimetal Al/Cu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan chung về đề tài nghiên cứu Đồng và nhôm đã và đang được sử dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp, với những tính năng như dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, khả năng chống ăn mòn, độ dẻo, và tính thẩm mỹ cao. Chúng rất phù hợp để gia công chi tiết máy, làm trang trí công nghiệp, thiết bị truyền dẫn điện, dẫn nhiệt. Để khai thác tối đa những ưu thế đó, thì tấm bimetal Al/Cu được sản xuất cũng đem lại hiệu quả kinh tế rất tốt.

Việc liên kết các kim loại có thành phần, cơ tính khác nhau cũng đang là hướng đi đang được các tập đoàn cũng như các cơ sở sản xuất quan tâm và chú trọng đầu tư. Với công nghệ kỹ thuật hiện nay, tấm bimetal Al/Cu được chế tạo phần lớn là phương pháp cán, dập, hàn nổ, hàn ma sát…cả hai kim loại được khuếch tán vào nhau tạo nên một khối không thể thách rời. Để góp phần đa dạng hóa các loại lưỡng kim này, rất nhiều nghiên cứu được đưa ra để tìm và giải quyết các vấn đề liên quan đến khả năng liên kết của các vật liệu khác nhau.Tuy nhiên để hiểu rõ cơ tính cũng như bản chất vật liệu tại vùng liên kết thì vẫn chưa có kết quả nghiên cứu cụ thể nào được nêu ra. Đề tài nghiên cứu “Sự phát triển vết nứt trong tấm bimetal Al/Cu” cũng xuất phát từ mục đích này.

Nó là một vấn đề khá mới, cho tới thời điểm hiện tại chưa có công trình nào công bố cụ thể, chi tiết về lĩnh vực mà tác giả đang nghiên cứu. Chỉ có một số công trình nghiên cứu về sự phát triển của vết nứt trong mối hàn ma sát hai vật liệu giống nhau[1]. Ứng dụng vật liệu bimetal Al/Cu[3] Tấm bimetal Al/Cu được tạo ra với nhu cầu sử dụng cao trong ngành năng lượng điện, hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác, các kim loại màu như nhôm và đồng được sử dụng rộng rãi, và việc áp dụng các kim loại khác nhau như nhôm và đồng ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn và sự tích hợp của kim loại hợp kim nhôm và đồng đã trở thành một vấn đề tích cực và khó khăn trong lĩnh vực hàn. 2 Luan van Tấm bimetal Al/Cu được sử dụng để thay thế các sản phẩm đồng nguyên chất, tiết kiệm đáng kể tài nguyên đồng quý, giảm trọng lượng sản phẩm, giảm khó khăn khi lắp đặt và giảm đáng kể chi phí nguyên liệu.

Phần lớn vật liệu bimetal Al/Cu được ứng dụng phục vụ cho các ngành điện, nghành công nghiệp ô tô, các vật dụng dân dụng. Cụ thể có một số chi tiết ứng dụng sau đây: Hình 1.1:Tấm, ống, long đền bimetal Al/Cu[2] Hình 1.2: Các loại ống lót và vòng bi bôi trơn Ống lót dầu, vòng bi tráng bôi trơn. Nó được sử dụng rộng rãi trong các chi tiết như: Máy nén khí, thiết bị lái, tay lái trợ lực, vòng bi đạp, ống lót chân đế, pít- tông đuôi, thiết bị xử lý và nâng cơ, động cơ thủy lực, máy móc nông nghiệp, v. Giới thiệu phương pháp hàn ma sát khuấy Hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) được phát minh bởi Học viện hàn của Vương Quốc Anh (TWI) vào tháng 12 năm 1991.

TWI đã được cấp bằng sáng chế thành công ở Châu Âu, Mỹ, Nhật Bản và Úc. Sau đó TWI đã thành 3 Luan van lập TWI Group và được tài trợ bởi dự án 5651: “Sự phát triển của kỹ thuật hàn ma sát khuấy cho hàn nhôm” vào năm 1992 để tiếp tục nghiên cứu kỹ thuật này[4]. Về nguyên lý cơ bản của hàn ma sát khuấy được thể hiện thu gọn dựa vào sơ đồ sau: Hình 1.3: Sơ đồ mô tả quá trình hàn ma sát khuấy[5] Ưu nhược điểm của công nghệ hàn ma sát khuấy (FSW)[5] Ưu điểm So với các phương pháp hàn truyền thống như hàn TIG, hàn MIG thì hàn ma sát khuấy có những ưu điểm nổi bật sau: Không cần bổ sung kim loại phụ (que hàn), không tiêu thụ khí hàn, không có quá trình nóng chảy. Không phát xạ độc hại: khói độc, bắn tóe, không phát sinh hồ quang, năng lượng bức xạ…, do đó tạo môi trường trong sạch.

Có tính tự động hóa nên việc kiểm soát và điều khiển thông số dễ dàng, độ chính xác của chi tiết hàn được đảm bảo. Cơ tính mối hàn tốt, ít biến dạng, ít khuyết tật. Thời gian hàn nhanh, năng suất cao, không đòi hỏi tay nghề cao của người công nhân. 4 Luan van Nhược điểm Khi hàn các vật liệu có độ nóng chảy cao(thép.

Titanium…) cần sử dụng dụng cụ hàn phức tạp dẫn đến tốn chi phí. Tính cơ động kém do không thể hàn trong không gian chật hẹp, những kết cấu phức tạp. Cần lực ấn xuống khá lớn (theo trục Z) do vậy cần đồ gá hàn và ngàm lót đáy khi hàn.Các nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước 1.Các nghiên cứu nước ngoài "Texture and microstructure evolution in friction stir welded Cu-Al sheets characterized by EBSD" của D. Avettand-Fènoël and R.

Nghiên cứu nói về kết cấu và cấu trúc tế vi giữa 2 vật liệu Al và Cu bằng phương pháp hàn ma sát khuấy(FSW) được khảo sát bằng kỹ thuật tán xạ ngược điện từ (EBSD). Phân tích đã cho thấy độ bền mối hàn cũng như cấu trúc tế vi rất phức tạp. Các hạt được tìm thấy được kết tinh lại hoàn toàn trên cả hai mặt của mối hàn và với các đường kính trung bình khác nhau tại các vùng cụ thể khác nhau của mối hàn.[6] "Factors influencing Al-Cu weld properties by intermetallic compound formation" của Paul Kah, Cyril Vimalraj, Jukka Martikainen and Raimo Suoranta năm 2015. Mục đích chính của nghiên cứu là xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của mối hàn Al-Cu.

Nghiên cứu chủ yếu thảo luận về ảnh hưởng của các yếu tố đến các tính chất của liên kết Al-Cu và ảnh hưởng của chúng trong khi hoạt động. Các tác động của việc liên kết hợp kim nhôm 1060 với đồng nguyên chất bằng cách hàn laze, hàn ma sát khuất đã được xem xét và so sánh. Đánh giá cho thấy rằng các thành phần hợp chất liên kim loại khác nhau trong khớp có cả tác động có lợi và bất lợi. Các đặc điểm của các hợp chất liên kim loại này thay đổi tùy theo vị trí của mối hàn.

So sánh các quy trình và thông số hàn Al 1060 với Cu nguyên chất cho thấy sự hình thành các hợp chất liên kim loại và ảnh hưởng của 5 Luan van chúng đến tính chất mối hàn chủ yếu bị ảnh hưởng bởi tốc độ hàn, nhiệt lượng đầu vào, tính chất nhiệt của kim loại cơ bản và kim loại phụ cũng như sự pha loãng giữa kim loại cơ bản và kim loại phụ.[7] "Fatigue crack initiation and growth behavior of Cu-16 at.% Al single crystals " của Sun Ig Hong và Campbell Lairp năm 2007. Trong nỗ lực tìm hiểu sự phát triển vết nứt của hợp kim Cu/Al, các nghiên cứu đã được thực hiện trong việc kiểm soát biến dạng Cu nguyên chất. Sự phát triển vết nứt được nghiên cứu bằng kỹ thuật tạo góc nhọn, ứng suất đỉnh đạt tới 32 MPa bất kể biên độ biến dạng. Sự phân bố kích thước vết nứt trong Cu đơn tinh thể được phát hiện là nghiêng về các vết nứt nhỏ hơn so với đồng.

Điều này được cho là do sự di chuyển thường xuyên của các dải trượt cục bộ trong vật liệu này. Độ bền mỏi của hợp kim này ở biên độ ngắn hơn so với đồng nguyên chất vì chúng phân bố không đồng nhất so với đồng nguyên chất. Tuy nhiên, ở biên độ biến dạng cao, chúng trở nên ngắn hơn do ứng suất đỉnh cao hơn. Độ bền mỏi của hợp kim Cu-A1 được dự đoán từ độ bền của đồng trên cơ sở các phần thể tích khác nhau của biến dạng cục bộ trong hai vật liệu, dự đoán phù hợp với độ bền thực tế của hợp kim Cu-Al.[16] "Crack initiation and growth in an Zn-Cu-Al PE alloy" của Vittorio Di Cocco, France cesco lacoviello, Luigi Tomassi, Stefano Natali, Valerio Volpe năm 2013, hợp kim Cu – Zn – Al.

Trong công trình này, sự bắt đầu của vết nứt chính và sự lan truyền của nó trong một thử nghiệm kéo được phân tích để đánh giá đường đi của vết nứt và ứng xử của nó tương ứng với các giá trị biến dạng thấp và cao.[8] * Kết luận: Sau khi đã tham khảo các tài liệu liên quan cho thấy chưa có tài liệu nào nói rõ về sự phát triển vết nứt trong tấm bimetal Al/Cu. Vì vậy ở đây tôi xin nghiên cứu vấn đề này để bổ sung thêm cho các công trình nghiên cứu. Giúp cho các nghiên cứu sau này được dễ dàng hơn. Các nghiên cứu trong nước Hiện nay trong nước nghiên cứu về tấm Bimetal Al/Cu rất ít.

Vì còn hạn chế công nghệ và thiết bị để tiến hành nghiên cứu. Vật liệu này được nước ta sử dụng rất nhiều trong ngành năng lượng điện nhưng đa số là chúng ta mua từ nước ngoài về. Ở Việt Nam trong nhiều năm gần đây cũng đã có nhiều đề tài, công trình nghiên cứu về vật liệu bimetal bằng phương pháp hàn ma sát khuấy. * Cụ thể như: “ Sự phát triển của vết nứt trong mối hàn ma sát hai siêu hợp kim M240 và INC78 trong điều kiện mỏi - dão ( Fatigue - Creep Test ) ” của TS.

Trần Hưng Trà - Đại học Nha Trang năm 2007. Các mẫu thí nghiệm được tiến hành trong điều kiện tải biến dạng, ở nhiệt độ 6500C, và thời gian dão trong mỗi chu kỳ (hold time) là 10 phút. Trong bài báo này, sự khởi tạo và phát triển vết nứt trong điều kiện thí nghiệm mỏi - dão được quan tâm. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng mẫu thí nghiệm bị đứt bên phía INC718.

Vết nứt phát sinh và truyền đi phần lớn là từ bên trong mẫu thí nghiệm. Bề mặt vết đứt thể hiện rõ vết nứt lan truyền hầu hết theo biên giữa các hạt (intergranular mode), một kiểu lan truyền vết nứt phổ biến dưới điều kiện thí nghiệm dão.[1] “ Nghiên cứu chế tạo và khảo sát độ bền của mối hàn ma sát khuấy hợp kim nhôm A5083 ” của TS. Trần Hưng Trà, Dương Đình Hảo, Nguyễn Bích Ngọc, Phí Công Thuyên năm 2015, đã chế tạo thành công mối hàn hợp kim nhôm A5083. Ảnh hưởng của tốc độ quay và tốc độ tịnh tiến v của chốt hàn đến độ bền mối hàn đã được khảo sát và phân tích cụ thể.

Độ bền của mối hàn đạt 86% so với vật liệu nền.5 vòng/mm có độ bền cao nhất.[9] “ Ứng dụng công nghệ hàn ma sát khuấy cho các kết cấu dạng tấm bằng hợp kim nhôm biến dạng ” của TS. Lưu Phương Minh - Trường Đại học Bách Khoa TP.