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

Nghiên cứu sự phát triển của vết nứt trong tấm bimetal Al-Cu, cung cấp cái nhìn sâu sắc về tính chất và ứng dụng trong công nghiệp.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Hải Quan
• Người hướng dẫn: TS. Phan Thanh Nhàn – Khoa Cơ Khí Máy - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: 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: 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 tiển 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 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 lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp vật liệu. Tấm bimetal Al/Cu được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như linh kiện điện, ô tô và nhiều lĩnh vực khác. Việc hiểu rõ về sự phát triển của vết nứt trong tấm bimetal này không chỉ giúp cải thiện độ bền của sản phẩm mà còn tối ưu hóa quy trình sản xuất. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển vết nứt và các phương pháp kiểm tra, đánh giá độ bền của mối hàn.

1.1. Ứng dụng của tấm bimetal Al Cu trong công nghiệp

Tấm bimetal Al/Cu được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như sản xuất linh kiện điện, ô tô và thiết bị công nghiệp. Với tính năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, tấm bimetal này giúp tiết kiệm nguyên liệu và giảm trọng lượng sản phẩm. Các ứng dụng cụ thể bao gồm ống lót, vòng bi và các linh kiện điện tử.

1.2. Tính chất cơ học của tấm bimetal Al Cu

Tính chất cơ học của tấm bimetal Al/Cu rất quan trọng trong việc xác định độ bền và khả năng chịu tải của sản phẩm. Các yếu tố như độ dẻo, độ bền kéo và khả năng chống ăn mòn cần được khảo sát kỹ lưỡng để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu vết nứt tấm bimetal Al Cu

Sự phát triển vết nứt trong tấm bimetal Al/Cu là một thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu và kỹ sư. Các vấn đề như sự không đồng nhất trong cấu trúc vật liệu, sự hình thành vết nứt do ứng suất và nhiệt độ là những yếu tố cần được xem xét. Việc hiểu rõ các thách thức này sẽ giúp cải thiện quy trình sản xuất và tăng cường độ bền của sản phẩm.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển vết nứt

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến sự phát triển vết nứt trong tấm bimetal Al/Cu, bao gồm ứng suất, nhiệt độ và cấu trúc vi mô. Việc khảo sát các yếu tố này sẽ giúp xác định nguyên nhân gây ra vết nứt và tìm ra giải pháp khắc phục.

2.2. Tác động của nhiệt độ đến sự phát triển vết nứt

Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng trong quá trình hàn và có thể ảnh hưởng đến sự phát triển vết nứt. Nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ cao có thể làm tăng khả năng hình thành vết nứt, do đó cần phải kiểm soát nhiệt độ trong quá trình hàn để giảm thiểu rủi ro.

III. Phương pháp nghiên cứu sự phát triển vết nứt trong tấm bimetal Al Cu

Để nghiên cứu sự phát triển vết nứt trong tấm bimetal Al/Cu, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm thí nghiệm kéo, thí nghiệm uốn và phân tích cấu trúc vi mô. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng.

3.1. Thí nghiệm kéo và uốn trong nghiên cứu

Thí nghiệm kéo và uốn là hai phương pháp phổ biến để đánh giá độ bền của tấm bimetal Al/Cu. Các thí nghiệm này giúp xác định khả năng chịu tải và sự phát triển của vết nứt dưới tác động của lực. Kết quả từ các thí nghiệm này sẽ cung cấp thông tin quý giá cho việc cải thiện quy trình sản xuất.

3.2. Phân tích cấu trúc vi mô của tấm bimetal

Phân tích cấu trúc vi mô là một phần quan trọng trong nghiên cứu sự phát triển vết nứt. Kỹ thuật như quét điện tử và phân tích tán xạ ngược giúp xác định cấu trúc và tính chất của vùng tiếp giáp giữa hai vật liệu. Điều này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành vết nứt.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu về sự phát triển vết nứt trong tấm bimetal Al/Cu đã chỉ ra rằng việc kiểm soát các yếu tố như nhiệt độ và ứng suất là rất quan trọng để giảm thiểu sự hình thành vết nứt. Các ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này bao gồm cải thiện quy trình sản xuất và tăng cường độ bền của sản phẩm. Nghiên cứu cũng mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp vật liệu.

4.1. Ứng dụng kết quả nghiên cứu trong sản xuất

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong quy trình sản xuất tấm bimetal Al/Cu, giúp cải thiện độ bền và giảm thiểu rủi ro phát sinh vết nứt. Việc áp dụng các phương pháp kiểm soát nhiệt độ và ứng suất sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm.

4.2. Tương lai của nghiên cứu tấm bimetal Al Cu

Nghiên cứu về tấm bimetal Al/Cu vẫn còn nhiều tiềm năng phát triển. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện các phương pháp hàn và phát triển các vật liệu mới để nâng cao hiệu suất và độ bền của sản phẩm.

V. Kết luận và hướng nghiên cứu tương lai

Nghiên cứu sự phát triển vết nứt trong tấm bimetal Al/Cu đã chỉ ra rằng việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển vết nứt là rất quan trọng. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp cải thiện quy trình sản xuất mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp vật liệu. Hướng nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các vật liệu mới và cải thiện các phương pháp hàn.

5.1. Hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực bimetal

Hướng nghiên cứu mới có thể bao gồm việc phát triển các vật liệu bimetal mới với tính năng vượt trội hơn. Việc nghiên cứu các hợp kim mới có thể giúp cải thiện độ bền và khả năng chống ăn mòn của sản phẩm.

5.2. Tích hợp công nghệ mới vào sản xuất

Tích hợp công nghệ mới vào quy trình sản xuất tấm bimetal Al/Cu có thể giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí. Việc áp dụng công nghệ tự động hóa và các phương pháp sản xuất tiên tiến sẽ là một bước tiến lớn trong ngành công nghiệp vật liệu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu ứng dụng vật liệu composite lưỡng kim bimetal nhôm - đồng (Al/Cu) trong các ngành công nghiệp kỹ thuật cao đang tăng trưởng mạnh mẽ, mang lại giải pháp thay thế tối ưu giúp tiết kiệm từ 40% đến 60% chi phí nguyên liệu đồng quý giá và cắt giảm hơn 50% trọng lượng kết cấu trong các thiết bị truyền tải điện, công nghiệp ô tô và hệ thống tản nhiệt. Tuy nhiên, việc liên kết hai kim loại có cơ lý tính và nhiệt độ nóng chảy chênh lệch lớn (nhôm A1050 nóng chảy ở 650°C, đồng C1100 nóng chảy ở 1083°C) là một thách thức kỹ thuật phức tạp. Công nghệ hàn ma sát khuấy (Friction Stir Welding - FSW) ra đời như một bước đột phá ở trạng thái rắn, song độ ổn định liên kết và nguy cơ rạn nứt tại vùng tiếp giáp vẫn chưa được định lượng đầy đủ.

Luận văn tập trung nghiên cứu sự hình thành, cơ chế lan truyền và tốc độ phát triển của vết nứt trong tấm bimetal Al/Cu dưới tác dụng của các trường lực cơ học khác nhau. Đề tài được thực hiện trên các tấm phôi kích thước tiêu chuẩn 300x100x5 mm tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh phối hợp cùng Đại học Nha Trang trong năm 2021. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về năng lượng phá hủy và khả năng chịu lực uốn từ 950 N đến 2600 N, đóng góp nền tảng quan trọng giúp các kỹ sư kiểm soát rủi ro nứt gãy và nâng cao tuổi thọ của các linh kiện lưỡng kim trong thực tế vận hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cơ học phá hủy đàn hồi tuyến tính (Linear Elastic Fracture Mechanics - LEFM) theo mô hình cân bằng năng lượng Griffith-Irwin kết hợp cùng lý thuyết biến dạng dẻo và kết tinh lại động của kim loại màu trong quá trình hàn ma sát khuấy. Khung phân tích tập trung vào các khái niệm then chốt gồm: vật liệu lưỡng kim bimetal Al1050/Cu C1100, vùng khuấy (Stir Zone - SZ), vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (Thermomechanically Affected Zone - TMAZ), vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat Affected Zone - HAZ), bề mặt tiếp giáp (Interface), đường cong trở lực nứt (R-curve) và cơ chế lan truyền vết nứt mở rộng Kiểu I (Mode I). Cơ học phá hủy chỉ ra rằng sự lan truyền vết nứt gắn liền với sự tích lũy ứng suất đỉnh và giải phóng năng lượng biến dạng đàn hồi tại đầu vết nứt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ thực nghiệm chế tạo và kiểm thử phá hủy trên tấm bimetal Al/Cu hoàn chỉnh. Tổng cỡ mẫu nghiên cứu gồm 12 mẫu thí nghiệm được gia công chính xác bằng máy cắt dây CNC với dung sai cho phép 0.01 mm, bao gồm: 2 mẫu soi cấu trúc tế vi, 9 mẫu thử nghiệm uốn khảo sát vết nứt theo tiêu chuẩn ASTM E1290 / ASTM E290 và 1 mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn ASTM E8. Phương pháp chọn mẫu theo tiêu chuẩn quốc tế giúp loại trừ sai số hình học và đảm bảo tính lặp lại của dữ liệu thực nghiệm.

Để phân tích cấu trúc vi mô, các mẫu được mài bóng trên máy MA-PP-200M với cấp giấy nhám mịn từ 600 đến 7000, sau đó tẩm thực bằng dung dịch axit chuyên dụng (2ml HF 48%, 3ml HCl, 5ml HNO3 và 190ml H2O) và quan sát qua kính hiển vi quang học Olympus-CK40M có độ phóng đại từ 100x đến 2400x tích hợp camera cảm biến 1000x. Để đo lường động học phát triển vết nứt, phương pháp uốn 3 điểm được thực hiện trên máy kéo nén vạn năng Instron-3366 với dải lực tối đa 10 kN, độ chính xác 0.5%, vận tốc gia tải 0.5 mm/phút và ghi nhận dữ liệu liên tục qua phần mềm Bluehill Lite. Toàn bộ chuỗi thí nghiệm được hoàn thành đồng bộ trong năm 2021.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thực nghiệm cho thấy sự phân hóa rõ rệt về cấu trúc tế vi và ứng xử cơ học giữa các phân vùng trên tấm bimetal Al/Cu:

• Vi cấu trúc vùng liên kết biến đổi phức tạp: Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt (TMAZ) ghi nhận các hạt bị biến dạng mạnh với kích thước tinh thể mịn từ 26 đến 37 µm. Tại vùng khuấy (SZ), sự khuếch tán cơ nhiệt mãnh liệt tạo nên các dải vân xen kẽ với kích thước hạt lớn từ 70 đến 80 µm. Một số vị trí xuất hiện khuyết tật lỗ rỗng đường hầm (tunnel defects) với kích thước hạt đồng phân bố không đều từ 42 đến 50 µm, trong khi mẫu được tối ưu hóa đạt độ mịn hạt đồng nhất từ 20 đến 25 µm.
• Khả năng chịu tải vượt trội của vật liệu nền: Thử nghiệm uốn trên vật liệu nền đồng C1100 đạt lực uốn cực đại 2600 N với độ võng 9 mm sau 15 phút gia tải, đầu vết nứt có dạng tù do vùng biến dạng dẻo lớn. Nền nhôm A1050 đạt lực uốn tối đa 1250 N cùng độ võng 9 mm sau 15 phút, đầu vết nứt nhọn và phát triển nhanh hơn đồng do vùng dẻo hẹp.
• Bề mặt tiếp giáp (Interface) là điểm xung yếu nhất: Khi tạo vết nứt mồi ngay tại interface (Mẫu 1), lực chịu uốn sụt giảm nghiêm trọng xuống chỉ còn 950 N. Mẫu bị đứt gãy giòn đột ngột tại độ võng 1.3 mm với tổng độ giãn dài khi phá hủy chỉ đạt 3.4 mm (giảm 62.2% so với mức 9 mm của kim loại nền), thời gian phá hủy rút ngắn xuống 8 phút (nhanh gần gấp đôi so với nền 15 phút).
• Vết nứt lệch tâm tự chuyển hướng về interface: Khi tạo vết nứt mồi lệch sang phía đồng 1 mm (Mẫu 2), vết nứt không lan truyền trong nền đồng mà bẻ góc đi thẳng vào bề mặt tiếp giáp Al/Cu chỉ sau 3 phút tác dụng lực, gây sụt giảm tải trọng đột ngột ở các mốc biến dạng 0.9 mm (lực 1550 N) và 1.31 mm (lực 800 N) với tổng độ dãn uốn chỉ đạt 3.8 mm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi khiến vết nứt lan truyền ưu tiên và không phân nhánh dọc theo bề mặt tiếp giáp Al/Cu xuất phát từ sự tích tụ ứng suất dư lớn sau quá trình hàn và sự hình thành các pha hợp chất liên kim giòn tại interface. Do năng lượng phá hủy bề mặt tại khu vực liên kết thấp hơn nhiều so với năng lượng biến dạng dẻo của kim loại nền, vết nứt dễ dàng phát triển nhanh chóng khi chịu tải trọng uốn Kiểu I.

Kết quả này hoàn toàn tương thích với các công bố quốc tế của Paul Kah và cộng sự về sự hình thành hợp chất liên kim giòn làm giảm độ dai phá hủy trong mối hàn FSW Al/Cu. Đồng thời, nghiên cứu bổ sung dữ liệu thực nghiệm sâu sắc cho các công trình của TS. Trần Hưng Trà: trong khi thử nghiệm kéo tĩnh vuông góc theo tiêu chuẩn ASTM E8 cho thấy liên kết bám dính tốt (mẫu kéo chỉ bị đứt bên phía nhôm ở biến dạng 2.5 mm với dạng nứt zigzag), thử nghiệm uốn dọc mối hàn lại bộc lộ rõ tính chất gãy giòn cục bộ tại interface.

Các phát hiện này được trình bày trực quan thông qua biểu đồ quan hệ Lực - Độ võng uốn (Force - Displacement) phản ánh các bước sụt giảm lực tức thời, kết hợp cùng bảng thống kê đối sánh kích thước hạt tế vi và cơ tính cơ học giữa 4 phân vùng: kim loại cơ bản, HAZ, TMAZ và SZ.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao chất lượng mối liên kết và kiểm soát sự phát triển vết nứt trong tấm bimetal Al/Cu chế tạo bằng hàn FSW, bốn giải pháp cụ thể được đề xuất:

• Tối ưu hóa bộ thông số công nghệ hàn FSW: Thiết lập tốc độ quay trục chính từ 800 đến 1200 vòng/phút kết hợp tốc độ tịnh tiến hàn từ 30 đến 60 mm/phút và kiểm soát lực ép trục Z. Mục tiêu giảm tỷ lệ khuyết tật rỗng đường hầm xuống dưới 2%, nâng độ bền uốn của interface đạt trên 80% so với kim loại nền nhôm. Chủ thể thực hiện: Kỹ sư công nghệ hàn và chuyên viên vận hành máy CNC; Thời gian thực hiện: Quý 1 đến Quý 2.
• Cải tiến hình học dụng cụ khuấy: Thiết kế đầu chốt khuấy dạng nón có ren xoắn kết hợp vai hàn lòng chảo lõm để tăng cường mức độ đảo trộn vật liệu và thúc đẩy khuếch tán tế vi đồng đều giữa hai pha kim loại, hạn chế tình trạng vón cục hạt 70-80 µm. Chủ thể thực hiện: Bộ phận R&D tại các viện nghiên cứu và nhà máy chế tạo cơ khí; Thời gian thực hiện: Quý 2 đến Quý 3.
• Tiêu chuẩn hóa quy trình kiểm tra không phá hủy (NDT): Áp dụng phương pháp siêu âm mảng pha (Phased Array Ultrasonic) kết hợp kiểm tra camera quang học phóng đại 1000x để sàng lọc các vi vết nứt dưới 0.1 mm tại interface trước khi đưa sản phẩm vào lắp ráp công nghiệp. Chủ thể thực hiện: Bộ phận quản lý chất lượng (QA/QC); Thời gian thực hiện: Quý 3 đến Quý 4.
• Áp dụng nhiệt luyện ủ sau hàn (PWHT): Thực hiện chu trình ủ khử ứng suất dư ở dải nhiệt độ từ 200°C đến 250°C trong thời gian 30 đến 60 phút nhằm triệt tiêu ứng suất tập trung tại bề mặt tiếp giáp, tăng độ dai phá hủy thêm ít nhất 25%. Chủ thể thực hiện: Phòng kỹ thuật luyện kim và xử lý bề mặt; Thời gian thực hiện: Triển khai liên tục trong 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư thiết kế và chế tạo cơ điện: Nắm vững các thông số giới hạn tải trọng uốn (950 N đến 2600 N) và đặc tính biến dạng để thiết kế chính xác thanh cái dẫn điện (busbar), cầu dao, kẹp tiếp xúc chuyển tiếp contactor và đầu cốt nối bimetal Al/Cu.
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật Vật liệu: Tiếp cận khung phương pháp luận thực nghiệm chuẩn theo tiêu chuẩn ASTM E1290, ASTM E290 và ASTM E8, làm tài liệu tham khảo nền tảng cho các nghiên cứu chuyên sâu về cơ học phá hủy và công nghệ hàn dị chất FSW.
• Nhà quản lý kỹ thuật và R&D trong ngành công nghiệp ô tô điện (EV) và năng lượng tái tạo: Đánh giá độ tin cậy kết cấu khi chuyển đổi các chi tiết đồng nguyên chất sang tấm bimetal Al/Cu, giúp tiết kiệm 40% chi phí vật tư và giảm 35% khối lượng cụm pin và bộ tản nhiệt.
• Chuyên gia giám định và kiểm soát chất lượng công nghiệp: Sử dụng bộ dữ liệu vi cấu trúc và hình thái học bề mặt nứt để chẩn đoán chính xác nguyên nhân gây hỏng hóc, nứt gãy cơ học trong các dây chuyền sản xuất thiết bị điện.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao công nghệ hàn ma sát khuấy (FSW) được ưu tiên để chế tạo tấm bimetal Al/Cu thay thế phương pháp hàn nóng chảy? Hàn ma sát khuấy diễn ra ở trạng thái rắn dưới nhiệt độ nóng chảy của nhôm (650°C) và đồng (1083°C), loại bỏ hoàn toàn các khuyết tật rỗ khí, nứt nóng và biến dạng nhiệt lớn. Phương pháp này hạn chế tối đa việc tạo thành các lớp hợp chất liên kim giòn dày, bảo toàn độ dẫn điện trên 95% IACS cho liên kết bimetal.

• Vì sao vết nứt phát triển nhanh nhất dọc theo bề mặt tiếp giáp (interface) giữa nhôm và đồng? Thực nghiệm uốn 3 điểm theo ASTM E1290 chứng minh năng lượng phá hủy tại interface rất thấp do tích tụ ứng suất dư và liên kết dị chất. Khi có vết nứt mồi tại interface, mẫu gãy giòn chỉ sau 8 phút với độ võng 3.4 mm, nhanh gần gấp đôi so với thời gian chịu tải 15 phút của kim loại nền.

• Khi tạo vết nứt lệch 1 mm về phía đồng, tại sao vết nứt lại chuyển hướng chạy vào interface? Đồng C1100 có độ dẻo cao và tạo vùng biến dạng dẻo lớn ở đỉnh vết nứt giúp triệt tiêu ứng suất cục bộ. Do đó, trường ứng suất bị chuyển hướng về vùng có độ bền liên kết yếu nhất là interface, khiến vết nứt bẻ góc sau 3 phút và gây sụt giảm tải trọng đột ngột ở mức 1550 N và 800 N.

• Kích thước hạt vi mô ảnh hưởng như thế nào đến độ bền mối hàn bimetal Al/Cu? Kích thước hạt tế vi càng mịn giúp tăng mật độ biên hạt, cản trở sự trượt và nâng cao độ bền liên kết. Vùng có hạt mịn 20 đến 25 µm thể hiện tính bền cao, trong khi các vùng có hạt thô 70 đến 80 µm hoặc tồn tại khuyết tật rỗng 42 đến 50 µm là nơi tập trung ứng suất và khởi sinh vết nứt sớm.

• Thử nghiệm uốn 3 điểm theo tiêu chuẩn ASTM E1290 được tiến hành với các thông số nào? Thử nghiệm uốn 3 điểm được thực hiện trên máy kéo nén vạn năng Instron-3366 với tốc độ gia tải ổn định 0.5 mm/phút, thang đo lực tối đa 10 kN và độ chính xác 0.5%. Phần mềm Bluehill Lite ghi nhận tự động diễn biến lực uốn và độ võng, giúp xác định chính xác cơ chế nứt mở rộng Kiểu I (Mode I).

Kết luận

• Chế tạo thành công tấm bimetal lưỡng kim Al1050/Cu C1100 kích thước 300x100x5 mm bằng công nghệ hàn ma sát khuấy (FSW) đảm bảo độ liên kết cơ học vững chắc.
• Khảo sát và định lượng chi tiết vi cấu trúc 4 phân vùng hàn dưới kính hiển vi Olympus-CK40M với độ phóng đại lên tới 2400x, xác định dải kích thước hạt từ 20 đến 80 µm.
• Chứng minh bằng thực nghiệm uốn 3 điểm theo ASTM E1290 rằng bề mặt interface là khu vực nhạy cảm nứt nhất, có độ giãn dài uốn suy giảm 62.2% so với kim loại cơ bản.
• Phát hiện quy luật chuyển hướng của vết nứt lệch tâm 1 mm tự hội tụ về bề mặt tiếp giáp do ảnh hưởng kết hợp của trường ứng suất dư và sự chênh lệch độ dẻo giữa hai pha kim loại.
• Đóng góp hệ thống dữ liệu thực nghiệm chuẩn mực phục vụ tối ưu hóa quy trình công nghệ chế tạo linh kiện bimetal Al/Cu trong ngành điện và chế tạo máy.

Về lộ trình phát triển tiếp theo, các nghiên cứu trong 12 đến 24 tháng tới cần tập trung vào việc mô phỏng số 3D (phương pháp phần tử hữu hạn - FEM) để dự báo chính xác trường ứng suất dư và nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của nhiệt luyện sau hàn. Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện và viện nghiên cứu vật liệu nên chủ động liên kết, ứng dụng tiêu chuẩn ASTM E1290 vào quy trình kiểm soát chất lượng nhằm nâng cao độ an toàn và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế cho các sản phẩm lưỡng kim tiên tiến.

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 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 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 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 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.