Nghiên cứu khoa học vật liệu: Phần 2

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:242

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nối tiếp nội dung phần 1, phần 2 cuốn "Nghiên cứu khoa học vật liệu" trình bày các nội dung: Kim loại và hợp kim màu, vật liệu vô cơ, vật liệu bột, vật liệu hữu cơ, vật liệu kết hợp, xu thế phát triển, lựa chọn và sử dụng vật liệu. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu khoa học vật liệu: Phần 2

VẬT LIỆU HỌC_____________________ 379 Chương 8 KIM LOỌI vn HỢP KIM Mi^u Trong chương 7 đă đề cập đến các hỢp kini trén cơ sỏ sắt. N h ìíng v ậ t liệu này cỏ nlìiểii ưu điểm như tín h công nghệ tốt, giá thành rẻ. có th ể th ay đổi cơ tín h trong một khoảng khá rộng b ằng cách th ay đổi phương pháp chế tạo, áp dụng công nghệ nhiệt liiyện và hợp kiin hóa. N hò vậy chúng được ứng dụng khá rộng rài. Tuy nhiên trong inột sô' lĩn h vực công nghiệp, sử dụng gang, thép tỏ ra kém hiệu quả, và vai trò các kim loại m àu trở n ên quan trọng, thậm chí không th ể th ay thế. Theo p hân loại h iện h àn h th ì kim loại m àu bao gồm tấ t cả các kim loại và hỢp kini không trên cơ sở sắt. N hư vậ y chủng loại các kim loại m àu rất đa dạng. Phạm vi sử dụng chúng rất khác nhau. Trong khuôn khổ cho phép của chương này chỉ đề cập đèn các kim loại và hợp kim m àu chủ yêu. được ứng dụng rộng rãi và đóng vai trò qiian trọng trong các lĩiih vực kinh tế và đòi Rống Iihit đồng, nhôm , m agiê. titan. m ột sô kim loại dễ chảy và các hỢp kim trên cơ sở của chúng. P h ần cuôi chương trình bày các v ậ t liệu kim loại ứng dụng ở vù n g nh iệt độ cao. 8.1. ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG Đ ồng và hỢp kim của nó đưỢc con người phát hiện và sử dụng từ thòi cổ đại (thòi kỷ đồ đồng). Là m ột kim loại có những tính chất quý như độ dẻo cao. khả n ăn g chống ăn mòn tốt trong n h iều môi trường, đặc biệt là độ dẫn điện và dẫn nhiệt, rất cao, v ậ t liệu kim loại này được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng rất rộng răi. Theo tín h châ't và công dụng, các hỢp kim đồng được phân loại th àn h các nhóm , v í dụ, Iihóm các hỢp kim đúc và nhóm các hợp kim biến dạng, hoặc nhóm có th ể hóa bển b ằn g n h iệt lu yện và nhóin không có đặc điểm này. Tiiy vậy. cách phân loại th ông dụng hơn cả dựa vào thành phần hóa học. Theo cách này các hỢp kiiT íồ n g điíỢc chia thành hai nhóm chính: latôn g (các hợp kim Cu với Zii) và brông (các hỢp kim Cii vói Sr. hoặc vói m ột sô' n guyên tố k h á c )'” . T iêu ch u ẩn nhà Iiưóc V iệt N am . TCVN 19Õ9-7Õ. quy địiih ký hiệii các hợp kim đồng Iihií saii: (1) L h I ò h k c ò n ựọi là rtồiiiỉ r h a i i , br ôi i B - đỒTiỆr t h a i i h . https://tieulun.hopto.org
380_______________________________________ C h ư ơ n g 8. KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÁU - Đôi với latông: b ắt đầu b ằn g chữ L rồi lần lượt các ký hiệu Cu. Zn. sau đó là ký hiệu các n gu yên tô’ hớp kim n ếu có. Các con số đứng saii mỗi ký hiệii n gu yên tô chỉ hàm lượng tru n g bìiih th eo phần trám (trọng liíỢiig) tương ứng của nó. Ví dụ. ký hiệii L Cu Zn 4 0 Pb2 có n gh ĩa là latôn g chứa tru ng bình 40%Zn. 2 % Pb và phần còn lại (58%) là đồng. - ĐỔì vói brôiig: b ắ t đ ầu b ằn g chữ B tiếp theo là Cu rồi đến ký hiệu n gu yên tô hợp kim chính tạo ra brông đó. P h ầu CIIỐỈ là ký hiệu các n gu yên tô' hợp kim phụ. N guyên tắc chỉ hàm lượng tru n g bìiih theo phần trăm của các n gu yên tô có trong brông hoàn toàn tương tự n h ư trong ký h iệu latông. Ví dụ: ký h iệu B Cu S ii4 Zii4 Pb2,õ có Iighĩa là brôiig thiếc có tliàn li p hần hóa học trim g bình: 4%Sn. 4%Zn, 2,5% Pb v à p h ần còn lại (89,5%) là đồng. 8.1.1. ĐỒNG Đ ỏ Đ ồng đỏ là đổng n g u y ên chất, m àu đỏ. M ặc dù khối lượng riêng lớn (8,940 g/cin Iiliiíiig do có đưỢc các chỉ tiê u cơ lý hóa tính tương đối cao, n ên đồng đ\íỢc sử dụng khá phổ biên. Dưới đây khảo s á t các đặc điểm chính của đồng và ảnh hưỏng của m ột số tạp ch ất thường có trong nó. 8.1.1.1. Đặc điểm của đổng đỏ Đồng là kim loại rất dẻo v ì có cấu tạo tin h th ể kiểu lập phiíơiig tâm m ặt. Nliô đặc tính này ngưòi ta b iến d ạn g n óng và n guội đồng rất dễ dàng. Klii chịu biến dạng dẻo. đồng bị h óa b ền rất m ạnh. V í dụ: đồng đỏ. độ sạch 99,97% Cu, ở trạn g th á i ban đầu chưa b iến dạng có giối hạn bền kéo 220 M Pa, giói hạn đàn hồi 70 M Pa, sa u b iến d ạn g dẻo vói mức độ biến d ạng 60% các giá trị t\Wng ứng tăng lên 425 MPa và 37Õ MPa. Tính chất này đặt cơ sỏ cho một trong những phương pháp hóa bền đồng và hỢp kim của nó: biến dạng ngiiội. Trong triíòng hợp cần gia công cắt gọt th ì độ dẻo cao của đồng gây khó gẫy phoi lại là m ột nliiíỢc điểm . Trên thực tế, để cải th iện tín h gia công cắt. gọt của nó người ta thưòng sử dụng các n gu yên t ố hỢp kim th ích hỢp. Đồng nóng chảy ở 1083”C. Độ chảy loăn g của đồng nhỏ, vì vậy khả n ăn g điển đầy khuôn đúc kém . T ính h àn của đồng k há tôt. Có th ể áp dụng niọi kiểii hàn đôi với đồng. Klii h àm lượiig tạ p ch ất, đặc b iệt là oxy tăn g lên, tín h h àn của đồng giảm đi rõ rệt. Trong các môi trưòiig thường gặp; nưóc. nưốc biển, không k h í hoặc 'một số niôi tritòng hóa ch ất như kiềm , a x it hữu cơ, đồng ổn định chông ăn m òn rất tốt. Đ ồng nổi bật v ề tín h d ẫn đ iện và dẫu n h iệt cao. Trong dãy các kim loại. Iiếii so sả n h các chỉ tiêu n ày. đồng đứng thứ h ai sa u bạc. Đ ồng đỏ với độ sạch 99.9% Cu sau ủ có điện trở rất nhỏ. ở 2 0 “c b ằng 1.7241 n cm và độ dẫn n h iệt khá lóii, bằng 385 W /m .K 8.1.1.2. Ảnh hưởng của các tạp chất Phụ thuộc vào phương pháp và trùih độ công nghệ, ngưòi ta có th ể tạo ra đồng đỏ vối độ sạch khác nhau. Tạp ch ất trong đồng râ't đa dạng, cỏ th ể đưỢc phân th à n h ba nhóm chính như san: https://tieulun.hopto.org
VẬT LIỆU HỌC 381 - Các tạp ch ất hòa tan trong d\ing dịch rắỉi của đồng. N hóm này gây ản h hiíởng xấii đến độ dầu điện. Trên hìiih 8.1 cho thấy độ dẫn điện giảm nhan h khi hàm liíỢlig tạp châ't trong đồng tă n g lên. m 30 so 10 so so io 30 20 w ũ Hàm lu'Ợng B i , % Hàm lượng , % Hình 8.1. Ảnh hưỏng của tạp chất đến đô Hinh 8.2. Giản đổ pha hé Cu-Bi dẫn điên của đồng - Các tạp ch ất h ầu như không tan trong dung dịch rắn của đồng và tạo ra tổ chức cùng tinh dễ chảy (Bi. Pb, ...). Các tạp chất này làm giảm cơ tín h, đặc b iệt là đ" cẻo. láiri xấu khả n ăn g gia công ap lực. nhất là khi can, kéo ở n h iệt độ cao. Từ giảii đồ pha của hệ C ii-B i (hình 8.2) ta thấy thàiih phầii ứng vối điểm cùng, tinh gần trùng với Bi n gu yên ch ất (99.8% Bi). Klii kết. tinh, tổ chức cùng tin h vói n liiêt độ chảy thấp (2 7 0 “C) và rá't giòn này sẽ tạo ra sau cùng và phân bô' th àn h lóp m ỏng theo biên giới h ạt. Vì v ậ y nó chínli là nguyên nhân gáy vỏ phôi khi cán nóng, lútt giòn khi biến d ạng nguội. - C ầ c tạp ch ấ t có thể titơng tnr với đồng tao 10 10 1 " 1 hợp ch ấ t hóa học. Trong nhóm n
382 C h ư ơ n g 8. KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU trở uên giòn. H iện tưỢng n ày còn gọi là b ện h giòn hydro. T rên thự c tế. người ta tránh ủ đồng có tạp ch ất oxy trong các m ôi trư ồn g có lẫ n hydro hoặc trã iili sử d ụng uó ỏ n h iệt độ trên 4 0 0 “c . N gay trong các trư òng hỢp có liên q u an đên h à ii (hàn vay hoặc hàn nôi), không cho phép sử dụiig đồng có lẫ n oxy. T rong công n g h iệp , nhò plníơng pháp tin h lu yện b ằn g n ấu chảy đồng cực âm tron g k h í q u y ển bảo vệ, ngiíòi ta sản x u ấ t ra đồng không oxy (OFHC. O xygeii F ree H igh C onductivit.y) vói liàni lượng oxy rất nhỏ (ít hơn 0 .0 0 3 %). có độ dẻo cao, độ dẫn đ iện lớn và h oàn toàn không nhạy cảm vói giòn hydro. D ựa trên ái lực m ạnh của p vối o , n gư òi ta đã ch ủ động cho th êm m ột luợng p hợp lý vào đồng để chuyển toàn bộ lượng oxy có m ặ t v ề d ạn g P 20 < N ếu híỢiig p dư . không quá 0,000% . độ dẫn điện của đồng h ầ u n h ư k h ôn g b ị ả n h hiíởng. K lii vượt quá 0,04% photpho dư làm giảm m ạnh độ d ần đ iện của đồng. Tuy vậy, trong trường hỢp này đồng lạ i có k h ả n ă n g ch ôn g h ấp phụ oxy khi gia công biến dạng nóng hoặc khi hàn. Đ ồng có đặc điểnii n à y gọi là đồng đã khử oxy. Nó được BIÍ dụng rất tổt để ch ế tạo các ốiig dẫn hoặc bộ trao đổi n h iệt. B ả n g 8.1 trình bày ký h iệu và công dụng m ột s ố đồng đỏ. Bảng 8.1. Ký hiệu, công dụng một số đồng đỏ (TCVN 1659-75) Số Mác Hàm lượng, % ứng dụng TT Cu Bi Pb 0 p Tổng 1 Cu99,99 99,99 0.0005 0,001 - 0.001 0,01 Lảm dây dẫn điện 2 CU99.97 99,97 0,001 0,004 0,002 G,03 Làm dây dẫn hoăc chế tao hợp kim chát lượng cao 3 Cu99,95 99,95 0,001 0,004 0,02 0,002 0.5 Như Cu 99,97 4 CU99.90 99,90 0,001 0005 0,05 0,1 Làm dây dẫn điện chế tạo brông không Sn 5 Cu99,90 99,90 0,001 0,005 0,01 0.04 0.1 Như Cu 99.90 8.1.2. LATỎ N G L atông là hỢp kim đồng, trong đó kẽm là n g u y ên tô hợp k im chín li. v ề cơ bảii tô chức và tín h ch ất của latôn g được q u yết đ ịn h bởi h à m híỢng Zn. 8.1.2.1. Thành phẩn hóa học, tổ chức và tính chất Tổ chức của latôn g vói h àm lượng Zn k h ác n h a u ồ trạ n g th á i ủ có th ể xác định đưỢc trên giản đồ pha hệ Cii-Zn (lùnh 8.4). K lii tă n g d ầ n h à m lượng kẽin, sẽ lần '’ĩỢt xuất hiện các pha khác n h a u vối tín h c h ấ t r ấ t khác nha\i. Pha a là dung dịch rắn th ay th ế của Zn tron g Cu. M ạiig tin h th ể củ a pha này thuộc kiểu lập phương tâm m ặt. vì t h ế độ dẻo của nó k h á cao. ó 4Õ4"C. v ìiiig tổn https://tieulun.hopto.org
VẬT LIỆU HỌC 383 tại của pha m ỏ rộn g đ ến 39% Zn. 1100 Do cơ chê h óa b ển d u n g dịch rắn. giối h ạn b ến và giói h ạ n ch ả y của 1000 - pha a tă n g th e o h àm lượng Zn. Kiiả u ă iig h óa b ển b iến d ạ n g của pha a r ấ t lớn (hìiih 8.5). Kliác vói thôiig tliiíòiig khi độ bền tăng, độ í§- dẻo sẽ giảm, tro n g trường hỢp này. tă iig h àm liíỢng Zii k h ô n g ch ỉ là m tăiig giỏi h ạ n bểii m à còn làm tá n g độ dẻo. Độ dẻo đ ạ t giá trị cực đại tại k h o ả n g 30-32% Zn. sa u đó giảm đi r ấ t n h a n h . Pha p điíỢc h ìn h th à n h ở n ồn g độ kẽm cao hơii. Đ â y là hỢp c h ấ t điện tử ứ ng với côn g tliíĩc CiiZn có Hình 8.4. Giản đố pha cản bằng hệ Cu - Zn kiểu in ạ u g lập phương tâ m khối. Thâ'p hơn 460°c. p h a p k h ôn g trậ t tự chuyển sang trật tiĩ hóa và điíỢc ký hiệu là P'. Trong khi pha p k h ả dẻo, có th ể cliỊu b iến dạug dẻo dễ dàng, th ì pha P' lại khá giòn, khả n ă n g ch ịu b iến d ạ n g rấ t kém . (0 iO 30 ^ Hàm lư n Zn,% ựg b) Hình 8.5, Sư phụ thuôc cơ tính (khi kéo) vào hàm lượng Zn ở các trạng thái biến cứng khác nhau (1/4, 1/2, 4/4) và trang thái R : a) giới han đàn hồi; b) giới han bển kéo, c) đõ giãn dài Trên thực tế các latông.chỉ chứa một híỢug kẽni giới hạn, thưòiig khôiig vitợt qua 45%. T h eo đặc đ iểm tổ chức ở n h iệ t độ thường, người ta phân biệt, hai loại latông; latô n g a (hoặc la tô n g m ột pha) có h àm lượng kẽm thay đổi từ Õ-3Õ% và latôiig a-P' (hoặc la tô n g h a i ph a) vói h àm lượng Zn lớn hơn 35%. Trên hình 8.6 trình bày tổ chửc t ế vi của la tô n g m ột p h a (C u-30% Zii) và latông hai pha (C \1 - 40% Zn). Từ h ìn h 8 .Õ ta th ấ y cơ tín h củ a la tô n g một pha tàng khi hàm lượng Zn tăng, ớ k lioản g 30% Zn h ầ u h ế t các ch ỉ tiê u cơ tính như độ bền. độ dẻo đều đạt giá trị cực đai. https://tieulun.hopto.org
384 C h ư ơ n g 8. KIM LOẠI VÀ HỢP KIM W1ÀU L atông m ột pha có m àu sắc đẹp. dẻo. dễ biến dạug, h àn, niạ tốt, giã th àn h thấp hơii đồng đỏ, vì vậy trở n ên phổ biến n h ấ t trong sô" các hỢp kini đồng. T; í H ìn h 8 .6 . T ổ chức tế vi c ủ a latỏng m ỏt pha (a ) v à latông h a i p h a (b ) So với latôn g m ột pha th ì latôn g hai pha cứng hơn và kém dẻo hơn. Chính do pha khá giòn nên khả n ân g gia công biến d ạng nguội của latôn g hai pha rất kém . T uy vậy ở n h iệt độ cao có thể dề d àng biến o) dạng latôiig n ày vì so vối P', pha p dẻo Hlnh 8.7. Hièh tương nứt (a) và thoát kẽm (b) trên các mẫu latỏng hdn nhiều. chứa 30% Zn Klii tiếp xúc vối inôi trường ăn m òn (ví dụ, hỗn hỢp kh í chứa NH.Ị. diiiig dịch điện ly, ...). latôiig vỏi hàm lượng kẽm tương đổi lớn (trên 20 %) thường bị nứt hoặc th oát kẽm (hình 8.7). N hằm khắc phục hiện tượiig nứ t latôiig, ngưòi ta tiến h àn h ủ láu ở 2 7 0 -3 0 0 ‘‘C để khử triệt để ứng su ấ t dư - n gu yên n hân gây ăn mòn nứt khi có niôi triíòng hoạt tính. Đổi với h iện tượiig th oát kẽm . phướng pháp hiệii quả n h ấ t để ngan cản nó là hợp kim hóa. Ví dụ, khi điía vào latôn g 0,04% As. có th ể làm cho hiện tượng (liệii hóa này hoàn toàn không x ả y ra. 8.1.2.2. Ảnh hưỏng của nguyên tô' hợp kim Để cải thiện hoặc tạo thêm tín h chất mới cho latông Iigxíòi ta thường tiến hành hỢp kim hóa. Một sô' n gu yên tô' hợp kim th ôn g clụiig đưa vào latôiig là Pb. Zn. Al. Mn. Fe và Ni. https://tieulun.hopto.org
VẬT Liệu HỌC 385 C hì vói h àin lượng từ 0.4 - 3% có tác dụiig cải thiện tín h cắt gọt nhờ làm dễ gẫy phoi và giảm nia sát. Cái latôiig dề cắt chứa chì ctược áp dụng rộng rãi để chê tạo nliững chi tiết k hông qua biến dạiig trong công nghiệp chẻ tạo đồng hồ. Thiếc đưa vào latôn g vói hàm kíỢiig nhỏ (khoảng 1%) nhằm n ân g cao tính chòng ăn inòii trong nước biển. Latông vói thành phầii 29% Zn - 1% S n - 70% Cu (còn gọi là latóiig hải quàn) rất thông dụng trong ngành đóng tầu. N hôm hoàn toàn có th ể th ay thiếc làm tăng mạnh tín h chông ăn m òn và xói niòn trong lUíớc biển. N hôm , m an gan và s ắ t tlutòng được phối hỢp với nhau khi đưa vào latôiig nhằm tạo h ạ t nhỏ. tă n g cơ tín h và tà n g khả n ăn g chông ăn mòn. N ik eii cải th iện m ạnh tín h chông ăn m òn của latông. Nó khắc phục hiện UíỢng nứt và th oát kèni. tă n g cơ tính, đồiig thòi tăng khả năiig chịu gia công áp lực. Hợp kim đồng chứa 17-27% Zn. 8-18% Ni có m àu sắc tiídng tự liỢp kim N i-A g được gọi là niayxo (m aillechort). M ayxo có tổ cliức inột pha rất dẻo. m àu sắc đẹp. chốiig ăn mòn tôt. điíỢc líu tiên sử dụng chê tạo các chi tiêt quang học, đồ dùng chính xác, tran g trí và trong công nghiệp đồng hồ. Do độ dần điện nhỏ, ngiíòi ta thư òng ứng dụng hợp kini này làm dây điện trở. Trong b ảng 8.2 trình bày th ành pliầii. ký liiệu một s ố latông th ông dụng. Bảng 8.2. Thành phần, ký hiệu của một sô' latóng Ký hiệu Thành phán, Trạng Cơ tính Tên TCVN CDA % thải '^0,2- ỈS, MPa MPa % Latông LCuZn30 260 30Zn ủ 303 110 66 Latòng LCuZn40 280 40Zn ủ 375 120 45 Latông LCuZn29Sn1 464 29Zn-1Sn ủ 400 175 45 hải quân Latông LCuZn38AI1Fe - 38Zn1AIFe ủ 380 - 50 Latông LCuZn29Sn1Pb3 - 292n1Sn3Pb đúc 234 83 35 May so LCu2n27Ni18 770 27Zn18Ni ủ 420 190 40 8.1.3. BRÔNG Brông là hỢp kim của đồng vói các Iiguyêii tô' hỢp kim khác như Sn. Al, Pb, ... N gàv nay. trừ các latôn g ra. có th ể coi tấ t cả các hỢp kim đồng còn lại là brông. Dưối đây chỉ khảo s á t niột sô’ brôiig thông dụng: brông thiếc, brông nhôm, brông chì và brôiig có cơ tín h cao - brèng berili. 8.1.3.1. Brông thiếc Trên hìiih 8.8 là giản đồ pha cần b ằn g hệ Cu - Sii. ta th ấy r ằ iỊg với hàm liíỢng Sii nhỏ hơn 13,0% hệ thông có mọt plui a. Đ ây là dung dịch rắn th ay th ế của Sii 25 - VLH https://tieulun.hopto.org
386 C h ư ơ n g 8. KIM LOẠI VẢ HỌP KIM MÀU trong Cu. có kiểu m ạn g lập phương tâm m ặt tương đôl dẻo và bển do cơ ch ê hóa bển dung dịch rắn. Vì k h o ả n g k ết tin h lóii, quá trìiih thiên tích xảy ra khá m ạnh nên chỉ ứiig vối hàm lượng Sii khá nhỏ (8 % Su), trong điều kiện làm nguội khi đức thông thưòng, đã x u ấ t h iện pha p. P ha p khi làm nguội tiếp, chuyển biến thành pha y và sa u đó th à n h pha ô. Quá trìiih chuyển biến pha ô ^ [a + e] ở 35 0 “C và sự tiế t pha s trong dung dịch rắn a ở dưới 350°c không xảy ra được vì tốc độ các p h ản ứ ng Iiày quá nhỏ. B ản ch ất p, y, ô, e đểu là các hỢp chất điện tử, cứ ng nhưng giòn, ở nhiệt độ thường các hỢp kim chứa ít hơn 8 % S n sa u ủ có tổ chức m ột pha a đồng n h ất, khá dẻo. chịu biến dạng tốt. Klii h àm híỢng Sn vượt quá 8%, n h ấ t là khi lốn hơn 10%. tổ chức các hỢp kim n à y gồm Hòm lượng Sn , % hai pha (a - ơ). H àm lượng S n được Hình 8.8. Giản đồ pha cân bằng hệ Cu-Sn dùng troiig các brôiig côn g nghiệp không vượt quá 16%. Các brông thiếc biến d ạn g thường chứa ít hdn 8 % Sn (ỏ m ột sô' nưóc cho phép đến 10% Sn). có cơ tín h cao v à tín h chông ăn mòn trong nưóc biển tôt hơii latông. Trong th à n h phần các brôiig thiếc biến dạng, thiíòng điía thêm* m ột liíỢng nhỏ photpho (ít hơn 0 . 1 %) để khử oxy. m ột lượng kẽm vừa phải để hóa bền và th ay thê thiếc, cũng có th ể m ột lượng nhỏ chì để cải th iện tín h cắt gọt và giảm hệ sô" nia sát. Các brông th iếc được sử dụng làm công tắc điện. ô” thổi, m àng ngăn, đĩa ly iig hỢp, lò xo, bánh răn g và đôi k h i làm bạc lót. So vối latông, brông th iếc đắt hơn. Các brông chứa nh iểu hdn 10%Sn rất khó biến dạng v ì sự có m ặt của m ột tỷ lệ n h ấ t định pha giòn 5. T h ay vì tính b iến dạng kém, chúng lại có tính đúc tốt: nhiệt độ nóng chảy thấp, tính điển đầy khuôn cao, hệ số co n gót nhỏ. Do tín h chống ăn mòn tôt, ngưòi ta sìt dụng các brông Iiày làni ốhg dẫn trong các hệ th ôn g tả i hơi.bdni, van v.v. N ếu chú ý đến cơ tính cao, khả năng chống mài mòn và m a s á t tốt, các brông thiếc còn đưỢc dùng làm ổ trượts ông lót. pinhông, v.v. Trong trư òng hợp n à y sự có m ặt của pha 5 và chì (Pb) tạ o tliêni các ưu điểm để làm việc trong điều kiện ina s á t và mài lĩiòn. Nhò tính đúc tô't. đặc b iệ t là khả n ăn g điền đầy klm ôn cao, hệ 5' Í Õ con gót nhỏ, brôiig thiếc chứa Zn và Pb được sử dụng rất h iệu quả để đúc các tác p h ẩm nghệ thuật: tượng đài, phù điêu, họa tiế t trang trí, v.v. B ảng 8.3 trìuli bày th à n h phần và ký h iệu m ột sô' brôiig th iếc th ông dụng. https://tieulun.hopto.org
V Ậ T LIỆU HỌC 387 Báng 8.3. Thành phần, ký hỉệu của một sỏ brông Số Ký hiệu Thành phần. Trạng Cơ tinh TT TCVN CDA % thái (S, ứng dụng tí,? MPa MPa % BCuSnõP 0,15 5Sn-0,1P 324 131 64 Ống dẫn khi, tay hàn, v.v. BCuSn5Zn5Pb5 836 5Sn-5Zn-5Pb đúc 255 120 30 Khớp ma sát, vòi nước, bơm BCuAI5 380 65 Ông, tấm có công dung chung, tiền xu BCuAI9Fe4 952 9AI-4Fe đúc 550 185 35 Van, bơm, bánh răng, gối đỡ V V 5 5BCuPb30 30Pb đúc Ổ trượt v.v. 6 BCuBe2 172 1,9Be-0,2Co ủ 500 210 48 Lò xo, màng đàn hối tôi v.v. hóa 1420 1260 2 già 8.1.3,2. Brông nhòm Tlieo giản đồ pha hệ Cu - AI (hình 8.9), ta thày cãc hdp kiin chi'ía ít. hơn 9.4% AI có tổ cliức m ột pha a. Pha a là dving ciịcli rắn thay thè của AI trong Cu. có kiểu m ạn g lập phương tdm m ặt kha dẻo và bển. Vi vậy cãc brôiig nhôm m ột pha có tổng hợp cơ tính cao. khả n ăn g chông niài mòn và piối hại) môi tiĩơiig đối lớii. Do sự hìiih tliành lóp Al^O ( trên bể Iiiặt. các hỢp kim này chịu đựntí t.ôt khi làm việc trong khí cniyển công n gh iệp lioộc tiêp xúo với uư(íc biổii. Nííưòi t;i sử dụng brôiig Iihôiii một Ị ) h a (từ 5-8% Al) khá rộng rãi. ví dụ đễ chè t.ạo bộ Iigưnp tụ hđi. hệ thông trao đổi n h iệt, lò xo tải dòng, các chi tiế t niáy bdin. đồ (lùng cho lính thủy, v.v. Klii tăng liàm lượng nhôm (lón hơn 9,4%) sẽ xu ất hiệii pha |3. Pha điện tử p Iiày ứng với công thức Cu.iAl có m ạn g tin li th ể kiểu lập pluíơng tâin khôi, chỉ ổn định ở trên 566"c và cliỊu biên rlạiig khá tốt. T ại 56õ" c xảy ra cluiyểii biến cùng tích; P -> [a '+ Ỵ j. (8 . 2 ) 2 Pha Y cũng là hỢp ch ấ t ctiêii tử. ciíii^^ và giòn. Sau phản ứng cùng tích (8.2). độ bền tãiig không (tauíí kể. trong khi đó độ dai phn huỷ giả 111 m ạnh, hợp kiin trở nêu giòn. T\iy vậy, nè\i làm ngiiội n h an h bằng cách tôi troiig nước, pha p sẽ chuyển biếu không khuếch tan tạo ra P' có kiểu m ạng sa u phương. NgưỢc với m acteiix it troiiíí thép vừa cứng vừa bền. in acten xit tạo ra khi tôi brông uliôni còn m ềm hơn cả tổ chức eutectoid [a + Y^]. Tuy vậy. khi ram n iacteiix it này ỏ 500'’c sẽ n h ận được hiộu ứng lión bền (tang kể mà không làm giòn hỢp kim do pha y- tiét ra ở dọng Iiliỏ Iiiịu. Các brông nliòiii chứa khoảng 10 - 13% 2 AI sa ii n h iệt lu yện tôi và ram đạt đưỢc cơ tíiil’ các khả nâng chông ăn m òn và m ài inòii tôt. N giíòi ta th iíon g đưa thêm Fe và Ni (tế nâỉig cao độ bển nóng, cải thiện https://tieulun.hopto.org
388 C h ư ơ n g s. KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU thêm tính chống ăn mòn và chông oxy hóa. TroiiịT biìiiíỉ
VẬT LIỆU HỌC 389 B ằng các biện pháp công n gh ệ thícli hợp, ngiròi ta tạo nen sự phân bô' đồng đều các phầii tử Pb inềni xen với pha Cu rắn. Tổ chức Iihií vạy sẽ t.hích hỢp cho các hợp kim ổ trượt. D o v ạy hỢp kini Cu - 30% Pb trỏ nêu rất. thôiip (lụiig cho niục tiên này. Kiii làni việc trong cặp ma sát. cliì mòn t.rưỏc, tạo ra cac rãnh chứa dẩu bôi t.rổii- B ản th ân chì có thố trờ nên chất hỏi trơn khi tạ(j th àỉih m àng m ỏng bọc qiianli ngỗng trục. Vói đặc điểm Iiày. 0 trượt
390_______________________________________ C h ư ơ n g 8. KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÁU Brôiig berili có tín h hùii tốt. gia công cắt. gọt clễ dàng, co th ể rhịu n hiệt, không p!iat tia lửa khi bị va đập. Nó điíỢc sủ dụng làni lò xo. inàiig đàn hồi và cac chi tiết ctòi hỏi chịu nhiệt, đàu hồi và dẫn điệii cuo. Thành phẩn và ký hiệu brông beiril điển hình cho trong bảng 8.3. 8.2. NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM Về phương diện sản x u ất và ứng dựiig, nliôni và hỢp kiin Iihôni chiếm vị trí thứ hai sau thép, s ỏ dĩ nlní vậy vì v ạ t liệ\i này có cãc tính châ't phù hỢp với Iihiểu công dụng khác Iiha\i. trong một sô" tníỏiig hỢp không thể thay th ế điíỢc. 8.2.1. NHỬNG ĐẶC T ÍN H CHỦ Y Ế ư CỦA N H Ỏ M N hôm Iigiiyèn ch ất có inàii trắng bạc. Kiiìi loụi này có các dặc cìiểm chủ yế\i saii; - Khối lượiig riêng nhỏ: Với khối lượiig riêng bằng 2.7 g/cni * so vói sắt. nhôm . nhẹ hớn khoảng gần ba lầii. Chỉ tiêu này rất q\iaii trọiig đôi với các lĩnh vực. khi đòi liỏi sự giảm khôi IvíỢiig của chi tĩết và của cả hệ t liôiig đến niức nhỏ Iihâì.. ví dụ. Iigành hàng khôiig, du hr.nh vũ trụ. hoặc cac phương tiện giao thông vận tải. - Tính dẫn điện cao: Độ dẫn điện của nliôni chỉ b àng 62% so vối đồng. Tuy vậy, do khôi lượng riêng của đồng lớn hơn nhôm khoâiig 3.3 lần nên khi với cãc đặc tính về điện giông n h au , tru yền dòng điện có cưòng độ Iiliií Iihau, dáy (lẫn nhôm chỉ Iiliẹ bằng nửa dây dần đồng và bị n u n g nóng ít hrtn. - Chông ăn mòn tôt; Nhờ lóp oxyt Al^o 1 có cấu trũc s ít chật tạo th ành trèii bề niặt. nhôm và hợp kim nhôm chỏng an mòn kha tốt,. T\iy nhièn do clúều clầy qiia m ỏng (khoảng vài angstron). nền lỏp nhôm oxyt tự nh iêu có khả Iiáiig bảo vệ chôiig ăn niòn kém . B ằng kỹ th iiậ t aiiôl hóa. Iigitòi ta có thể Iihậii điíỢc m àng oxyt AI2O:! dày h àn g chục inicrôm ét. có khả nàiip bảo vộ cao. N hôm và hỢp kini nhôiìi với lớp niàiiK aiiôt hóa nàv có th ể ứng dụng làm các cấu kiện trong Iigành xâ y dựng (khim g rửa. tấm ốp. ...) mà không cần các biệii pháp bảo vệ phụ thêm. Tuy vậy trong m ột sô' môi trưòiig ăn mòn. dưới tác dụng của ứng s\iâ't, tĩiih hoặc động, hỢp kim nhôm có th ể bị ăn inòn dưới các dạng khác nhau; ăn mòn điểm , ăn mòn diíới ứiig siiất, n\ỏi ăn niòn, v.v. Trong các tr\ĩòiiịỊ: hỢp cụ t.liể uày. th à n h phẩn hỢp kim và trạiig thái gia công òiih hơỏiig khá m ạnh (tếu tôc độ ãn luòn . - Độ bền thấp, độ dẻo cao; M ạng tinh thể cna nhôm thuộc loại lập phương tàm m ặt. do vậy nhôm tương đối dẻo. 0 trạníỊ lliai ú Iihôni kéin bển ÍƠ = 60 MPa. I, ơ ,).2 = 20 M Pa) và chịu biến d ạng nóng cũng Iih\í ugiiội ctểii rất tôt. - N h iệt độ nóng chảy tiírtng đôi thấp: N hôm nóng chảy ở 6 6 0 “c . Đ ây là một. thiiận lợi cho quá trình nâ'u h iyện hợp kĩiìi khi đức. Hờn iiữa nhò ẩn n h iệt kết lón. nhôm lỏng đông đặc chậm , có thể tÌPii hàuh biến tính và tiiứ) h iyện tương rỉni dễ dàng. Độ co n gót của Iiliôin lỏn. do vặv ctiẻn đầy klm ôn kéin, tính điic in nhôm không cao. https://tieulun.hopto.org
VẬT LIỆU HỌC 391 8.2.2. PH ẢN L O Ạ I V À KÝ H IỆ U Trong qviá trình n gh iên cứu, phát triển, ngày càng có n h iều hỢp kim nhôm mói ra đời. Đ ể phân loại chúng, ngưòi ta can cứ vào các đặc điểm quan trọng nhất. - Theo tính công nghệ, các liỢp kini nhôm được phân th à n h hai loại chính; hỢp kim biến dạng và hỢp kini đúc. Hợp kim nhôm biến dạng dùiig để chế lạo các bán th àn h phẩm hoặc chi tiết bằng gia công áp lực nóng hoặc ngiiội. Bảng 8.4. Ký hiệu và trạng thái gia còng hợp kim nhòm Nga My. Canada Ký Ý nghĩa Ký Ỷ nghĩa hiệu hiệu H ợ p k im n h ô m b iế n d ạ n g • H ợ p k im n h õ m b iế n d ạ n g v à đ ú c ; M ủ mếm F Trạng thài phôi thô T Tôi và hóa già tự nhiên o ủ và kết tinh lại TI Tôi và hóa già nhân tạo H Trạng thái biến dạng H Biến cứng H11 Biến dạng với mức biến cứng nhỏ Biến cứng không hoàn toàn H12 Biến dạng với mức 1/4 biến cứng H1 Biến cứng mạnh (> 20%) H14 Biến dạng với mức 1/2 biến cứng TH Tõi, hóa già tự nhiên, biến cứng H16 Biến dạng với mức 3/4 biến cứng T1H Tôi. biến cứng, hóa già nhân tạo H18 Biến dạng với mức 4/4 biến cứng T1H1 Tôi, biến cứng 20%, hóa già nhân tạo H19 Biến dạng với mức biến cứng rất lớn H2X Biến dạng tiếp theo ủ hồi phục (X H ợ p k im n h ô m đ ú c ; biến đổi từ hai đến 9) T1 Hóa già nhân tạo sau đúc H3X Biến dạng tiếp theo ổn định hóa (X T2 ủ biến đổi từ 2 đến 9) T4 Tòi TI Tôi sau biến dạng nóng, hóa già tự T5 Tôi. hóa già một phấn nhiên T6 Tôi. hóa già hóa bển cực đạl T3 Tôi. biến dạng nguội, hóa già tự T7 Tôi, hóa già ổn định nhiên T8 Tôi. hóa già biến mềm (quá hóa già) T4 Giống T3 nhưng ■không có biến dạng nguội 1 T5 Giống T 1 nhưng hóa già nhân tạo T6 Giống T.4 nhưng hóa già nhân tạo T7 Giống T6 nhưng hóa già T8 Tôi. biến dạng nguội, hóa già nhân tạo T9 Tỏi, hóa già nhân lạo, biến dạng nguội https://tieulun.hopto.org
392 C h ư ơ n g 8. KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU Cãc hợp kini nhôm đúc dùng để đúc các chi tiết, có hình dạng và công d ụng kliac nhau. Trong số các hỢp kiiìi Iihôm biên dạng ngưòi ta C II pliâii b iệt loại có th ể lióa Ò bển b ằng n h iệt lu yện và loại không hóa bển b ằng n h iệt luyện (hình 8.12). Trạiig th ái gia công thường được chỉ rõ kèni saii ccác ký liiệu hợp kiin bàng những qiiy ưóc riêng phụ thuộc vào các qiiôc gia hoặc tổ chức khác uha\i về (ịviản lý tiêu chu aii vại liệu. Trong b ản g 8.4 trình bày các ký hiệ\i trạng thái gia công các hỢp kiin nhôiii ap dụng ở N ga. Mỹ và Canađa. Theo th à n h phần hóa học, người ta phản các hợp kiiii nhôm th ành n h iếu hệ, trong mỗi hệ ngoài AI ra còn có m ột hoặc hai ngu yên tố hợp kim chính nữa. Một. sô hệ hỢp kim nhôm chủ yếu là; Al-Cu, Al-Cu-Mg. Al-Mii. Al-Si , Al-Mg. Al-Mg-Si. Al-Zn-M g. A l-L i. v.v. Tiêu ch u ẩn V iệt N ani (TCVN 1 8 5 9 -7 5 ) quy ctịiih ký hiệu các hỢp kim nhôm như sau: b ắ t đầu bằng ký hiệu Al. tiếp theo là ký hiệu các Iiguyêii tố’ hợp kim chính, sa ii đó là các Hựp kim AI Hợp kim AI đúc nguyên tố hỢp kini phụ. bjẹh dạm Đ ể chỉ hàni lượng theo phần trăm , Iigưòi ta dùng u các con số đặt sa u ký hiệii tưđiig ứng. N ếu là hỢp kini đúc, ở niồi ký h iệu d ặt AI Ịơ à p/ìẵn tròm nguyén /ỡ hơp kim thêm chữ Đ. Ví dụ 1 : Ký hiệu hm khônỹ hoá bền hơng nhiệt iuyện AlMgõ. n gh ĩa là hợp kim nhôiii biến dạng có hà 111 Hinh 8.12. Phân loại hop kirn AI theo giàn đổ pha iựơng tru n g bình của Mg là 5%. Ví dụ 2: Ký h iệu A lS il2M glC A i2M n 0.6D n ghĩa là hợp kini Iihôiii chíc. chứa trung bình 12%Si; l%Mg; 2%Cu và 0,6% Mu. Ký h iệu hợp kim nhôm ở các miơc trên f,he giới rat khác uhau. Theo tiêii chuẩn rO C T của N ga, nhôm vò hỢp kim nhôn) điídc ký hiệii bàỉig sự phối hợp giữa các chữ cái và c
VẬT LIỆU HỌC 393 B ảng 8.5. Tiêu chuã^n ký hiệu hợp kim nhòm theo Aluminum Association Hợp kim nhôm biến dạng Hợp kim nhôm đúc Hẻ thống hợp kim Loại ký Hệ thống hợp kim Loại ký hiêu hiêu AI 2 99% 1000 AI sạch công nghiệp 100,0 Al-Cu và Al-Cu-Mg 2000 Al-Cu 200,0 Al-Mn 3000 Al-Si-Mg và Al-Si-Cu 300.0 Al-Si 4000 Al-Si 400.0 Al-Mg 5000 Al-Mg 500.0 Al-Mg-Si 6000 Al-Zn 700.0 Al-Zn-Mg và Al-Zn-Mg-Cu 7000 Al-Sn 800.0 AI - cãc nguyên tố khác 8000 ỉ ỉệ thống số thông n h ấ t của Mỹ (ưniíied Niin\bering System . UNS ) ký hiệu các hợp kim Iihôni bằng cách sử dụng ký hiệu số của hiệp hội nhôm vói tiếp đầii là A9 (tôi vỏi liớp kim biến dạng và AO đổi vối hợp kim đúc. Trong bảng 8.6 trùili bày ký hiệu inột sô”loại nhôm và hỢp kim nhôm vói tb-Ành pliần hóa học khác n h au theo TCVN và AA. Bảng 8.6. Thành phần, ký hiệu một số hợp kim nhõm Hê Ký hiêu Thành phần. hơp kim TCVN AA % H ợ p k im b iề n ơ ạ n g . AI sạch AI 99,60 1060 99,6 AI Công nghiệp AI 99,00 1100 99,0 AI Al-Cu và AICu4.4Mg0,5Mn0.8 2014 4,4Cu-0.5Mg-0,8Mn Al-Cu-Mg AICu4,4Mg1.5MnO,6 2024 4.4Cu-1.5Mg-0,6Mn Al-Mn AIMn1,2 3004 1,2Mn-0,12Cu Al-Mg AIMg1,4 5050 1,4Mg Al-Mg-Si AIMg1SiO,6 6061 1Mg-0,6Si-0.2Cr-0,3Cu Al-Zn-Mg AIZn4.5Mg1,4 7005 4,5Zn-1,4Mg-0.12Cr-0.4Mn- 0,15Zr Al-Zn-Mg-Cu AIZn5, 6Mg2,5Cu4,6 7075 5,6Zn-2,5Mg-1.6Cu H ợ p k im đ ú c Al-Cu AICu4,5Đ 295,0 4,5Cu-1Si Al-Si-Cu AISi5.5Cu4,5Đ 308,0 5.5SÌ-4.5CU Al-Si-Mg AISi7MgO,3Đ 356,0 7Si-0,3Mg Al-Si-Mg-Cu AISi12Mg1,3Cu4MnO,6Đ 12SÍ-1,3Mg-2Cu-0,6Mn-1 Ni- 0,2Ti https://tieulun.hopto.org
394 C h ư ơ n g 8. KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU 8.2.3. NHÔM SẠCH KỶ T H U Ậ T Phụ tlm ộc vào phương pháp sả n xuất, độ sạch cùa nhôm rất, khâc nhaII, biến đổi từ 99.0% AI đên 99.999% Al. N hôm vói độ sạch đặc biệt cao là v ậ t liệii quý dùiig trong các công trình n gh iên cứu. Độ bển của Iihỗm sạch kỹ tlu iộ t thấp độ dẻo cao. saii biến dạn g hiện i'tng hóa bển đạt điíỢc tiíơng đổi lớii. Phan tràm nguyên fử AL Do tính dần điện và í,0 so eo 70 Ba 90 ăs 1600 T— dẫn n h iệt cao. khối lượiig -----n----- r------ 1 — riêng nhỏ. nliôiii sạcli kỹ ÌSOO th u ậ t điíỢc cixing rộng rãi để chê tạo cáp tải điện noo -L — trong khí quyển, các ống bức xạ n h iệt hoặc các chi liOO tiết troiig hệ thông bay t ỉo o 1- i i hơi. Tạp ch ất trong nhôm ị ^ 0 , i ỉ s ' % j ỊI50°Ị‘ rất đa dạng, tuy vậy Si và r OÌSXằ USũ° ! ì1 0 0 "-3S I - Fe đáng cliú ý n h á t vì Ị chiíiig thưòng có và gây 10 00 ■ ị . ảnh hưởng rất m ạnh. Nếu 312“ 900 đứng riêng th ì tạp ch ất Si ít tác hại, hầu n h\í không soo làni giảm cơ tính, thậm Nhiệ/ J ậ s- O ir it chí còn ảiih hưởng tôt ctên loa ( tíuh ctúc. (lo tạo cùng tiuh Ì^-Fp) Í3.35 (Al-Si), hạ thâ'p n h iệt độ BOO SSI,4° chảy, tán g khả n ăn g điền s*7.3° - (AI)- đầy khuôn. 500 V t \ Trái lại, theo giản đồ 400 - — \2 00 Phởn trỏm aguyịn t ỷ Aỉ trên hình 8.13, ta th ấy sắt I : Ị có th ể tương tác vói nhôm , 300 - i IISỮ lũỵ 1 tạo pha Al;íFe rất giòn, kết Z00 ... 1100 tin h ở dạng hình kini thô 45. .5 0 pf)ân tràm trọng lư»nỊ4l 55 to. C ùng tinh (Al-Al.-ỊPe) 100 . x\iất hiện n gay khi hàm lượng Fe rất nhỏ và phân Fe 10 20 30 50 60 70 83 30 AL bô theo biên giói hạt. Tổ Phõn tràm trọng ÍƯỢnj AL -.hức này gây giòn họp kim \ ’à tàn g n h ậy cảni vối àii Hình 8.13. Giản đố pha hé Al-Fe ir.òii điện hóa do chênh lện h th ế điệu cực giữa AI và PeAl.i khá lỏn. Klii tồn tại đồng thòi cả F e và Si sè x u ấ t hiện cac pbn liêu kiiìi loại dạiiga(Al. Fe, Si) và p (Al. Fe, Si) vừa giòn vừa k êt tiiỉh ở dạng tấm thô to. Trong tn íờ n g hỢ)) n ày độ dẻo và tín h ổn đụih chông ăii mòn của nhôm cũng bị giảm niạnh. https://tieulun.hopto.org
VẬT LIỆU HỌC 395 8.2.4. HỢP k i m n h ò m b i ê n d ạ n g Nlní đà t.rình bày ở trên, dựa vào kliả năng có lioặc không thể hóa bền bằng Iihíệt. luyện, ngvíòi ta phân các hỢp kini nhôm biến clạiig th à n h hai nhóm Iihỏ; - N hóm thứ n h ấ t gồm các hợp kim không thể hóa bền bằn g n h iệt luyện, độ bền cua cluiiiịí (tưỢc cải thiện nhò cac phiíốiig pháp nhií; hiến dạng nguội, hỢp kim hóa hển diuig dịch rắ n hoặc tạo plia thứ liai Iiliỏ IIIỊU. - N hóm thứ hai gồm các hỢp kim có thể hóa bền bằng n h iệt luyện, độ bền của chúng tàn g lèn chủ vếii nhò tôi và hóa già. 8.2.4.1. Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền bằng nhiệt luyện a. H ơ p kìm hệ Al-Mn Phèn trăm nguyên iử Mn Theo giảii đồ pha 20 30 uo 50 60 Al-M ii t.rên hình 8.14, Mii ró tliP tạo vối AI 1300 _ lu.ip ch a i liên kiiii loại ì200 ... Pha này khi phân IIOO ta 11 Iihỏ iiiỊu troug nển (luiig (lịch rắn a sẽ gây 10 00 hóa bền. Dộ hòa ta n lớn Iihnt của Mn trong (iiiiig dịch rắn a đạt đxíiỊc ỏ 6 Õ0 'T là 1 . 8 % và giảm rốt n h an h trong viuig nbiột độ từ 4Õ0'’C - 6Õ0"C. D ay đồiig thòi 30 io 50 60 70 cũng là v ù n g n liiệi độ Pnan Irà m ỉr ọ n g iượng Mn tôi của lớn cac liợp kim Iihôni công Hinh 8.14 Giản đố pha hê Al-Mn nghiệp. L\íống inaiigan troiig cac hợp kim nhôm này thông tlníờng dao rỉộiiR troiig khoảng từ 1 đến 1 , 6 %. N h\tiig do ả iih hiíởiig của các hợp chất tluíòng có là Fe. Si. độ hòa tan của niaiigan troug dung dịch rắn a giảm di r:V nluiiih. Ví dụ với sự có m ặt chừng 0.1% Fe và l 0.60% Si, dung dịch rắn a chỉ có thể hỏa tan ỏ Õ00"c điiợc khoảng 0,05% Mn. Đ iểu này giải tliícli vì sao các hỢp kini biến dạng Al-Mn khôiig thể hóa bển bằng nhiệt luyện. Dể tă n g bều. trong tnírìng hợp này sử dniip |ihư()iig pháp biến dạng nguội sẽ rất liiệ\i qiiả vì hiệvi ứng hóa bền biến dạng đạt. clược khá lớn. T hêm nữa, do sự hìiili th à n h pha a (A l-F e-S i-M ii) klii kết tm li ở dạng Iiliỏ m ịn phân tán, n h iệt độ kết tiiih lại của hợp kini tăn g lèn. góp phầii duy trì ổii (lỊiili k ết qiiả hóa bền đã tạo ra. https://tieulun.hopto.org
396 C h ư ơ n g 8. KIM LOẠÍ VẢ HỢP KIM MÁU Một đặc điểm rất PnSn tràm nguyên tử đáng chií ý của hỢp ^ 10 20 30 40 Sủ so 70 kim A l-M n là xu hưóiig th iên tích Mu 600 và tạo duiig dịch rắn 500 ■ quá bão hòa bất thường khi k ết tinh. UŨO Sự phán bô' không đồng đê\i thàiili 300 phần có th ể dẫn tói những k ết quả xấu. 200 chẳng h ạn làjn giảm iJŨ n\ạnh cơ tính, đặc 30 io SO 60 70 b ịêt là độ dai va đập. Phăn trãm trọng lơVng Aíỷ do tạo th à n h tổ chức Hỉnh 8.15 Giàn dổ pha hẻ Al-Mg h ạ t thô vói sự phân bô"độ h ạt rất chêuli lệch giữa các phầii m ẫu sa\i khi k ết tinh lại. Cảc hợp kim A l-M n chịu gia công biên dạng aóng và nguội tốt, có tín h h àn và chông ăii m òn trong khí q u yển cao hơn Iihôin sạch kỹ th uật. N liò vậy chúng được sií dụng rộng rãi thay th ế vật liệu này khi có yêu cầu cao hơn về cơ tính. b. H ơ p k i m h ê A l - M g Theo giản đồ pha hệ A l-M g (hình 8 .lõ ), độ hòa ta)i của m agiê trong nliôm lốn n liất có th ể đạt lõ% ở 4 0 1 ‘ ^c. Klii hạ n h iệt độ. độ hòa tan này giảm đi và pha P(Al(M g 2) tiết ra từ diiiig dịch rắn. cỏ XII hiíóng phàn bô' dạng híới theo biên giới hạt. Tổ chức dạng lưỏi p liêu T.ục rnt nhạy cám với ăiỉ niòn dưới ứng suât. Chính VI vậy trong công nghiệp h ạ n chế sìi dụug các hợp kiiìi chứa hiỢng nhỏ nìagiẻ (ít hơii 8% Mg). phổ biến hơn cả là loại dưới 4% Mg. Do lượng inagiê nhỏ, hiệu ứ ng hóa bều khi tôi và hóa già quá nhỏ nên thực tè đà bỏ qua. Đưa thêm m ột lượng nhỏ các kim loại chuyển tiếp như Cx (0.1-0,2% ). Mn (0.3-0.5% ) cho phép giảm độ n h ạy cảm vói án niòn ditới ứiig su ất. Sỉt dụng phương pháp biến d ạng dẻo để hóa bển các hỢp kim loại này sẽ rất có h iệu quả. Các tạp ch ất Fe. Si gày ả n h hưỏng xâ'ii đến cơ tíiili. làm giảm ch ấ t lượng bê m ặt khi gia công, vì v ậ y cần h ạ n c h ế chú ng ở inức thấp n h ất có thể. Các liỢp kini A l-M g thuộc iTiột trong n h ữ n g họ hỢp kim nhôm nhẹ nh ất, có tín li h àn tốt, ổii định chống ăn mòn khí quyển, bề lĩiặt sau công đẹp. khả Iiàiig giảm chấn khá m ạnh và giới h ạn bển mỏi (ơ)) tưriiig (íối lớn, (.”hújig điíỢc dVing rất rộng rãi. đặc b iệt trong công nghiệp ch ế tạo ô tô và xáy dựng côiif; trình. 8.2.4.2. Hợp kim nhôm biến dạng hốa bển bằng nhiệt luyện Các liđp kim nhôm biến d ạn g hóa bền bằng n h iệt lu yện là Iihóin v ậ t liệu kết cấu quan trọng, n g à y càn g được n gh iên cứu và p h át triển m ạnh. Dưới đây sẽ trình bày m ột sô" hệ thông dụng và đặc tn ín g nhất. https://tieulun.hopto.org
VẬT Liệu HỌC 39' a. H ơ p k i m A l - C i i v à A l - C u - M g Các hỢp kim hệ n ày thuộc loại (ìược ngliién cứu. sản x u ấ t và ứng dụng công n gh iệp sớm nhất. S aii biến dạng, tôi và hóa già. chúng ró hiệii ứng hóa bền rất cao. Trong Ihi.íc tê. ch ú n g còn được gọi là (luvra. T heo giản đồ pha Gnnh 8.16) ta thay độ hòa tan của các pha e (CuAlii). và s (CuMgAl^) tá n g lên khi ta n g nhiệt (ỉộ. Do rĩạc ({ièni này. co th ể dề dàng nhận được dung dịch rắn a qua bào hòa bằng Cíirli rói. Khi hóa già. phụ thuộc vào n h iệt độ và thòi s;ian íĩiữ nhiệt, si.t tiết pha xay rn C t.liP f'i cac trạng th ái khác nhau như vùng (. GP. cac pha cln iyển tiếp giả ổn (tịnh o’. S' lioặc cac pha ổn định e (C 11AI2), s (CuMgAlv) kích thước rát nhỏ. phân tuM đẻ\i trong nển (Imig dịch rắn a. T ất cả các pha Iiày đểu tạo ra hiệu ứng hóa bển đang kể. Tuy vậy, sự hình th àn h tổ chức gồm hỗn hỢp vùng G P vói các pha giả ổii cỉịah 0'. S’ sẽ cho ta các chỉ tiêu cơ tính lớn nhât.
398 C h ư ơ n g 8. KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU Nếii đảm bảo c h ế độ tôi và hóa già n lu í nhau, tãiig hàm hídng Cvi và M mụi j>, cách hỢp lý sẽ làin tàng hiệii qUcả hóa bền do tỷ lệ khối litợng cãc plui hóa bền tioiig nền a táng. Klii th ay đổi h àm hỉỢiig đồng và Iiiagiè theo hưỏng tấn g tỷ lệ Mg/Cu. độ bển nóng của hỢp kini sẽ tă n g lên. sở dĩ nh\t vậy vì tỷ lệ Mg/Cii tăn g sẽ kéo theo sự tăn g khôi lượiig pha s (CuM gAl 2) và giảm bớt pha 0 (CuAl^) (liình 8.1(5). Ngiĩdi ta đã xác n h ậu rằng pha s CCuMgAl2) ổn định n hiệt hơn pha 0 (C\iAl„.). ngiiĩa là nó tiết ra từ diuig dịch rắn a ở n h iệt độ cao hơn, tốc độ tích tụ nhỏ hơn Dó chính là nguyên n h ân khiến cho các hợp kim A l-C \i-M g với pha hóa bển là s (CuMgAL) co th ể giữ đưỢc độ bền tương đôi cao đến khoảng nhiệt, độ 200-2õ0%C. Các tạp ch ất Fe, Si gáy ản h hưởng xấ\i đến cơ tính của điiyra. C hủiig có t hể tạo ra các pha dạng Cu^PeAly. vừa gây giòn hỢp kim do kết tinh ở dạng thô to. vừa làm giảm hiện quả n h iệt lu yện do chiếm giữ m ột litợng đồiig ctáng kể cần th iết để tạo pha hóa bền. Trong thực t ế người ta cố gắn g giảm thấp hàm híỢng các tạp chất này. khống ch ế tỷ lệ của ch ú n g xấp xỉ lìhau để tạo ra các pha dạng a (Al-P’e-S i- Mii). kết tin h th àn h h ạ t nhỏ. ít ảnh hưởng đến độ dẻo. khôiig làin giảm hiệu qiiả hóa bền khi tôi và hóa già. Trêu cơ sò A l-C u-M g. khi đưa thẽni đồng thòi Fe và Ni vào thpo tỷ lệ 1/1 người ta tạo ra các hợp kim nhôm biến dạng bển nóng. Bàng 8.7. Cơ tính một số hợp kim nhõm biến dạng hóa bền bằng n h iệ t luyện Ký hiêu Trang Cơ tin T Lĩnh vưc TCVN AA thải < • ^0.2