Tin Mới Nhất
Tối ưu hoá công nghệ hoá già phân cấp hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg chứa lượng nhỏ kim loại chuyển tiếp
06/12/2017
Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu tối ưu hóa đồng thời độ bền và chống ăn mòn dưới ứng suất khi hóa già phân cấp hợp kim nhôm hệ Al-Zn- Mg chứa lượng nhỏ kim loại chuyển tiếp Cr, Mn, Ti.
Optimization of two-step ageing treatment for Al-Zn-Mg alloys contained small amount of transition metal
Nguyễn Khắc Xương Đại học Bách Khoa Hà Nội Nguyễn Đức Văn Đại học Giao thông vận tải Đỗ Thị Duyên, Nguyễn Thành Đạt Viện Khoa học vật liệu
TÓM TẮT
Hợp kim nhôm hệ 7xxx (Al-Zn-Mg) là hệ hợp kim có độ bền cao, có tính công nghệ tốt, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô, giao thông vận tải, hàng không, tàu biển… Tuy nhiên, nhược điểm của hệ hợp kim này là có xu hướng nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất. Công trình này nghiên cứu tối ưu hoá chế độ hoá già phân cấp nhằm đạt đồng thời giá trị cao của cơ tính và tính chống ăn mòn dưới ứng suất.
ABSTRACT
7xxx (Al-Zn-Mg) series aluminium alloys, that have high strength, good plasticity and weldability, are exten- sively by used for parts in automobile, aircraft industries and shipbuilding. However, their disadvantage is sensitiv- ity to corrosion under tensile stress. This article presents results on optimization of two-step ageing treatment for maximization of tensile strength and resistance to sensibility to corrosion under stress.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Vật liệu nghiên cứu thuộc hệ hợp kim Al-Zn-Mg chứa lượng nhỏ Mn, Cr, Ti, có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong hàng không, tầu biển, ô tô. Hợp kim Al-Zn-Mg là hợp kim hoá bền bằng nhiệt luyện, hiệu ứng hoá bền đạt được của hợp kim nhóm này là do sự tiết pha phân tán η(MgZn2) và T(Mg3Zn3Al2) [1-3] xảy ra trong suốt thời kỳ hoá già. Các hợp kim Al-Zn-Mg có độ bền cao, tính hàn và tính gia công biến dạng tốt, đồng thời chúng có khả năng chống ăn mòn đều trong môi trường nước biển và khí quyển khá tốt. Với những ưu điểm này, hợp kim Al-Zn-Mg được ứng dụng để chế tạo các chi tiết máy, kết cấu trong phương tiện giao thông, tầu biển và trong máy bay.
Tuy vậy, nhược điểm đáng quan tâm của hợp kim hệ này là tính nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất. Để hạn chế, ngăn cản ảnh hưởng xấu của hiện tượng này, người ta đã tiến hành nhiều công trình nghiên cứu và đề xuất các giải pháp hữu hiệu theo các hướng chính sau đây:
- Điều chỉnh tỷ lệ hợp lý hàm lượng các nguyên tố chính: Zn, Mg, [4, 6].
- Hợp kim hoá vi lượng các nguyên tố kim loại chuyển tiếp: Cr, Mn, Zr, Ti, …[4,7]
- Nhiệt luyện, cơ nhiệt luyện với các quy trình hợp lý, đảm bảo đạt được cơ tính theo yêu cầu và tránh được nguy cơ nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất [ 4, 5,8,9].
Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu tối ưu hóa đồng thời độ bền và chống ăn mòn dưới ứng suất khi hóa già phân cấp hợp kim nhôm hệ Al-Zn- Mg chứa lượng nhỏ kim loại chuyển tiếp Cr, Mn, Ti.
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Lược đồ quá trình nghiên cứu
Lược đồ nghiên cứu được trình bày trên hình 1. Mẫu nghiên cứu có thành phần hóa học (bảng 1) tương tự hợp kim 7020, được cắt ra từ tấm cán dầy 2 mm. Sau quy trình gia công (hình 2) một loạt mẫu theo TCVN 197-66 được thử kéo xác định giới hạn bền trên máy ZDM 5/91; loạt còn lại được chất tải 0,8 σb bằng phương pháp uốn trên gá chất dẻo và ngâm 480 h trong dung dịch nước, 57 g NaCl/l hoạt hóa bằng 10 ml/l H2O2 nồng độ 30%.
Hình 1. Lược đồ quá trình nghiên cứu
| Ký hiệu | Thành phần hoá học, (% khối lượng) | |||||
| 7020 (Al-Zn-Mg) | Al | Zn | Mg | Cr | Mn | Ti |
| 93,1826 | 4,2907 | 1,2504 | 0,1306 | 0,2121 | 0,1100 | |
Bảng 1. Thành phần hợp kim nghiên cứu
Chế độ hóa già phân cấp được thực hiện theo quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc 2. Tối ưu hóa đa chỉ tiêu thực hiện theo phương pháp hàm nguyện vọng Harrington. Xử lý số liệu quy hoạch thực nghiệm với sự trợ giúp của phần mềm Design-Expert.
Hình 2. Quy trình nhiệt luyện mẫu nghiên cứu 1 - Tôi; 2 - Biến dạng nguội 10 % sau tôi 48 giờ; 3 - Hoá già bậc 1; 4 - Hoá già bậc 2
2.2. Quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc 2
Chế độ hóa già phân cấp được thực hiện theo quy hoạch trực giao bậc 2 với ma trận thực nghiệm cho trong bảng 2. Trong đó: x1 (z1), x2 (z2) tương ứng với mã hóa (hoặc biến thực) của nhiệt độ và thời gian hóa già bậc 1; x3 (z3), x4 (z4) tương ứng với mã hóa (hoặc biến thực) của nhiệt độ và thời gian hóa già bậc 2.
| № | x0 | x1 | x2 | x3 | x4 | z1 | z2 | z3 | z4 | y1(σb) | y2(1/Δσ) |
| 1 | +1 | +1 | +1 | +1 | +1 | 120 | 20 | 190 | 8 | 303,70 | 0,0868 |
| 2 | +1 | -1 | -1 | +1 | +1 | 60 | 10 | 190 | 8 | 312,56 | 0,0389 |
| 3 | +1 | +1 | -1 | -1 | +1 | 120 | 10 | 130 | 8 | 311,71 | 0,0421 |
| 4 | +1 | -1 | +1 | -1 | +1 | 60 | 20 | 130 | 8 | 262,68 | 0,1189 |
| 5 | +1 | +1 | -1 | +1 | -1 | 120 | 10 | 190 | 2 | 283,34 | 0,0857 |
| 6 | +1 | -1 | +1 | +1 | -1 | 60 | 20 | 190 | 2 | 285,21 | 0,1315 |
| 7 | +1 | +1 | +1 | -1 | -1 | 120 | 20 | 130 | 2 | 281,43 | 0,0547 |
| 8 | +1 | -1 | -1 | -1 | -1 | 60 | 10 | 130 | 2 | 343,27 | 0,0403 |
| 9 | +1 | +1 | -1 | +1 | +1 | 120 | 10 | 190 | 8 | 330,99 | 0,0710 |
| 10 | +1 | -1 | +1 | +1 | +1 | 60 | 20 | 190 | 8 | 299,59 | 0,0777 |
| 11 | +1 | +1 | +1 | -1 | +1 | 120 | 20 | 130 | 8 | 295,47 | 0,0545 |
| 12 | +1 | -1 | -1 | -1 | +1 | 60 | 10 | 130 | 8 | 281,25 | 0,0510 |
| 13 | +1 | +1 | +1 | +1 | -1 | 120 | 20 | 190 | 2 | 338,58 | 0,0833 |
| 14 | +1 | -1 | -1 | +1 | -1 | 60 | 10 | 190 | 2 | 256,19 | 0,0823 |
| 15 | +1 | +1 | -1 | -1 | -1 | 120 | 10 | 130 | 2 | 311,27 | 0,0356 |
| 16 | +1 | -1 | +1 | -1 | -1 | 60 | 20 | 130 | 2 | 264,86 | 0,1215 |
| 17 | +1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 90 | 15 | 160 | 5 | 294,66 | 0,0751 |
| 18 | +1 | 1,414 | 0 | 0 | 0 | 132 | 15 | 160 | 5 | 336,79 | 0,1472 |
| 19 | +1 | -1,414 | 0 | 0 | 0 | 48 | 15 | 160 | 5 | 266,32 | 0,0970 |
| 20 | +1 | 0 | 1,414 | 0 | 0 | 90 | 22 | 160 | 5 | 291,45 | 0,0862 |
| 21 | +1 | 0 | -1,414 | 0 | 0 | 90 | 8 | 160 | 5 | 303,16 | 0,0409 |
| 22 | +1 | 0 | 0 | 1,414 | 0 | 90 | 15 | 202 | 5 | 250,00 | 0,0921 |
| 23 | +1 | 0 | 0 | -1,414 | 0 | 90 | 15 | 118 | 5 | 288,90 | 0,0409 |
| 24 | +1 | 0 | 0 | 0 | 1,414 | 90 | 15 | 160 | 9,2 | 329,14 | 0,0858 |
| 25 | +1 | 0 | 0 | 0 | -1,414 | 90 | 15 | 160 | 0,8 | 273,74 | 0,0462 |
Bảng 2. Bảng ma trận thực nghiệm
y1 - hàm mục tiêu 1, ứng với giới hạn bền kéo σb(MPa)
y2 - hàm mục tiêu 2, ứng với nghịch đảo độ nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất (y2 = 1/Δσ). Trong đó Δσ = (σb - σb’); σb và σb’ là giới hạn bền trước và sau thử ăn mòn.
Tính toán hệ số hàm mục tiêu y1, y2, kiểm định giá trị có nghĩa các hệ số này bằng chỉ tiêu Student cũng như kiểm định sự tương hợp của các hàm y1, y2 bằng chỉ tiêu Fisher được tiến hành với sự trợ giúp của phần mềm Design-Expert. Ta có:
2.3. Xác định chế độ hóa già phân cấp tối ưu đồng thời 2 chỉ tiêu y1 và y2
Phương pháp Harrington là một trong những phương pháp tối ưu hóa đa chỉ tiêu ứng dụng rất hiệu quả cho các quy trình công nghệ. Nguyên tắc của phương pháp này là chuyển đổi giá trị có thứ nguyên về không thứ nguyên của các hàm mục tiêu, dựa trên tương quan thang nguyện vọng (bảng 3). Sử dụng phương pháp biến đổi toán học [10] sẽ nhận được các hàm nguyện vọng riêng phần d1, d2, …, dk và hàm nguyện vọng tổng quát
| Đánh giá định lượng trên thang nguyện vọng | Sự mong muốn của chỉ tiêu chất lượng |
| 0,80 - 1,00 | Rất tốt |
| 0,63 - 0,80 | Tốt |
| 0,37 - 0,63 | Trung bình |
| 0,20 - 0,37 | Kém |
| 0,00 - 0,20 | Rất kém |
Bảng 3. Các giá trị trung gian được gán
Công trình nghiên cứu này có 2 hàm nguyện vọng riêng phần, hàm nguyện vọng tổng quát D có dạng sau:
Tối ưu hóa D ta sẽ được kết quả tối ưu hóa đồng thời 2 chỉ tiêu y1 và y2.
3. KẾT QUẢ
3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian hóa già phân cấp
Từ các hàm mục tiêu tương hợp (1) và (2) biểu diễn sự phụ thuộc giới hạn bền (y1) và nghịch đảo độ nhạy cảm ăn mòn dưới ứng suất (y2) vào các biến số nhiệt độ, thời gian hóa già, có thể nhận thấy:
Hình 3. Quan hệ giữa độ bền với nhiệt độ hoá già cấp 1
- Trong chặng nghiên cứu, tăng nhiệt độ hóa già cấp 1 làm tăng giới hạn bền (hình 3), trong khi đó tăng nhiệt độ hóa già cấp 2 độ bền tăng, đạt cực đại ở 160°C (hình 4). Kéo dài thời gian hóa già cấp 1, (x2) gây ảnh hưởng xấu đến giới hạn bền.
Hình 4. Quan hệ giữa độ bền với nhiệt độ hoá già cấp 2
- Đối với nghịch đảo độ nhạy cảm ăn mòn dưới ứng suất (y2), chỉ tiêu này sẽ tăng khi tăng nhiệt độ hóa già cấp 2 (hình 5). Thời gian hóa già cấp 2, (x4) hầu như không ảnh hưởng, trong khi đó kéo dài thời gian hóa già cấp 1, (x2) có ảnh hưởng tốt, làm tăng khả năng chống nhạy cảm với ăn mòn nứt.
Hình 5. Quan hệ giữa nghịch đảo độ nhạy cảm ăn mòn dưới ứng suất với nhiệt độ hoá già cấp 2
3.2. Tối ưu hóa chế độ hóa già phân cấp
Sử dụng phần mềm Design-Expert, sau khi xử lý số liệu, tối ưu hóa chỉ tiêu D thu được kết quả sau:
Hóa già cấp 1: Nhiệt độ 120°C, thời gian 18h Hóa già cấp 2: Nhiệt độ 190°C, thời gian 6h
Ứng với chế độ hóa già phân cấp này, độ bền và độ chống nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất đồng thời đạt giá trị tương đối cao:
y1(σb) = 330 MPa y2(1/Δσ) = 0,1 MPa-1
So với chế độ T6 tiến hành trong [5], giới hạn bền tuy nhỏ hơn (không đáng kể) nhưng hóa già phân cấp theo công trình này cải thiện rất nhiều độ chống nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất.
Kết quả nghiên cứu tổ chức tế vi được tiến hành trên kính hiển vi quang học Axiovert 100A cho thấy, sau hóa già phân cấp (hình 6) pha thứ 2 phân tán hơn rất nhiều so với trạng thái ban đầu sau cán (hình 7).
4. KẾT LUẬN
Đã xác định được quy luật ảnh hưởng của các thông số nhiệt độ, thời gian đến giới hạn bền và độ chống nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất trong chế độ hóa già phân cấp hợp kim nhôm tương đương 7020.
Đã áp dụng phương pháp hàm nguyện vọng Harrington tối ưu hóa chế độ hóa già phân cấp hợp kim nhôm này đảm bảo giới hạn bền và độ chống nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất đạt đồng thời giá trị cao.
[symple_box color="gray" text_align="left" width="100%" float="none"]
TÀI LIỆU TRÍCH DẪN
- Deschamps A. et al., Acta Mater., 1999, 47, 281
- Engdahl T. et al, Mater Sci Eng., A 2002, 327:59
- Li X., Starink M., J. Mater. Sci. Forum, 2003, 331-337:1071
- В.И.ЕЛАГИН, ЛeГпpоваhпe Aлюминиевыx сплавов пepeхoдhыми металлами, M., 1975
- Abhay K. Jha, G. Naga Shiresha, K. Sreekumar, M.C. Mittal, K.N. Ninan, Stress corrosion cracking in alum- nium alloy, AFNOR 7020-T6, Water tank adaptor for liquid propulsion system, 2007
- Femminella OP, Starink MJ ISIJ Int, 1999; 39:1027
- Deschamps A, et al., Phil Mag, 2001; 81:2391
- R. Ferragut et al. On the two-step ageing of commercial Al-Zn-Mg alloy: a study by position lifetime spec- troscopy, J. Phys. 8, 1996, pp. 8945-8952
- Ou, Bjn-lung et al, Effect of homogenization and ageing treatment on mechanical properties and stress-cor- rosion cracking of 7050 alloys, J. Metallurgical and materials transaction A, Vol 38, 8, August 2007.
- С.Л. АХНАЗАРОВА, Oптимизация эксперимента, М, 1978
[/symple_box][symple_clear_floats]