Tối ưu hóa các chỉ tiêu cơ tính khi cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao hợp kim nhôm almgsi bằng phương pháp hàm nguyện vọng harrington - Nguyễn Khắc Thông

Journal of Science and Technology 54 (5A) (2016) 135-141 TỐI ƯU HÓA CÁC CHỈ TIÊU CƠ TÍNH KHI CƠ NHIỆT LUYỆN NHIỆT ĐỘ CAO HỢP KIM NHÔM AlMgSi BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÀM NGUYỆN VỌNG HARRINGTON Nguyễn Khắc Thông Vụ Khoa học Công nghệ và Môi trường, Bộ Giáo dục và Đào tạo, 35 Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Email: nkthong@moet.gov.vn Đến Tòa soạn: 20/7/2016; Chấp nhận đăng: 6/12/2016 TÓM TẮT Bài báo đề cập đến tối ưu hóa các chỉ tiêu cơ tính khi cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao hợp kim nhôm AlMgSi. Trên cơ sở đó tác giả đã sử dụng phương pháp hàm nguyện vọng Harrington để xác định tối ưu các chỉ tiêu cơ tính về độ bền, độ dẻo của họp kim AlMgSi khi cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao. Kết quả xác định được chế độ tối ưu cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao hợp kim AlMgSi là: nhiệt độ hoá già 174 0C; nhiệt độ biến dạng 413 0C; độ biến dạng 75 %; thời gian hoá già 6,76 giờ. Từ khóa: cơ nhiệt luyện, nhiệt độ cao, hàm nguyện vọng Harrington. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nhôm và hợp kim nhôm là vật liệu nhẹ có độ bền riêng cao, có tính hàn tương đối tốt, truyền nhiệt tốt và chống ăn mòn tốt. Hiện nay trên thế giới nhiều mác hợp kim nhôm biến dạng đã được sản xuất hàng loạt phục vụ cho công nghiệp hàng không, vũ trụ, dùng để chế tạo các loại máy bay, tên lửa, ra đa, ống phóng, khớp nối v.v hay các thiết bị quân sự khác. Các hợp kim nhôm được sử dụng trong công nghiệp và đời sống ngày càng tăng lên với tốc độ ngày càng lớn. Trong các công trình xây dựng, rất nhiều kết cấu được chế tạo bằng hợp kim nhôm đã đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế, kĩ thuật, nhẹ, bền, rẻ đồng thời thỏa mãn yêu cầu trang trí, thẩm mỹ. Để nâng cao chất lượng sản phẩm và công nghệ sản xuất hàng loạt lớn, nhiều công trình nghiên cứu đang hướng tới tối ưu hoá các chỉ tiêu cơ tính. Trong [1, 2] đã nghiên cứu tối ưu hoá cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp và cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao của hợp kim nhôm biến dạng hệ AlMgSi bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm. Trong [3] tác giả đã nghiên cứu động học quá trình hoá già của hợp kim nhôm. Trong [4, 5] nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố kim loại chuyển tiếp tới động học quá trình hoá già hợp kim nhôm. Trong [6] thuật toán Harrington trong tối ưu. Tuy nhiên số liệu về tối ưu hoá đồng thời các chỉ tiêu chất lượng vật liệu khi gia công, chế tạo còn chưa phổ biến. Trong bài này trình bày kết quả nghiên cứu tối ưu hoá đồng thời các chỉ tiêu cơ tính khi cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao (CNLNĐC) hợp kim AlMgSi bằng Nguyen Khac Thong 136 phương pháp hàm nguyện vọng Harrington xác định được chế độ tối ưu cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao hợp kim AlMgSi là: nhiệt độ hoá già; nhiệt độ biến dạng; độ biến dạng; thời gian hoá già. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Chế tạo mẫu nghiên cứu Hợp kim nghiên cứu được nấu luyện trên cơ sở phối liệu các hợp kim trung gian AlMg10; AlSi13 và Al nguyên chất. Khi nấu luyện phải tuân theo nguyên tắc: cho nhôm vào trước, nung chảy, quá nhiệt ở 50÷1000C rồi lần lượt cho các hợp kim trung gian vào theo thứ tự hợp kim trung gian có nhiệt độ nóng chảy cao, cháy hao ít cho vào trước. Khi các hợp kim đã nóng chảy hết, khuấy đều, biến tính, tinh luyện, khử khí rồi tiến hành rót khuôn. Hợp kim nhôm nghiên cứu sau khi nấu luyện được tiến hành phân tích thành phần hoá học trên máy quang phổ phát xạ nguyên tử ARL-3460 của hãng FISON Thụy sỹ. Kết quả cho trong Bảng 1. Bảng 1. Thành phần hoá học của hợp kim nghiên cứu Nguyên tố Al Si Mg Cu Cr Fe Hàm lượng (%) còn lại 0,46604 0,76939 0,14563 0,01364 0,03821 Các mẫu được chế tạo ở dạng tấm có kích thước (18×10×150) mm, từ các phôi này chế tạo mẫu nghiên cứu. Phôi hợp kim sau khi đúc được ủ đồng đều hoá ở 530 0C trong 3,5 giờ; làm nguội trong môi trường nước ở 25 0C. Sau đó các mẫu được cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao τ (BD) τ (hóa già ) τ (ủ) τ (tôi) Hình 1. Mô hình thực nghiệm cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao 1- Ủ; 2 – Làm nguội ngoài không khí; 3 – Tôi ở 5300C; 4 – Làm nguội trong nước; 5 – Biến dạng ở 380 ÷ 4800C ; 6 – Hóa già ở 1750C ; 2 6 2 2 4 5 3 1 t0C τ (h) Tối ưu hóa các chỉ tiêu cơ tính khi cơ bằng phương pháp hàm nguyện vọng Harrington 137 (CNLNĐC). Hình 1 trình bày mô hình thực nghiệm CNLNĐC. Bảng 2 trình bày các thông số quá trình CNLNĐC và kết quả thí nghiệm đo cơ tính. Biến dạng thực hiện trên máy cán nóng. Bảng 2. Thông số công nghệ và kết quả tính toán hàm nguyện vọng D N T 0 HG (x1) T 0 BD (x2) ε % (x3) τ [h] (x4) σb [MPa] δ [%] y’1 y’2 d1 d2 D 1 200 480 85 7 233,2 10,02 -1,4632 -0,6222 0,7933 0,5847 0,6811 2 150 380 85 7 202,3 8,68 -0,9688 -0,2042 0,6842 0,4425 0,5502 3 200 380 55 7 204,6 14,39 -1,0056 -1,9857 0,6936 0,8717 0,7776 4 150 480 55 7 184,1 7,45 -0,6776 0,1796 0,6018 0,3022 0,4264 5 200 380 85 3 183,6 7,72 -0,6696 0,0954 0,5993 0,3329 0,4466 6 150 480 85 3 188,7 8,04 -0,7512 -0,0045 0,6239 0,3695 0,4801 7 200 480 55 3 121,5 2,75 0,3240 1,6460 0,2509 0,0056 0,0375 8 150 380 55 3 226,0 8,84 -1,3480 -0,2541 0,7712 0,4604 0,5959 9 200 380 85 7 190,7 4,44 -0,7832 1,1187 0,6332 0,0468 0,1722 10 150 480 85 7 238,0 8,26 -1,5400 -0,0731 0,8070 0,3948 0,5644 11 200 480 55 7 129,5 2,75 0,1960 1,6460 0,2963 0,0056 0,0407 12 150 380 55 7 208,4 6,22 -1,0664 0,5634 0,7088 0,1726 0,3498 13 200 480 85 3 193,1 2,08 -0,8216 1,8550 0,6442 0,0017 0,0328 14 150 380 85 3 207,3 6,04 -1,0488 0,6195 0,7044 0,1560 0,3315 15 200 380 55 3 215,3 5,50 -1,1768 0,7880 0,7347 0,1109 0,2855 16 150 480 55 3 184,6 8,94 -0,6856 -0,2853 0,6042 0,4715 0,5338 17 175 430 70 5 269,0 7,80 -2,0360 0,0704 0,8776 0,3420 0,5479 18 210 430 70 5 252,0 13,37 -1,7640 -1,6674 0,8425 0,8280 0,8352 19 140 430 70 5 174,6 8,46 -0,5256 -0,1355 0,5537 0,4176 0,4808 20 175 500 70 5 220,6 8,2 -1,2616 -0,0544 0,7534 0,3879 0,5406 21 175 360 70 5 266,6 11,08 -1,9976 -0,9530 0,8731 0,6800 0,7706 22 175 430 91 5 241,6 6,17 -1,5976 0,5790 0,8168 0,1679 0,3704 23 175 430 48 5 236,8 14,29 -1,5208 -1,9545 0,8037 0,8679 0,8352 24 175 430 70 7,8 260,2 13,65 -1,8952 -1,7548 0,8605 0,8412 0,8508 25 175 430 70 2,2 176,2 10,54 -0,5512 -0,7845 0,5620 0,6336 0,5967 Nguyen Khac Thong 138 2.2. Xây dựng hàm nguyện vọng D Để tối ưu hoá đồng thời độ bền (y1) và độ dẻo (y2) khi cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm nghiên cứu, trong công trình này sử dụng phương pháp hàm nguyện vọng Harrington, thay vì phải phân tích nhiều chỉ tiêu bằng cách tối ưu hoá một chỉ tiêu đặc trưng chung cho các chỉ tiêu cần xét; chỉ tiêu đặc trưng này gọi là hàm nguyện vọng đặc trưng chung D. Trên cơ sở lập các hàm nguyện vọng riêng phần d1, d2 tương ứng với các chỉ tiêu độ bền (σ) và độ giãn dài (δ). Chuyển các đại lượng có thứ nguyên y1, y2 về đại lượng không thứ nguyên y’1, y’2 theo công thức (1) [6]. d = exp [- exp (-y’)] (1) trong đó y’ = b0 + b1 y (2) Hệ số b0 và b1 được xác định nếu cho 2 giá trị tính chất y tương ứng với hàm nguyện vọng riêng phần d trong khoảng 0,2 < d < 0,8. Trong đó các giá trị y1, y2 được chọn theo yêu cầu mục tiêu thực tế sản xuất, tương ứng với 2 giá trị cơ bản trên thang nguyên vọng (Bảng 3). Bảng 3. Giá trị thang nguyện vọng. 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 Sau khi gán giá trị y1, y2 thích hợp theo yêu cầu vào các giá trị cơ bản của thang nguyện vọng là 0,2 v à 0,63; sử dụng các công thức (1), (2) ta thu được các hàm nguyện vọng riêng phần d1, d2: d1 = exp [-exp(2,268 -0,016.y1)] (3) d2 = exp [-exp(2,504 -0,312.y2)] (4) Hàm nguyện vọng đặc trưng chung D được xác định theo công thức trung bình: )5(...21k kdddD = Thay (3), (4) vào (5) ta có trong đó: y1, y2 giá trị giới hạn bền và độ giãn dài tương ứng của hợp kim AlMgSi nghiên cứu. Kết quả tính toán giá trị D theo số liệu thực nghiệm cho trong Bảng 2. Từ số liệu này ta thu được phương trình hồi quy biểu diễn sự phụ thuộc của D vào các thông số quá trình CNLNĐC: ( ) ( )[ ] )6(2312,0504,2exp1016,0268,2exp21exp ⎭⎬⎫⎩⎨⎧ −+−−= yyD Tối ưu hóa các chỉ tiêu cơ tính khi cơ bằng phương pháp hàm nguyện vọng Harrington 139 Y(D) = 0,7860 - 0,0516 x2 + 0,0570 x4 - 0,0627 x1x2 + 0,0543 x1x4 + 0,0727 x2 x3 - 0,0913 x12 - 0,0974 x22 - 0,1238 x32 – 0,0633 x42 (7) trong đó x1- nhiệt độ hoá già; x2 - nhiệt độ biến dạng; x3 - mức độ biến dạng; x4 - thời gian hoá già. Áp dụng phương pháp thỏa hiệp (Compromise method) tìm cực trị của hàm Y(D), ta tìm được x1 = - 0,046; x2 = - 0,2125; x3 = 0,2936 và x4 = 0,8791 Theo điều kiện đặt ra khi quy hoạch thưc nghiệm CNLNĐC tiến hành quy đổi về biến thực ta xác định được các thông số của chế độ CNLNĐC đảm bảo tối ưu đồng thời độ bền, độ dẻo như sau: nhiệt độ hoá già 1740C; nhiệt độ biến dạng 4130C; độ biến dạng 75%; thời gian hoá già 6,76 h. Với chế độ cơ nhiệt trên sẽ cho các chỉ tiêu bền, dẻo tương ứng: σb = 275 MPa; δ = 11,8 %. 2.3. Ảnh tổ chức tế vi quang học Hình 2. Tổ chức hợp kim sau tôi ở 520 0C, hóa già ở 175 0C; X200. Hình 3. Tổ chức hợp kim sau CNLNĐC, (chế độ tối ưu); X200. Nguyen Khac Thong 140 Ảnh tổ chức hiển vi quang học hợp kim sau khi CNLNĐC, hóa già 6,76 trên Hình 3. So với chế độ truyền thống tôi, hoá già Hình 2 thấy rõ pha tiết ra nhỏ mịn, phân bố đồng đều hơn. 4. KẾT LUẬN Áp dụng phương pháp Harrington để giải bài toán tối ưu đa chỉ tiêu CNLNĐC hợp kim AlMgSi nghiên cứu rất hiệu quả. Đã thu được kết quả chế độ tối ưu CNLNĐC là: nhiệt độ hoá già 174 0C; nhiệt độ biến dạng 413 0C; độ biến dạng 75 %; thời gian hoá già 6,76 giờ. Ảnh tổ chức tế vi phù hợp với kết quả nhận được đối với các chỉ tiêu cơ tính. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Khắc Xương, Phạm Minh Phương, Nguyễn Khắc Thông - Quy trình tối ưu cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp hợp kim nhôm biến dạng, Hội nghị khoa học lần thứ 19 trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Tuyển tập công trình khoa học 10, Hà Nội, 2001, tr. 115-119. 2. Nguyễn Khắc Xương, Phạm Minh Phương, Nguyễn Khắc Thông, - Lựa chọn quy trình tối ưu cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao hợp kim nhôm biến dạng hệ Al-Mg-Si, Tạp chí Khoa học và Công nghệ 41 (3) (2003) 29-34. 3. Đoàn Châu Long - Quá trình hoá già trong hệ hợp kim Al-Mg-Si xảy ra khi nung liên tục”, Hội nghị khoa học chuyên ngành “vật liệu và xử lý vật liệu kim loại”, 2003, tr. 105- 115. 4. Manish D. Dighe, Arun M.Gokhale, Mark F. Horstemmeyer, and D. A. Mosher - Effect of Strain Rate on Damage Evolution in Cast Al-Mg-Si Base Alloy, Metallurgical and materials transactions a, 31a (2000) 1725-1731. 5. Murayama M., Hono K., Miao W. F., and Laughlin D. E. - The Effect of Cu Additions on the Precipitation Kinetics in an Al-Mg-Si Alloy with Excess Si, Metallurgical and Materials Transactions a, 32a (2001) 239-246. 6. Harington E.C. Inductro Quality Control, 1965, N0_10, 494÷498. ABSTRACT OPTIMALIZATION OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF AlMgSi ALLOY DURING HIGH TEMPERATURE THERMAL TREATMENT BY MEANS OF HARRINGTON ASPIRATION FUNCTION METHOD Nguyen Khac Thong Department of Science and Technology and Enviroment, Ministry of Education and Training, 35 Dai Co Viet street, Hai Ba Trung disctrict, Ha Noi Email: nkthong@moet.gov.vn Tối ưu hóa các chỉ tiêu cơ tính khi cơ bằng phương pháp hàm nguyện vọng Harrington 141 The article refers to optimalization of the mechanical properties via high-temperature heat treatment of AlMgSi alloy. Based on the Harrington aspiration function, the authors determined optimal mechanical parameters of reliability and ductility of the alloy AlMgSi when being processed by the high-temperature heat treatment. The optimal parameters obtained are: aging temperature of 174 0C; deformation temperature of 413 0C; deformation degree of 75 % and aging time of 6,76 h. Keywords: high temperature, thermal treatment, Harrington aspiration function.