(1) Đặc điểm của hợp kim nhôm series 7xxx
Hợp kim nhôm sê-ri 7XXx là hợp kim nhôm có Zn là nguyên tố hợp kim chính và là hợp kim nhôm có thể xử lý nhiệt. Khi Mg được thêm vào hợp kim, nó trở thành hợp kim Al-Zn-Mg. Hợp kim có đặc tính biến dạng nhiệt tốt và phạm vi làm nguội rộng. Trong điều kiện xử lý nhiệt thích hợp, nó có thể đạt được độ bền cao và tính chất hàn tốt. Nó thường có khả năng chống ăn mòn tốt và có xu hướng ăn mòn ứng suất nhất định. Đây là hợp kim nhôm có thể hàn có độ bền cao. Hợp kim Al-Zn-Mg-Cu được phát triển trên cơ sở hợp kim Al-Zn-Mg bằng cách thêm Cu. Độ bền của nó cao hơn hợp kim nhôm sê-ri 2X. Nó thường được gọi là hợp kim nhôm có độ bền cực cao. Độ bền kéo của hợp kim gần với độ bền kéo, tỷ lệ độ bền kéo cao và độ bền riêng cũng cao, nhưng độ dẻo và độ bền nhiệt độ cao thấp. Nó phù hợp với các bộ phận kết cấu chịu tải được sử dụng ở nhiệt độ phòng và dưới 120 độ. Hợp kim dễ gia công và có khả năng chống ăn mòn tốt và độ dẻo dai cao. Dòng hợp kim này được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không và vũ trụ, và đã trở thành một trong những vật liệu cấu trúc quan trọng nhất trong lĩnh vực này.
(2) Các nguyên tố hợp kim và các nguyên tố tạp chất và chức năng của chúng
① Hợp kim Al-Zn-Mg Zn và Mg là nguyên tố hợp kim chính trong hợp kim Al-Zn-Mg, hàm lượng của chúng thường không quá 7,5%.
Zn và Mg: Khi hàm lượng Zn và Mg trong hợp kim tăng lên, độ bền kéo và hiệu ứng xử lý nhiệt của nó thường tăng theo. Xu hướng ăn mòn ứng suất của hợp kim liên quan đến tổng hàm lượng Zn và Mg. Đối với hợp kim có hàm lượng Mg cao và Zn thấp hoặc Zn cao và Mg thấp, miễn là tổng hàm lượng Zn và Mg không quá 7%, hợp kim có khả năng chống ăn mòn ứng suất tốt. Xu hướng nứt hàn của hợp kim giảm khi hàm lượng Mg tăng.
Lượng nhỏ các nguyên tố bổ sung trong hợp kim Al-Zn-Mg bao gồm Mn, Cr, Cu, Zr và Ti, và các tạp chất chính bao gồm Fe và Si.
Mn và Cr: Thêm Mn và Cr có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn ứng suất của hợp kim. Hàm lượng Mn là 0.2%~
Ở {{0}}.4%, hiệu quả là đáng kể. Hiệu quả của việc thêm Cr lớn hơn so với việc thêm Mn. Nếu Mn và Cr được thêm vào cùng một lúc, hiệu quả giảm xu hướng ăn mòn ứng suất sẽ tốt hơn. Lượng Cr được thêm vào thích hợp là 0.1%~0.2%.
Zr: Zr có thể cải thiện đáng kể khả năng hàn của hợp kim A{{0}}Zn-Mg. Khi thêm 0,2% Zr vào hợp kim AlZn5Mg3Cu0.35Cr0.35, vết nứt hàn giảm đáng kể. Zr cũng có thể làm tăng nhiệt độ kết tinh lại cuối cùng của hợp kim. Trong hợp kim AlZn4,5Mg1,8Mn0.6, khi hàm lượng Zr cao hơn 0,2%, nhiệt độ kết tinh lại cuối cùng của hợp kim là trên 500 độ. Do đó, vật liệu vẫn giữ được độ bền sau khi tôi. Mô bị biến dạng. Thêm 0,1% đến 0,2% Zr vào hợp kim Al-Zn-Mg có chứa Mn cũng có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn ứng suất của hợp kim, nhưng Zr có tác dụng thấp hơn Cr.
Ti: Thêm Ti vào hợp kim có thể tinh chỉnh kích thước hạt của hợp kim ở trạng thái đúc và cải thiện khả năng hàn của hợp kim, nhưng hiệu quả của nó thấp hơn Zr. Nếu Ti và Zr được thêm vào cùng một lúc, hiệu quả sẽ tốt hơn. Trong hợp kim AlZn5Mg3Cr0.3Cu0.3 có hàm lượng Ti là 0.12%, khi hàm lượng Zr vượt quá 0.15%, hợp kim có khả năng hàn và độ giãn dài tốt và có thể đạt được hiệu quả tương tự như khi chỉ thêm 0.2% Zr. Ti cũng có thể làm tăng nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim.
Cu: Thêm một lượng nhỏ Cu vào hợp kim Al-Zn-Mg có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn ứng suất và độ bền kéo. Tuy nhiên, khả năng hàn của hợp kim bị giảm.
Fe: Fe có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn và tính chất cơ học của hợp kim, đặc biệt là đối với hợp kim có hàm lượng Mn cao. Do đó, hàm lượng Fe phải càng thấp càng tốt và hàm lượng của nó phải giới hạn ở mức nhỏ hơn 0,3%.
Si: Si có thể làm giảm độ bền của hợp kim, giảm nhẹ hiệu suất uốn, tăng xu hướng nứt hàn. Hàm lượng Si trong hợp kim phải giới hạn ở mức nhỏ hơn 0.3%.
② Hợp kim Al-Zn-Mg-Cu Hợp kim Al-Zn-Mg-Cu là hợp kim có thể xử lý nhiệt, thành phần gia cường chủ yếu là Zn và Mg. Cu cũng có tác dụng gia cường nhất định, nhưng chức năng chính của nó là cải thiện khả năng chống ăn mòn của vật liệu.
Zn và Mg: Zn và Mg là các nguyên tố tăng cường chính. Khi chúng cùng tồn tại, chúng sẽ tạo thành pha η (MgZn2) và T (Al2Mg2Zn3). Pha η và pha T có độ hòa tan lớn trong AI và thay đổi đáng kể theo sự tăng và giảm nhiệt độ. Độ hòa tan của MgZn₂ ở nhiệt độ eutectic là 28%, giảm xuống còn 4% ~ 5% ở nhiệt độ phòng. Nó có tác dụng tăng cường lão hóa mạnh. Việc tăng hàm lượng Zn và Mg có thể cải thiện đáng kể độ bền và độ cứng, nhưng nó sẽ làm giảm độ dẻo, khả năng chống ăn mòn ứng suất và độ dai gãy.
Cu: Khi Zn/Mg lớn hơn 2,2 và hàm lượng Cu lớn hơn Mg, Cu và các nguyên tố khác có thể tạo ra pha S (CuMgAlz) được tăng cường để tăng cường độ của hợp kim, nhưng trong trường hợp ngược lại, khả năng tồn tại pha S là rất nhỏ. Cu có thể làm giảm hiệu điện thế giữa ranh giới hạt và hạt trong, đồng thời cũng có thể thay đổi cấu trúc pha kết tủa và tinh chỉnh pha kết tủa ranh giới hạt, nhưng nó ít ảnh hưởng đến chiều rộng của vùng không kết tủa ranh giới hạt. Nó có thể ức chế xu hướng nứt giữa các hạt, do đó cải thiện khả năng chống ăn mòn ứng suất của hợp kim. Tuy nhiên, khi hàm lượng Cu lớn hơn 3%, khả năng chống ăn mòn của hợp kim sẽ giảm. Cu có thể làm tăng quá trình quá bão hòa của hợp kim, đẩy nhanh quá trình lão hóa nhân tạo của hợp kim trong khoảng từ 100 đến 200 độ C, mở rộng phạm vi nhiệt độ ổn định của vùng GP và cải thiện độ bền kéo, độ dẻo và độ bền mỏi. Trong phạm vi hàm lượng Cu không quá cao, khả năng chống mỏi biến dạng tuần hoàn và độ dai gãy tăng theo hàm lượng Cu tăng, tốc độ phát triển vết nứt giảm trong môi trường ăn mòn, nhưng việc bổ sung Cu có xu hướng tạo ra ăn mòn liên hạt và ăn mòn rỗ. Tác động của Cu lên độ dai gãy liên quan đến tỷ lệ Zn/Mg. Khi tỷ lệ nhỏ, hàm lượng Cu càng cao, độ dai càng kém; khi tỷ lệ lớn, ngay cả khi hàm lượng Cu cao, độ dai vẫn rất tốt.
Trong hợp kim còn có một lượng nhỏ các nguyên tố vi lượng như Mn, Cr, Zr, V, Ti, B. Fe và Si là tạp chất có hại trong hợp kim, tương tác của chúng như sau.
Mn, Cr: Thêm một lượng nhỏ các nguyên tố chuyển tiếp như Mn và Cr có tác động đáng kể đến cấu trúc và tính chất của hợp kim. Các nguyên tố này có thể tạo ra các hạt phân tán trong quá trình ủ đồng nhất của thỏi, ngăn chặn sự di chuyển của các vị trí sai lệch và ranh giới hạt, do đó làm tăng nhiệt độ kết tinh lại, ngăn chặn hiệu quả sự phát triển của các hạt, tinh chế các hạt và đảm bảo rằng cấu trúc vẫn không kết tinh lại hoặc kết tinh lại một phần sau khi gia công nóng và xử lý nhiệt, do đó cải thiện độ bền trong khi có khả năng chống ăn mòn ứng suất tốt hơn. Về mặt cải thiện khả năng chống ăn mòn ứng suất, thêm Cr tốt hơn thêm Mn.
Zr: Gần đây, có xu hướng thay thế Cr và Mn bằng Zr. Zr có thể làm tăng đáng kể nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim. Cho dù là biến dạng nóng hay biến dạng lạnh, cấu trúc không kết tinh lại có thể thu được sau khi xử lý nhiệt. Zr cũng có thể cải thiện khả năng làm cứng, khả năng hàn, độ dai gãy, khả năng chống ăn mòn ứng suất, v.v. của hợp kim. Zr là một nguyên tố phụ gia vết rất hứa hẹn trong hợp kim Al-Zn-Mg-Cu.
Ti và B: Ti và B có thể tinh chỉnh các hạt hợp kim ở trạng thái đúc và tăng nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim.
Fe và Si: Fe và Si là tạp chất có hại không thể tránh khỏi trong hợp kim nhôm 7XxX, chủ yếu có trong nguyên liệu thô, cũng như các công cụ và thiết bị dùng trong quá trình nấu chảy và đúc. Các tạp chất này chủ yếu tồn tại dưới dạng FeAl cứng và giòn: và Si tự do. Các tạp chất này cũng có thể tạo thành các hợp chất thô như (FeMn)Als, (FeMn)Si2Als, Al(FeMnCr) với Mn và Cr. FeAl3 có tác dụng tinh chế hạt, nhưng có tác động lớn hơn đến khả năng chống ăn mòn. Khi hàm lượng pha không hòa tan tăng lên, phần thể tích của pha không hòa tan cũng tăng lên. Các pha thứ hai không hòa tan này sẽ bị phá vỡ và kéo dài trong quá trình biến dạng, tạo thành cấu trúc dạng dải và các hạt được sắp xếp theo đường thẳng theo hướng biến dạng. Vì các hạt tạp chất phân bố bên trong các hạt hoặc trên ranh giới hạt nên trong quá trình biến dạng dẻo, các lỗ rỗng xuất hiện trên một số ranh giới hạt-ma trận, tạo thành các vết nứt vi mô, trở thành nguồn gốc của các vết nứt vĩ mô. Ngoài ra, nó có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phát triển của các vết nứt mỏi. Nó có tác dụng nhất định là làm giảm độ dẻo cục bộ trong quá trình phá hủy. Sự gia tăng số lượng tạp chất làm ngắn khoảng cách giữa các hạt, do đó làm giảm độ lưu động biến dạng dẻo xung quanh đầu vết nứt. Do pha chứa Fe và Si khó hòa tan ở nhiệt độ phòng nên nó đóng vai trò là khía và dễ trở thành nguồn nứt, khiến vật liệu bị gãy, ảnh hưởng rất xấu đến độ giãn dài, đặc biệt là độ dẻo dai gãy của hợp kim. Do đó, khi thiết kế và sản xuất hợp kim mới, hàm lượng Fe và Si được kiểm soát chặt chẽ. Ngoài việc sử dụng nguyên liệu kim loại có độ tinh khiết cao, một số biện pháp cũng được thực hiện trong quá trình nấu chảy và đúc để ngăn không cho hai nguyên tố này trộn lẫn vào hợp kim.