Khi các quốc gia trên thế giới coi trọng việc tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải, việc phát triển các loại xe năng lượng mới chạy hoàn toàn bằng điện đã trở thành xu hướng. Ngoài hiệu suất của pin, chất lượng của thân xe cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến phạm vi lái xe của các loại xe năng lượng mới. Thúc đẩy phát triển các cấu trúc thân xe ô tô nhẹ và các kết nối chất lượng cao có thể cải thiện phạm vi lái xe toàn diện của xe điện bằng cách giảm trọng lượng của toàn bộ xe càng nhiều càng tốt trong khi vẫn đảm bảo độ bền và hiệu suất an toàn của xe. Về mặt giảm trọng lượng của ô tô, thân xe lai thép-nhôm tính đến cả độ bền và giảm trọng lượng của thân xe, trở thành một phương tiện quan trọng để đạt được mục tiêu giảm trọng lượng của thân xe.
Phương pháp kết nối truyền thống để kết nối hợp kim nhôm có hiệu suất kết nối kém và độ tin cậy thấp. Đinh tán tự đâm thủng, là một công nghệ kết nối mới, đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô và ngành sản xuất hàng không vũ trụ vì lợi thế tuyệt đối của nó trong việc kết nối hợp kim nhẹ và vật liệu composite. Trong những năm gần đây, các học giả trong nước Trung Quốc đã tiến hành nghiên cứu có liên quan về công nghệ đinh tán tự đâm thủng và nghiên cứu tác động của các phương pháp xử lý nhiệt khác nhau đến hiệu suất của mối nối đinh tán tự đâm thủng titan nguyên chất công nghiệp TA1. Người ta thấy rằng các phương pháp xử lý nhiệt ủ và làm nguội đã cải thiện độ bền tĩnh của mối nối đinh tán tự đâm thủng titan nguyên chất công nghiệp TA1. Cơ chế tạo mối nối đã được quan sát và phân tích theo góc độ dòng chảy vật liệu và chất lượng mối nối được đánh giá dựa trên điều này. Thông qua các thử nghiệm kim loại học, người ta thấy rằng diện tích biến dạng dẻo lớn đã được tinh chế thành cấu trúc sợi có xu hướng nhất định, thúc đẩy cải thiện ứng suất chảy và độ bền mỏi của mối nối.
Nghiên cứu trên chủ yếu tập trung vào tính chất cơ học của mối nối sau khi tán đinh các tấm hợp kim nhôm. Trong quá trình sản xuất tán đinh thực tế của thân xe, các vết nứt của mối nối tán đinh của các thanh đùn hợp kim nhôm, đặc biệt là hợp kim nhôm cường độ cao có hàm lượng nguyên tố hợp kim cao, chẳng hạn như hợp kim nhôm 6082, là những yếu tố chính hạn chế việc áp dụng quy trình này trên thân xe. Đồng thời, dung sai hình dạng và vị trí của các thanh đùn được sử dụng trên thân xe, chẳng hạn như uốn cong và xoắn, ảnh hưởng trực tiếp đến việc lắp ráp và sử dụng các thanh, đồng thời cũng xác định độ chính xác về kích thước của thân xe sau đó. Để kiểm soát độ uốn cong và xoắn của các thanh và đảm bảo độ chính xác về kích thước của các thanh, ngoài cấu trúc khuôn, nhiệt độ đầu ra của các thanh và tốc độ làm nguội trực tuyến là những yếu tố ảnh hưởng quan trọng nhất. Nhiệt độ đầu ra càng cao và tốc độ làm nguội càng nhanh thì độ uốn cong và xoắn của các thanh càng lớn. Đối với các thanh hợp kim nhôm dùng cho thân xe, cần phải đảm bảo độ chính xác về kích thước của các thanh và đảm bảo rằng hợp kim không bị nứt khi tán đinh. Cách đơn giản nhất để tối ưu hóa độ chính xác về kích thước và hiệu suất nứt đinh tán của hợp kim là kiểm soát nứt bằng cách tối ưu hóa nhiệt độ gia nhiệt và quá trình lão hóa của thanh đùn trong khi vẫn giữ nguyên thành phần vật liệu, cấu trúc khuôn, tốc độ đùn và tốc độ làm nguội. Đối với hợp kim nhôm 6082, với điều kiện là các điều kiện quy trình khác không thay đổi, nhiệt độ đùn càng cao, lớp hạt thô càng nông, nhưng biến dạng của cấu hình sau khi làm nguội càng lớn.
Bài báo này lấy hợp kim nhôm 6082 có cùng thành phần với đối tượng nghiên cứu, sử dụng các nhiệt độ đùn khác nhau và các quy trình lão hóa khác nhau để chuẩn bị các mẫu ở các trạng thái khác nhau và đánh giá tác động của nhiệt độ đùn và trạng thái lão hóa đối với thử nghiệm tán đinh thông qua các thử nghiệm tán đinh. Dựa trên các kết quả sơ bộ, quy trình lão hóa tối ưu được xác định thêm để cung cấp hướng dẫn cho việc sản xuất tiếp theo các cấu hình đùn thân hợp kim nhôm 6082.
1 Vật liệu và phương pháp thí nghiệm
Như thể hiện trong Bảng 1, hợp kim nhôm 6082 được nấu chảy và chế tạo thành thỏi tròn bằng phương pháp đúc bán liên tục. Sau đó, sau khi xử lý nhiệt đồng nhất, thỏi được nung ở các nhiệt độ khác nhau và đùn thành một hình dạng trên máy đùn 2200 tấn. Độ dày thành hình dạng là 2,5 mm, nhiệt độ thùng đùn là 440 ± 10 ℃, nhiệt độ khuôn đùn là 470 ± 10 ℃, tốc độ đùn là 2,3 ± 0,2 mm/giây và phương pháp làm nguội hình dạng là làm mát bằng gió mạnh. Theo nhiệt độ gia nhiệt, các mẫu được đánh số từ 1 đến 3, trong đó mẫu 1 có nhiệt độ gia nhiệt thấp nhất, nhiệt độ phôi tương ứng là 470±5℃, nhiệt độ phôi tương ứng của mẫu 2 là 485±5℃, nhiệt độ mẫu 3 là cao nhất, nhiệt độ phôi tương ứng là 500±5℃.
Bảng 1 Thành phần hóa học đo được của hợp kim thử nghiệm (phần khối lượng/%)
Trong điều kiện các thông số quy trình khác như thành phần vật liệu, cấu trúc khuôn, tốc độ đùn, tốc độ làm nguội không đổi, các mẫu số 1 đến 3 ở trên thu được bằng cách điều chỉnh nhiệt độ gia nhiệt đùn được lão hóa trong lò điện trở dạng hộp và hệ thống lão hóa là 180 ℃/6 giờ và 190 ℃/6 giờ. Sau khi cách nhiệt, chúng được làm mát bằng không khí, sau đó được tán đinh để đánh giá ảnh hưởng của các nhiệt độ đùn khác nhau và trạng thái lão hóa khác nhau đến thử nghiệm tán đinh. Thử nghiệm tán đinh sử dụng hợp kim 6082 dày 2,5 mm với các nhiệt độ đùn khác nhau và các hệ thống lão hóa khác nhau làm tấm đáy và hợp kim 5754-O dày 1,4 mm làm tấm trên cho thử nghiệm tán đinh SPR. Khuôn tán đinh là M260238 và đinh tán là C5.3×6.0 H0. Ngoài ra, để xác định thêm quá trình lão hóa tối ưu, theo ảnh hưởng của nhiệt độ đùn và trạng thái lão hóa đến vết nứt tán đinh, tấm ở nhiệt độ đùn tối ưu được chọn, sau đó xử lý ở các nhiệt độ khác nhau và thời gian lão hóa khác nhau để nghiên cứu ảnh hưởng của hệ thống lão hóa đến vết nứt tán đinh, để cuối cùng xác nhận hệ thống lão hóa tối ưu. Một kính hiển vi công suất cao đã được sử dụng để quan sát cấu trúc vi mô của vật liệu ở các nhiệt độ đùn khác nhau, một máy kiểm tra điện tử vạn năng điều khiển bằng máy vi tính dòng MTS-SANS CMT5000 đã được sử dụng để kiểm tra các tính chất cơ học và một kính hiển vi công suất thấp đã được sử dụng để quan sát các mối nối tán đinh sau khi tán đinh ở các trạng thái khác nhau.
2Kết quả thực nghiệm và thảo luận
2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đùn và trạng thái lão hóa đến nứt đinh tán
Lấy mẫu dọc theo mặt cắt ngang của cấu hình đùn. Sau khi nghiền thô, nghiền mịn và đánh bóng bằng giấy nhám, mẫu được ăn mòn bằng 10% NaOH trong 8 phút và sản phẩm ăn mòn màu đen được lau sạch bằng axit nitric. Lớp hạt thô của mẫu được quan sát bằng kính hiển vi công suất cao, được đặt trên bề mặt bên ngoài khóa đinh tán tại vị trí tán đinh dự định, như thể hiện trong Hình 1. Độ sâu lớp hạt thô trung bình của mẫu số 1 là 352 μm, độ sâu lớp hạt thô trung bình của mẫu số 2 là 135 μm và độ sâu lớp hạt thô trung bình của mẫu số 3 là 31 μm. Sự khác biệt về độ sâu của lớp hạt thô chủ yếu là do nhiệt độ đùn khác nhau. Nhiệt độ đùn càng cao, khả năng chống biến dạng của hợp kim 6082 càng thấp, năng lượng biến dạng lưu trữ do ma sát giữa hợp kim và khuôn đùn (đặc biệt là đai làm việc của khuôn) càng nhỏ và lực truyền động kết tinh lại càng nhỏ. Do đó, lớp hạt thô bề mặt càng nông; nhiệt độ đùn càng thấp, khả năng chống biến dạng càng lớn, năng lượng biến dạng lưu trữ càng lớn, dễ kết tinh lại và lớp hạt thô càng sâu. Đối với hợp kim 6082, cơ chế kết tinh lại hạt thô là kết tinh lại thứ cấp.
(a) Mô hình 1
(b) Mô hình 2
(c) Mô hình 3
Hình 1 Độ dày của lớp hạt thô của các cấu hình đùn bằng các quy trình khác nhau
Các mẫu 1 đến 3 được chuẩn bị ở các nhiệt độ đùn khác nhau được lão hóa lần lượt ở 180 ℃/6 giờ và 190 ℃/6 giờ. Các tính chất cơ học của mẫu 2 sau hai quy trình lão hóa được thể hiện trong Bảng 2. Trong hai hệ thống lão hóa, giới hạn chảy và độ bền kéo của mẫu ở 180 ℃/6 giờ cao hơn đáng kể so với ở 190 ℃/6 giờ, trong khi độ giãn dài của hai hệ thống không khác nhau nhiều, cho thấy 190 ℃/6 giờ là xử lý lão hóa quá mức. Vì các tính chất cơ học của hợp kim nhôm loạt 6 dao động rất lớn theo sự thay đổi của quy trình lão hóa ở trạng thái lão hóa dưới mức, nên không có lợi cho sự ổn định của quy trình sản xuất hồ sơ và kiểm soát chất lượng tán đinh. Do đó, không phù hợp để sử dụng trạng thái lão hóa dưới mức để sản xuất hồ sơ thân.
Bảng 2 Tính chất cơ học của mẫu số 2 dưới hai hệ thống lão hóa
Hình dạng của mẫu thử sau khi tán đinh được thể hiện ở Hình 2. Khi mẫu số 1 có lớp hạt thô sâu hơn được tán đinh ở trạng thái lão hóa đỉnh điểm, bề mặt đáy của đinh tán có lớp vỏ cam và vết nứt rõ ràng có thể nhìn thấy bằng mắt thường, như thể hiện ở Hình 2a. Do định hướng không nhất quán bên trong các hạt, mức độ biến dạng sẽ không đồng đều trong quá trình biến dạng, tạo thành bề mặt không đồng đều. Khi các hạt thô, độ không đồng đều của bề mặt trở nên lớn hơn, tạo thành hiện tượng lớp vỏ cam có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Khi mẫu số 3 có lớp hạt thô nông hơn được chế tạo bằng cách tăng nhiệt độ đùn được tán đinh ở trạng thái lão hóa đỉnh điểm, bề mặt đáy của đinh tán tương đối nhẵn và vết nứt được ngăn chặn ở một mức độ nhất định, chỉ có thể nhìn thấy dưới độ phóng đại của kính hiển vi, như thể hiện ở Hình 2b. Khi mẫu số 3 ở trạng thái lão hóa quá mức, không quan sát thấy vết nứt nào dưới độ phóng đại của kính hiển vi, như thể hiện ở Hình 2c.
(a) Các vết nứt có thể nhìn thấy bằng mắt thường
(b) Các vết nứt nhỏ có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi
(c) Không có vết nứt
Hình 2 Các mức độ nứt khác nhau sau khi tán đinh
Bề mặt sau khi tán đinh chủ yếu ở ba trạng thái, cụ thể là vết nứt có thể nhìn thấy bằng mắt thường (đánh dấu “×”), vết nứt nhẹ có thể nhìn thấy dưới độ phóng đại của kính hiển vi (đánh dấu “△”) và không có vết nứt (đánh dấu “○”). Kết quả hình thái tán đinh của ba mẫu trạng thái trên theo hai hệ thống lão hóa được thể hiện trong Bảng 3. Có thể thấy rằng khi quá trình lão hóa không đổi, hiệu suất nứt tán đinh của mẫu có nhiệt độ đùn cao hơn và lớp hạt thô mỏng hơn tốt hơn mẫu có lớp hạt thô sâu hơn; khi lớp hạt thô không đổi, hiệu suất nứt tán đinh của trạng thái lão hóa quá mức tốt hơn trạng thái lão hóa đỉnh điểm.
Bảng 3 Sự xuất hiện hấp dẫn của các mẫu 1 đến 3 trong hai hệ thống quy trình
Đã nghiên cứu ảnh hưởng của hình thái hạt và trạng thái lão hóa đến hành vi nứt nén dọc trục của các cấu hình. Trạng thái ứng suất của vật liệu trong quá trình nén dọc trục phù hợp với trạng thái ứng suất của đinh tán tự đâm thủng. Nghiên cứu phát hiện ra rằng các vết nứt bắt nguồn từ ranh giới hạt và cơ chế nứt của hợp kim Al-Mg-Si được giải thích bằng công thức.
σapp là ứng suất tác dụng lên tinh thể. Khi nứt, σapp bằng giá trị ứng suất thực tương ứng với cường độ kéo; σa0 là sức cản của chất kết tủa trong quá trình trượt trong tinh thể; Φ là hệ số tập trung ứng suất, liên quan đến kích thước hạt d và chiều rộng trượt p.
So với kết tinh lại, cấu trúc hạt dạng sợi có lợi hơn cho việc ức chế nứt. Nguyên nhân chính là do kích thước hạt d giảm đáng kể do quá trình tinh chế hạt, có thể làm giảm hiệu quả hệ số tập trung ứng suất Φ tại ranh giới hạt, do đó ức chế nứt. So với cấu trúc dạng sợi, hệ số tập trung ứng suất Φ của hợp kim kết tinh lại có hạt thô cao hơn khoảng 10 lần so với cấu trúc dạng sợi.
So với quá trình lão hóa đỉnh, trạng thái quá trình lão hóa có lợi hơn cho việc ức chế nứt, được xác định bởi các trạng thái pha kết tủa khác nhau bên trong hợp kim. Trong quá trình lão hóa đỉnh, các pha 'β (Mg5Si6) 20-50 nm được kết tủa trong hợp kim 6082, với số lượng lớn các kết tủa và kích thước nhỏ; khi hợp kim ở quá trình lão hóa đỉnh, số lượng kết tủa trong hợp kim giảm và kích thước trở nên lớn hơn. Các kết tủa được tạo ra trong quá trình lão hóa có thể ức chế hiệu quả sự di chuyển của các vị trí sai lệch bên trong hợp kim. Lực ghim của nó lên các vị trí sai lệch liên quan đến kích thước và phần thể tích của pha kết tủa. Công thức kinh nghiệm là:
f là phần thể tích của pha kết tủa; r là kích thước của pha; σa là năng lượng giao diện giữa pha và nền. Công thức cho thấy pha kết tủa có kích thước càng lớn và phần thể tích càng nhỏ thì lực ghim của nó lên các sai lệch càng nhỏ, các sai lệch trong hợp kim càng dễ bắt đầu và σa0 trong hợp kim sẽ giảm từ trạng thái lão hóa đỉnh đến trạng thái quá lão hóa. Ngay cả khi σa0 giảm, khi hợp kim chuyển từ trạng thái lão hóa đỉnh sang trạng thái quá lão hóa, giá trị σapp tại thời điểm hợp kim nứt sẽ giảm nhiều hơn, dẫn đến ứng suất hiệu dụng tại ranh giới hạt giảm đáng kể (σapp-σa0). Ứng suất hiệu dụng tại ranh giới hạt của quá lão hóa bằng khoảng 1/5 ứng suất hiệu dụng tại ranh giới hạt của quá lão hóa đỉnh, nghĩa là ít có khả năng nứt tại ranh giới hạt trong trạng thái quá lão hóa, dẫn đến hiệu suất tán đinh của hợp kim tốt hơn.
2.2 Tối ưu hóa nhiệt độ đùn và hệ thống quá trình lão hóa
Theo kết quả trên, việc tăng nhiệt độ đùn có thể làm giảm độ sâu của lớp hạt thô, do đó ức chế sự nứt của vật liệu trong quá trình tán đinh. Tuy nhiên, theo tiền đề của một số thành phần hợp kim, cấu trúc khuôn đùn và quá trình đùn, nếu nhiệt độ đùn quá cao, một mặt, độ uốn và xoắn của cấu hình sẽ bị trầm trọng hơn trong quá trình làm nguội tiếp theo, khiến dung sai kích thước cấu hình không đáp ứng được yêu cầu, mặt khác, nó sẽ khiến hợp kim dễ bị cháy quá mức trong quá trình đùn, làm tăng nguy cơ loại bỏ vật liệu. Xem xét trạng thái tán đinh, quá trình kích thước cấu hình, cửa sổ quy trình sản xuất và các yếu tố khác, nhiệt độ đùn phù hợp hơn cho hợp kim này là không dưới 485 ℃, tức là mẫu số 2. Để xác nhận hệ thống quy trình lão hóa tối ưu, quá trình lão hóa đã được tối ưu hóa dựa trên mẫu số 2.
Các tính chất cơ học của mẫu số 2 tại các thời gian lão hóa khác nhau ở 180 ℃, 185 ℃ và 190 ℃ được thể hiện trong Hình 3, đó là giới hạn chảy, giới hạn kéo và độ giãn dài. Như thể hiện trong Hình 3a, dưới 180 ℃, thời gian lão hóa tăng từ 6 giờ đến 12 giờ và giới hạn chảy của vật liệu không giảm đáng kể. Dưới 185 ℃, khi thời gian lão hóa tăng từ 4 giờ đến 12 giờ, giới hạn chảy đầu tiên tăng và sau đó giảm, và thời gian lão hóa tương ứng với giá trị cường độ cao nhất là 5-6 giờ. Dưới 190 ℃, khi thời gian lão hóa tăng, giới hạn chảy giảm dần. Nhìn chung, ở ba nhiệt độ lão hóa, nhiệt độ lão hóa càng thấp, cường độ đỉnh của vật liệu càng cao. Các đặc điểm của giới hạn kéo trong Hình 3b phù hợp với giới hạn chảy trong Hình 3a. Độ giãn dài ở các nhiệt độ lão hóa khác nhau được thể hiện trong Hình 3c là từ 14% đến 17%, không có mô hình thay đổi rõ ràng. Thí nghiệm này kiểm tra giai đoạn lão hóa đỉnh điểm đến giai đoạn lão hóa quá mức và do có sự khác biệt nhỏ trong thí nghiệm nên lỗi thử nghiệm khiến mô hình thay đổi không rõ ràng.
Hình 3 Tính chất cơ học của vật liệu ở nhiệt độ lão hóa và thời gian lão hóa khác nhau
Sau khi xử lý lão hóa ở trên, vết nứt của các mối ghép đinh tán được tóm tắt trong Bảng 4. Có thể thấy từ Bảng 4 rằng khi thời gian tăng lên, vết nứt của các mối ghép đinh tán được ngăn chặn ở một mức độ nhất định. Trong điều kiện 180 ℃, khi thời gian lão hóa vượt quá 10 giờ, bề ngoài của mối ghép đinh tán ở trạng thái chấp nhận được, nhưng không ổn định. Trong điều kiện 185 ℃, sau khi lão hóa trong 7 giờ, bề ngoài của mối ghép đinh tán không có vết nứt và trạng thái tương đối ổn định. Trong điều kiện 190 ℃, bề ngoài của mối ghép đinh tán không có vết nứt và trạng thái ổn định. Từ kết quả thử nghiệm tán đinh, có thể thấy rằng hiệu suất tán đinh tốt hơn và ổn định hơn khi hợp kim ở trạng thái quá lão hóa. Kết hợp với việc sử dụng cấu hình thân, tán đinh ở 180 ℃/10~12 giờ không có lợi cho sự ổn định chất lượng của quy trình sản xuất do OEM kiểm soát. Để đảm bảo tính ổn định của mối ghép đinh tán, thời gian lão hóa cần được kéo dài hơn nữa, nhưng việc xác minh thời gian lão hóa sẽ dẫn đến hiệu quả sản xuất hồ sơ giảm và chi phí tăng. Trong điều kiện 190 ℃, tất cả các mẫu đều có thể đáp ứng các yêu cầu về nứt đinh tán, nhưng độ bền của vật liệu giảm đáng kể. Theo yêu cầu của thiết kế xe, cường độ chảy của hợp kim 6082 phải được đảm bảo lớn hơn 270 MPa. Do đó, nhiệt độ lão hóa 190 ℃ không đáp ứng các yêu cầu về độ bền vật liệu. Đồng thời, nếu độ bền vật liệu quá thấp, độ dày còn lại của tấm đáy của mối ghép đinh tán sẽ quá nhỏ. Sau khi lão hóa ở 190 ℃/8 giờ, các đặc điểm mặt cắt ngang của đinh tán cho thấy độ dày còn lại là 0,26 mm, không đáp ứng yêu cầu chỉ số ≥0,3 mm, như thể hiện trong Hình 4a. Xem xét toàn diện, nhiệt độ lão hóa tối ưu là 185 ℃. Sau khi lão hóa trong 7 giờ, vật liệu có thể đáp ứng ổn định các yêu cầu về tán đinh, và độ bền đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất. Xem xét tính ổn định sản xuất của quá trình tán đinh trong xưởng hàn, thời gian lão hóa tối ưu được đề xuất là xác định là 8 giờ. Các đặc điểm mặt cắt ngang theo hệ thống quy trình này được thể hiện trong Hình 4b, đáp ứng các yêu cầu về chỉ số liên kết. Các liên kết bên trái và bên phải là 0,90 mm và 0,75 mm, đáp ứng các yêu cầu về chỉ số ≥0,4 mm và độ dày dư dưới cùng là 0,38 mm.
Bảng 4 Sự nứt của mẫu số 2 ở các nhiệt độ khác nhau và thời gian lão hóa khác nhau
Hình 4. Đặc điểm mặt cắt ngang của mối ghép đinh tán của tấm đáy 6082 ở các trạng thái lão hóa khác nhau
3 Kết luận
Nhiệt độ đùn của thanh hợp kim nhôm 6082 càng cao thì lớp hạt thô bề mặt sau khi đùn càng nông. Độ dày lớp hạt thô càng nông có thể làm giảm hiệu quả hệ số tập trung ứng suất tại ranh giới hạt, do đó ức chế nứt tán đinh. Nghiên cứu thực nghiệm đã xác định rằng nhiệt độ đùn tối ưu không dưới 485 ℃.
Khi độ dày của lớp hạt thô của thanh hợp kim nhôm 6082 là như nhau, ứng suất hiệu dụng của ranh giới hạt của hợp kim ở trạng thái lão hóa quá mức nhỏ hơn ở trạng thái lão hóa đỉnh, nguy cơ nứt trong quá trình tán đinh nhỏ hơn và hiệu suất tán đinh của hợp kim tốt hơn. Có tính đến ba yếu tố là độ ổn định tán đinh, giá trị liên kết mối ghép tán đinh, hiệu quả sản xuất xử lý nhiệt và lợi ích kinh tế, hệ thống lão hóa tối ưu cho hợp kim được xác định là 185℃/8h.
Thời gian đăng: 05-04-2025
