Tóm tắt Luận án Nghiên cứu ứng dụng phân rã spinodal để tăng cơ tính cho hợp kim Cu - Ni - Sn

1 
A. PHẦN GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LUẬN ÁN 
Hợp kim đồng có độ bền và tính đàn hồi cao là vật liệu quan trọng trong 
nhiều ngành công nghệ cao trong công nghiệp dân dụng cũng như trong quốc 
phòng. 
Việc chế tạo các hợp kim thay thế hợp kim đồng berily được nhiều nước 
trên thế giới quan tâm. Trong đó hợp kim hệ Cu–Ni–Sn được đặc biệt tập trung 
nghiên cứu trong những năm gần đây vì những tính chất của nó có thể sánh với 
hợp kim Cu-Be. 
Các hợp kim thuộc hệ Cu-Ni-Sn đạt được giá trị độ bền cao đều trải qua 
một quá trình xử lý nhiệt đặc biệt. Hợp kim Cu-Ni-Sn được hóa bền dựa trên sự 
kết hợp của hai quá trình chuyển pha khá đặc trưng là chuyển pha spinodal và 
chuyển pha trật tự hóa. 
Việc nghiên cứu phân rã spinodal có ý nghĩa lớn không chỉ vì nếu hiểu biết 
cơ sở khoa học của nó thì có thể giải thích nhiều hiện tượng trong cả hệ hợp 
kim sắt và phi sắt, mà điều quan trọng hơn là có thể chủ động xây dựng công 
nghệ hóa già tăng bền cho chúng. 
Hệ hợp kim Cu-Ni-Sn được nghiên cứu đầu tiên ở Mỹ vào những năm 70 
của thế kỷ 20, sau đó được nhiều nước như Châu Âu, Nhật Bản, Trung Quốc 
nghiên cứu và đưa vào ứng dụng mãnh mẽ trong ngành kỹ thuật điện, hàng 
không và một số ngành khác thay thế cho hợp kim đồng berili. 
 Mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu công bố, cho đến hai thập kỷ 
gần đây các quan điểm về cấu trúc hoá bền hợp kim ở hợp kim Cu-Ni-Sn chưa 
được hệ thống và còn nhiều điểm chưa thống nhất, nhiều vấn đề chưa được làm 
sáng tỏ, hoặc chưa được công bố ngay cả trong các công trình nghiên cứu ở các 
nước có nền khoa học tiên tiến, với sự hỗ trợ của các phương tiện nghiên cứu 
hiện đại. 
Ở Việt Nam hệ Cu-Ni-Sn cũng đã được sử dụng nhưng chủ yếu chỉ ở trạng 
thái đúc với cơ tính rất thấp. Các hợp kim đồng đàn hồi đòi hỏi cơ tính cao đều 
phải nhập khẩu. Cho đến nay ở Việt Nam chưa có nghiên cứu nào về cơ chế 
tăng cơ tính cho hợp kim Cu-Ni-Sn được công bố. Do vậy luận án đặt ra vấn đề 
nghiên cứu là “Nghiên cứu ứng dụng phân rã spinodal để tăng cơ tính cho 
hợp kim Cu-Ni-Sn” 
 Mục tiêu nghiên cứu của luận án 
- Tìm hiểu về phân rã spinodal, là một dạng chuyển pha có những đặc 
điểm riêng mà sản phẩm là tạo ra những vùng cấu trúc nhỏ cỡ nano, mang lại 
hiệu quả hóa bền cao cho hợp kim, để phát hiện và phân tích cấu trúc này đòi 
hỏi phải nghiên cứu chuyên sâu về lý thuyết, sử dụng các thiết bị và phương 
pháp phân tích hiện đại mà cho đến nay chưa được nghiên cứu ở nước ta. 
- Nghiên cứu nhận diện tổ chức spnodal làm rõ vai trò các giai đoạn phát 
triển của phân rã spinodal khi xử lý nhiệt hợp kim Cu-Ni-Sn, từ giai đoạn dao 
2 
động thành phần ban đầu tới spinodal hoá học, quá trình thô hóa spinodal, 
spinodal trật tự hóa và tiết pha cân bằng trong hợp kim, sự thay đổi về tổ chức 
và cấu trúc xảy ra trong các quá trình đó. 
 - Ứng dụng phân rã spinodal với hợp kim Cu-Ni-Sn để tăng cơ tính hợp kim. 
- Xem xét ảnh hưởng của biến dạng tới quá trình chuyển pha hoá bền hợp kim. 
- Trên cơ sở đó cung cấp thông tin cho công nghệ chế tạo và xử lý nhiệt tăng 
bền hợp kim Cu-Ni-Sn phục vụ cho các ứng dụng trong thực tế. 
Nội dung chính của luận án cần giải quyết 
- Tìm hiểu về phân rã spinodal và chuyển pha trật tự hoá. 
- Nghiên cứu tổng quan về quá trình chuyển pha tăng bền trong hợp kim 
spinodal Cu-Ni-Sn. 
- Nghiên cứu xử lý nhiệt hóa bền trong hợp kim Cu-Ni-Sn. 
- Nghiên cứu biến dạng hóa bền trong hợp kim Cu-Ni-Sn. 
- Ứng dụng các phương pháp nghiên cứu để nhận biết đặc trưng cấu trúc hóa 
bền hợp kim Cu-Ni-Sn khi xử lý nhiệt. 
- Chế tạo một số mác hợp kim spinodal Cu-Ni-Sn và xử lý nhiệt mẫu. Tiến 
hành phân tích về thành phần, tổ chức, cấu trúc, độ bền hợp kim khi xử lý nhiệt 
hóa bền từ đó lý giải quá trình tăng bền khi xử lý nhiệt với hợp kim spinodal 
Cu-Ni-Sn. 
Đối tượng nghiên cứu của luận án 
Quá trình nghiên cứu được thực hiện trên các hợp kim Cu-Ni-Sn có thành phần 
nằm trong vùng phân rã spinodal gồm Cu-9Ni-3Sn; Cu-9Ni-6Sn; Cu-15Ni-8Sn; 
Cu-7Ni-7Sn, nội dung cụ thể: 
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình phân rã spinodal, quá trình trật tự 
hóa và cơ chế tăng bền của hợp kim. 
- Tìm hiểu về hệ hợp kim Cu-Ni-Sn, đặc điểm và khả năng tăng bền bằng xử lý 
nhiệt và biến dạng lên hợp kim. 
- Chế tạo mẫu. 
- Ứng dụng các phương pháp khoa học hiện đại nghiên cứu cơ chế hóa bền cho 
hợp kim Cu-Ni-Sn qua quá trình xử lý nhiệt. 
 - Phân tích vai trò tăng bền của phân rã spinodal khi xử lý nhiệt hợp kim Cu-
Ni-Sn. 
- Đưa ra một số quy trình xử lý nhiệt hóa bền cho hợp kim. 
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 
Ý nghĩa khoa học 
- Là công trình đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu về quá trình phân rã spinodal 
trên hợp kim Cu-Ni-Sn, là một dạng phân rã có sản phẩm là những vùng tổ 
chức nhỏ cỡ nano, mang lại hiệu quả hóa bền cao. Quá trình nghiên cứu đòi hỏi 
kết hợp nhiều phương pháp phân tích hiện đại trong đó đã tập trung nghiên cứu 
các đặc điểm về cấu trúc, về chuyển pha và xử lý nhiệt, mở rộng phạm vi ứng 
dụng cho hợp kim. Cho đến nay các hợp kim mà luận án nghiên cứu mới chỉ 
3 
được ở trạng thái đúc với cơ tính rất thấp. 
- Đã xác định các giai đoạn phát triển của phân rã spinodal trên một số hợp kim 
hệ Cu-Ni-Sn, từ đó xác định được trò của phân rã spinodal trong quá trình 
chuyển pha của hợp kim. 
- Đã phân tích được khả năng tăng bền trên cơ sở rã spinodal trên một số hợp 
kim cụ thể Cu-Ni-Sn khi xử lý nhiệt và biến dạng, từ đó xây dựng được quy 
trình công nghệ hóa bền cho hợp kim. 
- Đã chứng minh khả năng hóa bền vượt trội của các hợp kim Cu-Ni-Sn khi xử 
lý nhiệt ứng dụng quá trình phân rã spinodal, độ bền của hợp kim tương đương 
hợp kim Cu-Be. 
- Công trình thực hiện cho một số hợp kim đồng hệ Cu-Ni-Sn nhưng có thể 
dùng để tham khảo khi nghiên cứu hệ hợp kim khác vì phân rã spinodal có ở 
nhiều hợp kim màu và cả ở hợp kim cơ sở sắt. 
Ý nghĩa thực tiễn 
- Quá trình phân rã spinodal tăng bền mạnh mẽ cho hợp kim Cu-Ni-Sn, vì vậy 
có thể áp dụng để chế tạo các chi tiết hợp kim đồng cần độ bền cao ứng dụng 
trong kỹ thuật, đặc biệt có thể thay thế cho đồng berili để chế tạo các chi tiết 
cần độ đàn hồi cao, cơ tính cao. 
- Tuy đều có thể xử lý tăng bền trên cơ sở phân rã spinodal nhưng khi có thành 
phần và chế độ xử lý nhiệt khác nhau, hợp kim có tổ chức biến đổi dẫn tới cơ lý 
tính khác nhau, vì vậy có thể xây dựng cơ sở chế độ xử lý nhiệt tăng bền hợp 
kim Cu-Ni-Sn phù hợp với mục đích sử dụng. 
- Điều kiện trong nước hoàn toàn có thể chế tạo, xử lý nhiệt và ứng dụng hợp 
kim Cu-Ni-Sn trong kỹ thuật điện, trong cơ khí, hàng không, hàng hải, quốc 
phòng . 
Đóng góp mới của luận án 
- Đây là luận văn đầu tiên trong nước nghiên cứu ứng dụng phân rã spinodal 
hóa bền hợp kim Cu-Ni-Sn, nghiên cứu về các giai đoạn phát triển của phân rã 
spinodal trong hệ hợp kim Cu-Ni-Sn. 
- Đã nhận diện được tổ chức spinodal, đã xác định các giai đoạn phát triển của 
phân rã spinodal trên một số hợp kim hệ Cu-Ni-Sn, từ đó xác định được trò của 
phân rã spinodal trong quá trình chuyển pha của hợp kim. 
- Xây dựng được công nghệ xử lý nhiệt tăng bền cho 3 hợp kim spinodal hệ Cu-
Ni-Sn là Cu-9Ni-3Sn, Cu-9Ni-6Sn, Cu-15Ni-8Sn. 
Bố cục của luận án 
Luận án có bố cục gồm mở đầu và 3 phần; 
Phần 1: Tổng quan về hợp kim spinodal Cu-Ni-Sn và cơ chế hoá bền hợp kim 
Cu-Ni-Sn; Phần 2: Các phương pháp thí nghiệm và thiết bị sử dụng nghiên cứu 
hợp kim đồng Cu-Ni-Sn; 
Phần 3: Kết quả và thảo luận; 
Luận án gồm 117 trang, 132 hình vẽ và 38 bảng số liệu, tham khảo 69 nguồn tài 
4 
liệu, ngoài ra thuộc về luận án còn có 1 phụ lục kèm theo. 
B. NỘI DUNG LUẬN ÁN 
I TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM SPINODAL Cu-Ni-Sn VÀ CƠ CHẾ HOÁ 
BỀN HỢP KIM Cu-Ni-Sn 
Hợp kim đồng Cu-Ni-Sn vùng thành phần hợp kim có phân rã spinodal là hàm 
lượng Ni ken:3-30%; Hàm lượng thiếc:2,5–15%. Tuy nhiên trong thực tế hàm 
lượng được sử dụng có lợi nhất theo tiêu chí ứng dụng cơ tính hợp kim là: ni 
ken: 4-15%, thiếc: 3,5-8%. 
- Phần tổng quan của luân án đã trình bày về phân rã spinodal các quá 
trình chuyển pha xảy ra trong hợp kim Cu-Ni-Sn, khi xử lý nhiệt tăng cơ tính 
cho hợp kim gắn với sự biến đổi trong cấu trúc bao gồm 5 quá trình: 
 Phân rã spinodal 
 Quá trình tạo pha trật tự hóa có cấu trúc DO22 và L12 
 Quá trình cấu trúc DO22 và L12 chuyển sang pha có cấu trúc DO3 (pha 
γ) không liên tục tại biên hạt 
 Pha DO3 phát triển thành liên tục tại biên hạt 
 Pha DO3 phát triển vào trong hạt 
- Sự hóa bền hợp kim dựa trên các cấu trúc spinodal, cấu trúc trật tự hóa DO22 
và L12. Sự tạo thành và phát triển cấu trúc DO3 làm giảm cơ tính hợp kim. 
- Tìm hiểu về cơ sở nhiệt động học quá trình của phân rã spinodal và spinodal 
trật tự hóa, vai trò của khuếch tán nhiệt đối với phân rã spinodal và tạo pha 
hóa bền. Ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ, biến dạng tác động tới phân rã 
spinodal và chuyển pha trật tự hóa khi xử lý nhiệt. 
- Tìm hiểu các phương pháp để phân tích đặc trưng vật liệu của cấu trúc 
spinodal và trật tự hóa. 
- Xác định bản chất các quá trình xảy ra trong hợp kim Cu-Ni-Sn khi xử lý nhiệt 
tăng bền cho hợp kim có phân rã spinodal, trong đó spinodal đóng vai trò: 
 Spinodal đóng vai trò chính trong cơ chế tăng cơ tính cho hợp kim Cu-
Ni-Sn bằng cách tạo ra cấu trúc modul làm biến dạng mạng trong các vùng nhỏ 
kích thước vài chục nanômét, tạo các vùng dao động thông số mạng phân bố 
đều trên toàn bộ nền vật liệu. 
 Spinodal là cách thức điều chỉnh thành phần làm cơ sở cho chuyển pha 
trật tự hoá. Các pha trật tự hoá DO22 và L12 tạo ra từ sự phát triển của 
spinodal thành spinodal hoá học là các pha trung gian có kiểu mạng lptm liền 
mạng với nền dung dịch rắn của Cu, có sự thay đổi về thông số mạng, cố định 
vị trí các nguyên tử Cu, Ni, Sn có tác dụng tăng cơ tính cho hợp kim. Khi tạo 
thành pha DO3 có kiểu mạng lptk có kích thước ô mạng khác nền Cu, không 
liền mạng với nền sẽ làm giảm cơ tính của hợp kim. 
5 
2 CÁC PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG 
NGHIÊN CỨU HỢP KIM Cu-Ni-Sn 
2.1 Sơ đồ nghiên cứu: 
2.2 Chế tạo mẫu hợp kim 
Chế tạo mác hợp kim 
Nấu một số các mác hợp kim Cu-Ni-Sn có thành phần trong vùng phân rã 
spinodal:Cu-9Ni-3Sn ; Cu-9Ni-6Sn ; Cu-15Ni-8Sn ; Cu-7Ni-7Sn 
Cán tấm hợp kim Cu-Ni-Sn 
Xây dựng qui trình cán biến dạng kết hợp xử lý nhiệt. Tính toán các thông số 
công nghệ cán trên thiết bị cán, cán tấm hợp kim. 
Chế tạo các hợp kim Cu-Ni-Sn bằng 
phƣơng pháp đúc 
Đồng đều hoá 
Xử lý biến dạng 
Hoá già hoá bền 
18. 
19. 
20. 
Các phƣơng pháp nghiên cứu tổ chức, 
pha và cấu trúc hóa bền hợp kim 
14. 1. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai 
15. 2. Phương pháp nghiên cứu rơnghen về 
pha và thông số mạng 
16. 3. Phương pháp phân tích EDX, 
mapping 
17. 4. Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử 
quét (SEM) 
Hoá già hoá bền 
12. 
13. 
Các phƣơng pháp nghiên cứu tổ chức, 
pha và cấu trúc hóa bền hợp kim 
6. 1. Phương pháp đo độ cứng 
7. 2. Phương pháp đo giới hạn bền 
8. 2. Phương pháp nghiên cứu tổ chức tế vi 
9. 3. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai 
10. 4. Phương pháp nghiên cứu rơnghen về 
pha và thông số mạng 
11. 5. Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử 
quét (SEM) 
1. 1. Nghiên cứu sự biến đổi độ cứng theo 
thời gian hóa già 
2. 2. Nghiên cứu sự biến đổi độ cứng theo 
nhiệt độ hóa già 
3. 3. Nghiên cứu sự biến đổi tổ chức tế vi 
khi xử lý nhiệt 
Kết luận về xử lý nhiệt 
4. 
5. 
Đồng đều hoá 
6 
Xử lý nhiệt các hợp kim đồng Cu-Ni-Sn 
Qui trình xử lý nhiệt hợp kim đồng Cu-Ni-Sn 
Hình 2.6 Sơ đồ xử lý nhiệt hợp kim Cu-9Ni-3Sn 
Chọn nhiệt độ và sơ đồ xử lý nhiệt cho các hợp kim Cu-9Ni-3Sn; Cu-9Ni-6Sn; 
Cu-15Ni-8Sn như sau: 
- Nhiệt độ đồng đều hóa khoảng hợp kim Cu-9Ni-3Sn được chọn 7500C. Thời 
gian giữ nhiệt khoảng 2h. Sau khi đồng đều hóa hợp kim được tôi làm nguội 
nhanh trong môi trường nước. Nhiệt độ nước sử dụng ở nhiệt độ phòng 20-
25
0
C, nhiệt độ nước sau tôi không quá 400C. 
- Nhiệt độ đồng đều hóa khoảng hợp kim Cu-9Ni-6Sn được chọn 7800C. Thời 
gian giữ nhiệt khoảng 2,5h. Điều kiện thí nghiệm tương tự như với hợp kim Cu-
9Ni-3Sn. 
- Nhiệt độ đồng đều hóa khoảng hợp kim Cu-15Ni-8Sn được chọn 8200C. Thời 
gian giữ nhiệt khoảng 3h. Điều kiện thí nghiệm tương tự như với hợp kim Cu-
9Ni-3Sn. 
Để khảo sát sự hoá bền các hợp kim nghiên cứu, thực hiện hóa già ở các 
nhiệt độ 2500C; 3000C; 3500C; 4000C; 4500C; 5000C trong thời gian 2h. Sau 
hóa già đo độ cứng mẫu, xây dựng đường cong biến đổi độ cứng theo chế độ xử 
lý nhiệt. Chọn được khoảng nhiệt độ hoá già cho độ cứng cao nhất, xử lý nhiệt 
hóa già tại nhiệt độ đó trong các khoảng thời gian 0,5 giờ; 1 giờ; 1,5 giờ; 2 giờ, 
2,5 giờ ; 3 giờ ; 3,5 giờ và 4 giờ để chọn khoảng thời gian tối ưu. 
2.3 Các phƣơng pháp phân tích 
- Phương pháp soi tổ chức tế vi 
- Phương pháp đo độ cứng thô đại và tế vi 
- Phương pháp phân tích nhiệt vi sai 
- Phương pháp phân tích rơnghen 
- Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và EDX đường 
- Phương pháp phân tích EDX điểm và mapping 
- Phương pháp đo giới hạn bền và giới hạn đàn hồi sau xử lý nhiệt của hợp kim 
Cu-Ni-Sn 
7 
3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
3.1 Nghiên cứu quá trình xử lý nhiệt 
3.1.1 Nghiên cứu sự thay đổi độ cứng hợp kim Cu-Ni-Sn khi hóa già 
Các hợp kim Cu-9Ni-3Sn; Cu-9Ni-6Sn; Cu-15Ni-8Sn sau đồng đều hoá có độ 
cứng thấp khoảng 90-110HB. Sau khi hoá già ở các nhiệt độ khác nhau trong 
thời gian 2h, chọn được nhiệt độ 3500C là nhiệt độ hoá già thích hợp cho độ 
cứng cao. Chọn nhiệt độ 3500C hoá già theo thời gian khác nhau. Kết quả theo 
các hình dưới đây: 
Nghiên cứu sự thay đổi độ cứng hợp kim Cu-9Ni-3Sn 
Độ cứng hợp kim Cu-9Ni-3Sn khi hóa 
già theo thời gian
97
122 126 118 126
151
123126
0
50
100
150
200
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Thời gian, h 
Đ
ộ
 c
ứ
n
g
 H
V
Hình 3.1 Đường cong biến đổi độ 
cứng hợp kim Cu-9Ni-3Sn khi hóa già 
ở các nhiệt độ khác nhau (HV) 
Hình 3.2 Đường cong biến đổi độ cứng 
hợp kim Cu-9Ni-3Sn khi hóa già theo thời 
gian khác nhau ở nhiệt độ 3500C (HV) 
Nghiên cứu sự thay đổi độ cứng hợp kim Cu-9Ni-6Sn 
Độ cứng hợp kim Cu-9Ni-6Sn khi 
hóa già ở các nhiệt độ khác nhau
215.3
245.3
271
201.3 200.3194
0
100
200
300
250 300 350 400 450 500
Nhiệt độ C
Đ
ộ
 c
ứ
n
g
 H
V
Độ cứng hợp kim Cu-9Ni-6Sn khi hóa 
già theo thời gian
245 259
294
260 254
318
247
282
0
100
200
300
400
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Thời gian, h 
Đ
ộ
 c
ứ
n
g
 H
V
Hình 3.3 Đường cong thay đổi độ cứng 
hợp kim Cu-9Ni-6Sn theo nhiệt độ hóa 
già (HV) 
Hình 3.4 Đường cong thay đổi độ cứng 
hợp kim Cu-9Ni-6Sn theo thời gian hóa 
già, ở nhiệt độ 3500C (HV) 
8 
Sự thay đổi độ cứng hợp kim Cu-15Ni-8Sn xử lý nhiệt hóa già 
Độ cứng hợp kim Cu-15Ni-8Sn khi 
hóa già ở các nhiệt độ khác nhau
254 276
318
261 254
201
0
100
200
300
400
250 300 350 400 450 500
Nhiệt độ C
Đ
ộ
 c
ứ
n
g
 H
v
Độ cứng hợp kim Cu-15Ni-8Sn khi hóa 
già theo thời gian
228.5223
333
289 299
336 339
275
0
100
200
300
400
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 ... modul khoảng 10nm. Tổ chức modul spinodal 
phân bố đều trên toàn bộ khối nền. 
Tiến hành quét EDX phân tích thành phần Cu, Ni, Sn theo đường như trên 
hình 3.45, đường quét dài khoảng 600nm. Kết quả dao động thành phần của Cu, 
Ni, Sn như hình 3.47. 
Hình 3.47 Dao động thành phần Cu-Ni-Sn theo đường quét 
Kết quả đo dao động thành phần cho thấy khoảng dao đông thành phần có 
bước dao động khoảng 10nm tương đương với kích thước của cấu trúc modul 
Cu 
Ni 
Sn 
Cấu trúc 
modul 
spinodal 
18 
spinodal. Dao động đều đặn phản ánh được sự thay đổi phân bố nguyên tố trong 
nền hợp kim. Kết quả phân tích cho thấy đường quét trên nền dung dịch rắn, 
không có pha nào khác. 
Kết luận về phân tích EDX theo đƣờng: 
 Kết quả phân tích chụp SEM và quét EDX đường trên hai mẫu hợp kim 
Cu-9Ni-6Sn và Cu-15Ni-8Sn sau hóa già đã minh chứng rõ ràng cho cấu trúc 
modul đặc trưng của phân rã spinodal. Bước dao động thành phần của các 
nguyên tố Cu, Ni, Sn trên nền dung dịch rắn theo đường quét phù hợp với chu 
kỳ modul thành phần trên ảnh. Dao động thành phần phù hợp với mô hình lý 
thuyết Calh và Hiller. 
3.2 Ảnh hƣởng của biến dạng 
3.2.1 Ảnh hƣởng đến độ cứng sau cơ nhiệt luyện 
Khi xử lý nhiệt hợp kim Cu-Ni-Sn đã qua biến dạng sẽ xẩy ra hai quá trình có 
hiệu ứng ngược nhau đối với độ cứng, độ bền: 
- Quá trình hồi phục và kết tinh lại làm giảm độ bền sau khi biến dạng. 
- Quá trình phân rã spinodal và trật tự hóa làm tăng bền cho hợp kim. 
Hiệu ứng quá trình nào mạnh hơn, cơ tính của hợp kim sẽ biến thiên theo chiều 
hướng của quá trình đó. 
 Nhiệt độ nóng chảy của Cu-Ni-Sn khoảng 11000C do vậy khoảng nhiệt độ hóa 
già 350
0
C có khả năng nằm trong khoảng kết tinh lại, tuy nhiên thời gian và 
nhiệt độ bắt đầu xảy ra kết tinh lại phụ thuộc nhiều vào tổ chức cụ thể của hợp 
kim. Nếu lấy nhiệt độ kết tinh lại khoảng 0,5Tnc ta có Tktl=0,5(1100+273)-
273=413,5
0
C. Một yếu tố nữa ảnh hưởng tới vấn đề này cần có nghiên cứu làm 
rõ. Đó là phân rã spinodal là một dạng chuyển pha không phải theo con đường 
sinh mầm và phát triển mầm. Phân rã xảy ra làm biến dạng mạng và gây ứng 
suất lớn trên mạng gây hóa bền hợp kim nhưng ứng suất này có thể làm giảm 
nhiệt độ kết tinh lại trong hợp kim. 
Luận án tiến hành khảo sát độ cứng cơ nhiệt luyện cho hợp kim có tổng lượng 
Ni+Sn trung bình Cu-7Ni-7Sn. 
Kết quả thực hiện cơ nhiệt luyện trên mẫu hợp kim Cu-7Ni-7Sn cho thấy 
với mẫu 1 hoá bền bằng biến dạng với mức độ biến dạng nguội 40%, độ cứng 
đạt trung bình khoảng 310HV (31HRC). Mẫu số 2 sau biến dạng nguội 40%, 
tiến hành hoá già tăng bền ở 3500C với thời gian giữ nhiệt 1 giờ độ cứng trung 
bình đạt 370HV (38HRC). Mẫu số 3 sau biến dạng nguội 40%, tiến hành hoá 
già tăng bền ở 3500C với thời gian giữ nhiệt 2 giờ độ cứng trung bình đạt 
370HV (38HRC). 
Có thể thấy rằng kết hợp giữa biến dạng và xử lý nhiệt hoá bền đã làm độ cứng 
tăng lên so với chế độ xử lý nhiệt hợp kim không qua biến dạng, độ cứng lên tới 
389HV (39HRC). Thời gian và nhiệt độ hóa già nằm trong khoảng tạo phân rã 
spinodal mà chưa sinh ra các pha làm giảm bền hợp kim. 
3.2.2 Ảnh hƣởng của biến dạng đến giới hạn bền kéo hợp kim Cu-Ni-Sn 
19 
Độ độ bền kéo hợp kim Cu-9Ni-6Sn 
Bảng 3.22 Chế độ xử lý mẫu kéo hợp kim Cu-9Ni-6Sn 
Ký hiệu mẫu Hợp kim và chế độ xử lý 
3-C Cu-9Ni-6Sn, đồng đều 8000C, cán nguội 40% tới độ dày 0.35mm 
3-R1 
Cu-9Ni-6Sn, đồng đều 8000C, cán nguội 40% tới độ dày 0.35mm, 
hóa già 350
0
C, 1,5 giờ 
3-R2 
Cu-9Ni-6Sn, đồng đều 8000C, cán nguội 40% tới độ dày 0.35mm, 
hóa già 350
0
C, 1,5 giờ 
Mẫu kéo 3-C Mẫu kéo 3-R1 Mẫu kéo 3-R2 
Hình 3.54 Giản đồ kéo mẫu hợp kim Cu-9Ni-6Sn đo trên máy WP 300 
Hợp kim Cu-9Ni-6Sn sau cán biến dạng tấm mỏng, xử lý nhiệt tăng bền 
theo chế độ biến dạng nguội 40%, sau đó hoá già ở nhiệt độ 3500C với thời gian 
1,5 giờ cho giới hạn bền tới 1282MPa, độ giãn dài thấp. Độ bền này tương ứng 
với chế độ xử lý tạo độ bền, độ cứng cao của hợp kim. 
Kết luận về đo giới hạn bền và giới hạn đàn hồi: 
 Hợp kim Cu-Ni-Sn kết hợp giữa biến dạng và xử lý nhiệt độ bền của hợp 
kim lên tới 1200MPa, giới hạn đàn hồi đạt tới 1100MPa. 
 Độ cứng, giới hạn bền, giới hạn đàn hồi đạt giá trị cao của hợp kim là kết 
quả của phân rã spinodal và chuyển pha trật tự hóa hóa bền hợp kim. 
 Hợp kim Cu-Ni-Sn có thể điều chỉnh độ bền và giới hạn đàn hồi thông qua 
điều chỉnh xử lý cơ nhiệt để tạo cơ tính với mục đích sử dụng. 
 Cơ tính đạt được sau xử lý nhiệt ở hợp kim Cu-Ni-Sn tương đương với hệ 
hợp kim Cu-Be, mang lại cho hợp kim nhiều ứng dụng trong thực tiễn như 
làm vật liệu tiếp điểm điện, vật liệu đàn hồi dẫn điện, vật liệu ma sát, vật 
liệu phòng nổ. Mở ra triển vọng sản xuất hợp kim với giá thành và công 
nghệ hợp lý trong điều kiện Việt Nam 
3.2.3 Ảnh hƣởng của biến dạng đến tổ chức quan sát trên kính hiển vi 
quang học 
Với hợp kim Cu-7Ni-7Sn 
Hơp kim Cu-7Ni-7Sn sau cán nóng ở 7000C, cán nguội với mức biến 
dạng 40%. Sau biến dạng tiến hành xử lý nhiệt hoá già ở 3500C, thời gian giữ 
nhiệt 1 giờ 0,35mm. Sự biến đổi tổ chức thay đổi theo hình 3.58. 
Hơp kim Cu-7Ni-7Sn sau đúc (hình 3.58a). Sau đồng đều hoá ở 7800C với thời 
gian giữ nhiệt 2h có tổ chức một pha α (hình 3.58b). Sau quá trình cán nóng và 
20 
cán nguội cuối cùng 40% tổ chức là một pha α (hình 3.58c), hạt bị dẹt theo 
phương cán, xuất hiện các thớ chạy cắt qua hạt theo hướng cán. Tổ chức hợp 
kim Cu-7Ni-7Sn sau xử lý nhiệt hoá già ở 3500C thời gian giữ nhiệt 1,5 giờ tổ 
chức một pha giống như tổ chức sau cán, các vết sọc theo hướng cán vẫn còn, 
tuy nhiên ở biên giới đã xuất hiện các hạt kết tinh lại đều trục (hình 3.58 d). 
a 
b 
c 
d 
Hình 3.58 Tổ chức hợp kim Cu-7Ni-7Sn 
a- Tổ chức sau đúc, x500 ; b- Tổ chức sau đồng đều hóa 7500C-2h x500, 
c-Tổ chức sau biến dạng 40%, x200 hóa già 3500C giữ nhiệt 1,5h; 
 d-Tổ chức sau biến dạng 40%, x500 hóa già 3500C giữ nhiệt 1,5h 
3.2.4 Phân tích nhiệt vi sai 
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Temperature /°C
-4.0
-3.0
-2.0
-1.0
0
DTA *10-2 /(uV/mg)
436.4 °C
541.7 °C
560.5 °C
590.9 °C
637.0 °C
641.3 °C
764.3 °C
818.3 °C
865.6 °C
885.0 °C
935.7 °C
952.5 °C
[2]
[2]
 exo
Instrument:
File:
Project:
Identity:
Date/Time:
Laboratory:
Operator:
NETZSCH STA 409 PC/PG
mau 9-6 BD.ssv
None
CuNiSn
6/7/2011 9:05:43 AM
CNVL KL
Quyen
Sample:
Reference:
Material:
Correction File:
Temp.Cal./Sens. Files:
Range:
Sample Car./TC:
Mau 9-6 BD, 1445.000 mg
Al2O3,0.000 mg
Metallic
Tcalzero.tcx / Senszero.exx
32/5.00(K/min)/1000
DTA(/TG) HIGH RG 5 / S
Mode/Type of Meas.:
Segments:
Crucible:
Atmosphere:
TG Corr./M.Range:
DSC Corr./M.Range:
Remark:
DTA-TG / Sample
1/1
DTA/TG crucible Al2O3
Ar/50 / Ar/40
000/30000 mg
000/5000 µV
PTNKL 14-06-2011 14:55
Hình 3.60 Phân tích nhiệt vi sai mẫu hợp kim Cu-9Ni-6Sn đồng đều hóa ở 
780
0C, cán nguội 40% 
Kết quả phân tích nhiệt vi sai ở hợp kim Cu-9Ni-6Sn sau tôi đồng đều 
hóa, cán biến dạng nguội 40% (hình 3.60) cho thấy, có biến đổi nhỏ về năng 
lượng trong khoảng nhiệt độ 1000C. Năng lượng biến đổi liên tục trong khoảng 
nhiệt độ lớn hơn 3000C, đây là kết quả quá trình giải phóng năng lượng tích tụ 
ứng suất gây ra bởi quá trình cán. 
Quá trình cán tích năng lượng ứng suất trên mạng và như vậy không thể 
21 
xác định điểm chuyển pha bằng đo nhiệt vi sai khi nung với các mẫu qua biến 
dạng khi chưa khử hết ứng suất này. 
3.2.5 Nghiên cứu sự biến đổi tổ chức tế vi sau biến dạng bằng rơnghen 
Hình 3.63 Phân tích rơnghen mẫu hợp kim Cu-9Ni-6Sn, đồng đều hóa 7800C, 
biến dạng, hóa già 3500C, giữ nhiệt 2h 
Các thông số máy đo: Điện cực Cu , bức xạ Kα1 , bước sóng  = 1,05406A
0 
Biểu đồ rơnghen của hợp kim Cu-9Ni-6Sn sau biến dạng cán nguội, hóa 
già tăng bền ở 3500C trong thời gian 2h (hình 3.63). Các vạch trên đồ thị tương 
ứng với các mặt (111); (200) và (220) cho kiểu mạng lptm. Các vạch bị lệch về 
bên trái so với các vạch chuẩn của Cu cho thấy đây là hỗn hợp dung dịch rắn 
của đồng với Ni và Sn. Khoảng cách thông số mạng theo 3 chỉ số mặt khoảng 
3,63A
0
 là lớn hơn so với trường hợp hóa già tại 3000C. Phân tích này không 
phát hiện được hiện tượng tách vạch đặc trưng của phân rã spinodal. 
3.2.6 Nghiên cứu sự biến đổi tổ chức tế vi sau biến dạng và hóa già trên 
kính hiển vi điện tử quét( SEM) 
Hợp kim Cu-15Ni-8Sn 
Để thấy rõ vai trò của biến dạng đối với quá trình biến đổi tổ chức của các mẫu, 
có thể so sánh ảnh SEM của các mẫu qua biến dạng với vùng đang ở giai đoạn 
phát triển spinodal (hình 3.69a, b) và vùng hình thành pha mới từ spinodal 
(hình 3.69c,d) khi xử lý hóa già trên cùng một mẫu. 
Ảnh SEM trên các hình 3.69a và 3.69b vùng spinodal hợp kim Cu-15Ni-
8Sn sau đồng đều hóa, qua biến dạng cán tấm, hóa già 3500C giữ nhiệt 2h với 
độ phóng đại 200000 lần cho thấy rất rõ tổ chức spinodal với đặc trưng là cấu 
trúc modul phân bố đều trên toàn khối vật liệu, kích thước cấu trúc trên mẫu 
chụp là khoảng 20nm. 
Trong khi đó ảnh SEM ở hình 3.69c và 3.69d vùng phát triển thành pha 
mới của hợp kim Cu-15Ni-8Sn sau đồng đều hóa, cán tấm, hóa già 3500C giữ 
nhiệt 2h. Trên các hình 3.69c và 3.69d với độ phóng đại 50000; 100000 chụp ở 
vị trí thớ cán thấy rõ pha mới được hình thành theo trên nền tổ chức modul 
spinodal. 
22 
a b 
c d 
Hình 3.69 Hợp kim Cu-15Ni-8Sn qua biến dạng, hóa già 3500C giữ nhiệt 2h 
Trong quá trình xử lý nhiệt hóa già hợp kim Cu-Ni-Sn, theo thời gian và 
nhiệt độ, các nguyên tử Sn đã tập trung, các cụm cấu trúc modul spinodal phát 
triển tới hạn thành các cấu trúc spinodal hoá học, sát nhập với nhau hình thành 
pha mới, tách ra khỏi nền và phân tách với nền với biên pha rõ nét. Các pha 
DO22 và L12 dần chuyển sang pha DO3. Qúa trình này bắt đầu tại các vị trí thớ 
cán, biên hạt là nơi tập trung nhiều tạp chất, ứng suất và có năng lượng chuyển 
pha thấp hơn. Biên hạt cũng là nới có phân bố các nguyên tố Sn và Ni nhiều 
hơn trong hạt. 
 Vùng thớ cán là nơi rào cản năng lượng tạo mầm thấp. Các khuyết tật nơi 
có năng lượng ứng suất cao, rào cản năng lượng cho việc tạo mầm thấp hơn nên 
tại đó có thể vượt qua rào cản năng lượng để hình thành mầm. Các pha quan sát 
trên ảnh 3.69c, 3.69d có kích thước khoảng 100m. Theo trình tự chuyển biến 
pha trong quá trình hóa già, các pha này chính là các pha DO3 hình thành từ 
spinodal và không còn liền mạng với nền. 
So sánh với hợp kim Cu-15Ni-8Sn sau đồng đều hóa, hóa già không qua 
nguyên công biến dạng cho thấy biển dạng tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình 
tạo pha phát triển sớm hơn. 
Ảnh SEM hợp kim Cu-15Ni-8Sn sau đồng đều, hóa già 5000C trong thời 
gian 2h trên các hình 3.70a và 3.70b với độ phóng đại 50000; 25000 thấy dải 
các hạt nhỏ nằm trên nền kim loại doc theo thớ cán. Hình 3.70c và 3.70d với độ 
phóng đại 100000 và 150000 cho thấy xu hướng lớn lên và phát triển của các 
hạt. Nhiều hạt sát nhập với nhau để hình thành cấu trúc pha mới. Các pha này 
có kích thước khoảng 100nm. Các pha này chính là các pha  (DO3) hình thành 
trong tổ chức hợp kim. 
Cấu trúc 
modul 
Sát nhập 
các hạt 
spinodal 
hoá học 
23 
a 
b 
c 
d 
Hình 3.70 Hợp kim Cu-15Ni-8Sn cán, hóa già 5000C, giữ nhiệt 2h 
Hình 3.70c cho thấy các pha đó được hình thành từ sự sát nhập của một 
số hạt có dạng hình cầu. Cấu trúc spinodal đã phát triển chuyển sang giai đoạn 
hình thành pha theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm và các mầm đó được 
phát triển từ spinodal. 
 Hình 3.70d cho thấy sự phát triển của cấu trúc spinodal tiến tới spinodal 
hóa học với sự sát nhập của các cấu trúc modul để hình thành pha mới hình 
thành cấu trúc hỗn hợp cơ học 2 pha α + γ trên nền hợp kim. 
Kết luận về ảnh hưởng của biến dạng 
Biến dạng là một trong những yếu tố quan trọng thúc đẩy quá trình hoá 
già làm cơ tính tăng hơn so với trạng thái không biến dạng. Qua quá trình biến 
dạng hợp kim đạt được kich thước hạt nhỏ, có khả năng tăng bền và rút ngắn 
thời gian hóa già cho hợp kim. Tuy nhiên khi tăng nhiệt độ và thời gian hóa già, 
biến dạng tạo ra tổ chức nhiều khuyết tật mạng, đẩy nhanh sự phát triển của 
quá trình spinodal, sớm tiến tới giai đoạn tạo pha cân bằng làm giảm nhanh cơ 
tính so với trường hợp không biến dạng. Vì vậy đối với hợp kim đã qua biến 
dạng, nhiệt độ và thời gian hóa già cần khống chế chặt chẽ hơn. 
Hình thành 
pha từ cấu 
trúc 
spinodal 
24 
KẾT LUẬN 
1. Luận án nghiên cứu ứng dụng phân rã spinodal để hóa bền hợp kim 
spinodal Cu-Ni-Sn trong vùng thành phần từ 7-15%Ni, 3-8%Sn. Các kết quả 
thực nghiệm đã minh chứng về cơ chế hóa bền cho hợp kim Cu-Ni-Sn là dựa 
trên phân rã spinodal và chuyển pha trật tự hóa. Sn là nguyên tố hợp kim đóng 
vai trò chính hình thành cấu trúc spinodal và chuyển pha trật tự hóa do vậy hàm 
lượng Sn hòa tan trong dung dịch rắn khi xử lý nhiệt quyết định tới độ bền và độ 
cứng tối đa mà hợp kim đạt được. 
2. Xử lý hóa già các hợp kim Cu-Ni-Sn có hiệu quả tăng bền vượt trội so 
với hợp kim ở trạng thái đúc. Hợp kim Cu-Ni-Sn sau biến dạng và xử lý nhiệt độ 
bền có thể lên tới 1200MPa, giới hạn đàn hồi đạt tới 1100MPa. Các chỉ tiêu cơ 
tính của hệ hợp kim Cu-Ni-Sn có thể điều chỉnh thông qua điều chỉnh xử lý cơ 
nhiệt để tạo cơ tính phù hợp với mục đích sử dụng. 
3.Thực nghiệm xử lý nhiệt hóa già hợp kim Cu-9Ni-3Sn, Cu-9Ni-6Sn, Cu-
15Ni-8Sn đạt độ cứng như sau: 
 Hợp kim Cu-9Ni-3Sn đồng đều ở 7500C và hóa già ở khoảng 3500C trong 
khoảng thời gian 1,5- 3h đạt độ cứng khoảng 150HV, so với trạng thái đúc 
(110HV). 
 Hợp kim Cu-9Ni-6Sn đồng đều ở 7800C và hóa già ở khoảng 3500C trong 
khoảng thời gian 1,5-3h đạt độ cứng khoảng 294-318HV, so với trạng thái 
đúc (125HV). 
 Hợp kim Cu-15Ni-8Sn đồng đều ở 8200C và hóa già ở khoảng 3500C 
khoảng thời gian 1,5-3h đạt độ cứng khoảng 289-339HV, so với trạng thái 
đúc (110HV). 
Tuy nhiên nếu tăng nhiệt độ hoặc thời gian hóa già quá giới hạn nêu trên 
đều làm giảm cơ tính hợp kim do quá trình biến đổi pha đã chuyển qua trạng thái 
tạo pha cân bằng, hiệu ứng tăng cơ tính do biến dạng mạng của phân rã spinodal 
không còn tác dụng. 
Từ các kết quả này có thể xây dựng quy trình công nghệ xử lý nhiệt tăng 
bền cho từng hợp kim và có thể tham khảo cho các hợp kim khác. 
4. Biến dạng không làm thay đổi tới chiều hướng quá trình phân rã 
spinodal và chuyển pha trật tự hoá mà chỉ thúc đẩy quá trình xảy ra nhanh hơn, 
góp phân nâng cao cơ tính cho hợp kim khi được kết hợp phù hợp. Tuy nhiên 
hiệu quả của biến dạng cũng dễ dàng bị khử bỏ khi nhiệt độ hóa già bằng hoặc 
cao hơn nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim. Thậm chí biến dạng còn thúc đẩy quá 
trình tạo pha cân bằng trên các thớ cán làm giảm nhanh chóng cơ tính của hợp 
kim. 
5. Luận án đã chế tạo bốn mẫu hợp kim Cu-9Ni-3Sn, Cu-9Ni-6Sn, Cu-
15Ni-8Sn, Cu-7Ni-7Sn nằm trong vùng thành phần có phân rã spinodal. Tính 
chất cơ lý tính đạt được tuơng đương với các công bố của thế giới và có thể thay 
thế hợp kim đồng Cu-Ni-Sn cho hệ hợp kim Cu-Be trong các ứng dụng thực tế.