Chương 2 Đ án t t nghi pồ ố ệ Ch ng 2ươ Ch ng 2ươ C S LÍ THUY T BÀI TOÁN D P T O V T LI U SIÊU M N TRÊNƠ Ở Ế Ậ Ạ Ậ Ệ Ị RÃNH CHU KỲ 2 1 Nguyên lí bài toán s n xu t v t li u siêu m nả ấ ậ ệ ị 2 1 1 Nguy[.]
Đồ án tốt nghiệp Chương Chương CƠ SỞ LÍ THUYẾT BÀI TỐN DẬP TẠO VẬT LIỆU SIÊU MỊN TRÊN RÃNH CHU KỲ 2.1 Ngun lí tốn sản xuất vật liệu siêu mịn 2.1.1 Ngun lí tạo hình Phương pháp CGP, kim loại đặt khn phơi khơng biến dạng tự theo hướng Mẫu dạng t ấm m ỏng b ị biến dạng mãnh liệt rãnh khuôn [62,63] kim loại đối tượng bị biến dạng cắt rãnh khuôn đối xứng Điều th ể hi ện hình 2.1 Hình 2.1: Mơ tả q trình ép định hướng rãnh chu kỳ Trong phương pháp này, khe hở khuôn khuôn tương đương với chiều dày phơi ( hình 2.1b), phần kim loại bị ép phần nghiêng khuôn bị biến dạng cắt thúy mặt phẳng biến dạng (hình 2.1c)[64] Trong suốt chu trình thứ hai, phơi tạo hình sóng nắn th ẳng (hình 2.1d) Quá trình nắn thẳng, kim loại đặt khuôn phẳng Đồ án tốt nghiệp Chương chiều dài không giãn tự theo h ướng Quá trình đ ược lặp lại bị biến dạng đủ lớn Sự biến dạng lặp l ặp lại v ị trí khác làm độ bền tăng đến giới hạn cao Cấu tạo khuôn dập tạo hình thể hình 2.2 Ở đó, chiều rộng (t) chiều sâu (t) khn lượn sóng nhau, cịn góc nghiêng rãnh khuôn 45° Theo lý thuyết độ lớn biến dạng hữu hiệu (hình 2.2c e) sau chu trình ép khn có rãnh song song bi ến d ạng c đ ược tính theo cơng thức(2.1) : (2.1 Và biến dạng hữu hiệu tính theo cơng thức: (2.2) Hình 2.2: Thơng số định hình phơi sau dập tạo hình Mỗi chu trình biến dạng phôi qua bốn nguyên công Như nh ắc đ ến trên, đầu tiên, phẳng ép khn có tạo rãnh, theo cách này, ph ần nghiêng phôi bị biến dạng lớn, với mức độ biến dạng dẻo hữu hiệu 0,58 thấy hình 2.1.c Tiếp phơi dạng sóng nắn thẳng khuôn phẳng Ở đây, phần kim loại bị biến dạng thành nghiêng khuôn ch ứa rãnh lại trở thành đối tượng bị biến dạng cắt với biến dạng hữu hi ệu b ằng 1,16 (hình 2.1d) Sau mẫu xoay 180 quanh mặt phẳng nằm ngang so với kim loại (hình 2.1e) Sự xoay có tác dụng làm cho phơi bị biến dạng, nh ững vùng kim loại đối xứng lại với lần ép thứ trình lặp lại (hình 2.1f 2.1 g) Cuối vật liệu biến dạng đồng với mức độ biến d ạng h ữu hi ệu bằng1,16 [60,63] Đồ án tốt nghiệp Chương Công nghệ ép định hướng rãnh chu kỳ CGP nghiên c ứu đ ầu tiên b ởi Shin et al.[65] để chế tạo vật liệu siêu mịn thể Lee and Park ti ếp t ục nghiên cứu phát triển công nghệ kết hợp mô số với cán thực nghiệm [66] Họ đưa kết luận q trình biến dạng khơng đồng chiều dày độ lớn biến dạng hữu hiệu tâm mẫu lớn b ề m ặt mẫu Trong nghiên cứu khác,Krishnaiah et al nghiên cứu chế tạo vật li ệu siêu m ịn v ới phôi nhôm nguyên chất công nghệ CGP với mẫu làm lạnh [67], nhóm nghiên cứu kết luận giới hạn chảy giới hạn bền c vật li ệu đ ược c ải thiện đáng kể so với điều kiện thực nghiệm nhiệt độ phòng khơng có khác lớn mặt cấu trúc Điều chứng minh điều ki ện nhi ệt đ ộ ảnh hưởng đến tính vật liệu siêu mịn sau chế tạo Cũng điều kiện thực nghiệm tương tự vật liệu đồng nguyên chất, họ cơng bố kích thước hạt hạt giảm từ 75 m tới 0,5 m hai nhiệt độ nhiệt độ phòng nhiệt độ làm lạnh.Điều ch ứng t ỏ, nhi ệt độ không ảnh hưởng đến biến đổi cấu trúc hạt [68] Peng et al sử dụng công nghệ CGP để nghiên cứu thay đổi tínhcủa hợp kim Cu-Zn [69] Nhóm nghiên cứu chứng minh rằngq trình CGP áp dụng để chế tạo vật liệu siêu mịn hợp kim hai pha, họ khuyến cáo có th ể xuất khuyết tật nứt biến dạng lớn, hợp kim đa pha tính d ẻo h ơn so với vật liệu kim loại nguyên chất Bên cạnh đó, họ rãnh khn rộng làm giảm tăng ứng suất vùng nhạy cảm biến dạng.Mẫu thí nghiệm biến dạng với nhiều chu trình ép để đạt kích thước mịn tính cao Nghiên cứu cơng nghệ phương pháp phần tử hữu hạn,Yoon et al biến dạng lần ép lớn l ần ép th ứ 2[70] l ần ép Zrnik et al nghiên ứng sử biến dạng thay đổi c ấu trúc vật li ệu quan phương pháp CGP với mẫu nhơm nhiệt độ mơi trường[71] Nhómnày nghiên cứu cấu trúc vật liệu từ lần ép thứ đến lần ép th ứ t ch ỉ sựu hình thành câutrúc vi mơ lớp biên hạt có thay đ ổi l ớn, h ạt nh ỏ dần với biên giới hạt tăng Thêm vào đó, ảnh hưởng c bi ến d ạng d ẻo t không lớn đến cấu trúc vi mô vật liệu Họ đưa k ết lu ận r ằng bi ến dạng không đồng phân bố mẫu sau lần cán cuối Cơ chế biến dạng vật liệu không bị chi phối chuy ển đ ộng lệch mà bị ảnh hưởng xoay trượt biên hạt kết luận đưa Peng et al.[72]khi sử dụng phương pháp CGP để nghiên cứu định hướng cấu trúc hạt hợp kim Cu-38Zn.Trong trình biến dạng dẻo theo m ột định hướng khơng đổi, hạt vừa biến dạng trượt vừa quay theo xu h ướng làm Đồ án tốt nghiệp Chương cho số mặt phương tinh thể xếp theo vị trí định so v ới ngoại lực Trong trường hợp điều kiện quay thuận lợi, ví dụ, phương thức biến dạng cán kéo theo phương không đổi, tổ chức kim loại pha tạp chất, đạt độ biến dạng lớn định hạt đ ều có m ột đ ịnh h ướng ưu tiên theo mặt phương tinh thể xác định tạo nên textua biến dạng Nghiên cứu độ cứng ảnh hưởng biến dạng hữu hiệu v ới đồngđ ược thực Peng et al.[75] Kết mô số trình CGP tồn phần dẫn đến tăng biến dạng hữu hiệu tới 40% so với ép c ưỡng b ức riêng phần.Từ cho thấy, giá trị biến dạng dẻo hữu hiệuvà s ự phân b ố c phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện ép Kết mô đồng nh ất v ới thực nghiệm cho biến dạng không dẫn đến khơng đồng nh ất v ề tính kích thước hạt vật liệu siêu mịn Kumar Raghu[76] nghiên cứu v ề c ấu trúc ứng x c h ọc c nhôm với phương pháp làm nh ỏ h ạt CGP H ọ đo đ ộ c ứng Vickers (HV) giá trị đo cho thấy đồng tính vật liệu tăng lên với tăng s ố lần ép Bên cạnh đó, giới hạn chảy giới hạn bền vật liệu tăng theo số lần ép tốc độ tăng chậm dần Phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng nghiên c ứu thay đ ổi ứng suất biến dạng, tính tổ chức phân bố mức độ biến dạng mẫu sau chế tạo phương pháp ép định hướng rãnh chu kỳ [77] M ột số k ết luận tác giả đưa như: mức độ biến dạng dẻo mẫu gi ảm không đơn ứng su ất c thu ần thúy Mà ứng su ất c ch ỉ t ồn t ại vùng nghiêngvà vùng b ị u ốn, t ồn t ại v ới giá tr ị l ớn g ần b ề m ặt t ấm Điểm cho thấy bi ến dạng mãnh li ệt x ảy s ự k ết h ợp c ứng su ất cắt mẫu bị uốn Tổng giá tr ị c hai y ếu t ố thay đ ổi qua t ừng điểm mẫu (hình 1.3) Điều thấy, giá tr ị bi ến d ạng trung bình tăng đ ơn ệu theo t ừng lần biến dạng Sau lần bi ến d ạng đ ầu tiên (1st step) m ức đ ộ bi ến d ạng khơng đồng nhất.Bởi có vật li ệu vùng ph ẳng c khuôn b ị bi ến d ạng dẻo thấp Sau lần cán thứ hai, không đ ồng nh ất tăng lên v ới vùng tương tự bị biến dạng khuôn ph ẳng Biến dạng tương đương ểm tâm phôi không b ằng nhau, ều thể thông qua k ết qu ả mơ ph ỏng hình 1.4 Tác giả biến dạng tương đ ương l ần ép có giá tr ị khác lần ép hình 1.5 Ứng suất cắt phân bố th ời ểm khác khác trình ép Điều đ ược hình 1.6 Đồ án tốt nghiệp Chương Trên hình 1.7 bi ểu di ễn bi ến d ạng t ương đ ương c ểm ch ịu bi ến dạng cắt (C) ểm ti ếp xúc v ới ph ần ph ẳng c khn (D) Có th ể th điểm C chịu biến dạng l ớn, tronng ểm D bi ến d ạng v ới m ức đ ộ nh ỏ Để nghiên cứu ảnh hưởng kết cấu khuôn ép đến chất lượng sản phẩm sau ép, nhóm tác giả nghiên cứu phương pháp mô số với hai kết cấu khn khác (hình 1.8) Kết mơ cho thấy khuôn hạn chế giãn dài cho sản phẩm tốt mặt, ứng suất phân bố đồng hơn, giãn dài bị hạn chế, vật liệu bị hạn chế chảy deo theotất hướng (hình 1.9) 2.2 Khuôn dập 2.2.1 Điều kiện làm việc khuôn dập tạo hình Trong q trình làm việc khn dập nóng bị mài mịn phải chịu ma sát lớn dập, ép…nên để tránh cho khn bị mài mịn phụ thuộc lớn vào đ ộ c ứng bề mặt tổ chức tế vi vật liệu Khi độ cứng c d ụng c ụ 60 HRC tăng thêm HRC tuổi thọ khuôn tăng thêm 30% Nhưng độ c ứng cao hay thấp phụ thuộc vào chức loại khuôn khuôn đ ột d ập độ cứng nên cao khuôn dập vuốt, cao dễ dẫn tới tượng nứt, vỡ khuôn Để thỏa mãn điều kiện cho khuôn không bị biến dạng dẻo làm việc chịu tải trọng dập, khuôn cần có độ dai va đập a k đảm bảo Chẳng hạn, khn dập tạo hình cần độ dai va đập cao Ngồi khn cịn làm việc mơi trường hóa chất, khơng khí ẩm… làm cho khn bị ăn mịn hóa học ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm tuổi thọ khuôn Nhìn chung, làm việc khn dập ngồi chịu áp lực lớn ch ịu ứng suất uốn, lực ma sát lực va đập Để đảm bảo điều kiện làm việc vật liệu làm khuôn dập phải đạt yêu c ầu c tính cao, đ ảm b ảo khn làm việc lâu dài, sản phẩm có độ xác cao 2.2.2 u cầu tính khn dập Để đáp ứng yêu cầu làm việc khuôn dập để nâng cao tuổi thọ khuôn, khuôn dập nguội cần phải có tính sau: Độ cứng cao: Khn dập nguội yêu cầu độ cứng tương đối cao vào khoảng 58-62 HRC, phụ thuộc vàolực dập, chiều dày độ c ứng phôi dập (thép, Đồ án tốt nghiệp Chương nhôm, đồng, ma nhê, ti tan ) Khi dập cắt thép c ứng nh thép kĩ thu ật ện (tôn Silic) hay chiều dày lớn cần độ cứng đến 60HRC, có th ể đ ến 62HRC Khi dập uốn thép mỏng có độ cứng cần 56HRC Khi độ cứng lớn 62HRC khuôn dễ bị sứt mẻ làm việc Độ bền độ dai đảm bảo: Để chịu tải trọng đặt vào lớn chịu va đập Đối với khn dập lớn cần có thêm u cầu v ề đ ộ th ấm tơi thay đ ổi thể tích Tính chống mài mịn cao: Là u cầu quan trọng để khn khơng bị mịn, làm việc làm việc lâu dài Tính chống mài mịn làm cho khuôn dễ bị hỏng ma sát tiếp xúc trình làm việc, tạo khe hở khuôn khuôn dưới, sản phẩm tạo có kích thước vượt q dung sai cho phép d ễ trở thành phế phẩm Trong q trình làm việc khn chu trình dập chi tiết kéo dài bề mặt chi tiết bị nung nóng đến nhiệt đ ộ khoảng 300 0C – 3500C nên khn phải đảm bảo tính cứng nóng nhiệt độ Tính ch ống mài mịn cao cịn yếu tố đảm bảo độ bóng bề mặt khuôn lâu dài, tránh hiên tượng xước, làm giảm độ bóng bề mặt sản phẩm 2.2.3 Các dạng sai hỏng khuôn cách khắc phục Trong làm việc, việc phải chịu áp lực lớn khn cịn ch ịu ứng suất uốn, lực ma sát lực va đập Khuôn dập nguội thường gặp dạng sai hỏng sau (hình 1.3) Hình 2.3 Các dạng sai hỏng thường gặp khuôn dập nguội Nứt, vỡ khn: Hiện tượng gặp phải q trình làm việc Nhất với khn làm việc cường độ q cao có hình dạng ph ức t ạp, nhi ều góc cạnh Nguyên nhân chọn vật liệu làm khn khơng thích h ợp, nhi ệt luyện có độ cứng cao Đồ án tốt nghiệp Chương Độ cứng không đạt: Môi trường tôi, nhiệt độ không đúng, thời gian giữ nhiệt không đủ, chọn không mác thép, mác thép thành phần không ổn định nguyên nhân gây độ cứng không đ ạt Ho ặc ram nhiều austenit dư nguyên nhân gây giảm đ ộ c ứng, v ậy c ần điều chỉnh lượng austenit dư phù hợp với độ cứng yêu cầu Thoát cacbon nguyên nhân gây giảm độ cứng bề mặt nung c ần có bi ện pháp b ảo v ệ để tránh tượng cacbon Mài mịn khơng đều: Là dạng sai hỏng hay gặp Sự mài mòn khn mịn phần khơng bị ảnh hưởng nhiều nguyên nhân chế độ nhiệt luyện khơng khơng ổn định, hình dạng khn phức tạp, chỗ dày, chỗ mỏng Mài mịn nhiều mức độ sản xuất, cường độ làm việc cao, lắp đặt khn khơng đúng, khơng tương thích vật li ệu s ản ph ẩm v ật liệu khn Khả mài mịn khn thay đổi đáng k ể ph ụ thu ộc vào yếu tố trên, với đặc điểm bề mặt khuôn, bơi trơn khn Hiện tượng bong tróc, bám dính phơi : hay cịn gọi hàn lạnh vật liệu kim loại cấu tạo từ khuôn Làm giảm mạnh phần làm việc xác khn, độ bóng bề mặt khn làm bề mặt sản phẩm có đ ộ bóng khơng đạt u cầu (xước bề mặt) Hiện tượng xảy s ự căng vượt gi ới hạn phần kim loại làm việc không bôi trơn đầy đủ 2.2.3 Vật liệu làm khuôn dập Để đạt yêu cầu tính đề cập loại thép làm khn dập nói chung phải có thành phần cacbon cao, thường mức d ưới 1%, trường hợp chịu va đập cao hàm lượng cacbon s ẽ h ơn kho ảng 0,4 - 0,6% Các nguyên tố hợp kim thường dùng để hợp kim hóa nguyên tố làm tăng độ thấm tơi, tạo cacbit tăng tính chống mài mịn Cr, Mn, Mo… Vật liệu làm khuôn đa dạng, việc đáp ứng yêu cầu c tính, vật liệu làm khn cịn lựa chọn sở sản lượng sản phẩm yêu cầu, đáp ứng tuổi thọ khn Vì sử dụng vật liệu làm khuôn sau: Tiêu chuẩn đánh giá đặc trưng vật liệu làm khuôn số l ượng chất lượng chi tiết sản xuất tiêu chuẩn Khuôn không sử dụng n ữa bị nứt vỡ, bề mặt bị rạn nứt, tróc rỗ, kích thước chi ti ết sản xu ất khơng theo thiết kế, độ bóng sản phẩm khơng đảm bảo u cầu, đặc biệt có bavia dọc theo đường biên mẫu 2.3 Khuôn dập tạo vật liệu cấu trúc siêu mịn công nghệ CGP Đồ án tốt nghiệp Chương Em làm gạch đầu dịng đây: - Vật liệu - Kích thước hình học 2.4 Ảnh hưởng số thơng số cơng nghệ đến q trình tạo hình biến dạng Để có hình dáng, tính chất sản phẩm tốt phải nghiên cứu, xem xét thông số cơng nghệ ảnh hưởng đến q trình tạo hình vật liệu Trong phần đưa số thơng số ảnh hưởng đến q trình tạo hình vật liệu như: nhiệt độ, tốc độ biến dạng, ma sát, hóa bền biến dạng, ứng suất dư… 2.4.1 Nhiệt độ Khi tăng nhiệt độ tính chất kim loại thay đổi, chúng trở nên m ềm dẻo Sự thay đổi tận dụng biến dạng Nói chung m ọi phương pháp biến dạng mong muốn tiêu hao lực cơng biến dạng mà lại đạt mức độ biến dạng lớn Điều ch ỉ có th ể đ ạt đ ược biến dạng nhiệt độ cao thích hợp Song biến dạng nhiệt độ cao lại có nhược điểm ơxy hố bề mặt dẫn đến chất lượng bề mặt kém, độ hoà tan khí tăng lên làm cho kim loại trở nên giịn, độ xác s ản phẩm không cao Bởi trường hợp sử dụng biến dạng nóng Ta biết biến dạng dẻo làm cho mật độ khuyết tật m ạng tăng lên, lượng bên vật thể tăng lên Trạng thái khơng ổn định, có xu hướng giảm lượng cách thay đổi lại cấu trúc khuyết tật mạng có điều kiện Tăng nhiệt độ có nghĩa cung cấp thêm lượng Dao đ ộng c nguyên tử chuyển động khuyết tật mạng mạnh lên nhiệt đ ộ tăng, ta nói chúng trở nên hoạt động Nhờ nhiệt độ thích hợp khơi phục lại tổ chức tính chất vật thể bị biến dạng làm cho thay đ ổi Ví d ụ biến dạng nóng, tượng hố bền biến dạng khơng xảy xảy mức độ yếu Trong trình biến dạng tạo hình nhiệt độ cao phải ý đ ến ba giai đo ạn làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm: hồi phục, kết tinh lại l ớn lên kích thước hạt, [21] Đồ án tốt nghiệp Chương Hồi phục: q trình hoạt hóa nhiệt làm cho mật độ lệch thấp ho ặc c ấu trúc lệch xếp lại (nguyên nhân hóa bền biến dạng suốt q trình biến dạng) Quá trình hồi phục bao gồm: triệt tiêu l ệch, đa giác hóa lệch, leo lệch Tính dẻo kim loại định tình trạng xếp chuyển đ ộng lệch mạng tinh thể Vì tất thay đổi tính chất kim loại nung nóng thực chất thay đổi cấu trúc mật độ c khuyết tật mạng, lệch đóng vai trị chủ yếu Khi bi ến dạng ngu ội kim loại bị hoá bền, hoá bền giảm ta nung nóng kim lo ại để tạo nên thay đổi mật độ tình trạng xếp lệch Trong giai đoạn hồi phục, nhờ có lượng kích ho ạt, nh ững l ệch trái d ấu có chung mặt trượt triệt tiêu nhau, mật độ lệch s ẽ giảm Mặt khác, nh khuếch tán, lệch lại xếp lại v ị trí thu ận l ợi v ề m ặt lượng hình thành biên giới góc nhỏ Q trình g ọi đa di ện hố Ở q trình leo lệch biên đóng vai trị định vi ệc s ắp x ếp lại lệch Như biết, trình leo lệch biên th ực hi ện đ ược nh có s ự khuếch tán nút trống Trong q trình biến dạng nhờ có phản ứng l ệch (tương tác lệch, lệch cắt ) nút trống không ngừng sinh với nồng độ tương đối lớn, trình hồi phục biến dạng nóng xảy nhanh nhiều so với ủ sau biến dạng nguội Ở cần phân bi ệt hai khái niệm: hồi phục tĩnh hồi phục động Hồi phục tĩnh x ảy ủ kim loại sau biến dạng nguội, hồi phục động xảy trình bi ến dạng nóng Hồi phục động xảy với tốc độ nhanh nên góp phần vào việc khơi phục tính chất vật liệu biến dạng Điều quan trọng vật liệu có tốc độ kết tinh lại thấp, ví d ụ loại thép h ợp kim cao, trường hợp hồi phục động đóng vai trị chủ yếu việc kh bền (chống lại hố bền) Q trình hồi phục phụ thuộc nhiều vào nhi ệt đ ộ, ta thấy điều qua thí nghiệm kéo nhiều bước Khi nhiệt độ ủ khoảng 0,25Tm < T < 0,5Tm, có giới hạn chảy giảm cịn đường chảy sau tiếp tục đường cong cũ, ngược lại T > 0,5Tm tồn đường chảy nằm thấp so với đường cong cũ Kim loại biến dạng sau hồi phục xuất c ấu trúc siêu h ạt có m ật đ ộ lệch thấp, chúng ngăn cách với biên giới góc nhỏ có m ật đ ộ l ệch cao Đồ án tốt nghiệp Chương Kết tinh lại: Đối với kim loại (nếu chứa tạp chất nhiệt độ kết tinh lại tăng lên), biến dạng với mức độ tương đối lớn nung nóng đ ến (0,4 0,5)Tm xảy kết tinh lại Khi kết tinh lại mật độ lệch giảm đáng kể, c tính kim loại phục hồi việc hình thành lớn lên nh ững hạt tinh thể chứa lệch Sự hình thành lớn lên hạt tinh thể tổ chức bị biến dạng giảm mật độ lệch xảy nhờ q trình đổi chỗ nguyên tử gần mặt ranh giới (biên giới góc lớn) Vì thực chất kết tinh lại trình xuất dịch chuyển biên gi ới góc lớn 2.4.2 Tốc độ biến dạng Ứng suất chảy thường tăng với tốc độ bi ến dạng, tốc đ ộ bi ến d ạng tác động số biến dạng lấy xấp xỉ: C n Trong C số hóa bền, phụ thuộc vào biến dạng, nhiệt độ vật liệu; n số nhạy cảm ứng suất với tốc độ biến dạng Trong hầu hết kim loại nhiệt độ phòng số n thấp (00,03) Tỷ lệ ứng suất chảy 2 1 tốc độ biến dạng 1 là: 1 n L logarit hai v ế ln / n ln / 1 , nhiệt độ thấp 2 khơng lớn 1 nhiều nên cơng thức viết: ε ε Δσ nln = 2,3nlog ε1 ε1 σ Ví dụ: Nếu n = 0,01, tăng tốc độ biến dạng hệ số 10, ứng su ất ch ỉ tăng 0,01x2.3 2%, điều giải thích tác động tốc độ bi ến dạng đến trình tạo hình nguội thường bỏ qua Tuy nhiên, ý số trường hợp quan trọng, ví dụ mong muốn để dự báo tải trọng hình thành kéo dây cán (ở tốc độ biến dạng lên đến 104/s) từ liệu nhận thí nghiệm kéo, mà tốc độ biến dạng thấp đến 10-4/s, ứng suất chảy hiệu chỉnh trừ n / nhỏ Tỷ số tính tốn từ cơng thức cho mức độ thay đổi / 1 n biểu diễn hình 4.7 Đồ án tốt nghiệp Chương Chú ý phải phân biệt tốc độ biến dạng tốc độ hay v ận t ốc c dụng cụ gia công Tốc độ biến dạng hiểu mức độ biến dạng m ột đơn vị thời gian (1/s), vận tốc gây biến dạng mức độ chuyển vị m ột đơn vị thời gian (mm/s) 2.4.3 Ma sát Trong q trình gia cơng kim loại áp lực ln có tiếp xúc dụng cụ gia công vật thể biến dạng (phôi), chúng tồn ma sát tiếp xúc Ma sát ảnh hướng trực tiếp đến q trình gia cơng, đến chất lượng sản ph ẩm, tuổi thọ dụng cụ gia công, làm tiêu hao lượng Tuy nhiên m ột s ố trường hợp ma sát có ích để thuận tiện cho q trình ăn kim loại vào trục (ví dụ q trình cán), cịn ma sát không đủ lớn dẫn đến trình tr ượt gi ữa dụng cụ gia cơng phôi Ma sát bề mặt phôi dụng cụ gia cơng phụ thuộc vào hình h ọc dụng cụ gia cơng hình học vật thể biến dạng, nhiệt độ, chất kim loại tốc độ biến dạng Hệ số ma sát xác định bề mặt gi ữa hai đối t ượng s ự tương tác bề mặt bị ảnh hưởng độ nhám chúng Hệ số ma sát số, hàm thời gian hàm áp su ất b ề m ặt Hai dạng ma sát phố biến ma sát Coulomb ma sát trượt (Shear) Sự khác ma sát Coulomb ma sát trượt: Ma sát trượt Tresca sử dụng hầu hết mô tốn khối L ực ma sát mơ hình ma sát trượt xác định bởi: fs = ms.k (4.38) Trong đó: k ứng suất chảy trượt, ms hệ số ma sát Bảng 2.1 giới thiệu số hệ số ma sát trình tạo hình dùng ma sát trượt Bảng 2.1 Một số hệ số ma sát tạo hình dùng ma sát trượt Q trình gia cơng Hệ số ma sát Q trình tạo hình nguội 0,08 – 0,1 Tạo hình ấm 0,2 Q trình tạo hình nóng có bơi trơn 0,2 – 0,3 Tạo hình nóng khơng bơi trơn 0,7 – 0,9 Ma sát Coulomb sử dụng tiếp xúc xảy hai vật thể biến dạng đàn hồi, vật thể đàn dẻo vật thể đàn h ồi v ới v ật th ể c ứng Đồ án tốt nghiệp Chương tuyệt đối, thường dùng cho trình tạo hình Lực ma sát mơ hình Coulomb xác định bởi: fs =µs.p Trong đó: p áp suất tiếp xúc hai vật thể; µs hệ số ma sát 2.4.4 Hóa bền biến dạng Hóa bền biến dạng ảnh hướng quan trọng đến tính chất sản phẩm q trình cơng nghệ Nó xảy khi ứng suất tăng lên theo mức độ biến dạng trình biến dạng Ví dụ hình 4.8 cho thấy đường cong ứng suất - bi ến dạng thép cácbon thường kéo trạng thái nguội, ứng suất tăng lên biến dạng tăng Hình 2.5 Đường cong ứng suất biến dạng có hóa bền biến dạng Cơ chế hóa bền biến dạng kim loại bị biến dạng lệch liên t ục đ ược sinh ra, mật độ lệch tăng lên Do chuyển động nhiều hệ trượt khác lệch gặp chướng ngại vật bị cắt làm cho chúng bị dồn lại bên chướng ngại vật Tại tập trung nhiều lệch khả chuyển đ ộng, tạo thành “rừng lệch” coi chướng ngại vật làm cản trở chuy ển đ ộng lệch Những lệch muốn chuyển động phải tăng ứng suất, ngun nhân gây nên hóa bền biến dạng Ngồi kim lo ại đa tinh thể biên giới hay hình dạng hạt nguyên nhân làm cản tr chuy ển động lệch Hóa bền biến dạng thường gặp tốn tạo hình ngu ội ho ặc nhi ệt đ ộ th ấp mà q trình kích hoạt nhiệt chưa xảy đáng kể Hiện t ượng làm cho vật liệu khó biến dạng nên địi hỏi phải tiêu tốn nhiều l ượng h ơn cho Đồ án tốt nghiệp Chương trình biến dạng, để đạt mức độ biến dạng mong mu ốn c ần có bước nhiệt luyện trung gian nhằm giảm bớt ứng suất chảy khơi ph ục tính dẻo Ngồi để khắc phục tượng người ta thực biến d ạng nhiệt độ cao Tuy nhiên độ xác chất lượng bề mặt sản phẩm l ại so với biến dạng trạng thái nguội Ngồi hạn chế hóa bền biến dạng lại làm tăng độ bền s ản phẩm, tính chất mong muốn nhiều vật liệu khơng hóa bền đ ược phương pháp nhiệt luyện hợp kim hóa Dựa thí nghiệm kéo - nén thí nghiệm kéo - xoắn người ta có th ể phân loại hóa bền biến dạng kim loại hình 4.9 a Hóa bền đẳng hướng (hình a): biên độ ứng suất theo h ướng ứng suất nhau, nghĩa tính vật liệu đồng sau biến dạng b Hóa bền động (hình b): bề mặt dẻo nhận biên đ ộ ứng su ất gi ữ nguyên bề mặt dẻo dịch chuyển khơng gian ứng suất c Hóa bền động + đẳng hướng hay hóa bền hỗn hợp (hình c): b ề mặt d ẻo v ừa lớn lên vừa dịch chuyển không gian ứng suất d Hóa bền dị hướng (hình d): biên độ ứng suất thay đổi theo h ướng khác khơng gian ứng suất Hóa bền đẳng hướng Hóa bền động Hóa bền động + đẳng hướng Hóa bền dị hướng Hình 2.6 Các dạng hóa bền vật liệu Mặc dù đa số vật liệu có tính dị hướng đáng kể song người ta giả thi ết vật liệu có hóa bền đẳng hướng tính đơn giản khả đặc trưng hữu hiệu trường hợp chất tải hướng tâm, [20] 2.4.5 Tác động ứng suất dư Ứng suất dư định nghĩa ứng suất tồn bên vật thể không xuất tải trọng ngồi gradien nhiệt Nói cách khác ứng su ất dư vật liệu cấu trúc thành phần ứng suất tồn đ ối tượng khơng có ngoại lực tác động Đồ án tốt nghiệp Chương Khi kim loại bị biến dạng, tần suất ứng suất bên tạo đ ể cho biến dạng tương ứng có nghĩa mức độ biến dạng khác theo vị trí khác thời điểm Sự khác mức độ bi ến d ạng th ực t ế theo vị trí khác nhiều nguyên nhân Thứ nhất, khác độ bền pha tồn vật liệu Thứ hai, biến dạng khác vị trí khác hình dạng khn vị trí chất tải khác Thứ ba gradien nhiệt độ vị trí khác Các ứng suất bên có th ể trì vật liệu sau trình biến dạng tạo hình, nghĩa hình thành ứng suất dư Ví dụ điển tác động hiệu ứng Baushinger trình kéo nén chu kỳ, biên độ ứng suất kéo thường lớn biên đ ộ c ứng suất nén, tồn ứng suất bên trình kéo Ứng suất dư có vai trị độ bền cấu trúc ứng suất học Tuy nhiên, ứng suất học ngoại lực tính tốn với mức độ xác, ứng suất dư khó đốn trước Do việc có m ột phương pháp đáng tin cậy đo trực tiếp chúng quan tr ọng Các ứng suất dư đóng vai trị tích cực việc giải thích ngăn cản phá hủy Ứng suất dư cải thiện tuổi thọ mỏi chi tiết Có thể q trình cơng nghệ để chế tạo chi tiết, trình đúc, hàn, cắt gọt, uốn, cán rèn gây ứng suất dư Ngồi ngun nhân q trình cơng nghệ cụ thể, áp dụng cho vật liệu cụ thể, ứng suất dư nguyên nhân điểm chảy cục vật liệu Ứng suất dư không mong muốn, nhiên số trường hợp người ta tạo ứng suất dư để làm giảm q trình phá hủy giịn Ví d ụ tạo ứng su ất d thủy tinh thép dự ứng lực để ngăn cản phá hủy giòn Q trình đúc có ứng suất dư lớn làm nguội không đồng Đồ án tốt nghiệp Chương (phần bôi đỏ để tham khảo dung phân tích kết quả) trình tạo hình vật liệu trạng thái nguội trạng thái nóng tùy vào điều kiện toán Đối với vật liệu SPD người ta chọn tạo hình trạng thái ấm tính dẻo vật liệu cao nhất, trạng thái làm giảm trở lực biến dạng tạo hình Cịn tạo hình vật liệu trạng thái nguội thường tiêu tốn lượng biến cứng sau lần biến dạng, gây nứt vỡ tượng giịn tính dẻo kim loại phụ thuộc lớn vào nhiệt độ, hầu hết kim loại tăng nhiệt độ, tính dẻo tăng Khi tăng nhiệt độ, dao động nhiệt nguyên tử tăng, đồng thời xô lệch mạng, khả khuếch tán nguyên tử tăng làm cho tổ chức đồng Tùy vào thành phần hóa học vật liệu mà người ta tạo hình nhiệt độ khác Đối với hợp kim AZ31 với thành phần nêu chương 1, với tính chất nhiệt thực tạo hình trạng thái nóng từ 230-425oC nhiệt độ ủ 345oC Để minh chứng ảnh hưởng nhiệt độ tới cấu trúc hạt vật liệu, báo Hiroaki Koh, Tetsuo Sakai, Hiroshi Utsunomiya and Satoshi Minamiguchi [2] nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ tới cấu trúc hạt vật liệu phương pháp cán tốc độ cao với vật liệu hợp kim AZ31 Mẫu tạo hình nhiệt độ khác nhau: 373K, 473K, 623K Kết thu thấy thay đổi rõ rệt kích thước hạt sau biến dạng so với mẫu ban đầu Hình 4: cấu trúc tế vi hợp kim AZ31 sau tạo hình nhiệt độ khác vùng phôi vùng bề mặt theo hướng vng góc phơi hướng cán phơi Hình cho thấy tổ chức tế vi mẫu nhiệt độ ép khác nhau,và kích thước hạt tăng theo nhiệt độ tạo hình Kêt luận rút từ ảnh chụp cấu trúc tế vi mẫu nhiệt độ khác có tăng kích thước hạt trạng thái cân ứng với tưng nhiệt độ, tỷ lệ biên giới góc nhỏ tăng lên với tăng nhiệt độ tốc độ hồi phục xảy nhanh nhiệt độ cao hơn, điều làm tăng khả phá hủy lệch bên hạt kết làm giảm số lệch bị hấp thụ bên tường khối hạt.Với q trình ép, có thay đổi chế biến dạng từ hình thành dải song tinh biến dạng nhiệt độ ép nâng từ373-623K Đồ án tốt nghiệp Chương Kết thực nghiệm chứng minh trình thực nghiệm dễ dàng thực nhiệt độ cao tổ chức tế vi hạt siêu mịn tốt đạt mà trình ép thực nhiệt độ ép thấp Bằng cách trì nhiệt độ ép thấp, đảm bảo khả đạt kích thước hạt cân nhỏ tỷ lệ biên giới góc lớn cao ảnh hưởng tốc độ biến dạng: Tốc độ biến dạng có ảnh hưởng lớn đến trình tạo hình vật liệu có cấu trúc siêu mịn, tốc độ có liên hệ mật thiết với tốc độ chuyển động thiết bị tạo hình, chuyển động chày ép Tốc độ biến dạng định nghĩa lượng biến dạng dài tương đối đơn vị thời gian Tốc độ biến dạng tăng ảnh hưởng tới cấu trúc : vỡ nát hạt lớn, độ hạt giảm tính cao tốc độ biến dạng nhanh tốc độ kết tinh lại hạt kim loại bị chai chưa kíp trở lại trạng thái ban đầu mà lại tiếp tục biến dạng, ứng suất khối kim loại lớn, hạt kim loại bị dịn bị nứt Gia cơng nguội : to = TKTL Nếu tăng tốc độ biến dạng làm giảm tính dẻo kim loại có biến cứng kim loại Gia cơng nóng : to = TKTL Để đánh giá ảnh hưởng tốc độ biến dạng tới cấu trúc tế vi vật liệu, nhiều kết cơng trình thí nghiệm với Al ngun chất phương pháp CGP theo [1] cho thấy tổ chức tế vicủa mẫu sau tiến hành CGP thay đổi đáng kể kích thước hạt: hình 3a cho thấy tổ chức mẫu đúc (khi chưa tiến hành ép SPD) với chiều dày 5mm.Kích thước hạt trung bình đồi với mẫu dày 5mm 9,4µm Sau bước tạo sóng duỗi thẳng mẫu Al SPD kết biến dạng không đồng phân hạt thực chất thay đổi.Sự diện phân hạt ô lệch cấu trúc bên minh chứng Al vùng chịu biến dạng dẻo lớn.Quan sát kỹ qua vùng rộng cấu trúc cho thấy lệch có mối liên hệ tới biến dạng biên giới phân hạt có góc thấp tác động bước biến dạng đầu tiên.Sự phát triển cấu trúc bên bị biến dạng sau bước đầu minh họa hình 3b Đồ án tốt nghiệp Chương Hình 3a : Tổ chức tế vi mẫu ban đầu trước tiến hành CGP Hình 3b : tổ chức tế vi mẫu sau lần ép đầu tốc độ ép khác a) mm/phút b) 1,5 mm/phút c) mm/phút Tổng hạt mịn chiếm 20-30% đạt mẫu Al sau bước kích thước hạt mịn 6,4-8µm phát triển tốc độ biến dạng khác Cấu trúc tế vi cho kết từ bước thể hình 3c Hình 3c: tổ chức tế vi mẫu sau bước tốc độ ép khác a) mm/phút b) 1,5 mm/phút c) mm/phút ảnh hiển vi cho thấy cấu trúc phân hạt mịn (kích thước hạt 6,7-5µm),nơi mà hạt đồng nhỏ phâ hạt Sự làm nhỏ hạt sau bước trình dẫn tới biến dạng mạnh làm cấu trúc hạt mịn ứng suất cắt chủ yêu mà cấu trúc bị biến dạng tạo thành hạt dọc theo ô hạt.Cấu trúc lệch phục hồi biến dạng cảu đa hạt đc xem xét trình bên phân bố biến dạng phân bố không đồng qua mặt cắt mẫu bước đầu, tốc độ biến dạng 1mm/phút, hạt làm mịn trung bình 20% đạt mẫu dày 5mm.Nhưng trường hợp tốc độ biến dạng 1,5mm/phút 2mm/phút, kích thước hạt mịn đạt tới 20-28%.Trong bước tốc độ biến dạng Đồ án tốt nghiệp Chương 1mm/phút, kích thước hạt mịn trung bình 0,8-1,3µ đạt (8-13%).Trường hợp 1,5mm/phút, bước cho thấy giảm hạt mịn 0,5-1,1µm (5-11%).Ép tốc độ biến dạng 2mm/phút cho thấy giảm hạt mịn 0,8-1,2µm(8-12).Tổng cộng giảm kích thước hạt sau bước 36-44% so với kích thước mẫu ban đầu.Sau bước ép duỗi thẳng, tổng 58-69% đạt ba tốc độ biến dạng khác nhau.Hình 3e cho thấy phân bố kích thước hạt theo tốc độ biến dạng Tại mức độ biến dạng 1mm/phút 1,5mm/phút, kích thước hạt trung bình đạt 1,9µm sau bước.Ngun nhân sau bước phân chia hạt khác với tốc độ biến dạng lớn chúng gần tạo thành nhóm hướng tới vị trí Sự tạo thành biến dạng gồm biên giới hạt góc cao phân chia hạt tốc độ biến dạng thấp dễ dàng hạt làm biến dạng trượt vào phần dải biến dạng (hoặc khối ô hạt) mà biến dạng hệ trượt yêu cầu đồi với biến dạng mạnh Kết luận Từ kết thí nghiệm cho thấy rõ ràng sơ bước có đóng góp nhiều cho kết : kích thước hạt chuyển đổi từ hạt thơ thành hạt mịn làm tăng tính dẻo vật liệu Tốc độ biến dạng 1,5 mm/phút tới bước ép cho kích thước hạt nhỏ độ cứng cao ảnh hưởng ma sát biến dạng dẻo, kim loai biến dạng tiếp xúc với khuôn ép, khiến phần kim loại bề mặt tiếp xúc trượt khuôn, mặt tiếp xúc có lực cản chống lại chuyển động trượt tương đối mặt tiếp xúc, kết tạo cặp ma sát tiếp xúc cản trở trình chuyển vị phần tử kim loại Lực ma sát phụ thuộc chất lượng, đặc tính, trạng thái bề mặt điều kiện bôi trơn Ma sát tiếp xúc làm tăng trở lực biến dạng công biến dạng vật liệu Ma sát gia cơng áp lực có ảnh hưởng vừa tích cực vừa tiêu cực Nhờ có ma sát mà dập giữ phôi làm vật dập khơng bị nhăn Ngồi ra, ma sát cịn nguyên nhân gây biến dạng không vật liệu Nếu bề mặt ma sát có bơi lớp trơn có kết dính làm giảm lực ma sát ngồi gia cơng áp lực, làm giảm nhiệt độ dụng cụ, khử tượng tường dính kim loại dụng cụ, nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia cơng Khi lực ma sát giảm, giảm trở lực biến dạng kim loại, từ giảm tổng Đồ án tốt nghiệp Chương lực tác dụng kim loại lên dụng cụ giảm công tiêu hao, giảm độ mài mòn dụng cụ nâng cao tuổi thọ dụng cụ Đối với chất bôi trơn có hệ số ma sát khác Ép khơng có ma sát xảy tượng tường dính mặt phơi lịng khn ảnh hưởng xấu tới bề mặt phơi gây nứt vỡ bề mặt phôi chất lượng sản phẩm ,và hệ số ma sát tăng lên cường độ ứng suất tăng, cường độ biến dạng lực gia cơng tăng lên Vì q trình ép phải sử dụng chất bôi trơn với chất bơi trơn có hệ số ma sát khác nên để nghiên cứu ảnh hưởng ma sát tác động tới tổ chức hạt đến biến dạng phôi ép phải mơ hình hóa mơ số để so sánh ảnh hưởng cấu trúc khn ép Hình 2: ngun lý mẫu bị ép tạo sóng khn CGP định hai yếu tố chiều rộng rãnh khn T góc khn Trong chiều rộng rãnh T = chiều cao rãnh H = độ dày phôi t Biến dạng cắt biến dạng hữu hiệu tính tốn cho lần ép: Đồ án tốt nghiệp Chương Vì CGP giả thuyết biến dạng cắt túy điều kiện biến dạng phẳng (Shirdel et al., 2010), tương ứng với mức độ biến dạng: Vậy, tổng biến dạng hữu hiệu tính tốn CGP mẫu bị ép n bước: Khi góc khn 45 độ, chiều rộng T chiều cao H.Khi biến dạng cắt biến dạng hữu hiệu Trong trường hợp này, bước CGP gồm tổng biến dạng hữu hiệu 1.16 mẫu.Rõ ràng góc định trực tiếp hiệu tích lũy biến dạng Thí nghiệm cho thấy so sánh với 45o, làm tăng hạt mịn tính chất học đc cải thiện làm giảm biến dạng đồng ... Khuôn dập tạo vật liệu cấu trúc siêu mịn công nghệ CGP Đồ án tốt nghiệp Chương Em làm gạch đầu dòng đây: - Vật liệu - Kích thước hình học 2.4 Ảnh hưởng số thông số công nghệ đến q trình tạo hình... phân tích kết quả) q trình tạo hình vật liệu trạng thái nguội trạng thái nóng tùy vào điều kiện toán Đối với vật liệu SPD người ta chọn tạo hình trạng thái ấm tính dẻo vật liệu cao nhất, trạng thái... để chế tạo vật liệu siêu mịn hợp kim hai pha, họ khuyến cáo có th ể xuất khuyết tật nứt biến dạng lớn, hợp kim đa pha tính d ẻo h ơn so với vật liệu kim loại nguyên chất Bên cạnh đó, họ rãnh khn