Đồ án tốt nghiệp ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình dập tấm trên rãnh chu kỳ nhằm tạo vật liệu có cấu trúc siêu mịn bằng phương pháp mô phỏng số kết hợp với thực nghiệm

Đồ án tốt nghiệp Cơ học vật liệu cán kim loại MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Ma nhê hợp kim ma nhê 1.2 Phương pháp cải thiện độ bền vật liệu 1.2.1 Độ bền học vật liệu kim loại .9 1.2.2 Vật liệu siêu mịn phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt SPD .10 1.3 Các phương pháp chế tạo vật liệu siêu mịn 13 1.3.1 Phương pháp chế tạo vật liệu siêu mịn thể khối 13 1.3.1.1 Ép kênh gấp khúc ( Equal-channel angular pressing, ECAP) 13 1.3.1.2 Xoắn áp lực cao ( High-pressure torsion, HPT) 15 1.3.1.3 Rèn đa chiều 17 1.3.1.4 Nén-ép chu kì (CEC) 18 1.3.1.5 Xoắn - ép (TE- Twist Extrusion) 18 1.3.2 Phương pháp chế tạo vật liệu siêu mịn dạng 19 1.3.2.1 Phương pháp cán dính (ARB) .21 1.3.2.1.1 Các tượng ảnh hưởng đến liên kết bề mặt 22 1.3.2.1.2 Ưu điểm phương pháp cán dính (ARB) 23 1.3.2.1.3 Nhược điểm phương pháp cán dính (ARB) 23 1.3.2.2 Phương pháp dập rãnh chu kỳ (CGP- Constrain Groove Pressing)23 1.4 Kết luận .27 CHƯƠNG II CƠ SỞ LÍ THUYẾT BÀI TỐN DẬP ĐỊNH HƯỚNG TRÊN RÃNH CHU KỲ NHẰM TẠO VẬT CÓ CẤU TRÚC SIÊU MỊN 28 2.1 Nguyên lí tốn sản xuất vật liệu siêu mịn 28 2.1.1 Nguyên lí tạo hình 28 2.2 Khuôn dập 30 2.2.1 Điều kiện làm việc khuôn dập tạo hình 30 2.2.2 u cầu tính khn dập 30 2.2.3 Các dạng sai hỏng khuôn cách khắc phục .31 2.2.3 Vật liệu làm khuôn dập 32 2.3 Khuôn dập định hướng ranch chu kỳ tạo vật liệu cấu trúc siêu mịn công nghệ CGP 33 2.4 Ảnh hưởng số thơng số cơng nghệ đến q trình tạo hình biến dạng 36 2.4.1 Nhiệt độ 36 2.4.2 Tốc độ biến dạng .38 TĂNG VĂN QUÂN Đồ án tốt nghiệp Cơ học vật liệu cán kim loại 2.4.3 Ma sát 39 2.4.4 Hóa bền biến dạng 40 2.4.5 Tác động ứng suất dư 42 CHƯƠNG III MƠ PHỎNG SỐ QTRÌNH DẬP SPD 44 3.1 Phần mềm mơ q trình tạo hình vật liệu .44 3.2 Mơ q trình ép định hướng rãnh chu kỳ - mơ hình 3D 46 3.2.1 Mơ hình hình học tốn ép định hướng rãnh chu kỳ 3D .46 3.2.2 Thiết lập mơ hình phơi khn dập 47 3.2.3 Mơ hình lắp ghép phôi khuôn 48 3.3 Kết phân tích 50 3.3.1 Hình dạng hình học phơi sau chu kỳ ép tạo sóng phẳng 51 3.3.2 Phân tích trạng thái ứng suất biến dạng 52 3.3.2.1 Trạng thái ứng suất 52 3.3.2 Trạng thái biến dạng 55 3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đến q trình CGP 60 3.4.1 Ảnh hưởng hệ số ma sát .60 3.4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ 63 3.4.3 Ảnh hưởng chiều dày phôi 64 3.5 Kết luận .66 CHƯƠNG IV THỰC NGHIỆM 68 4.1 Vật liệu thí nghiệm 68 4.1.1 Vật liệu ban đầu 68 4.2 Thiết bị thí nghiệm 69 4.2.1 Khuôn ép 69 4.2.2 Máy ép thủy lực STENHØJ-100 .70 4.2.3 Thiết bị gia nhiệt cho khuôn phôi 71 4.2.4 Máy kéo nén 71 4.2.5 Máy soi tổ chức 72 4.2.6 Lò nung 73 4.2.7 Máy đo độ cứng 73 4.3 Điều kiện thí nghiệm 74 4.4 Phương pháp phân tích kết thí nghiệm .76 4.5 Kết phân tích 78 4.5.1 Ảnh tổ chức tế vi cấp hạt .78 4.5.2 Kết đo độ cứng 83 KẾT LUẬN 86 TĂNG VĂN QUÂN Đồ án tốt nghiệp Cơ học vật liệu cán kim loại Tài liệu tham khảo tiếng việt .87 Tài liệu tham khảo nước 87 Danh sách từ viết tắt .96 Danh sách hình .96 Danh sách bảng .98 TĂNG VĂN QUÂN Đồ án tốt nghiệp Cơ học vật liệu cán kim loại LỜI NĨI ĐẦU Cơng nghệ vật liệu ngày có bước phát triển mạnh mẽ mang tính chất đột phá Nhiều loại vật liệu đời có tính kỹ thuật vượt trội so với loại truyền thống tạo điều kiện thúc đẩy tiến khoa học tiến tới tầm cao Trong số cơng nghệ tiến tiến phải kể đến công nghệ vật liệu siêu mịn kim loại hợp kim Vật liệu kim loại hợp kim có tầm quan trọng đặc biệt sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp thuộc kinh tế Quốc dân Mặc dù có lịch sử phát triển lâu đời ngày loại vật liệu kim loại hợp kim tiếp tục nghiên cứu, phát triển cách mạnh mẽ xuất công nghệ phục vụ chế tạo vật liệu cải tạo chúng nhằm tăng cao cơ, lý tính đáp ứng yêu cầu áp dụng thực tế Một số tính chất quý giá loại vật liệu kim loại khả biến dạng dẻo chúng làm cho trình gia cơng thực Ngồi q trình biến dạng dẻo làm cho vật liệu có cấu trúc hạt nhỏ so với cấu trúc đúc ban đầu nói chung tính chất chúng cải thiện theo hướng tốt Q trình làm mịn hạt chứa vơ số lệch dựa sở tạo siêu hạt trình biến dạng dẻo sở chung cho tất kim loại Tuy nhiên với phương pháp biến dạng dẻo truyền thống cán, rèn, dập khối nóng hay ép chảy, mức độ biến dạng cho phép đạt kích thước hạt nhỏ tới giá trị đó, khơng cho phép nhận vật liệu có kích thước hạt mịn siêu mịn Một số nguyên nhân không đạt giới hạn kích thước mịn hạt kim loại q trình gia cơng trạng thái nóng có xảy q trình kết tinh lại trạng thái nguội với mức độ biến dạng nhỏ, biến dạng xảy trình phá huỷ Để khắc phục trình phá huỷ kim loại biến dạng lớn phục vụ cho nghiên cứu khám phá tiếp theo, thời gian gần đây, bắt đầu phương pháp SPD Phương pháp chứng minh rằng, trình biến dạng dẻo trạng thái nguội hay ấm đạt mức độ biến dạng lớn dẫn tới kết khả quan việc cải thiện tính chất vật liệu kim loại, cụ thể làm cho vật liệu kim loại có cấu trúc mịn tiến tới cấu trúc nano tạo cho chúng vừa có độ bền, độ cứng cao lại vừa có tính dẻo tốt phục vụ cho việc gia công chế tạo chi tiết Tuy có nhiều cơng nghệ chế tạo vật liệu siêu mịn khác mục đích riêng nhiều tác giả tập chung nghiên cứu phương pháp Tuy nhiên TĂNG VĂN QUÂN Đồ án tốt nghiệp Cơ học vật liệu cán kim loại chúng phát nghiên cứu vài thập kỷ gần có xu hướng mở rộng chủng loại lẫn quy mô nghiên cứu ứng dụng sản xuất công nghiệp Trong số loại vật liệu đề cập đến nhiều vật liệu titan, đồng, nhơm, ma nhê…, ngồi loại vật liệu khác đề cập nghiên cứu cách tích cực Vật liệu hợp kim Mg biết đến sớm số vật liệu nhẹ quan trọng, sử dụng nhiều công nghiệp điện tử, hàng không, công nghiệp ô tô y học Phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt làm cho hợp kim loại Mg thay đổi cấu trúc với hạt nhỏ hơn, mịn hơn, tiếp tục với mức độ biến dạng cấu trúc siêu mịn vật liệu thay đổi tính chất cách đột biến theo hướng tốt phù hợp việc ứng dụng rộng rãi chúng Để ứng dụng rộng rãi hợp kim Mg có cấu trúc hạt siêu mịn đời sống, em chọn đề tài nghiên cứu” Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số cơng nghệ q trình dập rãnh chu kỳ nhằm tạo vật liệu có cấu trúc siêu mịn phương pháp mô số kết hợp với thực nghiệm” Đồ án em trình bày nghiên cứu chế biến dạng dẻo nhằm tối ưu thông số công nghệ toán dập song tạo vật liệu siêu mịn với vật liệu hợp kim ma nhê dạng Đồng thời qua kết đề xuất kết cấu khn chế tạo khn dập Trong nghiên cứu tính tốn có sử dụng phương pháp mô số phần mềm ABAQUS Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ, bảo ân cần, tận tình giáo TS Đặng Thị Hồng Huế, thầy, cô bạn sinh viên môn CHVL & Cán KL giúp em hoàn thành Đồ án Do đề tài mới, thời gian ngắn cho đề tái nghiên cứu kiến thức hạn hẹp nên đồ án tránh khỏi sai sót, em mong góp ý, bảo thày, cô bạn Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Tăng Văn Quân TĂNG VĂN QUÂN Đồ án tốt nghiệp Cơ học vật liệu cán kim loại CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Ma nhê hợp kim ma nhê Ma nhê nguyên tố chiếm trọng lượng lớn vỏ trái đất [1] Mặc dù nguyên tố tìm thấy, song sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực với vai trò khác nhau, chi tiết có yêu cầu tải trọng nhẹ dùng công nghiệp ô tô, máy bay thiết bị điện tử Các loại quặng ma nhê tìm thấy nhiều biển [2] Lượng ma nhê hòa tan dư nước biển lớn, khoảng (1,1kg/m3) Ma nhê kim loại có khối lượng nhẹ thứ ba số nguyên tố kim loại Mật độ vào khoảng 1,74g/cm3, xấp xỉ ¼ trọng lượng thép 2/3 trọng lượng nhơm [3-5] Bởi tỉ trọng thấp tính cao, nên vật liệu ma nhê sử dụng rộng rãi thiết bị trọng lượng nhẹ [6] Một ưu điểm ma nhê tính khả đúc (phù hợp với đúc áp lực cao nhiệt độ nóng chảy thấp) Bên cạnh tính chịu hàn vật liệu cao [4] Tuy nhiên, ma nhê bị giới hạn ứng dụng số nhược điểm như: mô đun đàn hồi, giới hạn bền, khả chống dão nhiệt độ cao thấp hoạt tính hóa học cao [4] Sảm phẩm từ ma nhê sản xuất vào kỷ 19 Sau đó, hợp kim ma nhê nghiên cứu từ thời gian Các hợp kim sử dụng để chế tạo cánh máy bay phục vụ chiến tranh giới thứ II Tuy nhiên, không lâu sau hợp kim ma nhê không tiếp tục nghiên cứu, ứng dụng mà thay vào nhơm hợp kim nhơm Theo sách bảo vệ môi trường chống tăng giá nhiên liệu, hợp kim ma nhê lại tiếp tục tập trung nghiên cứu trở lại loại vật liệu cấu trúc chủ yếu Sau nghiên cứu chuyên sâu, số hợp kim ma nhê sử dụng để chế tạo thiết bị y tế phục vụ việc khám chữa bệnh người như: đinh vít cố định xương tạm thời, dây định vị chất cấy sinh học,…[7] Khi thêm vào hợp kim ma nhê nguyên tử ma nhê nguyên chất giúp cải thiện tính chất học hợp kim Ma nhê kim loại có hoạt tính cao, phản ứng với kim loại hợp kim khác để thạo thành hợp kim đa nguyên Hợp kim ma nhê đa số nhiều pha Những pha ảnh hưởng đến cấu trúc tính chất hợp kim ma nhê Độ bền, độ cứng tính chất học khác hợp kim ma nhê chịu ảnh hưởng pha ma nhê TĂNG VĂN QUÂN Đồ án tốt nghiệp Cơ học vật liệu cán kim loại Nhôm, thiếc, kẽm, măng gan kim loại thường kết hợp với ma nhê để chế tạo hợp kim có tính cao Hợp kim nhơm – ma nhê có độ bền cao nhiều so với vật liệu ma nhê nguyên chất Độ bền hợp kim ma nhê không cải thiện nhiều dùng nhôm [8], muốn cải thiện tính cao người ta phải dùng thêm số nguyên tố kim loại khác Như thiếc kim loại thường sử dụng với nhôm ma nhê tạo thành hợp kim có độ bền, độ dẻo cao [6] Hơn nữa, thiếc có lợi việc làm nhỏ hạt trình biến dạng hợp kim ma nhê Bên cạnh đó, nguyên tố măng gan hợp kim nhôm-ma nhê tạo thành vật liệu có khả chống ăn mịn với nước biển Nhiều lim loại sử dụng công nghệ chế tạo hợp kim ma nhê với tính đặc biệt Khi thêm vào nguyên tố làm tăng giới hạn bền hợp kim ma nhê nhiệt độ cao, chống dão chống ăn mòn kim loại [2] Hợp kim ma nhê vật liệu đa tinh thể gồm tập hợp nhiều hạt đơn tinh thể, định hướng hạt khác hạt liên kết thông qua biên giới hạt, trật tự xếp nguyên tử bị xáo trộn cản trở lệch chuyển động Do khác định hướng hạt làm cho có ngoại lực tác dụng, trượt bắt đầu số hạt có định hướng thuận lợi Để trượt xảy mà tồn đa tinh thể đảm bảo tính liên tục, lý thuyết học chứng minh cần phải có năm hệ trượt độc lập hoạt động Vì từ đầu, trượt đa tinh thể xảy nhiều hệ trượt phức tạp yêu cầu ứng suất trượt cao nhiều so với trượt đơn giản hệ trượt đơn tinh thể có kiểu mạng Biến dạng dẻo hợp kim ma nhê chủ yếu theo chế trượt Trượt dịch chuyển tương đối hai phần tinh thể với theo mặt phương định gọi mặt trượt phương trượt Khoảng cách dịch chuyển tương đương thông số mạng hay số chẵn lần thông số mạng Như vậy, sau trượt, mối liên kết nguyên tử với nguyên tử xung quanh khôi phục lại cũ Kết nghiên cứu nhiễu xạ Rơnghen cho biết, mặt trượt phương trượt thường mặt phương có mật độ nguyên tử cao mạng Một mặt trượt phương trượt mặt trượt tạo thành hệ trượt Ma nhê có kiểu mạng lục giác xếp chặt với thông số a = 0,320 nm, c = 0, 520 nm, tỉ số c/a = 1.624, hệ trượt ({00.2} ) hệ trượt chiếm ưu thế, trình trượt xảy sớm chiếm ưu hệ Một hệ trượt quan trọng khác {10.0} , kiểu tháp I {10.1} kiểu tháp II {11.2} (Hình 1.1) TĂNG VĂN QUÂN Đồ án tốt nghiệp Cơ học vật liệu cán kim loại Thực nghiệm lý thuyết cho biết có thành phần ứng suất tiếp mặt phương trượt gây trượt, cịn ứng suất pháp khơng gây trượt Để kim loại bắt đầu trượt, thành phần ứng suất tiếp phải đạt tới giá trị định Người ta gọi ứng suất tiếp cần thiết để kim loại bắt đầu trượt ứng suất tiếp tới hạn th Cùng ngoại lực tác dụng mặt trượt phương trượt có định hướng khác có giá trị ứng suất tiếp khác Như vậy, góc định hướng tương đối ngoại lực với mặt phương trượt có ý nghĩa quan trọng đến khả xảy trượt kề (cách ~ 200 A ) Chỉ có hệ trượt sở khơng phụ thuộc vào hệ trượt khác hệ đó, biến dạng dẻo đồng nhât theo điều kiện dẻo Von-Mises [10] Vì vậy, biến dạng dẻo hệ trượt sở chịu tác động hệ trượt khác Hình 1.1: Hệ trượt ma nhê Hợp kim ma nhê a) Cơ sở, b) Lăng trụ, c) Kểu tháp I, d) Kiểu tháp II Mũi tên phương trượt [11] Ở nhiệt độ cao, hệ trượt kết hợp với trở nên động Vì thế, ma nhê biến dạng nhiệt độ cao với nhiều hệ trượt khác nhau, không riêng hệ trượt sở Tỉ lệ ứng suất cắt hệ trượt sở hệ trượt sở khác lớn, tùy thuộc vào hợp kim ma nhê với nguyên tố khác Điều quan sát hợp kim AZ31, tỉ lệ khoảng 22.5 [12], ma nhê nguyên chất 4887 [13] Với tính ưu việt so với loại vật liệu khác, hợp kim ma nhê chọn làm đối tượng nghiên cứu, cải thiện độ bền học thơng qua phương pháp tạo hình biến dạng TĂNG VĂN QUÂN Đồ án tốt nghiệp Cơ học vật liệu cán kim loại 1.2 Phương pháp cải thiện độ bền vật liệu 1.2.1 Độ bền học vật liệu kim loại Những nhân tố gây nên cản trở sản sinh lệch nguyên nhân dẫn đến hóa bền biến dạng [14] Một số phương pháp hóa bền vật liệu kim loại biết đến như: Hóa bền biến dạng q trình biến dạng, lệch khơng ngừng sinh ra, mật độ lệch tăng lên Khi chuyển động nhiều hệ trượt khác nhau, lệch gặp phải chướng ngại vật cắt làm cho chúng bị dồn ứ chuyển động khó khăn Ở chỗ tạo thành rừng lệch Rừng lệch cản trở chuyển động lệch khác Các lệch muốn tiếp tục chuyển động phải vượt qua cắt Điều đỏi hỏi phải tăng ứng suất Trường ứng suất lệch bị dồn ứ chống lại sản sinh di chuyển lệch khác nguyên nhân dẫn đến hóa bền biến dạng Mối liên hệ mật độ lệch giới hạn bền vật liệu trình bày tài liệu [15], thơng qua cơng thức: (1.1) Δσy = M.α.G.b√ ρ D đó: M hệ số Taylor, số (thường có giá trị từ 0,1  0,5), G mơ đun cắt, b véc tơ Burgers ρD mật độ lệch - Biên giới hạt vừa nguồn lệch, vừa chướng ngại vật ngăn cản chuyển động lệch góp phần dẫn đến hóa bền biến dạng Hóa bền dung dịch rắn: nguyên tố thứ hai hoà tan vào mạng tinh thể kim loại tạo nên dung dịch rắn (thay xen kẽ) làm tăng xơ lệch mạng làm tăng độ bền độ cứng Hiệu ứng hoá bền dung dịch rắn thường kèm theo giảm độ dẻo độ dai hợp kim, người ta thường chọn hàm lượng phần trăm nguyên tố hợp kim đưa vào cho tối ưu để có hố bền cao không làm giảm độ dẻo, độ dai hợp kim [9] Tạo pha cứng phân tán hay hoá bền tiết pha: số nguyên tố đưa vào hợp kim (thường với hàm lượng nhỏ) tạo thành pha hợp chất cứng kích thước nhỏ độ phân tán cao có tác dụng chất cản trở chuyển động lệch, gây hiệu ứng tăng độ bền độ cứng, đồng thời làm giảm độ dẻo hợp kim TĂNG VĂN QUÂN Đồ án tốt nghiệp Cơ học vật liệu cán kim loại Làm nhỏ hạt: hợp kim hố làm tổ chức tế vi hợp kim có hạt tinh thể kích thước nhỏ Các tinh thể biến nhỏ làm tăng tổng diện tích bề mặt biên giới hạt, gây hiệu ứng tăng bền đề cập tới biểu thức Hall-Petch [17] Ưu điểm bật chế tăng bền làm nhỏ hạt làm tăng tất tiêu độ bền, độ dẻo, độ dai hợp kim, hạt nhỏ nguy sản sinh vết nứt biên giới hạt tập trung ứng suất cục tập trung đường lệch giảm Vai trị hố bền biên giới hạt đa tinh thể quan trọng Các lệch chuyển động bị dừng lại trước biên giới hạt tạo thành tập hợp lệch Tập hợp lệch tạo thành trường ứng suất bổ sung với ngoại lực Khi hợp lực đủ lớn kích thích nguồn lệch hạt lân cận hoạt động Nhờ đó, q trình biến dạng dẻo truyền từ hạt sang hạt khác Q trình trở nên khó khăn kích thước hạt nhỏ, số lượng lệch tập hợp giảm trường ứng suất bổ sung yếu Giữa ứng suất chảy đa tinh thể kích thước hạt d có quan hệ phụ thuộc theo biểu thức Hall-Petch [17, 18] công thức (1.2): σ y =σ 0+ k y d −1 (1.2) đó: σy giới hạn chảy vật liệu, σ0 ứng suất ban đầu vật liệu ky số liên quan đến cấu trúc biên giới hạt Công thức (1.2) biểu thị mối quan hệ độ bền vật liệu kích thước hạt, độ bền tăng khơng làm thay đổi thành phần hóa học vật liệu Cơng thức áp dụng cho khoảng giá trị kích thước hạt từ 20 nm tới 10 microns Trong vật liệu nano với kích thước hạt nhỏ từ 10 đến 30 nm, hóa mềm kim loại quan sát [19] Thực tế biết đến đối lập mà Hall-Petch tìm [20] Cơng thức mô tả mối quan hệ hoạt động lệch kích thước hạt Tuy nhiên, vật liệu cấu trúc na nơ bao gồm hạt có kích thước đủ nhỏ để hoạt động lệch biên giới hạt tích cực bên hạt [21] Vì vậy, với kích thước hạt vơ nhỏ, vật liệu có cấu trúc na no có độ bền cao chuyển động khó khăn lệch biên giới hạt Độ cứng, độ bền vật liệu định kích thước hạt cấu trúc tế vi kim loại Kim loại có kích thước độ hạt nhỏ (giới hạn 10nm) nhiều cấu trúc dạng {111} có độ cứng, độ bền cao Quy luật thể qua lý thuyết Hall-Petch Vì vậy, cải thiện tính vật liệu phương pháp làm nhỏ hạt, hạt siêu mịn ngày nghiên cứu phát triển TĂNG VĂN QUÂN