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

TỔNG QUAN

Ma nhê và hợp kim ma nhê

Ma nhê là nguyên tố chiếm trọng lượng lớn trong vỏ trái đất, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp ô tô, máy bay và thiết bị điện tử nhờ vào khả năng tạo ra các chi tiết nhẹ Các loại quặng ma nhê thường được tìm thấy dưới biển, với lượng ma nhê hòa tan trong nước biển lên tới khoảng 1,1 kg/m³.

Ma nhê là một kim loại nhẹ, đứng thứ ba trong số các nguyên tố kim loại với mật độ khoảng 1,74g/cm³, tương đương với trọng lượng của thộp và bằng 2/3 trọng lượng của nhôm Nhờ tỉ trọng thấp và cơ tính cao, ma nhê được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị nhẹ Vật liệu này còn có ưu điểm về tính khả đúc, thích hợp cho đúc áp lực cao do nhiệt độ nóng chảy thấp, cùng với khả năng chịu hàn rất tốt Tuy nhiên, ma nhê cũng gặp phải một số nhược điểm như mô đun đàn hồi, giới hạn bền, khả năng chống dão ở nhiệt độ cao kém và hoạt tính hóa học cao.

Sản phẩm từ ma nhê lần đầu tiên được sản xuất vào giữa thế kỷ 19, và những hợp kim ma nhê cũng được nghiên cứu trong thời gian này, chủ yếu để chế tạo cánh máy bay phục vụ chiến tranh thế giới thứ II Tuy nhiên, sau đó, nghiên cứu về hợp kim ma nhê đã bị ngừng lại, nhường chỗ cho nhôm và các hợp kim của nhôm Gần đây, với chính sách bảo vệ môi trường và chống tăng giá nhiên liệu, hợp kim ma nhê đã được nghiên cứu trở lại như một vật liệu cấu trúc quan trọng Các nghiên cứu chuyên sâu đã dẫn đến việc một số hợp kim ma nhê được sử dụng trong chế tạo thiết bị y tế, bao gồm đinh vít cố định xương tạm thời, dây định vị, và các chất cấy sinh học.

Việc thêm nguyên tử ma nhê nguyên chất vào hợp kim ma nhê giúp cải thiện đáng kể tính chất cơ học của chúng Ma nhê, với tính hoạt động cao, có khả năng phản ứng với các kim loại và hợp kim khác để tạo ra các hợp kim đa nguyên Hầu hết các hợp kim ma nhê đều có cấu trúc nhiều pha, và các pha này ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc cũng như tính chất của hợp kim Độ bền, độ cứng và các tính chất cơ học khác của hợp kim ma nhê đều phụ thuộc vào pha nền ma nhê.

Chuyên đề tốt nghiệp Kinh tế

Nhôm, thiếc, kẽm và măng gan là những kim loại hiếm thường được kết hợp với ma nhê để chế tạo hợp kim có cơ tính cao Hợp kim nhôm – ma nhê có độ bền vượt trội so với ma nhê nguyên chất, nhưng để cải thiện cơ tính, cần thêm một số nguyên tố kim loại khác Thiếc, chẳng hạn, không chỉ tăng cường độ bền và độ dẻo mà còn giúp làm nhỏ hạt trong quá trình biến dạng hợp kim ma nhê Măng gan trong hợp kim nhôm-ma nhê mang lại khả năng chống ăn mòn trong môi trường nước biển Việc sử dụng các kim loại hiếm này trong công nghệ chế tạo hợp kim ma nhê giúp tăng giới hạn bền ở nhiệt độ cao, đồng thời cải thiện khả năng chống dão và chống ăn mòn.

Hợp kim ma nhê là loại vật liệu đa tinh thể, bao gồm nhiều hạt đơn tinh thể có định hướng khác nhau Các hạt này liên kết với nhau qua biên giới hạt, nơi mà trật tự sắp xếp nguyên tử bị xáo trộn, làm cản trở sự chuyển động lệch.

Do sự khác biệt trong định hướng của các hạt, khi có ngoại lực tác dụng, chỉ một số ít hạt với định hướng thuận lợi bắt đầu trượt Để đảm bảo tính liên tục của toàn bộ đa tinh thể trong quá trình trượt, lý thuyết cơ học yêu cầu ít nhất năm hệ trượt độc lập phải hoạt động Do đó, trượt trong đa tinh thể diễn ra trên nhiều hệ trượt phức tạp và cần một mức ứng suất trượt cao hơn so với trượt đơn giản trên một hệ trượt của đơn tinh thể cùng kiểu mạng.

Biến dạng dẻo của hợp kim ma nhê chủ yếu diễn ra qua cơ chế trượt, trong đó hai phần tinh thể dịch chuyển tương đối theo một mặt và phương nhất định, gọi là mặt trượt và phương trượt Khoảng cách dịch chuyển tương đương với thông số mạng hoặc số chẵn lần thông số mạng, giúp khôi phục lại mối liên kết của nguyên tử với các nguyên tử xung quanh Nghiên cứu bằng nhiễu xạ Rơnghen cho thấy mặt trượt và phương trượt thường là những vùng có mật độ nguyên tử cao nhất trong mạng tinh thể Một mặt trượt và một phương trượt trên mặt trượt đó tạo thành một hệ trượt.

Ma nhê có kiểu mạng lục giác xếp chặt với các thông số a = 0,320 nm, c = 0,

Tại bước sóng 520 nm, tỉ số c/a là 1.624, với hệ trượt chính là ({00.2} ), cho thấy đây là hệ trượt chiếm ưu thế và xảy ra sớm nhất trong quá trình trượt Ngoài ra, hệ trượt quan trọng khác bao gồm {10.0} , kiểu tháp I {10.1} và kiểu tháp II {11.2} (Hình 1.1).

Theo lý thuyết và thực nghiệm, chỉ có ứng suất tiếp trên bề mặt và phương trượt mới gây ra hiện tượng trượt, trong khi ứng suất pháp không ảnh hưởng đến quá trình này Để kim loại bắt đầu trượt, ứng suất tiếp cần đạt đến một giá trị nhất định, được gọi là ứng suất tiếp tới hạn (th).

Khi cùng một ngoại lực tác dụng, giá trị ứng suất tiếp trên các mặt trượt và phương trượt có định hướng khác nhau sẽ khác nhau Điều này cho thấy rằng góc định hướng tương đối giữa ngoại lực và mặt trượt, cũng như phương trượt, đóng vai trò quan trọng trong khả năng xảy ra trượt kề nhau.

Hệ trượt cơ sở là hệ duy nhất không bị ảnh hưởng bởi các hệ trượt khác, trong khi biến dạng dẻo theo điều kiện dẻo Von-Mises là đồng nhất Do đó, biến dạng dẻo trên các hệ trượt không phải cơ sở sẽ bị tác động bởi các hệ trượt khác.

Hệ trượt của ma nhê và hợp kim ma nhê bao gồm nhiều dạng như cơ sở, lăng trụ, kiểu tháp I và kiểu tháp II, với các phương trượt được chỉ ra rõ ràng Ở nhiệt độ cao, các hệ trượt này kết hợp và trở nên năng động hơn, cho phép ma nhê biến dạng linh hoạt thông qua nhiều hệ trượt khác nhau, không chỉ hạn chế ở hệ trượt cơ sở.

Tỉ lệ ứng suất cắt trên hệ trượt cơ sở và các hệ trượt không phải cơ sở có sự khác biệt lớn, phụ thuộc vào hợp kim ma nhê với các nguyên tố khác Cụ thể, trong hợp kim AZ31, tỉ lệ này dao động từ 2 đến 2.5, trong khi ở ma nhê nguyên chất, tỉ lệ này lại cao hơn, từ 48 đến 87.

Hợp kim ma nhê, nhờ vào các tính năng vượt trội so với những vật liệu khác, đã trở thành đối tượng nghiên cứu chính nhằm cải thiện độ bền cơ học thông qua phương pháp tạo hình biến dạng.

Phương pháp cải thiện độ bền của vật liệu

1.2.1 Độ bền cơ học của vật liệu kim loại

Các yếu tố gây cản trở và sản sinh lệch đều là nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng hóa bền biến dạng Một số phương pháp hóa bền cho vật liệu kim loại đã được nghiên cứu và áp dụng.

Hóa bền biến dạng xảy ra khi trong quá trình biến dạng, mật độ lệch tăng lên do sự dồn ứ và cản trở chuyển động của các lệch khác Khi chuyển động trên nhiều hệ trượt, lệch gặp phải chướng ngại vật hoặc cắt nhau, tạo thành rừng lệch, làm khó khăn cho sự di chuyển Để tiếp tục chuyển động, các lệch cần vượt qua nhau, điều này yêu cầu tăng ứng suất Trường ứng suất từ các lệch bị dồn ứ cản trở sự sản sinh và di chuyển của lệch khác, góp phần vào hóa bền biến dạng Mối liên hệ giữa mật độ lệch và giới hạn bền của vật liệu được mô tả qua công thức Δσy = M.α.G.b√ ρ D, trong đó M là hệ số Taylor, G là mô đun cắt, b là véc tơ Burgers và ρD là mật độ lệch.

- Biên giới hạt vừa là nguồn lệch, vừa là chướng ngại vật ngăn cản sự chuyển động của lệch góp phần dẫn đến hóa bền biến dạng

Hóa bền dung dịch rắn xảy ra khi nguyên tố thứ hai hòa tan vào mạng tinh thể kim loại, tạo ra dung dịch rắn và làm tăng xô lệch mạng, từ đó cải thiện độ bền và độ cứng của hợp kim Tuy nhiên, hiệu ứng này thường đi kèm với sự giảm độ dẻo và độ dai, vì vậy việc lựa chọn hàm lượng nguyên tố hợp kim cần được tối ưu hóa để đạt được mức độ hóa bền cao nhất mà không làm giảm đi độ dẻo và độ dai của hợp kim.

Việc tạo ra các pha cứng phân tán trong hợp kim thông qua việc bổ sung một số nguyên tố với hàm lượng nhỏ có thể giúp hình thành các pha hợp chất cứng với kích thước rất nhỏ và độ phân tán cao Những pha này hoạt động như các chất cản trở sự chuyển động của lệch, từ đó làm tăng độ bền và độ cứng của hợp kim, mặc dù có thể dẫn đến sự giảm độ dẻo.

Làm nhỏ hạt là quá trình hợp kim hoá giúp giảm kích thước hạt tinh thể trong hợp kim, tạo ra các tinh thể nhỏ hơn Việc giảm kích thước hạt này không chỉ làm tăng tổng diện tích bề mặt mà còn cải thiện các tính chất cơ học của hợp kim.

Chuyên đề tốt nghiệp Kinh tế biên giới hạt, gây hiệu ứng tăng bền như đã đề cập tới trong biểu thức Hall-Petch

Cơ chế tăng bền nhờ làm nhỏ hạt mang lại nhiều lợi ích nổi bật, bao gồm việc cải thiện đồng đều các chỉ tiêu như độ bền, độ dẻo và độ dai của hợp kim Việc giảm kích thước hạt giúp giảm nguy cơ hình thành vết nứt tại biên giới hạt, do sự tập trung ứng suất cục bộ và các đường lệch cũng được giảm thiểu.

Biên giới hạt trong đa tinh thể đóng vai trò quan trọng trong việc hoá bền, khi các lệch chuyển động bị dừng lại và tạo thành một tập hợp lệch Tập hợp lệch này tạo ra trường ứng suất bổ sung, kết hợp với ngoại lực, và khi hợp lực đủ lớn sẽ kích thích các nguồn lệch trong các hạt lân cận hoạt động, từ đó truyền quá trình biến dạng dẻo giữa các hạt Tuy nhiên, quá trình này trở nên khó khăn hơn khi kích thước hạt giảm, do số lượng lệch trong tập hợp giảm và trường ứng suất bổ sung yếu đi Mối quan hệ giữa ứng suất chảy của đa tinh thể và kích thước hạt được mô tả qua biểu thức Hall-Petch: σ y =σ 0 + k y d.

Công thức (1.2) thể hiện mối quan hệ giữa độ bền của vật liệu và kích thước hạt, trong đó độ bền tăng mà không làm thay đổi thành phần hóa học, áp dụng cho kích thước hạt từ 20 nm đến 10 microns Trong vật liệu nano với kích thước hạt từ 10 đến 30 nm, hiện tượng hóa mềm kim loại đã được quan sát, trái ngược với lý thuyết Hall-Petch Lý thuyết này mô tả sự tương tác giữa lệch và kích thước hạt, cho thấy rằng trong cấu trúc nano, hoạt động của lệch ở biên giới hạt diễn ra tích cực hơn bên trong hạt Do đó, với kích thước hạt rất nhỏ, vật liệu nano có độ bền cao nhờ vào sự khó khăn trong chuyển động của lệch ở biên giới hạt Độ cứng và độ bền của vật liệu phụ thuộc vào kích thước hạt và cấu trúc vi mô, với kim loại có kích thước hạt nhỏ hơn 10 nm và nhiều cấu trúc dạng {111} có độ cứng và độ bền cao hơn Quy luật này được thể hiện qua lý thuyết Hall-Petch, dẫn đến việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp cải thiện cơ tính của vật liệu thông qua việc làm nhỏ kích thước hạt.

1.2.2 Vật liệu siêu mịn và phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt SPD

Vật liệu có cấu trúc siêu mịn (UFG) với kích thước hạt từ 0,1 đến 1 nm có biên giới hạt quan trọng, ảnh hưởng đến tính chất và cơ tính của chúng so với vật liệu sau chế tạo Những vật liệu này cũng thể hiện tính đồng nhất và đẳng hướng tương tự như vật liệu thông thường Tuy nhiên, một số vật liệu siêu mịn có thể không đạt trạng thái cân bằng biên giới hạt do sự hiện diện của lệch và lỗ trống với mật độ lớn.

Biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) là phương pháp hiệu quả để chế tạo vật liệu siêu mịn (UFG) bằng cách biến dạng vật liệu với mức độ lớn mà không làm thay đổi kích thước mẫu Áp lực thủy tĩnh cao trong công nghệ SPD giúp giảm khuyết tật mạng tinh thể như lệch hoặc lỗ trống Công nghệ này có khả năng thay đổi kích thước hạt một cách đáng kể so với kích thước ban đầu.

Cấu trúc vi mô của hạt kim loại trong công nghệ SPD vẫn chưa được giải thích đầy đủ, mặc dù có nhiều công trình nghiên cứu trong lĩnh vực này Danh mục tài liệu tham khảo chứng minh sự phong phú của các công bố Các nghiên cứu đã đưa ra nhiều kết luận quan trọng, trong đó Lapovok và cộng sự cho rằng cấu trúc vi mô hình thành từ quá trình kết tinh lại của các hạt.

Một số tác giả giải thích rằng cấu trúc vi mô được hình thành do sự thay đổi mật độ lệch trong vật liệu Kích thước của ô cơ sở giảm khi mức độ biến dạng tăng lên, đặc biệt khi sử dụng phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt Tuy nhiên, các mô hình mô tả sự biến đổi cấu trúc siêu mịn của vật liệu trong công nghệ này vẫn chưa được giải thích đầy đủ Để phát triển vật liệu mới, các nhà nghiên cứu đã áp dụng nhiều cách tiếp cận khác nhau, trong đó hai phương pháp cơ bản phổ biến là "bottom-up" và "top-down".

Trong phương thức "bottom-up", vật liệu UFG được tạo ra bằng cách kết hợp các nguyên tử riêng lẻ hoặc hợp nhất các hạt nano rắn Các kỹ thuật sản xuất bao gồm nghiền bi và nghiền ở nhiệt độ thấp kết hợp với ép nóng đẳng tĩnh.

Kỹ thuật nghiền cơ học trong môi trường nitơ lỏng và ngưng tụ chân không thường chỉ áp dụng cho việc sản xuất mẫu nhỏ, không phù hợp cho kết cấu lớn Các sản phẩm từ kỹ thuật này thường chứa nhiều lỗ xốp và tạp chất Nghiên cứu gần đây cho thấy, vật liệu thể khối lớn có thể được tạo ra bằng cách kết hợp nghiền ở nhiệt độ thích hợp.

Chuyên đề tốt nghiệp về kinh tế thấp và phương pháp ép nóng đẳng tĩnh kết hợp với ép đùn cho thấy rằng mặc dù đây là một phương thức tiềm năng, nhưng chi phí vận hành cao và khó khăn trong việc áp dụng vào sản xuất khiến cho việc tận dụng các hợp kim cho ứng dụng công nghiệp trở nên thách thức.

Các phương pháp chế tạo vật liệu siêu mịn

1.3.1 Phương pháp chế tạo vật liệu siêu mịn thể khối

1.3.1.1 Ép trong kênh gấp khúc ( Equal-channel angular pressing, ECAP) Ép trong kênh gấp khúc được nghiên cứu đầu tiên bởi Segal vào năm 1977 ở

Phương pháp ECAP dựa trên sự trượt thuần túy ở lớp mỏng kim loại tại mặt phẳng giao nhau của kênh, trở thành phương pháp SPD phổ biến nhất nhờ yêu cầu lực thấp và hiệu quả cao, cùng với sự thay đổi đáng kể kích thước hạt kim loại so với các phương pháp khác Tuy nhiên, việc chế tạo khuôn cho ECAP khá phức tạp, và quá trình tháo dỡ phôi sau khi tạo hình cũng cần sự sáng tạo từ người thiết kế khuôn Sơ đồ nguyên lý của phương pháp này được thể hiện rõ trong hình.

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý phương pháp ép trong kênh gấp khúc

Biến dạng trong phương pháp ECAP đã được nghiên cứu bởi Segal, người đã đưa ra biểu thức cho biến dạng cắt tgγ và áp lực p tác động lên kim loại trong công thức (1.3).

Chuyên đề tốt nghiệp Kinh tế cho thấy rằng sự phân bố biến dạng phụ thuộc vào ma sát trong kênh gấp khúc và hình dạng của kênh, với áp lực tác dụng ngược có ảnh hưởng nhỏ Phương pháp ép trong kênh gấp khúc, đặc biệt là ECAP, cho thấy ưu thế về mức độ biến dạng lớn so với các phương pháp khác Trong ECAP, phôi dạng khối được ép lặp lại trong khuôn với các góc xoay khác nhau, cho phép phôi xoay quanh trục của nó qua mỗi bước Bốn lựa chọn cơ sở cho sự xoay phôi, được gọi là các lộ trình A, C, BA, BC, đã được xác định và đánh giá về khả năng biến đổi cấu trúc hạt của vật liệu Thí nghiệm của Langdon et al [48] đã chứng minh rằng lộ trình BC mang lại tổ chức tế vi đồng đều với các hạt đẳng trục được phân chia bởi biên góc cao.

Phương pháp ECAP có lợi thế là lực tạo hình thấp, thuận lợi cho thiết kế và đảm bảo an toàn cho thiết bị trong quá trình thí nghiệm Tuy nhiên, phương pháp này không phù hợp với vật liệu giòn hoặc có tính dẻo thấp Trong một số trường hợp, vật liệu giòn có thể được xử lý ở áp lực thấp và nhiệt độ cao, nhưng điều này có thể làm thay đổi tính chất vật liệu, dẫn đến hư hại do dòng chảy không ổn định và tăng nguy cơ nứt gãy.

Hình 1.3 Cách thức xoay phôi trong ECAP

Hình 1.4 Đường cong ứng suất-biến dạng, các lớp vật liệu trong ECAP

1.3.1.2 Xoắn áp lực cao ( High-pressure torsion, HPT)

Các thiết bị tạo ra sự biến dạng dẻo xoắn khốc được điều khiển dưới áp lực cao, phát triển từ nguyên lý chế tạo thiết bị kiểu đe của [R Srinivasan et al., 2006] Thiết bị này được sử dụng để nghiên cứu sự biến đổi pha trong quá trình biến dạng dữ dội, sự phát triển cấu trúc và thay đổi nhiệt độ kết tinh lại sau biến dạng lớn Việc hình thành cấu trúc nanô đồng nhất với biên hạt góc lớn qua biến dạng xoắn khốc liệt là một bước quan trọng trong việc chế tạo vật liệu cấu trúc nanô Phương pháp biến dạng xoắn dưới áp lực cao có thể chế tạo mẫu kiểu đĩa, với quá trình được mô tả trong biểu đồ hình 1.5 Phôi kim loại được nén giữa các cái đe và biến dạng xoắn dưới áp lực vài GPa, trong khi một mâm cặp quay bên dưới tạo ra lực ma sát bề mặt Mặc dù giá trị biến dạng lớn, mẫu biến dạng không bị phá huỷ nhờ vào điều kiện nén gần như thuỷ tĩnh.

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý phương pháp xoắn áp lực cao bên trong

Nhiều bài báo chứng minh khả năng của HPT để đạt được cấu trúc UFG

Phương pháp này sử dụng một mẫu hình đồng xu bị ép giữa hai khuôn với áp suất thủy tĩnh khoảng 7 GPa Khi áp lực tăng, mẫu bị ép vào rãnh của khuôn trên, tạo ra bavia ở gờ mẫu Khuôn trên có thể xoay với tốc độ khác nhau, dẫn đến biến dạng chủ yếu là xoắn thuần túy Bavia cản trở sự tương tác giữa hai khuôn, và do áp lực cao, kim loại hình thành các vùng biến dạng cắt, cho phép biến dạng rất cao mà không phá hủy vật liệu Biến dạng cắt γ phụ thuộc vào góc xoắn φ, bán kính r và chiều dày t của phôi Biến dạng có thể được biểu diễn qua biến dạng tương đương Von – Mises εeq, là hàm của số vòng quay n, theo công thức εeq = 2 πrn t √ 3.

Công thức trước đây đã bị chỉ trích do cho kết quả không hợp lý khi góc xoay lớn, vì vậy đã được thay thế bằng phương pháp logarit Công thức mới được áp dụng là: εeq = 2ln(tg γ).

Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng việc quay sự biến dạng nhiều lần dẫn đến kết quả tương tự, cải thiện cấu trúc vi mô ở tâm mẫu Cấu trúc nanô được tạo ra thường đồng nhất về bán kính, và tính đồng nhất này được xác nhận qua sự phân bố đồng đều của giá trị độ cứng vi mô đo trên mỗi mẫu.

Các mẫu do biến dạng xoắn khốc liệt tạo ra thường có hình dạng đĩa với đường kính từ 10 đến 20mm và độ dày từ 0,2 đến 0,5mm Sự thay đổi rõ rệt về cấu trúc vi mô được ghi nhận ngay sau khi biến dạng qua 1/2 vòng quay.

Chuyên đề tốt nghiệp Kinh tế thành cấu trúc nanô đồng nhất được quyết định ở một số vòng quay nhất định như một quy luật

Nghiên cứu gần đây cho thấy biến dạng xoắn khốc liệt có thể ứng dụng hiệu quả trong việc cải thiện cấu trúc vi mô và gia cố bột Quá trình này diễn ra ở nhiệt độ phòng dưới áp lực cao vài GPa, tạo ra mật độ gần 100% khi hình thành các mẫu cấu trúc nanô dạng đĩa.

1.3.1.3 Rèn đa chiều Đây cũng là một trong phương pháp tạo ra cấu trúc nanô ở những phôi dạng khối nhờ sự rèn đa chiều (MF-multiple forging), tác giả Salishchev là người đầu tiên nghiên cứu công nghệ này Quá trình rèn đa chiều thường được kết hợp với động lực quá trình kết tinh lại

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý phương pháp rèn đa chiều

Nguyên lý rèn đa chiều dựa trên việc lặp lại thao tác rèn tự do và điều chỉnh quá trình chuốt với sự thay đổi vị trí chịu lực trên vật liệu Mặc dù tính đồng nhất về biến dạng của vật liệu trong rèn đa chiều thấp hơn so với phương pháp ECAP và xoắn dưới áp lực cao, nhưng phương pháp này vẫn cho phép tạo ra cấu trúc nanô trong vật liệu giòn Quá trình chế tạo diễn ra ở nhiệt độ cao và tải trọng thấp, do đó việc lựa chọn nhiệt độ và chế độ biến dạng phù hợp là cần thiết để đạt được kích thước hạt nhỏ nhất.

Phương pháp rèn đa chiều được sử dụng để chế tạo vật liệu siêu mịn cho

Hợp kim Ti như VT8, VT30, Ti-6%Al-32%Mo, cùng với hợp kim Mg như Mg-6%Zn và các hợp kim Ni, nổi bật với độ bền cao Quá trình rèn đa chiều thường diễn ra ở nhiệt độ từ 0,1 đến 0,5 lần nhiệt độ nóng chảy (Tnc) Điều này đặc biệt quan trọng trong việc chế tạo các hợp kim hyđrô hoá của hợp kim Ti hai pha.

Chuyên đề tốt nghiệp Kinh tế không chỉ tăng thêm tính dẻo, giảm bớt nhiệt độ biến dạng mà còn làm kích thước hạt nhỏ hơn

SPD - rèn đa chiều đã được áp dụng để sản xuất vật liệu siêu mịn cho các phôi lớn của một số kim loại và hợp kim Tuy nhiên, việc chế tạo phôi lớn hơn với cấu trúc đồng đều vẫn còn gặp nhiều hạn chế Ngoài ra, cải tiến thiết bị khuôn và phát triển cấu trúc nanô trong vật liệu dễ biến dạng, bao gồm cả hóa bền biến dạng, là những vấn đề cần được nghiên cứu sâu hơn.

1.3.1.4 Nén-ép chu kì (CEC)

Nguyên lý chế tạo vật liệu siêu mịn bằng phương pháp nén ép chu kỳ bao gồm hai giai đoạn chính Giai đoạn đầu tiên là giai đoạn đậu, trong đó mẫu vật liệu được nén với áp lực lớn tác động từ trên xuống Giai đoạn này đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra cấu trúc siêu mịn cho vật liệu.

Kết luận

Nghiên cứu về các phương pháp chế tạo vật liệu siêu mịn đang thu hút sự quan tâm mạnh mẽ từ cộng đồng khoa học, với nhiều công trình lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm được công bố Sự đa dạng trong các nghiên cứu này cho thấy tầm quan trọng và tiềm năng ứng dụng của vật liệu có cấu trúc siêu mịn trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Trong nghiên cứu chế tạo hợp kim ma nhê thể tấm, phương pháp CGP tỏ ra vượt trội hơn so với phương pháp cán ARB, đặc biệt về thiết bị sử dụng Vật liệu thu được từ CGP có tính đồng nhất cao về cơ tính, không bị ảnh hưởng bởi độ bền liên kết giữa các lớp kim loại như trong phương pháp cán Do đó, CGP ngày càng được ưa chuộng trong nghiên cứu và sản xuất, và đồ án này sẽ áp dụng phương pháp CGP để nghiên cứu hợp kim ma nhê AZ31.

CƠ SỞ LÍ THUYẾT BÀI TOÁN DẬP ĐỊNH HƯỚNG TRÊN RÃNH CHU KỲ NHẰM TẠO VẬT CÓ CẤU TRÚC SIÊU MỊN

Nguyên lí bài toán sản xuất vật liệu siêu mịn

Phương pháp CGP sử dụng tấm kim loại được đặt trong khuôn, nơi phôi không bị biến dạng tự do Mẫu tấm mỏng chịu biến dạng trượt mạnh mẽ trên các rãnh khuôn, trong đó tấm kim loại bị biến dạng cắt bởi các rãnh đối xứng Hình 2.1 minh họa rõ ràng quá trình này.

Hình 2.1: Mô tả quá trình ép định hướng trên rãnh chu kỳ

Trong phương pháp này, khe hở giữa khuôn trên và khuôn dưới tương đương với chiều dày của phôi tấm, dẫn đến việc các phần kim loại bị ép trên bề mặt nghiêng của khuôn sẽ trải qua biến dạng cắt thuần túy trong mặt phẳng biến dạng.

Trong chu trình thứ hai, phôi tạo hình sóng được nắn thẳng bằng cách đặt tấm kim loại trên bộ khuôn phẳng, đảm bảo rằng chiều dài tấm không bị giãn tự do theo bất kỳ hướng nào Quá trình nắn thẳng này được lặp lại cho đến khi đạt được kết quả mong muốn.

Chuyên đề tốt nghiệp về kinh tế tấm cho thấy rằng sự biến dạng lớn có thể xảy ra Biến dạng lặp lại tại các vị trí khác nhau góp phần làm tăng độ bền của tấm đến mức tối đa.

Khuôn dập tạo hình có cấu tạo như hình 2.2, với chiều rộng (t) và chiều sâu (t) của khuôn lượn sóng bằng nhau, góc nghiêng của rãnh trên khuôn là 45° Theo lý thuyết về độ lớn biến dạng hữu hiệu, sau một chu trình ép trong khuôn có rãnh song song, biến dạng cắt được tính bằng công thức γ = t/t = 1 (2.1).

Và biến dạng hữu hiệu được tính theo công thức: ε ˙ = [ 3 4 ( 2 γ ) 2 ] 1 2 =0,58 (2.2)

Hình 2.2: Thông số định hình phôi sau dập tạo hình

Mỗi chu trình biến dạng phôi trải qua bốn nguyên công chính Đầu tiên, tấm phẳng được ép trong khuôn có tạo rãnh, dẫn đến phần nghiêng phôi bị biến dạng lớn với mức độ biến dạng dẻo hữu hiệu đạt 0,58 Tiếp theo, phôi dạng sóng được nắn thẳng bằng khuôn phẳng, trong đó phần kim loại trên thành nghiêng trong khuôn chứa rãnh trở thành đối tượng bị biến dạng cắt với biến dạng hữu hiệu bằng 1,16 Cuối cùng, mẫu được xoay 180 độ quanh mặt phẳng nằm ngang so với tấm kim loại, làm cho phôi bị biến dạng và các vùng kim loại đối xứng cũng bị ảnh hưởng.

Chuyên đề tốt nghiệp Kinh tế lần ép thứ nhất cho thấy quá trình lặp lại với hình ảnh minh họa (hình 2.1f và 2.1g) Kết quả cuối cùng là vật liệu đạt được sự biến dạng đồng nhất với mức độ biến dạng hữu hiệu là 1,16 [60,63].

Khuôn dập

2.2.1 Điều kiện làm việc của khuôn dập tạo hình

Trong quá trình làm việc, khuôn dập nóng thường bị mài mòn do ma sát lớn, vì vậy độ cứng bề mặt và tổ chức tế vi của vật liệu rất quan trọng để tránh mài mòn Khi độ cứng của dụng cụ đạt trên 60 HRC, mỗi 1 HRC tăng thêm sẽ kéo dài tuổi thọ khuôn thêm 30% Tuy nhiên, độ cứng cần được điều chỉnh theo chức năng của từng loại khuôn; ví dụ, khuôn đột dập cần có độ cứng cao hơn khuôn dập vuốt, nhưng nếu quá cao sẽ dẫn đến nứt, vỡ Để đảm bảo khuôn không bị biến dạng dẻo và chịu được tải trọng khi dập, độ dai va đập ak cũng cần được đảm bảo, đặc biệt đối với khuôn dập tạo hình.

Khuôn làm việc trong môi trường hóa chất và không khí ẩm, dẫn đến hiện tượng ăn mòn hóa học Điều này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mà còn giảm tuổi thọ của khuôn.

Khi làm việc, các khuôn dập phải chịu áp lực lớn, ứng suất uốn, lực ma sát và lực va đập Do đó, vật liệu làm khuôn dập cần có cơ tính cao để đảm bảo tuổi thọ lâu dài và độ chính xác cao của sản phẩm.

2.2.2 Yêu cầu cơ tính của khuôn dập Để đáp ứng các yêu cầu làm việc của khuôn dập và để nâng cao tuổi thọ của khuôn, khuôn dập nguội cần phải có các cơ tính sau: Độ cứng cao: Khuôn dập nguội yêu cầu độ cứng tương đối cao vào khoảng 58-

Độ cứng của khuôn dập thường dao động từ 56HRC đến 62HRC, phụ thuộc vào lực dập, chiều dày và loại vật liệu như thép, nhôm, đồng, ma nhê, và ti tan Đối với việc dập cắt các lá thép cứng như tôn Silic, độ cứng tối thiểu cần đạt 60HRC, có thể lên đến 62HRC Trong khi đó, khi dập uốn các lá thép mỏng, độ cứng chỉ cần đạt 56HRC Nếu độ cứng vượt quá 62HRC, khuôn có nguy cơ bị sứt mẻ trong quá trình làm việc Ngoài ra, độ bền và độ dai của khuôn cũng rất quan trọng để chịu được tải trọng lớn và va đập Đối với các khuôn dập lớn, cần thêm yêu cầu về độ thấm tôi và khả năng giữ ổn định thể tích.

Tính chống mài mòn cao là yêu cầu quan trọng giúp khuôn không bị hỏng và duy trì hiệu suất làm việc lâu dài Nếu khuôn có tính chống mài mòn kém, nó sẽ dễ bị tổn thương do ma sát, dẫn đến khe hở giữa khuôn trên và khuôn dưới, làm sản phẩm vượt quá dung sai cho phép và trở thành phế phẩm Trong quá trình dập, bề mặt chi tiết có thể nóng lên đến 300 - 350 độ C, vì vậy khuôn cần đảm bảo tính cứng nóng ở nhiệt độ này Ngoài ra, tính chống mài mòn cao còn giúp duy trì độ bóng bề mặt của khuôn, ngăn chặn hiện tượng xước và giảm độ bóng của sản phẩm.

2.2.3 Các dạng sai hỏng của khuôn và cách khắc phục

Trong quá trình làm việc, khuôn dập nguội phải đối mặt với áp lực lớn, đồng thời chịu ảnh hưởng của ứng suất uốn, lực ma sát và lực va đập Những yếu tố này có thể dẫn đến các dạng sai hỏng phổ biến mà khuôn thường gặp phải.

Hình 2.3 : Các dạng sai hỏng thường gặp ở khuôn dập nguội

Nứt, vỡ khuôn: Hiện tượng này có thể gặp phải ngay trong quá trình làm việc.

Khi làm việc với khuôn có cường độ cao và hình dạng phức tạp, việc chọn vật liệu không phù hợp và nhiệt luyện có độ cứng quá cao là nguyên nhân chính gây ra vấn đề Độ cứng không đạt có thể do môi trường tôi không đúng, nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt không đủ, hoặc chọn sai mác thép Ngoài ra, nếu thành phần thép không ổn định hoặc còn nhiều austenit dư, điều này cũng làm giảm độ cứng, do đó cần điều chỉnh lượng austenit để đạt được chất lượng mong muốn.

Chuyên đề tốt nghiệp Kinh tế austenit đạt tiêu chuẩn về độ cứng yêu cầu Hiện tượng thoát cacbon là nguyên nhân làm giảm độ cứng bề mặt, do đó, trong quá trình nung, cần áp dụng các biện pháp bảo vệ để ngăn chặn tình trạng này.

Mài mòn không đều là một trong những dạng sai hỏng phổ biến nhất, thường xảy ra do nhiều nguyên nhân như chế độ nhiệt luyện không ổn định, hình dạng khuôn phức tạp và sự chênh lệch độ dày giữa các phần Mức độ sản xuất cao, cường độ làm việc lớn, lắp đặt khuôn không đúng cách và sự không tương thích giữa vật liệu sản phẩm và vật liệu khuôn cũng góp phần vào tình trạng này Khả năng mài mòn của khuôn có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào các yếu tố trên, cũng như đặc điểm bề mặt và cách bôi trơn khuôn.

Hiện tượng bong tróc và bám dính phôi, hay còn gọi là hàn lạnh, xảy ra khi vật liệu kim loại được cấu tạo từ khuôn Điều này làm giảm độ chính xác trong khuôn, ảnh hưởng đến độ bóng bề mặt và dẫn đến sản phẩm có bề mặt không đạt yêu cầu, thường xuất hiện xước Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do sự căng ra vượt quá giới hạn của kim loại làm việc do thiếu bôi trơn đầy đủ.

2.2.4 Vật liệu làm khuôn dập Để đạt được các yêu cầu cơ tính như đã đề cập ở trên các loại thép làm khuôn dập nói chung phải có thành phần cacbon cao, thường ở mức trên dưới 1%, trong trường hợp chịu va đập cao thì hàm lượng cacbon sẽ ít hơn khoảng 0,4 - 0,6% Các nguyên tố hợp kim thường dùng để hợp kim hóa là các nguyên tố làm tăng độ thấm tôi, tạo cacbit và tăng tính chống mài mòn như Cr, Mn, Mo…

Vật liệu làm khuôn rất đa dạng và cần đáp ứng các yêu cầu về cơ tính cũng như sản lượng sản phẩm mong muốn Để đảm bảo tuổi thọ của khuôn, việc lựa chọn vật liệu phù hợp là rất quan trọng Do đó, có nhiều loại vật liệu có thể được sử dụng trong quá trình làm khuôn.

Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng vật liệu làm khuôn bao gồm số lượng và chất lượng chi tiết sản xuất đúng tiêu chuẩn Khuôn sẽ không còn hiệu quả khi xuất hiện nứt vỡ, bề mặt rạn nứt, hoặc tróc rỗ Ngoài ra, kích thước chi tiết sản phẩm cần phải đúng theo thiết kế, độ bóng phải đạt yêu cầu, và đặc biệt là không có bavia dọc theo đường biên của mẫu.

Khuôn dập định hướng trên ranch chu kỳ tạo vật liệu cấu trúc siêu mịn bằng công nghệ CGP

Vật liệu chính được sử dụng để chế tạo khuôn dập nóng là SKD61, một loại thép có thành phần hóa học đặc trưng, được thể hiện trong bảng 2.1.

Bảng 2.1: Thành phần hóa học của thép SKD61

Vật liệu này có độ bền nhiệt cao và khả năng chịu va đập tốt, rất phù hợp cho việc chế tạo khuôn dập nóng Để đạt được độ cứng tối ưu, quá trình xử lý nhiệt cần được thực hiện ở nhiệt độ 750 o C - 800 o C, với độ cứng đạt khoảng 230HB.

Tôi ở 1020 o C - 1050 o C, để nguội trong không khí hoặc dầu ở 500 o C - 550 o C:

1910N/mm2 Độ cứng sau tôi: 54 HRC Độ cứng sau ram 150 o C - 200 o C: 53 HRC Ứng suất: 1850N/mm2 Độ cứng sau ram 500 o C - 550 o C: 56 HRC Ứng suất: 2050N/mm2

Việc xác định kích thước hình học và chế tạo khuôn dập đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất Điều này đòi hỏi sự chính xác về kích thước và chuẩn xác về hình dạng Các tính năng kỹ thuật như khả năng chịu nhiệt, chịu tải, độ bền và độ cứng cũng cần phải đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt.

Khuôn dập được chế tạo với kích thước vùng làm việc trong lòng khuôn như hình vẽ:

Hình 2.4: Kích thước hình học của khuôn dập tạo hình

Hình 2.5: Kích thước hình học của khuôn dập phẳng

Khi chế tạo khuôn dập thí nghiệm, việc tạo góc lượn giữa phần nghiêng và phần phẳng là rất quan trọng để tránh thay đổi diện tích đột ngột, giúp giảm thiểu sự tập trung ứng suất Để đảm bảo sự phân bố biến dạng đồng đều trên phôi, chiều rộng và chiều sâu của khuôn dập cần phải tương đương với chiều dày của phôi, đồng thời giữ cho chiều dày phôi trước và sau biến dạng không bị thay đổi.

Sự thay đổi góc nghiêng của rãnh trên khuôn ảnh hưởng đến mức độ biến dạng của phôi Theo nghiên cứu của Shirdel et al (2010), mức độ biến dạng hữu hiệu được tính bằng công thức εeff, trong đó θ là góc nghiêng của rãnh Để phân tích sự biến đổi mức độ biến dạng theo góc nghiêng, cần xem xét góc nghiêng trong khoảng từ 0 đến 90 độ, với bảng so sánh minh họa cho sự thay đổi này.

Bảng 2.2 So sánh mức độ biến dạng theo góc nghiêng của rãnh trên khuôn θ 0 o 15 o 30 o 45 o 50 o 60 o εeff 0 0.15 0.33 0.58 0.69 1

Nghiên cứu của Zong-Shen Wang và Yan-Jin chỉ ra rằng, mặc dù mức độ phân bố biến dạng hữu hiệu tăng theo góc nghiêng của rãnh, nhưng khi so sánh với góc 45 độ, góc rãnh 50 độ có thể cải thiện tính làm mịn hạt và cơ tính, đồng thời lại giảm biến dạng đồng đều Do đó, góc nghiêng 45 độ được xem là thiết kế hợp lý, đảm bảo sự biến dạng đồng đều của phôi.

Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến quá trình tạo hình biến dạng

Để đạt được hình dáng và tính chất sản phẩm tối ưu, việc nghiên cứu và xem xét các thông số công nghệ là rất quan trọng Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình tạo hình vật liệu bao gồm nhiệt độ, tốc độ biến dạng, ma sát, hóa bền biến dạng và ứng suất dư.

Khi nhiệt độ tăng, tính chất của kim loại thay đổi, khiến chúng trở nên mềm và dẻo hơn Sự thay đổi này được ứng dụng trong quá trình biến dạng, với mục tiêu giảm thiểu lực và công suất biến dạng trong khi đạt được mức độ biến dạng tối đa Điều này chỉ khả thi khi thực hiện biến dạng ở nhiệt độ cao phù hợp Tuy nhiên, biến dạng ở nhiệt độ cao cũng có nhược điểm, như hiện tượng ôxy hoá bề mặt, dẫn đến chất lượng bề mặt kém và tăng độ hoà tan khí, ảnh hưởng đến kim loại.

Chuyên đề tốt nghiệp Kinh tế cho thấy rằng sản phẩm có độ giòn cao và độ chính xác không đảm bảo Do đó, không phải trường hợp nào cũng áp dụng biến dạng nóng Biến dạng dẻo làm tăng mật độ khuyết tật mạng, dẫn đến việc tăng năng lượng bên trong vật thể Trạng thái này không ổn định và có xu hướng giảm năng lượng bằng cách điều chỉnh cấu trúc khuyết tật mạng khi có điều kiện thích hợp.

Tăng nhiệt độ cung cấp thêm năng lượng, làm cho dao động của các nguyên tử và chuyển động của khuyết tật mạng mạnh lên, khiến chúng trở nên hoạt động hơn Ở nhiệt độ thích hợp, quá trình này có thể khôi phục tổ chức và tính chất của vật thể đã bị biến dạng Chẳng hạn, trong trường hợp biến dạng nóng, hiện tượng hóa bền biến dạng có thể không xảy ra hoặc chỉ xảy ra ở mức độ yếu.

Trong quá trình biến dạng tạo hình ở nhiệt độ cao, ba giai đoạn quan trọng cần chú ý để đảm bảo chất lượng sản phẩm là hồi phục, kết tinh lại và sự lớn lên của kích thước hạt.

Hồi phục là quá trình kích hoạt nhiệt giúp giảm mật độ lệch hoặc tái sắp xếp cấu trúc lệch, nguyên nhân dẫn đến hóa bền biến dạng trong suốt quá trình biến dạng Quá trình này bao gồm triệt tiêu lệch, đa giác hóa lệch và leo của lệch.

Tính dẻo của kim loại phụ thuộc vào cách sắp xếp và chuyển động của lệch trong mạng tinh thể Khi kim loại được nung nóng, các thay đổi về tính chất thực chất là sự thay đổi cấu trúc và mật độ của các khuyết tật mạng, trong đó lệch giữ vai trò quan trọng Biến dạng nguội khiến kim loại bị hoá bền, nhưng quá trình này có thể mất hoặc giảm khi kim loại được nung nóng, dẫn đến sự thay đổi mật độ và tình trạng sắp xếp của lệch.

Trong giai đoạn hồi phục, năng lượng kích hoạt giúp triệt tiêu những lệch trái dấu có chung mặt trượt, dẫn đến giảm mật độ lệch Đồng thời, qua quá trình khuếch tán, các lệch còn lại sẽ sắp xếp lại ở những vị trí năng lượng thuận lợi và hình thành các biên giới góc nhỏ, được gọi là đa diện hoá Quá trình leo của lệch biên là yếu tố quyết định trong việc sắp xếp lại các lệch này Sự leo của lệch biên diễn ra nhờ vào khuếch tán của các nút trống, trong khi quá trình biến dạng và phản ứng lệch tạo ra các nút trống mới với nồng độ không ngừng gia tăng.

Quá trình hồi phục trong biến dạng nóng diễn ra nhanh hơn so với khi ủ sau biến dạng nguội, với hai khái niệm chính là hồi phục tĩnh và hồi phục động Hồi phục tĩnh xảy ra khi kim loại được ủ sau biến dạng nguội, trong khi hồi phục động diễn ra ngay trong quá trình biến dạng nóng Hồi phục động diễn ra nhanh chóng, giúp khôi phục các tính chất của vật liệu, đặc biệt quan trọng đối với các vật liệu có tốc độ kết tinh thấp như thép hợp kim cao, nơi hồi phục động đóng vai trò chủ yếu trong việc khử bền Quá trình hồi phục cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, điều này có thể được minh chứng qua thí nghiệm kéo nhiều bước.

Khi nhiệt độ ủ trong khoảng 0,25T m < T < 0,5T m , chỉ có giới hạn chảy giảm đi còn đường chảy sau đó hầu như là tiếp tục của đường cong cũ, ngược lại khi T >

0,5T m thì toàn bộ đường chảy nằm thấp hơn so với đường cong cũ.

Kim loại sau khi trải qua quá trình biến dạng và hồi phục sẽ hình thành cấu trúc siêu hạt với mật độ lệch thấp Các siêu hạt này được ngăn cách bởi những biên giới góc nhỏ có mật độ lệch cao, tạo nên đặc điểm cấu trúc độc đáo cho kim loại.

Kết tinh lại là quá trình quan trọng đối với kim loại sạch, trong đó nhiệt độ kết tinh lại sẽ tăng lên nếu có tạp chất Khi kim loại được nung nóng đến khoảng (0,4 - 0,5)T m, quá trình kết tinh lại diễn ra, dẫn đến sự giảm đáng kể mật độ lệch và phục hồi cơ tính của kim loại nhờ vào sự hình thành và lớn lên của các hạt tinh thể mới chứa ít lệch Sự hình thành này xảy ra thông qua các quá trình đổi chỗ của các nguyên tử gần nhau tại các biên giới góc lớn, cho thấy rằng kết tinh lại chủ yếu liên quan đến sự xuất hiện và dịch chuyển của các biên giới này.

2.4.2 Tốc độ biến dạng Ứng suất chảy thường tăng với tốc độ biến dạng, tốc độ biến dạng tác động tại một hằng số biến dạng có thể lấy xấp xỉ:

Hằng số C là yếu tố quan trọng trong việc xác định tính bền của vật liệu, phụ thuộc vào biến dạng, nhiệt độ và loại vật liệu Hằng số nhạy cảm n cho thấy mối quan hệ giữa ứng suất và tốc độ biến dạng, thường có giá trị thấp (0 đến 0,03) trong hầu hết các kim loại ở nhiệt độ phòng Tỷ lệ giữa các ứng suất chảy σ2 và σ1 tại các tốc độ biến dạng ε̇2 và ε̇1 cũng cần được xem xét để hiểu rõ hơn về hành vi của vật liệu dưới tác động của biến dạng.

Lấy logarit hai vế ln σ σ 2

1 , nếu tại nhiệt độ thấp thì  2 không lớn hơn  1 nhiều nên công thức trên có thể viết:

Khi n = 0,01 và tăng tốc độ biến dạng hệ số lên 10, ứng suất chỉ tăng khoảng 2% Điều này giải thích lý do tại sao ảnh hưởng của tốc độ biến dạng thường bị bỏ qua trong quá trình tạo hình nguội.

Trong một số trường hợp quan trọng, như khi dự báo tải trọng trong kéo dây hoặc cán tấm với tốc độ biến dạng lên đến 10^4/s, cần chú ý đến dữ liệu từ thí nghiệm kéo có tốc độ biến dạng thấp đến 10^-4/s Ứng suất chảy có thể cần điều chỉnh, trừ khi giá trị n rất nhỏ Tỷ số (σ2/σ1) được tính toán từ công thức cho các mức độ thay đổi của (ε̇2/ε̇1) và n được thể hiện trong hình 4.7.

MÔ PHỎNG SỐ QUÁTRÌNH DẬP SPD

Phần mềm mô phỏng quá trình tạo hình vật liệu

Các phần mềm mô phỏng ứng dụng cho bài toán tạo hình rất đa dạng, bao gồm những cái tên nổi bật như ANSYS, DEFORM, HYPERWORKS, AUTOFORM, DYNAFORM, CASH-FEM và ABAQUS Mỗi phần mềm mang đến những ưu điểm và nhược điểm riêng, do đó việc lựa chọn phần mềm phù hợp phụ thuộc vào từng bài toán cụ thể.

Các phần mềm dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn giúp mô phỏng quy trình sản xuất công nghiệp như rèn, cán, gia công vật liệu và cắt gọt kim loại Chúng tích hợp công cụ thiết kế mô hình hình học cho các bài toán tạo hình, cho phép người dùng xác định điều kiện biên, động hình học, động lực học, tiếp xúc và chia lưới phần tử Phần mềm còn có thư viện vật liệu phong phú với nhiều loại vật liệu và tính chất cơ học đã được xác định Đặc biệt, các mô hình vật liệu mới cho phép người dùng tùy chỉnh bài toán theo yêu cầu cụ thể của nhà sản xuất, đáp ứng tốt nhu cầu mô phỏng quy trình sản xuất thực tế với các mô đun sẵn có.

Phần mềm Abaqus là công cụ mạnh mẽ để mô phỏng các bài toán liên quan đến biến dạng tạo hình vật liệu Mặc dù không có mô đun riêng cho quá trình tạo hình, người dùng có thể tự thiết lập mô hình hình học cho khuôn, phôi, và chia lưới phần tử, cũng như điều kiện biên cho bất kỳ quy trình sản xuất nào Abaqus cho phép người sử dụng định nghĩa vật liệu và các mô hình vật liệu một cách linh hoạt, đáp ứng nhu cầu đa dạng trong ngành công nghiệp.

Chuyên đề tốt nghiệp Kinh tế có thể thực hiện thông qua việc khai báo hoặc thiết lập các chương trình con Phần mềm Abaqus nổi bật với khả năng mô phỏng quá trình biến dạng tạo hình cho nhiều loại vật liệu Nhờ đó, người dùng có thể lựa chọn mô hình nghiên cứu biến dạng tạo hình phù hợp với các điều kiện biên khác nhau.

Các thuật toán của phần mềm được phát triển dựa trên các hiện tượng vật lý liên quan đến quá trình biến dạng và tạo hình vật liệu Những điều kiện tải trọng ảnh hưởng đến vật liệu bao gồm tải trọng đơn, tải trọng chu kỳ, tác động cơ-nhiệt từ môi trường bên ngoài, và ma sát trong tương tác giữa vật liệu và khuôn Phần mềm thiết lập ứng xử của vật liệu khi chịu tải thông qua các quá trình như biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, hóa bền và phá hủy.

Phần mềm Abaqus hỗ trợ mô phỏng đồng thời nhiều hành vi của vật liệu, phân chia đường cong ứng suất biến dạng thành các miền đàn hồi, biến dạng dẻo và phá hủy Khi thực hiện mô phỏng, người dùng có thể chọn mô hình thuộc tính vật liệu từ các mô đun có sẵn Đặc biệt, trong bài toán mô phỏng dập biến dạng tạo hình, Abaqus cho phép mô phỏng bao gồm biến dạng đàn hồi, đàn dẻo và hóa bền.

350 Đồ thị đường cong ứng suất biến dạng biến dạng (mm) ứng suất (MPa)

Hình 3.1: Đường cong ứng suất-biến dạng của hợp kim ma nhê

Phần mềm Abaqus cho phép thực hiện bài toán như các phần mềm khác theo quy trình sau:

Hình 3.2 : Sơ đồ các bước thực hiện bài toán bằng phương pháp mô phỏng số

Mô phỏng quá trình ép định hướng trên rãnh chu kỳ - mô hình 3D

Trạng thái ứng suất, biến dạng, phân bố nhiệt độ và tính dẻo của vật liệu là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự thay đổi cấu trúc tế vi của sản phẩm ép định hướng Các yếu tố này sẽ được phân tích dựa trên kết quả mô phỏng số, nhằm xác định nguyên nhân chính gây ra sự thay đổi cấu trúc tế vi của phôi đồng Đồng thời, nghiên cứu cũng sẽ khảo sát ảnh hưởng của các thông số như nhiệt độ ép và hệ số ma sát ở phôi, để so sánh với kết quả thực nghiệm.

3.2.1 Mô hình hình học bài toán ép định hướng trên rãnh chu kỳ 3D

Phôi có kích thước 60x60x3 mm, hai bộ khuôn gồm bộ khuôn dập định hướng trên rãnh chu kỳ và bộ khuôn phẳng.

Mô hình hình học cho bài toán dập định hướng trên rãnh chu kỳ có thể được xây dựng dễ dàng bằng các phần mềm phổ biến như CAD, Solidworks hoặc Abaqus Dựa trên kích thước chi tiết của phôi ép, cần tính toán kích thước cho khuôn dập phẳng, khuôn dập sóng, cùng với các bộ phận chi tiết bên trong khuôn để mô phỏng hiệu quả quá trình dập.

Xây dựng mô hình hình học Thuộc tính vật liệu Đặt điều kiện biên Điều kiện tiếp Chia lưới xúc phần tử Giải bài toán

Kết quả Phân tích kết quả

Chuyên đề tốt nghiệp về kinh tế hình và hình phẳng theo chu kỳ chi tiết phôi Mô hình có thể được đơn giản hóa bằng cách vẽ khuôn trong Abaqus dưới dạng vỏ (shell).

Sau khi hoàn thành hai khuôn lắp ghép khuôn trên và khuôn dưới với phôi, bộ khuôn được ghép xếp chồng với nhau như hình 3.2.

Hình 3.3: Lắp ghép khuôn ép và phôi

1- Khuôn tạo sóng 2- Khuôn phẳng 3- Phôi

3.2.2 Thiết lập mô hình đối với phôi và khuôn dập

Trong phân tích, khuôn dập được giả định là cứng tuyệt đối, với chuyển động của các nút và phần tử diễn ra độc lập Mối liên hệ vị trí của các nút và phần tử trong mô phỏng là hằng số, trong khi các phần tử không bị biến dạng và di chuyển với biên độ lớn Kích thước hình học của khuôn ép đã được trình bày chi tiết trong chương 2 của bản đồ án này.

Vật liệu sử dụng trong mô phỏng là các vật liệu tiêu chuẩn, bao gồm vật liệu liên tục, đồng nhất và đẳng hướng Khuôn ép được chế tạo từ vật liệu SKD61, nổi bật với độ cứng tuyệt đối Trong quá trình phân tích, nhiệt độ được coi là hằng số Kiểu phần tử khuôn ép được sử dụng là R3D4, với tổng số nút là 5043 và tổng số phần tử là 3200 Lưu ý rằng trong quá trình tính toán, không có sự truyền nhiệt xảy ra trên bề mặt tiếp xúc giữa phôi và khuôn ép.

Vật liệu AZ31 theo tiêu chuẩn Mỹ được trình bày trong bảng 3.1

Bảng 3.1 Các thông số nhiệt và thông số khác của phôi AZ31 Đặc tính Giá trị

Khối lượng riêng 1,77 g/cm 3 Độ bền kéo tới hạn 275 Mpa Độ bền kéo chảy 190 Mpa

Mô đun đàn hồi 45Gpa Độ bền cắt tới hạn 495Mpa

Hệ số Poisson 0,35 Độ bền cắt 190 Mpa

Nhiệt dung riêng 960 J/Kg-K Độ dẫn nhiệt 26 o K -1

Hệ số dẫn nhiệt 96 W m -1 K -1 Điểm chảy 565-635 o C

3.2.3 Mô hình lắp ghép giữa phôi và khuôn

Từ các mô hình riêng lẻ của khuôn ép và phôi, thiết lập điều kiện tạo hình cho phôi khi ghép phôi và khuôn ép thành một kết cấu Phôi và hai khuôn ép tương tác với nhau thông qua các điều kiện biên chuyển vị, điều kiện tiếp xúc, điều kiện ma sát và điều kiện biên về truyền nhiệt, được mô tả trong hình 3.4.

Hình 3.4: Mô hình phần tử hữu hạn của khuôn và phôi

 Điều kiện biên về tốc độ ép

Khuôn tạo sóng ép trên chuyển động xuống với tốc độ 36 mm/s

Khuôn tạo sóng dưới cố định

Khuôn phẳng trên chuyển động xuống với tốc độ 36 mm/s

Khuôn phẳng dưới cố định

Khuôn tạo sóng ép trên chuyển động xuống với tốc độ 36 mm/s

Khuôn tạo sóng dưới cố định

Nghiên cứu về truyền nhiệt trong quá trình ép khuôn định hướng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Nhiệt độ tạo hình không hợp lý có thể dẫn đến hư hỏng sản phẩm, với nhiệt độ thấp gây khó khăn trong biến dạng kim loại và hình thành khuyết tật, trong khi nhiệt độ cao có thể gây oxi hóa và hiện tượng dão Do đó, việc chọn nhiệt độ tạo hình hợp lý là rất cần thiết Trong quá trình biến dạng ở nhiệt độ cao, phôi được nung đến nhiệt độ tạo hình, tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa phôi, khuôn ép và môi trường, dẫn đến quá trình truyền nhiệt diễn ra qua dẫn nhiệt, bức xạ và đối lưu Tuy nhiên, sự mất nhiệt do bức xạ thường không đáng kể và có thể bỏ qua trong các tính toán.

Trong quá trình tạo hình, phôi tiếp xúc với cả hai khuôn dập, thiết lập điều kiện tiếp xúc giữa phôi và khuôn ép Bề mặt dưới của khuôn dập và bề mặt phôi được xác định là hai mặt bị động, trong khi bề mặt khuôn ép trên được coi là chủ động.

Hình 3.5: Đặt điều kiện tương tác giữa khuôn dập tạo sóng với phôi

Chuyên đề tốt nghiệp Kinh tế a) Mặt dưới khuôn tạo sóng và mặt dưới của phôi b) Mặt trên khuôn tạo sóng và mặt trên của phôi

Khi khuôn ép di chuyển xuống, phôi bị tác động bởi ma sát giữa thành khuôn và bề mặt khuôn Trong quá trình này, kiểu tiếp xúc được chọn là mặt tới mặt, với các bề mặt tiếp xúc giữa phôi và khuôn đã được định nghĩa rõ ràng trong mô đun tiếp xúc của bài toán Hình 3.6 minh họa điều kiện tương tác giữa khuôn phẳng và phôi, bao gồm mặt khuôn phẳng dưới với mặt dưới của phôi và mặt khuôn phẳng trên với mặt trên của phôi.

Kết quả và phân tích

Để đảm bảo tính thuận tiện và thống nhất trong việc phân tích kết quả mô phỏng số cho bài toán CGP, hệ trục tọa độ chính của phôi đã được quy ước như hình 3.6.

Hình 3.7: Hệ trục tọa độ quy định trong mô phỏng số bài toán CGP

Kết quả mô phỏng sau lần ép tạo song lần thứ 6 cho thấy vị trí tương đối của phôi và khuôn không thay đổi trước và sau quá trình mô phỏng, như được minh họa trong hình 3.7.

Hình 3.8: Phôi và khuôn trước và sau khi ép bằng phương pháp CGP

3.3.1 Hình dạng hình học của phôi sau 6 chu kỳ ép tạo sóng và là phẳng

Quá trình ép định hướng trên rãnh chu kỳ chế tạo sản phẩm hạt siêu mịn đã được mô phỏng bằng phần mềm Abaqus 3D, với khuôn ép, mô hình vật liệu và điều kiện biên đã được thiết kế sẵn Mô phỏng này bao gồm 6 chu kỳ dập phôi, diễn ra theo từng bước thời gian trên khuôn ép phẳng.

Thời gian chạy bài toán là 12 giờ, trong đó lưới được phân chia lại khi phát hiện các phần tử lỗi, nhằm đảm bảo tính tương thích của lưới phần tử tại mọi thời điểm.

Hình 3.9: Phôi sau khi dập trên khuôn tạo hình lần thứ 6

Trên hình thể hiện bề mặt phôi sau lần duỗi thẳng lần 6 Phôi đảm bảo yêu cầu kỹ thuật về mặt hình dạng.

Hình 3.10: Phôi sau khi là phẳng lần thứ 6

3.3.2 Phân tích trạng thái ứng suất biến dạng

3.3.2.1 Trạng thái ứng suất Ứng suất là thông số gây nên biến dạng phôi ép, đồng thời ứng suất cũng là một trong những yếu tố đặc trưng cho quá trình tiêu hao năng lượng khi tạo hình vật liệu. Trên những vùng vật liệu có trở kháng biến dạng lớn sẽ phát sinh trường ứng suất lớn và ngược lại Điều này thể hiện rất rõ trên hình 3.11, ở vùng nghiêng của phôi, biến dạng tương đương theo điều kiện dẻo Von – Mise có giá trị rất lớn, ứng suất này sẽ gây nên biến dạng lớn tại vùng nghiêng của phôi

Hình 3.11:Phân bố ứng suất theo điều kiện dẻo Von -Mises

Giá trị và phân bố mức độ biến dạng được minh họa trong hình 3.11, cho thấy rằng ở những khu vực chịu ứng suất lớn, mức độ biến dạng cũng tăng cao.

Hình 3.12:Phân bố biến dạng tương đương trên phôi tại lần ép thứ 6

Quá trình phân bố ứng suất biến dạng trong từng vùng của phôi được mô tả rõ ràng, với sự hiện diện của các loại ứng suất như ứng suất kéo, ứng suất nén và ứng suất khối Giá trị ứng suất thay đổi theo từng khu vực trên phôi, và sự đồng thời của các thành phần ứng suất này được thể hiện trong hình 3.12.

Hình 3.13 cho thấy sự phân bố của các thành phần ứng suất trên phôi, trong đó phôi được chia thành ba vùng khác nhau để phân tích trạng thái ứng suất Mỗi vùng có mức độ biến dạng và trạng thái biến dạng hoàn toàn khác biệt, được phân chia theo một chu kỳ thành các vùng I, II, III Trạng thái ứng suất khối và biến dạng phẳng của từng vùng đã được mô tả chi tiết.

Khi ép tạo hình, tấm vật liệu trải qua hai vùng ứng suất khác nhau: vùng I bên ngoài chịu kéo và vùng II bên trong chịu nén Ở vùng I, ứng suất chính lớn nhất σ11 và biến dạng cắt ε11 đạt giá trị cao nhất, trong khi vùng II thể hiện ứng suất nén σ11 và biến dạng nén ε11 Điều này cho thấy rằng vùng I chịu tác động của ứng suất lớn hơn so với vùng II.

Trong điều kiện biến dạng phẳng, Vùng III chỉ có biến dạng cắt thuần túy Khi tiến hành duỗi thẳng, Vùng I và II sẽ hoán đổi vị trí, trong khi đó, Vùng III sẽ thay đổi chiều biến dạng cắt Độ rộng của Vùng III là 3 mm, tương ứng với chiều dày của phôi ban đầu.

Hình 3.14:Phân tích trạng thái ứng suất-biến dạng của mẫu sau biến dạng

: ứng suất tiếp / biến dạng cắt

: ứng suất/ biến dạng theo hướng dãn rộng của phôi

Ứng suất S22 là lực tác động lên phôi theo chiều ép, gây ra biến dạng hình học mà không làm thay đổi chiều dày ban đầu của phôi Thành phần này quyết định khả năng biến dạng của phôi ép và tạo ra trạng thái biến dạng không đồng đều trong quá trình sản xuất.

Quá trình biến dạng dẻo của phôi trong khuôn ép rất phức tạp, diễn ra đồng thời với sự kết hợp của nén và kéo tại các điểm khác nhau để đạt được hình dạng mong muốn Độ lớn biến dạng phụ thuộc vào hình dạng khuôn ép và lượng ép trong quá trình tạo hình Do đó, việc lựa chọn các thông số thiết kế khuôn, cũng như các yếu tố về nhiệt độ và ma sát, có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Hình 3.15: Các thành phần ứng suất S11, S22, S33 trong phôi.

Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng phụ thuộc vào thuộc tính của vật liệu, bao gồm các dạng như dẻo lý tưởng, đàn dẻo, hay dẻo nhớt với hoặc không có hóa bền Nếu có hóa bền, mối quan hệ này sẽ khác nhau tùy thuộc vào tính chất đẳng hướng hay dị hướng của vật liệu Trong bài toán này, vật liệu được coi là đẳng hướng và không xem xét ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ Để phân tích mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, cần xem xét cả hai vùng: biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo.

Dựa vào kết quả mô phỏng số và những tiền đề như phương của biến dạng dài chính luôn trùng với phương của ứng suất chính, quá trình biến dạng đảm bảo thể tích không đổi Công thức xác định mức độ biến dạng trong bài toán dập định hướng trên rãnh chu kỳ được trình bày trong các công thức (3.1) – (3.6).

Các công thức được trình bày tính toán mức độ biến dạng trong lần ép đầu tiên Để làm rõ hơn, bài viết sẽ phân tích giá trị biến dạng trong từng vùng của quá trình ép, bao gồm hai phương pháp chính: dập tạo hình và dập phẳng.

Hình 3.16: Mức độ biến dạng tương đương tại lần ép đầu tiên

Quá trình biến dạng của phôi bao gồm 4 giai đoạn

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình CGP

3.4.1 Ảnh hưởng hệ số ma sát

Ma sát là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình biến dạng trong công nghệ tạo hình vật liệu Lực ma sát, tồn tại trên bề mặt tiếp xúc giữa phôi và khuôn, có thể gây kẹt phôi hoặc làm cho quá trình biến dạng dễ dàng hơn Đặc biệt, trong phương pháp CGP, giá trị hệ số ma sát phụ thuộc vào bề mặt khuôn, phôi và chất bôi trơn Để khảo sát ảnh hưởng của ma sát, đồ án đã mô phỏng số với các điều kiện ma sát khác nhau, trong đó chỉ thay đổi hệ số ma sát trong khi giữ nguyên nhiệt độ và chiều dày phôi Chất bôi trơn được lựa chọn tương ứng với hệ số ma sát.

Bảng 3.2: Hệ số ma sát tương ứng với chất bôi trơn khác nhau

Chất bôi trơn Không bôi trơn Dầu máy MoS2 Teflon

Kết quả mô phỏng với các hệ số ma sát khác nhau, biến dạng tương đương cũng khác nhau rất nhiều (hình 3.23)

Hình 3.23: Biến dạng tương đương với các ma sát khác nhau tại 1 lần ép

Trong quá trình ép, sự phân bố biến dạng không đồng đều theo từng vùng, với hệ số ma sát ảnh hưởng đến khả năng biến dạng của mẫu Cụ thể, khi hệ số ma sát đạt mức tối đa 0.6, biến dạng đạt giá trị lớn nhất Để đưa ra kết luận khách quan, cần xem xét sự phân bố biến dạng tương đương theo một đường xuyên qua phôi, được thể hiện rõ trong hình 3.23 và 3.24 với các hệ số ma sát khác nhau.

Hình 3.24 : Đường cong sự phân bố biến dạng với hệ số ma sát khác nhau tại đường tâm

Hình 3.25 : Đường cong sự phân bố biến dạng với hệ số ma sát khác nhau tại đường mặt

Bảng 3.3: Mức độ biến dạng trung bình đối tại đường và hệ số ma sát khác nhau

Hệ số ma sát 0 0.1 0.3 0.6 Đường mặt 0.290046 0.276343 0.274339 0.295316 Đường tâm 0.315024 0.296895 0.29526 0.317914

Hình 3.24 và 3.25 cho thấy các đường cong phân bố biến dạng có hình dạng giống như đường cong sin và cos, với đỉnh và chỗ lõm tương ứng với giá trị biến dạng của các vùng cắt và không biến dạng Mặc dù ảnh hưởng của hệ số ma sát trên các đường cong là không đáng kể, nhưng mức độ biến dạng lại không theo quy luật do sự gia tăng của hệ số ma sát Qua khảo sát nhiều hệ số ma sát, nhận thấy rằng với hệ số ma sát 0,6, mức độ biến dạng trung bình tại đường tâm và mặt theo chiều dài phôi là lớn nhất Sự khác biệt không đáng kể của biến dạng trung bình trong bảng 3.3 cho thấy biến dạng đồng đều giảm theo hệ số ma sát.

Chuyên đề tốt nghiệp Kinh tế cho thấy sự ma sát giữa vùng cắt và vùng không biến dạng của mẫu làm nổi bật sự không đồng đều của biến dạng Theo hình 3.23, 3.24 và bảng 3.3, mức độ biến dạng ở bề mặt mẫu thấp hơn so với vùng trung tâm, và sự phân bố theo chu kỳ không tồn tại do biến dạng phức tạp.

Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng việc sử dụng chất bôi trơn Teflon giúp giảm hệ số ma sát tối thiểu và cải thiện quá trình biến dạng, tạo ra sự đồng đều hơn trong mẫu sau khi ép Do đó, lựa chọn chất bôi trơn phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo dễ dàng biến dạng phôi và nâng cao chất lượng sản phẩm.

3.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Sự thay đổi cấu trúc tế vi và cơ tính của vật liệu chịu ảnh hưởng đáng kể từ nhiệt độ tạo hình, đặc biệt trong phương pháp CGP Nhiệt độ nung phôi không chỉ tác động đến quá trình hồi phục mà còn ảnh hưởng đến sự kết tinh lại của vật liệu, quyết định kích thước hạt hình thành Để nghiên cứu tác động của nhiệt độ trong quá trình dập, các nhiệt độ ban đầu của phôi được lựa chọn lần lượt là 150 °C, 200 °C và 250 °C.

Nhiệt độ 300 °C được chọn để mô phỏng số dựa trên tài liệu tham khảo [96] Trong quá trình mô phỏng, chỉ có nhiệt độ được thay đổi, trong khi các điều kiện về ma sát và chiều dày phôi được giữ nguyên.

Xét một phân tố tại vùng nghiêng của phôi, nơi chịu biến dạng lớn nhất, cho thấy rằng ứng suất biến dạng tăng theo mức độ biến dạng trong bước ép đầu tiên Điều này chứng tỏ vật liệu đã bị hõa bền, và khi nhiệt độ biến dạng giảm, giới hạn bền của vật liệu sẽ tăng cao hơn.

Hình 3.26: Phần tử vật liệu chịu ứng suất lớn nhất

Hình 3.27: Sự thay đổi đường cong ứng suất biến dạng xét ở phần tử nằm ở vùng nghiêng tại những nhiệt độ khác nhau ở bước dập thứ 1.

Kết quả mô phỏng cho thấy, khi nhiệt độ tạo hình vật liệu thấp, ứng suất bền cao khiến vật liệu khó biến dạng và dễ bị phá hủy giòn Ngược lại, ở nhiệt độ cao, giới hạn chảy của vật liệu giảm, nhưng hiện tượng kết tinh xảy ra làm tăng kích thước hạt Do đó, nhiệt độ tối ưu cho quá trình CGP được chọn là 250 °C.

3.4.3 Ảnh hưởng chiều dày phôi

Dưới điều kiện nhiệt độ 250 oC và hệ số ma sát là 0,1, việc xét điều kiện phôi cùng kích thước cho thấy sự thay đổi chiều dày phôi ảnh hưởng đến sự phân bố biến dạng dọc theo chiều dài phôi trong lần ép thứ nhất.

Hình 3.28: Sự thay đổi mức độ biến dạng theo chiều dày phôi

Mức độ biến dạng trong quá trình ép đầu tiên thay đổi theo chiều dài của phôi Cụ thể, đồ thị hình 3.26 chỉ ra rằng phôi có chiều dày 5 mm có mức độ biến dạng cao hơn, trong khi phôi dày 2 mm lại có mức độ biến dạng thấp nhất.

Hình 3.29: Sự thay đổi đường cong ứng suất biến dạng theo chiều dày phôi ép

Đồ thị đường cong ứng suất biến dạng cho thấy rằng với phôi dày 2 mm, ứng suất biến dạng tăng đáng kể ở giai đoạn đầu trước khi vào miền biến dạng dẻo Khi phôi dày hơn, ứng suất tăng nhưng mức độ biến dạng chỉ tăng nhẹ Tuy nhiên, trong miền biến dạng dẻo, các đường cong ứng suất biến dạng của phôi có chiều dày khác nhau lại tương đồng Điều này chỉ ra rằng, đối với phôi dày, quá trình biến dạng trở nên khó đồng đều.

Qua mô phỏng quá trình ép định hướng trên rãnh chu kỳ bằng phần mềm Abaqus, việc đơn giản hóa mô hình đã giúp tối ưu hóa quá trình tính toán và phân tích biến dạng vật liệu Kết quả từ mô phỏng 3D dưới các điều kiện khác nhau cho thấy sự biến đổi rõ rệt, phụ thuộc vào điều kiện biên của bài toán.

Kết quả cho thấy sự biến dạng chỉ xảy ra ở vùng nghiêng của khuôn, trong khi vùng phẳng không bị ảnh hưởng Sau mỗi chu kỳ ép, vật liệu tại vùng nghiêng bị biến dạng hai lần do tác động của biến dạng cắt và uốn Để đảm bảo sự phân bố biến dạng đồng đều, phôi được xoay 180 độ sau mỗi chu kỳ, giúp các vùng phẳng ở chu kỳ trước sẽ bị biến dạng ở chu kỳ sau.

Sự thay đổi hệ số ma sát dọc theo chiều dài phôi ảnh hưởng đến phân bố biến dạng, trong đó biến dạng ở lớp mặt phôi nhỏ hơn ở lớp giữa chiều dày phôi Đường cong phân bố biến dạng thể hiện sự biến đổi định kỳ, tương tự như các đường cong hình sin và hình cos.

Kết luận

Dựa trên kết quả mô phỏng số, quá trình dập đã được thực hiện thực nghiệm trong chương này, với các điều kiện công nghệ tương tự như mô phỏng bằng phần mềm Abaqus 3D.

Trong nghiên cứu này, vật liệu thí nghiệm được sử dụng là hợp kim Magie AZ31, với thành phần các nguyên tố được trình bày chi tiết trong bảng 4.1 sau quá trình cán.

Bảng 4.1: Thành phần hóa học của hợp kim Mg AZ31

Nguyên tố Al Zn Si Cu Mn Ni Mg

- Kích thước phôi ban đầu

Phôi dùng để dập có kích thước vuông 60x60x3mm

- Chuẩn bị mẫu để khảo sát các thông số ban đầu của vật liệu

Quá trình chuẩn bị mẫu hợp kim Mg AZ31 kích thước 60x60x3 mm bao gồm cắt mẫu bằng máy cắt dây và kẹp mẫu bằng gá nhựa mica Mẫu được mài từ giấy ráp thô đến mịn (100-1500) và sau đó đánh bóng trên máy đánh bóng Cuối cùng, mẫu được tẩm bằng axit HNO3 (3%) và soi tổ chức tế vi trên kính hiển vi quang học Tổ chức của vật liệu ban đầu được thể hiện trên hình 4.2.

THỰC NGHIỆM

Vật liệu thí nghiệm

Trong nghiên cứu này, vật liệu được sử dụng cho thí nghiệm là hợp kim Magie AZ31, với thành phần các nguyên tố được trình bày chi tiết trong bảng 4.1.

Bảng 4.1: Thành phần hóa học của hợp kim Mg AZ31

Nguyên tố Al Zn Si Cu Mn Ni Mg

- Kích thước phôi ban đầu

Phôi dùng để dập có kích thước vuông 60x60x3mm

- Chuẩn bị mẫu để khảo sát các thông số ban đầu của vật liệu

Quá trình chuẩn bị mẫu hợp kim Mg AZ31 kích thước 60x60x3 mm bao gồm việc cắt mẫu bằng máy cắt dây và kẹp mẫu bằng gá nhựa mica Sau đó, mẫu được mài từ giấy ráp thô đến mịn (100-1500) và đánh bóng bề mặt trên máy đánh bóng Cuối cùng, mẫu được tẩm thực bằng axit HNO3 (3%) và soi tổ chức tế vi trên kính hiển vi quang học Tổ chức của vật liệu ban đầu được thể hiện trong hình 4.2.

Hình 4.2: Tổ chức ban đầu của phôi với độ phóng đại X500

Cấp hạt ban đầu của phôi cũng được xác định, kết quả thể hiện trên hình 4.3

Hình 4.3: Cấp hạt ban đầu của phôi AZ31

Tương ứng với cấp hạt 5,3 tra kết quả tương ứng với độ hạt 62,5 àm, kớch thước hạt tương đối thô đại.

Thiết bị thí nghiệm

Dựa trên kết quả mô phỏng số quá trình dập CGP, khuôn được thiết kế với kích thước lòng khuôn 60x60mm và khe hở giữa khuôn trên và dưới là 3mm, trong đó khuôn tạo hình có góc nghiêng θ E 0 Vật liệu SKD61 được chọn cho khuôn nhờ vào độ bền nhiệt cao, khả năng chịu va đập tốt, và ít biến dạng sau khi nhiệt luyện Hình dạng và kích thước của khuôn được thể hiện trong hình, với thiết kế theo hình 2.2 và 2.3 ở chương 2, và khuôn sau chế tạo được trình bày trong hình 4.4.

Hình 4.4: Khuôn dập tạo hình

Hình 4.5: Khuôn dập phẳng sau thiết kế

4.2.2 Mỏy ộp thủy lực STENHỉJ-100

Máy ép thủy lực 100 tấn, sản xuất năm 2001 tại Cộng Hòa Liên Bang Đức, được sử dụng để tạo ra lực ép biến dạng hợp kim Mg AZ31 trong khuôn vân và khuôn phẳng Hiện tại, máy đang được đặt tại phòng thí nghiệm C4/5 của trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.

Hình 4.5: Máy ép thủy lực 100 tấn

4.2.3 Thiết bị gia nhiệt cho khuôn và phôi

Nhiệt được cung cấp cho khuôn và phụi thông qua các thanh điện trở ỉ10 và ỉ12, sử dụng dòng điện 220V với công suất 200W, được lắp đặt trong các lỗ khoan của khuôn trên và khuôn dưới Các thanh điện trở này được kết nối với một hộp điều chỉnh nhiệt độ, trong đó nhiệt độ được đo bằng thanh cảm ứng điện trở.

Máy kéo nén INSTRON thuộc trung tâm Polymer trường Đại Học Bách Khoa

Hà Nội với tải trọng lớn nhất 100kN được sử dụng để xác định cơ tính của hợp kim

Mg AZ31 trước và sau quá trình CGP.

Hình 4.6: Máy kéo nén INSTRON

Máy soi tổ chức là kính hiển vi quang học được đặt tại phòng C1 trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Thông số kỹ thuật:

- Điều kiện môi trường (vận hành và bảo quản):

+Nhiệt độ môi trường xung quanh cho phép từ +10 đến 35 0 C

+ Độ ẩm tương đối cho phép

Tiêu đề	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
Tác giả	Tăng Văn Quân
Trường học	Cao đẳng kỹ thuật
Chuyên ngành	Cơ học vật liệu và công kim loại
Thể loại	đồ án tốt nghiệp

Định dạng
Số trang	99
Dung lượng	4,24 MB