Mô phỏng số quá trình ép titan trong kênh gấp khú ó tiết diện không đổi nhằm tạo ấu trú nanô

Để tạo ra đợc vật liệu có cấu trúc nanô thì có rất nhiều phơng pháp khác nhau, một trong những phơng pháp đó là lợi dụng cơ chế biến dạng của kim loại và hợp kim để tạo ra hạt có cấu

Ph¹m thanh s¬n

Hµ Néi – 2006

Luận văn thạc sĩ khoa học

Mô phỏng số quá trình ép Titan

trong kênh gấp khúc có tiết diện Không

đổi nhằm tạo cấu trúc nanô

Ngành: công nghệ cơ khí

phạm thanh sơn

Ngời hớng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn trọng giảng

Hà Nội - 2006

lời cam đoan

Sau quá trình làm việc nghiêm túc tác giả đã hoàn thành bản luận văn với

đề tài: “Mô phỏng số quá trình ép Titan trong kênh gấp khúc có tiết diện không

đổi nhằm tạo cấu trúc nanô” Tác giả xin cam đoan rằng toàn bộ những kết quả

đợc trình bày trong luận văn này là công trình do chính tác giả thực hiện và cha

đợc công bố trên bất kỳ một tạp trí nào Nếu không đúng nh vậy, tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Chơng 1: Phơng pháp chế tạo vật liệu cấu trúc

nanô bằng biến dạng dẻo khốc liệt - SPD 01 1.1 Tổng quan về phơng pháp biến dạng dẻo khốc liệt - SPD 02 1.2 Phơng pháp SPD và sự hình thành những cấu trúc nanô 02 1.2.1 Kỹ thuật và những chế độ SPD 03 1.2.2 Đặc trng cấu trúc nanô và sự hình thành của chúng 12

Chơng 2: Phần mềm ansys ứng dụng trong Mô phỏng

số các quá trình biến dạng lớn 26

2.2.1 Tiền xử lý (preprocessing) 28 2.2.2 Giải bài toán (solution) 49 2.2.3 Hậu xử lý (postprocessing) 50 2.2 ANSYS trong mô phỏng số các quá trình biến dạng lớn 51

Chơng 3: mô phỏng quá trình ép titan trong kênh

gấp khúc có tiết diện không đổi 53

3.1.1 Giới thiệu chung về Titan 53 3.1.2 Tính chất vật lý của Titan 54

3.1.3 Mạng tinh thể của Titan 54 3.1.4 Đặc điểm của chuyển biến pha trong Ti 55

3.2 Xây dựng bài toán ép phôi titan bằng phơng pháp ECAP 56

3.2.2 Xác định kiểu phần tử và thuộc tính vật liệu 57 3.2.3 Chia lới phần tử hữu hạn 60 3.2.4 Xác định cặp tiếp xúc và phần tử tiếp xúc 61 3.2.5 Đặt tải và giải bài toán 65

Danh mục các chữ viết tắt

bcc(Bulk centered cubic): Lập phơng tâm khối

-ECAP (Equal Channel Angular Pressing): ép trong kênh gấp khúc có tiết diệnkhông đổi

fcc (Face-centered cubic): Lập phơng tâm mặt

hcp (Hexagonal close packed): Sáu phơng xếp chặt

-MF(Multiple Forging): Rèn đa chiều

NSM (Nanostructured Materials): Vật liệu cấu trúc nanô

SPD (Severe Plastic Deformation): Biến dạng dẻo khốc liệt

SPTS (Severe Plastic Torsion Straining): Biến dạng dẻo xoắn khốc liệt

TEM(Transmission Electron Microscopy : Hiểm vi điện tử truyền ) qua

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

Trang Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của quá trình biến dạng xoắn dới áp lực cao 04 Hình 1.2 Sơ đồ mô tả quá trình ECAP 06

Hình 1.4 Các cách tiến hành của quá trình ECAP 08

Hình 1.5 Cơ chế dịch chuyển mẫu trong quá trình ECAP 09 Hình 1.6 Những hớng dịch chuyển trong quá trình ECAP theo lộ trình 10 Hình 1.7 Nguyên lý của rèn đa chiều 11 Hình 1.8 Đặc trng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM của đồng

(Cu) cấu trúc nanô, chế tạo bằng biến dạng xoắn khốc liệt 13 Hình 1.9 Đặc trng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM của đồng

(Cu) cấu trúc nanô chế tạo bởi quá trình ECAP 15 Hình 1.10 Cấu trúc hai pha của hợp kim Zn 22% Al chịu sự biến dạng -

Hình 1.11 Cấu trúc của thép cacbon cao (1,2%C) 17 Hình 1.12 Cấu trúc vi mô của hợp kim Al 7,5%Fe- 18 Hình 1.13 Đặc trng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM của Silicon

cấu trúc nanô, tạo ra bởi biến dạng xoắn khốc liệt 20 Hình 1.14 Đặc trng cấu trúc vi mô của hỗn hợp Al6001 + 10%AlR 2 R0R 3 R

Hình 1.15 Đặc trng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM đối với

Armco-Fe cấu trúc nanô chịu biến dạng xoắn khốc liệt 22

Hình 1.16 Mô hình biến đổi của cấu trúc khuyết tật ở những giai đoạn khác nhau trong quá trình biến dạng dẻo khốc liệt - SPD 23

Hình 2.1 Mô hình vật liệu biến cứng đẳng hớng nhiều đoạn tuyến tính 34 Hình 2.2: “Free meshs” và Mapped meshs” “ 39 Hình 2.3 Chia lới theo kiểu tự do và kiểu bản đồ 40 Hình 2.4a Dạng phần tử là hình khối hộp 41 Hình 2.4.b,c: Ví dụ minh hoạ về chia lới theo kiếu “bản đồ” 41 Hình 2.5 Chia lới theo block trong ANSYS 42 Hình 2.6 Chia lại lới với phần tử tứ giác 42 Hình 2.7 Chia lại lới với phần tử tam giác 42 Hình 2.8 Phân chia cấp 4 đối với phần tử tứ giác 43 Hình 2.9 Phần tử trong bài toán tiếp xúc 48

Hình 3.1 ảnh chụp cấu trúc tế vi của mẫu Titan với những mặt cắt

Kết quả bài toán ECAP_90P

0

Hình 3.10 Trạng thái biến dạng lới (ma sát à = 0.0) 66 Hình 3.11 Trạng thái biến dạng lới (ma sát à = 0.03) 66 Hình 3.12 Chuyển vị theo phơng Y (ma sát à = 0.0) 67 Hình 3.13 Chuyển vị theo phơng Y (ma sát à = 0.03) 67 Hình 3.14 ứng suất cắt theo mặt YZ (ma sát à = 0.0) 68 Hình 3.15 ứng suất cắt theo mặt YZ (ma sát à = 0.03) 68 Hình 3.16 Cờng độ ứng suất σR i R(ma sát à = 0.0) 69 Hình 3.17 Cờng độ ứng suất σR i R(ma sát à = 0.03) 69 Hình 3.18 Biến dạng theo mặt YZ (ma sát à = 0.0) 70 Hình 3.19 Biến dạng theo mặt YZ (ma sát à = 0.03) 70 Hình 3.20 Cờng độ biến dạng εR i R(ma sát à = 0.0) 71 Hình 3.21 Cờng độ biến dạng εR i R(ma sát à = 0.03) 71 Hình 3.22 áp lực thuỷ tĩnh (ma sát à = 0.0) 72 Hình 3.23 áp lực thuỷ tĩnh (ma sát à = 0.03) 72

0

Hình 3.24 Trạng thái biến dạng lới (ma sát à = 0.0) 73 Hình 3.25 Trạng thái biến dạng lới (ma sát à = 0.03) 73 Hình 3.26 Chuyển vị theo phơng X (ma sát à = 0.0) 74 Hình 3.27 Chuyển vị theo phơng X (ma sát à = 0.03) 74 Hình 3.28 ứng suất cắt theo mặt XY (ma sát à = 0.0) 75 Hình 3.29 ứng suất cắt theo mặt XY (ma sát à = 0.03) 75 Hình 3.30 Cờng độ ứng suất σR i R (ma sát à = 0.0) 76 Hình 3.31 Cờng độ ứng suất σR i R (ma sát à = 0.03) 76

Hình 3.32 Biến dạng theo phơng X (ma sát à = 0.0) 77 Hình 3.33 Biến dạng theo phơng X (ma sát à = 0.03) 77 Hình 3.34 Cờng độ biến dạng εR i R(ma sát à = 0.0) 78 Hình 3.35 Cờng độ biến dạng εR i R(ma sát à = 0.03) 78 Hình 3.36 áp lực thuỷ tĩnh (ma sát à = 0.0) 79 Hình 3.37 áp lực thuỷ tĩnh (ma sát à = 0.03) 79 Hình 3.38 Đồ thị mô tả chuyển vị của phôi trong quá trình ECAP

Hình 3.39 Đồ thị mô tả chuyển vị của phôi trong vùng biến dạng ở quá trình ECAP đối với những trờng hợp khác nhau 82 Hình 3.40 Bản vẽ chi tiết khuôn ép có kênh gấp khúc 120P

Hình 3.41 Khuôn ECAP_120P

0

P, đồ gá đợc chế tạo tại trờng ĐHBK

Hình 3.42 Máy ép thuỷ lực 100 tấn (STENH∅J-100) 85 Hình 3.43 Lò nung liên tục HK 40.24 với hệ thống điều khiển SE-40Li 86 Hình 3.44 Phôi ép Titan trớc khi biến dạng 86 Hình 3.45 Giản đồ tiến trình nung phôi và khuôn trong lò 87 Hình 3.46 ép phôi Titan trên máy ép thuỷ lực chuyên dụng 100 tấn 87 Hình 3.47 Phôi đợc ép trong khuôn ECAP_120P

Hình 3.48 Mẫu phôi Titan ép lần thứ nhất (a) và lần thứ hai (b)

trong kênh gấp khúc 120P

lời mở đầu

Bất kỳ một loại vật liệu nào đợc ứng dụng trong thực tế sản xuất và đời sống cũng là kết quả của quá trình nghiên cứu trên cơ sở liên kết chặt chẽ giữa Hoá học (công nghệ chế tạo) vật liệu, Vật lý vật liệu và Cơ học vật liệu Tính năng sử dụng và tuổi thọ của chi tiết máy, các thiết bị điện, điện tử, công trình, không chỉ phụ thuộc vào công nghệ chế tạo vật liệu mà còn đợc quyết định bởi quá trình xử lý cơ, nhiệt nhằm tối u hoá cấu trúc, cơ-lý tính

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và khoa học vật liệu nói chung, đòi hỏi chúng ta phải có một loại vật liệu có tính chất về cơ-lý-hoá tính tốt hơn so với bản thân nó khi cha đợc xử lý Trong nhiều năm nghiên cứu về cấu trúc vật liệu các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng khi vật liệu

có cấu trúc càng mịn thì thuộc tính cơ học của nó càng tốt hơn Cụ thể là khi vật liệu đạt đợc trạng thái cấu trúc nanô thì vật liệu sẽ có độ bền cao hơn, tính dẻo tốt hơn, và có những thuộc tính chỉ riêng nó mới có

Để tạo ra đợc vật liệu có cấu trúc nanô thì có rất nhiều phơng pháp khác nhau, một trong những phơng pháp đó là lợi dụng cơ chế biến dạng của kim loại và hợp kim để tạo ra hạt có cấu trúc nhỏ hơn đó là phơng pháp biến dạng dẻo khốc liệt (SPD severe plastic deformation) Một trong những công -

đoạn của phơng pháp SPD đợc sử dụng phổ biến, và rất đơn giản hiện nay là quá trình ép trong kênh gấp khúc với tiết diện không đổi (ECAP - equal channel angular pressing)

Quá trình ECAP có thể tạo ra đợc vật liệu cấu trúc nanô đối với nhiều loại vật liệu khác nhau, và không quá khó khăn đối với những vật liệu dễ biến dạng nhng đối với những vật liệu giòn và kém bền nh Titan thì quả là một

điều không thật dễ dàng Chính vì vậy, để tiến hành tạo cấu trúc nanô cho Titan

ta cần hiểu đợc cơ chế biến dạng và những yếu tố ảnh hởng đến quá trình

ECAP Để tìm hiểu về vấn đề đó ta cần mô phỏng quá trình ECAP trên máy tính

để phân tích và đa ra phơng án tối u giúp cho quá trình thiết kế khuôn và thí

nghiệm đợc thành công

Với mục đích giới thiệu một phơng pháp mới để có thể tạo ra vật liệu cấu

trúc nanô bằng biến dạng dạng dẻo khốc liệt Phơng pháp này sẽ đợc trình bày

cụ thể hơn trong luận văn dới sự hớng dẫn của GS.TS Nguyễn Trọng Giảng, với

đề tài: “Mô phỏng số quá trình ép Titan trong kênh gấp khúc có tiết diện không

đổi nhằm tạo cấu trúc nanô” Luận văn đợc trình bày trong ba chơng:

Hy vọng đề tài này sẽ giúp cho ta hiểu đợc một cách khái quát về cơ chế

biến dạng của Titan trong quá trình ECAP dẫn đến sự hình thành cấu trúc của vật

liệu Qua đó có thể tiến hành tạo ra vật liệu cấu trúc nanô cho những vật liệu

khác nhau sử dụng quá trình ECAP nói riêng và phơng pháp SPD nói chung

Tác giả mong muốn có đợc sự góp ý của các thầy, cô và các bạn đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2006

Tác giả

Phạm Thanh Sơn

Chơng 1

Phơng pháp chế tạo vật liệu cấu trúc nanô

Bằng biến dạng dẻo khốc liệt - SPD

Trong vài năm gần đây, những vật liệu cấu trúc nanô (NSM - nanostructured materials) dạng khối đợc chế tạo bằng phơng pháp biến dạng dẻo khốc liệt (SPD severe plastic deformation) đã thu hút sự quan tâm - của nhiều chuyên gia về khoa học vật liệu Sự quan tâm này không chỉ đợc quyết định bởi những tính chất cơ học và vật lý vốn có đối với những vật liệu cấu trúc nanô khác nhau (ví dụ, chế tạo bằng sự ngng tụ khí hoặc nghiền bi với sự củng cố tiếp theo), mà còn bởi chính những u điểm của vật liệu SPD

so với những vật liệu cấu trúc nanô (NSM) khác Cụ thể là, phơng pháp SPD cho phép khắc phục một số liên kết cũng nh trạng thái nứt còn lại trong những mẫu đặc, những tạp chất từ máy nghiền bi, sự gia công phôi và ứng dụng thực tế quy mô lớn của những vật liệu nhất định Nguyên lý của việc chế tạo vật liệu cấu trúc nanô dạng khối sử dụng phơng pháp SPD có thể chọn để thay cho phơng pháp ép bột nanô

Đặc điểm đợc biết đến nhiều nhất của phơng pháp SPD là sự biến dạng rất mạnh, chẳng hạn bằng cán hoặc tạo hình nguội, có thể dẫn đến cải tiến quan trọng cấu trúc vi mô ở nhiệt độ thấp Tuy nhiên, những sự hình thành cấu trúc thờng là cơ sở của một loại ô mạng có những biên hạt góc thấp với những định hớng sai Trong đó, cấu trúc nanô đợc hình thành từ phơng pháp SPD là những cấu trúc của một loại hạt siêu mịn bao gồm chủ yếu những biên hạt góc lớn Sự hình thành những cấu trúc nanô nh vậy có thể

đợc thực hiện bởi phơng pháp SPD, tạo ra sự biến dạng rất lớn ở nhiệt độ tơng đối thấp, chịu tác động áp lực cao Để hiểu rõ đợc nguyên lý này thì

những phơng pháp đặc biệt của biến dạng cơ học đã đợc phát triển và sử dụng Những phơng pháp này nh sau: biến dạng xoắn khốc liệt dới áp lực cao, ép trong kênh gấp khúc có tiết diện nh nhau và khác nhau Điều đó cho thấy rằng việc sử dụng phơng pháp SPD có thể chế tạo phôi cấu trúc nanô dạng khối ở những kim loại, hợp kim và liên kim khác nhau.

Những sự phát triển và nghiên cứu đầu tiên của việc tạo ra vật liệu cấu trúc nanô, ứng dụng phơng pháp SPD đợc thực hiện bởi Valiev và cùng những cộng sự của ông ta hơn mời năm trớc Những năm gần đây vấn đề này đợc mô tả một cách rõ nét hơn qua sự công bố của nhiều công trình khác Mặc dù vậy, các nhà khoa học tin tởng rằng những khám phá quan trọng nhất về thuộc tính đặc biệt của vật liệu chế tạo bằng phơng pháp SPD

sẽ tiếp tục đợc tìm ra trong những năm tới Một số thuộc tính này là duy nhất

và khá quan trọng đối với những sự nghiên cứu cơ bản và ứng dụng Tổng quan này trình bày một số kết quả đã đạt đợc đồng thời đa ra những vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu về vật liệu cấu trúc nanô đợc chế tạo bằng phơng pháp biến dạng dẻo khốc liệt - SPD

Trong quá trình phát triển, phơng pháp SPD phải thoả mãn một số điều kiện cần thiết đợc đa vào tính toán với mục đích là hình thành cấu trúc nanô

ở những mẫu và phôi dạng khối Thứ nhất, nó rất quan trọng để tạo ra cấu trúc

hạt siêu mịn với những đờng biên hạt góc lớn, vì chỉ trong trờng hợp này

mới có thể thay đổi chất lợng thuộc tính vật liệu Thứ hai, để tạo ra những thuộc tính ổn định của những vật liệu thì sự hình thành những cấu trúc nanô

đồng đều bên trong thể tích của một mẫu là rất cần thiết Thứ ba, tính cơ học của những mẫu này không bị h hại hoặc rạn nứt nào mặc dù chúng chịu sự biến dạng dẻo lớn Những phơng pháp truyền thống của biến dạng dẻo khốc liệt, nh cán, kéo hoặc ép chảy không thể thoả mãn những điều kiện cần thiết

này Sự hình thành cấu trúc nanô ở mẫu dạng khối không thể xảy ra nếu không áp dụng những nguyên tắc phối hợp cơ học riêng của biến dạng Hiện nay, phần lớn những kết quả thu đợc đều liên quan tới việc áp dụng hai phơng pháp SPD: biến dạng xoắn dới áp lực cao và ép có góc rãnh nh nhau (ECAP - equal channel angular pressing) hoặc khác nhau Một vài nghiên cứu

đã đợc biết đến về sự hình thành cấu trúc nanô và tinh thể siêu tế vi ở những kim loại và hợp kim khác nhau bằng biện pháp rèn đa chiều

1.2.1 Kỹ thuật và những chế độ SPD

Sự biến dạng xoắn dới áp lực cao và ép trong kênh gấp khúc có tiết diện nh nhau (ECAP) là một trong những phơng pháp cho phép tạo ra sự biến dạng dẻo lớn (với biến dạng thực 10) và sự hình thành cấu trúc nanô ≥

- Những thiết bị tạo ra sự biến dạng dẻo xoắn khốc liệt (SPTS Severe Plastic Torsion Straining) đợc điều khiển dới áp lực cao Nguyên lý chế tạo những thiết bị đó là một sự phát triển cao hơn thiết bị kiểu đe của Bridgenan

ở cơ cấu đầu tiên thiết bị này đợc sử dụng để nghiên cứu sự biến đổi pha trong suốt quá trình biến dạng dữ dội cũng nh sự phát triển cấu trúc và những thay đổi về nhiệt độ kết tinh lại sau biến dạng lớn Sự hình thành cấu trúc nanô

đồng nhất với những biên hạt góc lớn qua biến dạng xoắn khốc liệt đợc chế tạo thành công là một bớc rất quan trọng để coi qui trình này nh một phơng pháp mới trong việc chế tạo vật liệu cấu trúc nanô

Đầu tiên chúng ta hãy xem xét những khía cạnh cơ học của sự biến dạng xoắn khốc liệt

Phơng pháp biến dạng xoắn dới áp lực cao có thể đợc sử dụng để chế tạo những mẫu kiểu đĩa Nguyên lý của quá trình xoắn dới áp lực cao

đợc mô tả dới dạng biểu đồ ở hình 1.1a Phôi kim loại đợc nén ở giữa những cái đe và đợc biến dạng xoắn dới áp lực đặt (P) bằng vài GPa Một

mâm cặp ở dới quay và lực ma sát bề mặt làm biến dạng phôi kim loại bằng cách dịch chuyển Do hình dạng hình học đặc trng của mẫu nên thể tích chính của vật liệu bị biến dạng ở điều kiện nén gần nh là thuỷ tĩnh dới áp lực đặt và áp lực ở những lớp vòng ngoài mẫu Kết quả cho thấy, mặc dù giá trị biến dạng lớn nhng mẫu biến dạng không bị phá huỷ

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của quá trình biến dạng xoắn dới áp lực cao;

Hình 1.1b thể hiện những biến số đợc sử dụng để tính toán biến dạng gây ra trong quá trình HPT, tại góc quay và khoảng dịch chuyển nhỏ tơng

ứng với dθ và dl, ta có dl = rdθ, trong đó r là bán kính của đĩa và biến dạng

cắt (biến dạng trợt) dγ đợc tính bởi:

0

rdh

trình xoắn thờng đợc quy về giá trị biến dạng tơng đơng eR eq R phù hợp với

điều kiện dẻo Mises

= +

=

0

3

2 1 ln ) 1 ln(

r

π

trong đó: h - là khoảng sau khi biến dạng,

hR 0 R - là khoảng trớc khi biến dạng

Biến dạng thực của đĩa ứng với hR 0 R = 0,3 mm và r = 5 mm sau một vòng quay bằng 4,1 (tính theo công thức 1.4) và bằng 4,65 (tính theo công thức 1.5)

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng sau một số lần quay sự biến dạng theo cách thức này thờng cho kết quả nh nhau dẫn đến cấu trúc vi mô ở tâm của mẫu đợc cải thiện và cấu trúc nanô đợc tạo ra thờng đồng nhất ở bán kính của mẫu Tính đồng nhất về cấu trúc của mẫu đợc kiểm định bởi sự phân bố

đồng nhất giá trị độ cứng vi mô đo qua mỗi mẫu

Những mẫu đợc tạo ra bởi biến dạng xoắn khốc liệt thờng ở dạng đĩa

có đờng kính từ 10 đến 20mm và chiều dày 0,2 0,5mm Sự thay đổi đáng ữ

kể về cấu trúc vi mô đợc quan sát ngay sau sự biến dạng qua 1/2 vòng quay, nhng sự hình thành cấu trúc nanô đồng nhất đợc quyết định ở một số vòng quay nhất định nh một quy luật

Các nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra rằng biến dạng xoắn khốc liệt có thể đợc ứng dụng thành công không chỉ cho sự cải thiện cấu trúc vi mô mà

còn để gia cố bột Quá trình biến dạng xoắn ở nhiệt độ phòng dới áp lực cao bằng vài GPa có thể cho một mật độ khá cao gần 100% trong quá trình tạo những mẫu cấu trúc nanô dạng đĩa

Hình 1.2 Sơ đồ mô tả quá trình ECAP;

Trong quá trình ECAP mỗi phôi đợc ép nhiều lần qua khuôn có góc giao nhau của hai kênh thông thờng là 900 Nếu cần thiết, trong trờng hợp vật

liệu khó biến dạng, quá trình ECAP đợc điều chỉnh ở nhiệt độ thích hợp để quá trình biến dạng của phôi đợc dễ dàng hơn

Tại vị trí góc ở phía ngoài ψ = 0P

0

P (Hình 1.3a), xét một phần tử nhỏ hình vuông abcd ở kênh đi vào và góc ở phía trong là bất kỳ, ép qua mặt phẳng φ cắt giả định và trở nên méo đi thành hình bình hành a’b’c’d’ Từ những

nguyên tắc đầu tiên này, ta có thể xác định biến dạng cắt γ bởi công thức:

cos2

2cot

là công thức tổng quát nhất và có thể đợc sử dụng để tính toán biến dạng cắt

γ đối với cả ba trờng hợp trên (hình 1.3) Do đó, biến dạng tơng đơng eR N Rsau N lần ép có thể đợc trình bày một cách tổng quát bởi công thức sau:

cos2

2cot233

ecN

N

(Ψ, φ: là góc ngoài và góc trong của kênh ép thể hiện trên (Hình 1.3))

Sử dụng công thức (1.9) để tính toán với trờng hợp ECAP góc φ = 90P

0

P,

H×nh 1.3 Nguyªn lý cña ECAP: (a) ψ = 0P

Trong quá trình ECAP, hớng và số lần ép phôi là rất quan trọng trong việc cải thiện cấu trúc vi mô Các lộ trình của phôi trong quá trình ECAP đợc thể hiện trên (Hình 1.4): lộ trình A, hớng dịch chuyển của phôi không thay

đổi ở mỗi lần ép; lộ trình B, sau mỗi lần ép phôi đợc xoay đi một góc 90P

0

Pquanh trục dọc của nó; lộ trình C, sau mỗi lần ép phôi đợc xoay đi một góc

180P

0

Pquanh trục dọc của nó

Hình 1.5 Cơ chế dịch chuyển mẫu trong quá trình ECAP:

(a) biến dạng một chu kỳ; (b) lộ trình A; (c) lộ trình C

Những lộ trình đã cho ở trên (hình 1.5) đợc phân biệt theo phơng trợt của phôi trong kênh gấp khúc ở mỗi lần ép kế tiếp Vì thế, trong quá trình ECAP xuất hiện sự thay đổi các ô hình cầu bên trong phôi

Trong quá trình ECAP tại nơi giao nhau của kênh gấp khúc, ô trống hình tròn sẽ chuyển đổi hình dạng thành một elíp (hình 1.5 a) Điều này xuất

hiện sau lần ép đầu tiên do sự trợt thuần tuý Hơn nữa, kết quả ở những lần

ép tiếp theo của lộ trình A là sẽ dẫn đến sự dài ra của trục 1 và elíp Trong đó phơng trợt đợc xoay quanh đờng thẳng góc với trục tạo với mặt cắt dọc của kênh một góc 2 , thể hiện trên hình (1.5b).φ

Quá trình ép đợc lặp lại trong lộ trình B, dẫn tới phơng và mặt phẳng trợt bị xoay đi một góc 120P

0

P(với 2φ = 90P

0

P) (hình 1.6b)

Trong quá trình biến dạng bởi lộ trình C, quá trình ép đợc thực hiện lại, phơng trợt vẫn trong cùng một mặt phẳng nhng theo hớng đối diện (hình 1.5 c và 1.6 c) ô hạt tạo ra có dạng hình cầu

áp dụng cả ba lộ trình trên sẽ thu đợc những giá trị tăng lên về ứng suất chảy và độ bền của vật liệu đợc gia công Vật liệu này sẽ đạt đợc trạng thái bão hoà sau một vài lần ép Ngời ta đã thực hiện quá trình ECAP đối với những mẫu Cu và Ni nh hình 1.5 và nhận thấy trong quá trình biến dạng có

sự tăng tải Hơn nữa, có sự ổn định trong giai đoạn tăng bền và tải hầu nh không thay đổi

Hình 1.6 Những hớng dịch chuyển trong quá trình ECAP

theo lộ trình A (a), B (b), C (c)

1.2.1.3 Rèn đa chiều

Đây cũng là một trong phơng pháp tạo ra cấu trúc nanô ở những phôi dạng khối nhờ sự rèn đa chiều (MF multiple forging), nó đợc phát triển bởi -tác giả Salishchev Quá trình rèn đa chiều thờng đợc kết hợp với động lực kết tinh lại

Hình 1.7 Nguyên lý của rèn đa chiều: (a), (b), (c) - sự bố trí và tác động quay

Nguyên lý của rèn đa chiều (hình 1.7) giả thiết rằng sự lặp lại nhiều lần của những thao tác rèn tự do: điều chỉnh quá trình chuốt với sự thay đổi trục của lực biến dạng thực Tính đồng nhất của biến dạng đạt đợc trong quá trình rèn đa chiều thấp hơn so với trờng hợp ECAP và biến dạng xoắn Tuy nhiên, phơng pháp này cho phép thu đợc trạng thái cấu trúc nanô trong vật liệu khá giòn bởi vì quá trình chế tạo bắt đầu ở nhiệt độ cao và tải đặc trng trên máy

gia công là thấp hơn Để thu đợc kích thớc hạt nhỏ nhất thì cần phải lựa chọn nhiệt độ và chế độ biến dạng thích hợp

Phơng pháp rèn đa chiều đợc sử dụng để tinh chế một số hợp kim cấu trúc vi mô, bao gồm Ti, hợp kim Ti VT8, VT30, Ti-6%Al-32%Mo, hợp kim Mg; Mg-6%Zn, những hợp kim Ni, hợp kim có độ bền cao và một số loại khác Quá trình rèn đa chiều thờng đợc thực hiện ở khoảng nhiệt độ biến dạng dẻo 0,1 ữ 0,5 TR ml R (TR ml R - là nhiệt độ nóng chảy) Nó đợc thể hiện ở những hợp kim hyđrô hoá của hợp kim Ti hai pha, không chỉ tăng thêm tính dẻo, giảm bớt nhiệt độ biến dạng mà còn làm kích thớc hạt nhỏ hơn

Bởi vậy, phơng pháp SPD đã đợc phát triển để hình thành cấu trúc nanô ở những phôi và đĩa dạng khối không kể đến sự khác nhau của kim loại

và hợp kim Tuy nhiên, vấn đề chế tạo những phôi có kích thớc lớn hơn có cấu trúc đồng đều thì vẫn còn rất thực tế Vấn đề phát triển phơng pháp SPD mới có hiệu quả hơn trong giới hạn công nghệ của chúng ta, cũng nh việc cải tiến thiết bị khuôn và việc tạo ra trạng thái cấu trúc nanô ở vật liệu dễ biến dạng, bao gồm cả hoá bền biến dạng cũng là rất cần thiết

1.2.2 Đặc trng cấu trúc nanô và sự hình thành của chúng

Phơng pháp SPD có thể tạo ra cấu trúc nanô trong những vật liệu khác nhau Tuy nhiên kích thớc hạt đạt đợc và đặc tính của sự hình thành cấu trúc nanô phụ thuộc vào việc áp dụng những phơng pháp SPD, chế độ tạo ra, kết cấu pha và cấu trúc vi mô ban đầu của vật liệu Dới đây là một số ví dụ về

đặc trng cấu trúc nanô, thảo luận các bớc tiến hành để đạt đợc kích thớc hạt nhỏ nhất trong những vật liệu khác nhau đợc chế tạo bằng phơng pháp SPD và coi điều đó đồng thời với sự phát triển cấu trúc vi mô trong quá trình biến dạng mãnh liệt

Ngày nay, cấu trúc nanô đã đợc tạo ra ở một số kim loại, hợp kim, thép và những hợp chất liên kim nhờ việc ứng dụng các phơng pháp SPD khác nhau

Hình 1.8 Đặc trng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM của đồng (Cu) cấu trúc nanô, chế tạo bằng biến dạng xoắn khốc liệt: (a) ảnh nền sáng và mẫu hình nhiễu xạ; (b) ảnh nền tối; (c) biểu đồ sự sắp xếp kích thớc hạt

Trong những kim loại nguyên chất, việc ứng dụng biến dạng dẻo xoắn khốc liệt có thể tạo ra cấu trúc hạt siêu mịn với kích thớc trung bình khoảng

100 nm và áp dụng quá trình ECAP có thể tạo ra kích thớc hạt 200 ữ 300

nm Trên hình 1.8, là những hình ảnh nền sáng và tối đợc quan sát bằng kính hiểm vi điện tử thể hiện cấu trúc nanô tiêu biểu của đồng (99,98%), tạo

ra bằng quá trình SPTS ở nhiệt độ phòng (biến dạng thực e = 7, áp lực đặt P

= 7GPa) Kết quả thể hiện trên (hình 1.8) cho thấy rằng biên hạt rất dễ nhận, chúng là những đờng cong hoặc gợn sóng Cũng có những biên hạt với những hình ảnh không đợc rõ nét và sự nhiễn xạ tơng phản bên trong hạt

là không đồng nhất và thờng chịu sự biến đổi phức tạp Điều này đòi hỏi phải có một mức lớn ứng suất bên trong và sự biến dạng đàn hồi của mạng tinh thể Nh vậy, một sự tơng phản phức hợp đợc quan sát cả bên trong hạt chứa đựng sự chuyển vị mạng và hạt không chứng tỏ có khuyết tật mà chứng tỏ những biên hạt là những nguồn ứng suất bên trong Sự phân bố góc cực của những vị trí thu đợc trên mẫu nhiễu xạ cũng biểu thị những ứng suất nội tại cao Mật độ trung bình của chuyển vị mạng của đồng (Cu) chế tạo bằng SPD là khoảng 5P Pữ 1014 m-2 Những vị trí trên mẫu nhiễu xạ sắp xếp dọc theo vòng tròn biểu hiện những sự định hớng sai về góc lớn của những mặt bên cạnh của mạng tinh thể Sự có mặt của biên hạt góc lớn chủ yếu

trong cấu trúc của đồng (Cu) phải chịu biến dạng mãnh liệt cũng đợc xác nhận bởi những phép đo trực tiếp sự sai lệch định hớng của biên hạt riêng

lẻ, sự tồn tại rất quan trọng có đặc tính của vật liệu SPD Những biểu đồ của

sự phân bố cỡ hạt đang tồn tại từ những ảnh nền tối cho thấy cấu trúc của

đồng (Cu) chế tạo bằng SPD đợc mô tả bởi sự phân bố theo tiêu chuẩn lôgarit với kích thớc hạt trung bình 107 nm (hình 1.8c)

Những đặc tính tơng tự cấu trúc nanô đợc quan sát ở niken nguyên chất tạo ra bằng quá trình SPTS ở nhiệt độ phòng Một kích thớc hạt nhỏ hơn khoảng 80nm thu đợc ở những mẫu Armco-Fe và Ti có mạng tơng ứng là

lập phơng tâm khối (bcc) và sáu phơng xếp chặt (hcp) Tuy nhiên, cấu trúc nanô của chúng đợc mô tả bởi sự tơng phản nhiễu xạ phức tạp hơn do ứng suất đàn hồi nội tại cao hơn

Hình 1.9 Đặc trng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM của đồng (Cu) cấu trúc nanô chế tạo bởi quá trình ECAP: (a) lộ trình B; (b) lộ trình C

Quá trình ECAP cũng có thể dẫn đến sự hình thành cấu trúc nanô trong những kim loại nguyên chất Riêng đối với Cu (99,97%) chịu tác động của quá trình ECAP ở nhiệt độ phòng (12 lần ép, lộ trình B), kích thớc hạt trung bình đạt

đợc là 210nm (hình 1.9a) Cùng lúc, những nghiên cứu TEM đã phát hiện ra sự

có mặt của ba loại hạt ở những hạt nhỏ, kích thớc lên tới 100nm, hầu nh không xảy ra những sự dịch chuyển mạng, ở những hạt kích thớc trung gian quan sát thấy những sự dịch chuyển hỗn loạn tách rời nhau và trong những hạt lớn (400 500nm) phát hiện ra sự hình thành ữ những hạt thay thế Mật độ dịch chuyển mạng trung bình bên trong hạt là 5 x 1014 m-2 Hơn nữa, những kiểu cấu trúc đợc tạo ra bởi quá trình ECAP phụ thuộc rất nhiều vào lộ trình sự biến dạng

đã đợc trình bày ở trên Chẳng hạn, quá trình ECAP của Cu, trong trờng hợp cùng số lần ép, sự thay đổi lộ trình của thanh từ B → C dẫn đến sự hình thành kiểu cấu trúc miro khác - một cấu trúc đợc phân lớp, có nhiều đờng biên hạt

góc thấp (hình 1.9b) Mới đây, vấn đề này đã đợc nghiên cứu rất chi tiết trong quá trình ECAP của Al, những nghiên cứu đó đã cho thấy sự đồng nhất của cấu trúc, sự kéo dài ra của hạt và phần nhỏ thể tích của biên hạt góc lớn đợc xác

định không chỉ bởi giá trị biến dạng mà chủ yếubởi những lộ trình ép Cũng cần tính đến khả năng phôi ép trong quá trình ECAP bị nóng lên để sử dụng nh một tác dụng quan trọng dựa trên sự hình thành cấu trúc mà không ảnh hởng gì Trong những hợp kim bị biến dạng dẻo khốc liệt, cấu trúc cuối cùng đợc quyết

định không chỉ bởi lộ trình ép mà còn bởi cấu trúc vi mô ban đầu Sự hình thành cấu trúc nanô trong dung dịch rắn một pha xảy ra giống nh ở những kim loại nguyên chất Sự khác biệt chỉ thu đợc ở kích thớc hạt, sự thu đợc đó là không

đáng kể ở trờng hợp của hợp kim Chẳng hạn, trong hợp kim Al chịu quá trình SPTS cỡ hạt trung bình thông thờng là 70 - 80nm Trong hợp kim nhiều pha bản chất và hình thái của những pha thứ hai đóng một vai trò rất quan trọng Nh vậy,

sự cải tiến cả hai pha của hợp kim Zn-22%Al hai pha trong quá trình biến dạng khốc liệt đã đợc thực hiện và sau quá trình SPTS (5 lần xoay), cấu trúc nanô kép với một kích thớc hạt trung bình của cả hai pha thấp hơn 100nm có thể đợc hình thành ở nhiệt độ phòng (hình 1.10)

-khốc liệt ở nhiệt độ phòng

Sự biến dạng dẻo khốc liệt của thép cacbon cao (1,2%C) cũng là một ví

dụ thú vị về sự hình thành những trạng thái siêu bền Kiểm tra thép trong trạng thái bình thờng (hình 1.11a) và có một cấu trúc peclit với một lợng d cementit Quá trình SPTS (e = 7, P = 6GPa) đã dẫn đến hình thành cấu trúc phân tán cực độ với kích thớc hạt 20nm (hình 1.11b) mà đợc xảy ra cùng sự hoà tan hết cementit Cấu trúc nanô thu đợc xuất hiện trong dung dịch rắn quá bão hoà của cácbon ở gang - α

Hình 1.11 Cấu trúc của thép cacbon cao (1,2%C): (a) ở thời điểm ban đầu, trạng thái bình thờng; (b) sau khi biến dạng xoắn khốc liệt ở nhiệt độ phòng

Sự hình thành những dung dịch rắn cũng đợc phát hiện trong quá trình SPD của một số hợp kim có liên quan tới một vài chế độ không hoà trộn mà cũng không hoà tan lẫn nhau, cụ thể với: Cu 50%Al, Al Fe và những hợp kim - -khác Hợp kim Al 7,5%Fe đã đợc một số tác giả nghiên cứu, nó có một cấu -trúc kiểu hình cây bao gồm Al fcc (fcc lập phơng tâm mặt) và pha Al- R 13 RFeR 4 Rthuộc loại đơn nghiêng (hình 1.12a) với kích thớc phần tử lớn hơn 10àm Sau quá trình SPTS một cấu trúc hạt siêu nhỏ với kích thớc hạt khoảng 100nm

đợc hình thành ở lớp nền (hình 1.12b) Nh phép phân tích phân tán năng lợng đã thể hiện, pha Al trở thành một dung dịch rắn quá bão hoà, chiếm

1,34 ữ 2,24% trọng lợng gang Cùng lúc, pha AlR 13 RFeR 4 R có dạng hình cây biến

đổi thành những hạt hình cầu với một kích thớc khoảng 1 m và một phần àphân huỷ hình thành dung dịch rắn

Những trạng thái siêu bền do SPD tạo ra là rất đáng đợc quan tâm vì trên thực tế sau sự nóng lên đó đã xuất hiện sự phân huỷ dẫn tới những thuộc tính mới lạ của vật liệu

Hình 1.12 Cấu trúc vi mô của hợp kim Al-7,5%Fe: (a) trạng thái mẫu đúc ban đầu (dùng kính hiểm vi quang điện) và sau khi biến dạng xoắn khốc liệt ở nhiệt độ phòng; (b) ảnh nền tối; (c) ảnh nền tối; (d) mẫu hình SAED

Một đặc tính đáng đợc chú ý nữa đợc tiến hành ở những hợp kim chịu tác động của quá trình SPD là sự phát triển tinh thể kép Chẳng hạn, dọc theo

sự biến đổi mạnh mẽ của cấu trúc xuất hiện một số lớn tinh thể kép đợc quan sát ở hợp kim Mg sau quá trình SPTS

Trong những hợp chất liên kim, sau biến dạng dẻo khốc liệt có thể quan sát thấy không chỉ sự hình thành một cấu nanô mà còn làm nguyên tử sắp xếp không theo trật tự ban đầu Vấn đề này đợc nghiên cứu ở những hợp chất liên kim NiR 3 RAl và TiAl Nh những nghiên cứu về TEM đã cho thấy, cấu trúc nanô với kích thớc hạt khoảng 50nm đợc hình thành ở NiR 3 RAl sau quá trình SPTS (e = 7, P = 8GPa) Cấu trúc có một số lợng lớn những cặp micrô phân tán với chiều dày chỉ 1 ữ 2nm Cùng lúc, tham số chỉ thị chiều dài S đợc đánh giá bằng phơng pháp phân tích cấu trúc máy X quang sử dụng tỷ lệ giữa cờng -

độ tơng ứng của những đỉnh mạng chồng chập {100} hoặc {110} và những

đỉnh cơ bản {200} hoặc {220} Những đánh giá này đã cho thấy sự xáo trộn hoàn toàn cấu trúc nguyên tử trong hợp chất liên kim NiR 3 RAl sau biến dạng khốc liệt Tuy nhiên, sự nóng lên của phôi có thể lên tới 3500C đã dẫn đến phục hồi một phần sự sắp xếp theo trật tự Sau biến dạng khốc liệt tham số chỉ thị chiều dài S = 0,1 đã đạt đợc ở hợp chất liên kim TiAl Nhng trong trờng hợp này áp lực đợc gây ra để tác động lên quá trình cao hơn (P = 10GPa)

Trong những chất bán dẫn, nh Gecmani và Silic, có mạng tinh thể kiểu kim cơng, áp dụng quá trình SPTS cũng dẫn đến hình thành cấu trúc phân tán

ở mức độ cao (hình 1.13) Việc phân tích những ảnh nền tối đã chỉ ra rằng cấu trúc nanô của Ge và Si đợc mô tả bởi sự phân bố kích thớc hạt theo tiêu chuẩn lôgarit, kích thớc hạt trung bình tơng ứng là 24 nm và 17 nm Kiểm tra những hình nhiễu xạ từ mặt mẫu 2àm2 phát hiện những vòng đồng tâm gồm có một số đốm Cùng lúc, những sự biến đổi đa hình đợc phát hiện ở Ge

và Si cấu trúc nanô chế tạo bằng biến dạng xoắn khốc liệt dới áp lực 7 GPa

Cụ thể là, sự xuất hiện của một pha hình tứ giác với mạng tinh thể kiểu P4R 3 R2R 1 R2 quan sát đợc ở Ge và một pha hình lập phơng với mạng tinh thể kiểu Ia3 quan sát đợc ở Si

Hình 1.13 Đặc trng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM của Silicon cấu trúc nanô, tạo ra bởi biến dạng xoắn khốc liệt: (a) ảnh nền sáng và mẫu hình

nhiễu xạ; (b) ảnh nền tối; (c) biểu đồ sự sắp xếp kích thớc hạt

Trong vật liệu tổ hợp kim loại việc áp dụng phơng pháp SPD cũng dẫn tới tạo thành cấu trúc nanô Đặc biệt, một trong những phơng pháp chế tạo composite nanô là sự hợp nhất của bột kim loại và gốm bằng biến dạng xoắn Những dạng cấu trúc nanô thu đợc bằng SPTS làm hợp nhất bột micrô

Cu và Al và bột nanô SiOR 2 R cũng đã đợc nghiên cứu Những mẫu dạng khối của composite nanô với mật độ trên 98% chế tạo bằng phơng pháp này cho kích thớc hạt trung bình ở mẫu Cu là 60nm và mẫu Al là 200nm

Phơng pháp SPD cũng đợc sử dụng để tạo cấu trúc nanô trong vật liệu

tổ hợp kim loại, tại đó những hạt gốm đợc sắp xếp giống nhau Ví dụ, do quá trình biến dạng xoắn khốc liệt cấu trúc đồng nhất với kích thớc hạt trung bình khoảng 100nm (hình 1.14) đã đợc tạo thành trong hỗn hợp Al6001 + 10%AlR 2 R0R 3 R và Al2009 + 15%SiC Tuy nhiên, trong quá trình biến dạng những hạt gốm không thể thay đổi hình dạng và kích thớc ban đầu của chúng Trong hỗn hợp Al6061 + 10%AlR 2 R0R 3 R hạt gốm có dạng hình cầu kích thớc từ 0,2 5ữ àm và trong hỗn hợp Al2009 + 15%SiC hạt gốm có dạng hình tấm mỏng, dài hơn 10 àm và lên tới 0,5àm tại mặt cắt ngang

sau khi biến dạng xoắn khốc liệt

Đối với những kết quả thu đợc, cần chú ý thêm một lần nữa rằng hầu hết các nghiên cứu đều giải thích khả năng hình thành cấu trúc nanô bằng những điều kiện của phơng pháp biến dạng dẻo của khốc liệt ở những vật liệu kim loại, composites và những chất bán dẫn khác nhau Đặc tính hình thành cấu trúc đợc xác định không chỉ bởi chính vật liệu (cấu trúc vi mô ban đầu, pha hợp thành và kiểu mạng tinh thể) mà còn do chế độ biến dạng khốc liệt (tốc độ biến dạng, nhiệt độ và áp lực v.v ) Nói chung, sự giảm nhiệt độ, tăng

áp lực và hợp kim hoá, tất cả đều góp phần cải thiện cấu trúc và thu đợc kích thớc hạt nhỏ nhất

Hình 1.15 Đặc trng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM đối với Armco- Fe cấu trúc nanô chịu biến dạng xoắn khốc liệt: (a) N=1/4, (b) N=1, (c) N=5

ảnh nền sáng và nền tối và mẫu hình nhiễu xạ đợc đa ra ở những giai đoạn

biến dạng khác nhau

Kết luận, các vấn đề đã nêu ở trên đã phần nào giúp chúng ta tính toán

đến những cơ chế ngắn gọn để hình thành cấu trúc nanô trong quá trình SPD

Đáng tiếc là, các vấn đề đó chỉ cho biết một số công đoạn để thay đổi cấu trúc trong quá trình SPD Quá trình SPD đã cố gắng thực hiện những quy tắc hình

thành cấu trúc nanô, và hiện nay vấn đề này vẫn rất khó hiểu Một trong số những công đoạn đầu tiên đã đề cập đối với nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc vi mô trong những đơn tinh thể của Cu, Ni và hợp kim cơ bản Ni Cr trong quá -trình SPTS Sự thay đổi cấu trúc vi mô ở kích thớc mạng tinh thể 100nm đợc quan sát trong giai đoạn cuối cùng của quá trình SPTS Trên cơ sở phân tích những quá trình thay đổi cấu trúc vi mô và phép đo độ cứng vi mô các nhà khoa học đã làm một phép thử để xác định chuỗi dịch chuyển cấu trúc trong quá trình biến dạng dẻo khốc liệt Từ đó đã phát hiện ra rằng trong những vật liệu có năng lợng phá huỷ trật tự sắp xếp lớn (Cu và Ni) với logar của giá trị biến dạng tăng dần lên tới e = 2 sự chuyển vị đợc tập trung ở những tờng ô trống và hầu hết không tồn tại ở bên trong ô trống Hơn nữa, sự tăng biến dạng lên tới e = 5 dẫn tới giảm kích thớc ô trống và tăng sai lệch định hớng ô trống Nh đã giả thiết, vấn đề này có thể dẫn tới tăng cờng phơng thức quay vòng sự biến dạng trong toàn bộ thể tích mẫu ự giảm năng lợng phá Shuỷ ở (hợp kim Ni Cr) gây ra thay đổi trong cơ chế biến dạng dẻo khốc liệt -khi biến đổi cấu trúc vi mô đợc thực hiện qua việc hình thành dải dịch chuyển mà bao quát dần dần thể tích mẫu

Hình 1.16 Mô hình biến đổi của cấu trúc khuyết tật ở những giai đoạn khác

nhau trong quá trình biến dạng dẻo khốc liệt - SPD

Sự nghiên cứu TEM cũng đã thể hiện rằng việc tạo ra cấu trúc nanô ở Armco-Fe và thép một pha trong quá trình SPTS có đặc tính bớc rõ ràng Một cấu trúc dạng ô hình mạng với kích thớc ô trống trung bình 400nm tiêu biểu (hình 1.15a) đối với giai đoạn đầu tiên, tơng ứng độ xoắn trong phạm vi từ

1/4ữ1 vòng tròn Góc định hớng giữa những ô trống là 2 3ữ 0 ở giai đoạn thứ hai, tơng ứng với phạm vi từ 1 ữ 3 vòng tròn, có thể quan sát đợc sự hình thành cấu trúc chuyển tiếp có đặc tính của cả ô hình mạng lẫn cấu trúc nanô (hình 1.15b) với sự định hớng sai về góc lớn Nh vậy, giá trị biến dạng tăng thêm, làm giảm kích thớc ô trống và xuất hiện sự định hớng sai tờng ô trống Giai

đoạn thứ ba đợc mô tả bởi sự hình thành cấu trúc nanô đồng nhất với kích thớc trung bình khoảng 100 nm ở Armco Fe (hình 1.15c) và kích thớc hạt nhỏ hơn ở -thép Những hạt bị biến dạng đàn hồi có đặc điểm nổi bật đợc thấy trong những hình ảnh nền tối Nguyên nhân của sự biến dạng đàn hồi này hiển nhiên là do ứng suất dọc theo chiều dài từ trạng thái đờng biên hạt không cân bằng bao gồm mật độ lớn sự chuyển vị đờng biên hạt ngoại lai Trên cơ sở số liệu thực nghiệm thu đợc từ các nhà khoa học đã đa ra mô hình sau đây để phát triển cấu trúc khuyết tật vật liệu trong quá trình SPD (hình 1.16) ý tởng chính dựa vào sự biến đổi cấu trúc ô hình mạng (hình 1.16a) thành một hình có dạng hạt, khi mật

độ khuyết tật trong tờng ô trống đạt đợc giá trị tới hạn nhất định và triệt tiêu một phần khuyết tật ở sự xuất hiện những điểm khác của đờng biên ô trống (hình 1.16b) Điều đó đã dẫn đến những khuyết tật thừa của điểm đơn lẻ còn lại (hình 1.16c) Các khuyết tật thừa đóng những vai trò khác nhau: khuyết tật với vectơ Burgers thẳng góc đờng biên hạt kéo dài gây ra sai lệch định hớngtăng lên và khi mật độ lên chúng gây ra biến đổi cấu trúc dạng hạt, cùng thời điểm đó những trờng ứng suất phạm vi đáng kể đợc kết hợp với chuyển vị trợt cũng có thể dẫn tới sự trợt (của hạt) dọc theo đờng biên hạt, v.v

1.3 Kết luận

Từ những phân tích và nhận định ở trên cho thấy rằng, việc chế tạo vật liệu cấu trúc nanô bằng phơng pháp biến dạng dẻo khốc liệt - SPD là hoàn toàn có khả năng làm đợc ở Việt Nam Mặc dù vậy, để chế tạo đợc vật liệu cấu trúc nanô bằng phơng pháp SPD thì chúng ta cần phải nghiên cứu sâu

hơn nữa về các vấn đề gây ảnh hởng đến sự hình thành cấu trúc của vật liệu trong quá trình biến dạng

Hiện nay, phơng pháp SPD là một trong những phơng pháp đợc sử dụng phổ biến trên thế giới để chế tạo vật liệu cấu trúc nanô Cơ chế của sự hình thành cấu trúc nanô trong quá trình biến dạng đợc mô tả ở nhiều phơng pháp khác nhau, một trong những phơng pháp thể hiện rõ nhất đó là quá trình ECAP Nguyên lý của quá trình rất đơn giản và dễ chế tạo, vì vậy, việc lựa chọn phơng pháp biến dạng dẻo khốc liệt bằng quá trình ECAP là hoàn toàn phù hợp và có cơ sở thực tiễn rất cao Mặc dù vậy, cần kiểm chứng lại quá trình ECAP đối với Titan để khẳng định tính chân thực của phơng pháp này, và từ đó có thể phát triển ra nhiều loại vật liệu khác nữa Để chứng minh tính đúng đắn của phơng pháp ECAP này thì có nhiều cách để thực hiện, một trong những cách đợc sử dụng phổ biến hiện nay mà ít tốn kém hơn cả đó là mô phỏng quá trình trên máy tính

Chơng 2

Phần mềm ANSYS ứng dụng trong Mô phỏng số các quá trình biến dạng lớn

2.1 Giới thiệu chung về ANSYS

ANSYS là một phần mềm công nghiệp vạn năng dựa trên cơ sở phơng pháp Phần tử hữu hạn để phân tích các bài toán Vật lý Cơ học Thực chất của - phơng pháp phần tử hữu hạn là sử dụng phơng pháp rời rạc hoá và gần đúng chuyển các phơng trình vi phân, phơng trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích

về dạng số, để giải các bài toán trên

Nhờ ứng dụng phơng pháp Phần tử hữu hạn, các bài toán kỹ thuật đợc mô hình hoá dới dạng các phơng trình toán học, cho phép lý giải trạng thái bên trong của vật thể nh trong thực tế

ANSYS có thể giải các bài toán đàn hồi, dẻo trong phân tích kết cấu, bài toán nhiệt, bài toán dòng chảy chất lỏng nén đợc và chất lỏng không nén

đợc Ngoài ra, chơng trình có thể tính cho các vật liệu từ, bài toán tiếp xúc

Là phần mềm tính toán mạnh, vạn năng tính cho các phần tử kết cấu thanh, dầm, phần tử tấm, khối 2D và 3D, giải các bài toán đàn hồi, đàn hồi phi tuyến, đàn hồi dẻo lý tởng, dẻo nhớt, đàn nhớt Chơng trình có khả năng mô phỏng theo mô hình hình học với các điểm, đờng, mặt và mô hình phần tử hữu hạn với các nút và phần tử Hai dạng mô hình đợc trao đổi và thống nhất với nhau để tính toán

Để giải một bài toán cụ thể, cần đa các điều kiện biên cho mô hình hình học Các tác động đợc đợc đa vào là lực, chuyển vị, nhiệt độ Chơng trình cho kết quả dới dạng đồ hoạ, trờng ứng suất và biến dạng

đợc đa ra dới dạng ảnh đồ phân bố trờng, cho phép quan sát và nhận biết

đợc trờng phân bố của các giá trị vật lý nghiên cứu, căn cứ vào đó có thể rút

ra đợc những phán đoán công nghệ tối u Chơng trình có các tiện ích, giúp ngời tính toán thiết kế nhanh chóng thực hiện các nội dung nghiên cứu Đồng thời, cho phép liên kết với một số chơng trình phần mềm khác thiết kế khác

toàn cục và hệ toạ độ địa phơng

+ Hệ toạ độ toàn cục là hệ toạ độ cố định dùng làm cơ sở tính toán và

chuyển đổi với hệ toạ độ cục bộ

+ Hệ toạ độ địa phơng là hệ toạ độ đợc đặt lên phần tử để tính toán

bao gồm hệ toạ độ đề các, hệ toạ độ trụ R, θ, Z ,và hệ toạ độ cầu R, θ ϕ,

Ngoài ra ANSYS còn sử dụng:

+ Hệ toạ độ nút dùng để xác định bậc tự do và hớng của nút

+ Hệ toạ độ phần tử đặt trên phần tử dùng để xác định hớng tác dụng lực cũng nh kết quả

Xác định bậc tự do:

Trong bài toán phần tử hữu hạn cần xác định bậc tự do của các nút Mỗi nút trong không gian toạ độ: 3 bậc tự do chuyển vị theo các hớng x, y, z là

UX, UY, UZ; ba bậc tự do xoay ROTX, ROTY, ROTZ

Tuỳ từng bài toán và các điều kiện biên cụ thể mà số bậc tự do thay đổi, nút sẽ không thể tịnh tiến hoặc xoay nếu nh bậc tự do tại nút bằng 0

+ Hệ đơn vị SI (hệ toạ độ quốc tế): m, kg, s, 0C

+ Hệ đơn vị CGS: cm, g, s, 0C

+ Hệ đơn vị MPA: mm, Mg, s, 0C

+ Hệ Anh

2.2 Kết cấu của phần mềm ANSYS

Về mặt cấu trúc, ANSYS chia thành 3 mô-đun lớn đó là:

♦ Tiền xử lý (preprocessing)

♦ Mô đun giải (Solution)

lý về đồ hoạ trong ANSYS Phơng pháp này có u điểm là toàn bộ dữ liệu của mô hình hình học của bài toán đợc đa vào trực tiếp nên không có sai lệch khi chuyển đổi dữ liệu

Phơng pháp thứ hai là xây dựng mô hình từ những phần mềm thiết kế mạnh nh Pro/Engineer, CATIA, Solid/Work rồi liên kết với ANSYS để đa mô hình hình học vào Ví dụ nh để mô phỏng quá trình dập vuốt một chi tiết nào đó thì mô hình chày, cối và phôi có thể đợc xây dựng trên các phần mềm thiết kế Solid/Work rồi xuất ra dới dạng fide dữ liệu.IGES Ưu điểm của phơng pháp thứ 2 là có thể dựng đợc những mô hình rất phức tạp nhng