Nghiên cứu công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt làm biến đổi cấu trúc và tính chất của vật liệu kim loại (tt)

Việc nghiên cứu lý thuyết cũng như mô phỏng để xác định chế độ ép và các thông số công nghệ phù hợp dưới ảnh hưởng của nhiều yếu tố điều kiện biên cũng như đưa ra các giải pháp thiết kế

6.2 Hướng nghiên cứu tiếp theo

Hệ thống thiết bị khuôn và đồ gá cũng như quy trình vận hành cần phải phát

triển thêm để đáp ứng yêu cầu cao hơn trong các nghiên cứu mở rộng

Nghiên cứu ảnh hưởng việc xử lý nhiệt sau quá trình biến dạng mạnh để đạt

được vật liệu tính chất cơ lý mong muốn ở trạng thái ổn định

Xây dựng và ứng dụng mô hình toán, mô hình vật lý của quá trình phân hạt

cũng như tính lưu biến của vật liệu để kiểm soát tiến trình BDD

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài

Kim loại và hợp kim thể khối khi BDD mãnh liệt với cường độ biến dạng lớn

và mức độ biến dạng cao thì quá trình phân hạt mạnh, có thể thu được tổ chức

đa tinh thể hạt mịn, siêu mịn và na nô Tổ chức hạt tinh thể vật liệu càng nhỏ, các thông số cơ tính độ cứng, độ bền và giới hạn chảy của vật liệu càng cao Việc nghiên cứu lý thuyết cũng như mô phỏng để xác định chế độ ép và các thông số công nghệ phù hợp dưới ảnh hưởng của nhiều yếu tố điều kiện biên cũng như đưa ra các giải pháp thiết kế khuôn và đồ gá sẽ đảm bảo ứng dụng khả thi công nghệ trong thực tiễn

2 Mục đích của luận án

Luận án đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu quá trình ứng dụng phương pháp cơ học để chế tạo vật liệu khối có tổ chức siêu mịn và na nô

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tạo hình công nghệ ECAP qua đó xem xét ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ liên quan đến tổ chức, cơ tính và quá trình tạo hình, cũng như chất lượng sản phẩm nhận được

 Thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị ứng dụng kỹ thuật ECAP

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

 Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của vật liệu trong vùng biến dạng dẻo, xác định các thông số năng lượng sự liên quan của các yếu tố cơ bản đến chất lượng sản phẩm ép

 Hệ thống thiết bị khuôn và đồ gá để thực hiện công nghệ ECAP-SPD

 Sự thay đổi tổ chức tế vi và tính chất cơ học một số kim loại và hợp kim thông dụng như Cu99,9; Al7075

3.2 Phạm vi nghiên cứu

 Cơ sở lý thuyết tạo hình cho kỹ thuật ECAP

 Mô phỏng và thực nghiệm quá trình ECAP

 Thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị khuôn và đồ gá phục vụ thực nghiệm

 Khảo sát chất lượng mẫu ép sau tạo hình, tổ chức tế vi, tính chất cơ học và

nguy cơ phá hủy

4 Phương pháp nghiên cứu

 Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm đối với mẫu ép là

kim loại và hợp kim thông dụng

 Trên cơ sở tính toán lý thuyết và mô phỏng, ứng dụng các phần mềm thiết

kế đưa ra giải pháp chế tạo hệ thống khuôn ép và đồ gá phù hợp nhằm kiểm

soát được các thông số của quá trình công nghệ

 Xây dựng quy trình công nghệ, vận hành và hoàn thiện trên hệ thống thiết bị

thực nghiệm đã chế tạo

Nghiên cứu được tiến hành tại các phòng thí nghiệm của Khoa Công nghệ vật

liệu, Khoa Cơ khí – Trường ĐHBK TP HCM; ĐHBK Hà nội; Viện Hàn lâm

Khoa học và Công nghệ VN, TP HCM; Buehler, Hong Kong;…

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

5.1 Ý nghĩa khoa học

 Hệ thống hóa và làm phong phú thêm cơ sở lý thuyết tạo hình áp dụng cho

công nghệ và thiết bị ECAP

 Ứng dụng các mô hình toán, mô hình vật lý để giải thích quá trình phân hạt,

xây dựng các công thức lý thuyết và thực nghiệm ứng dụng trong công nghệ

tạo hình

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

 Hệ thống khuôn và đồ gá đã thực nghiệm thành công có thể phục vụ cho

việc nhân rộng và nghiên cứu phát triển ứng dụng sản xuất

 Kết quả nghiên cứu của luận án về lý thuyết công nghệ và thiết bị là tài liệu

phục vụ cho đào tạo lý thuyết và thực hành đại học và sau đại học

Ứng suất thủy tĩnh làm tăng lực ép, nhưng cần thiết để duy trì quá trình BDD

mà không có phá hủy Áp lực thủy tĩnh trong VBD có tác dụng ngăn cản phát triển các lỗ xốp tế vi, tỷ lệ thuận với giới hạn chảy vật liệu và lực ma sát giữa kim loại và khuôn

Ứng dụng mô hình toán của quá trình phân nhỏ hạt (khi giải hệ phương trình vi phân 2.36) cho thấy trong điều kiện công nghệ tạo hình nhất định và vật liệu cho trước thì đường kính trung bình của hạt chỉ đạt tới mức độ tới hạn ổn định Kết quả mô phỏng cho phép xác định các lực ma sát tác dụng lên từng thành phần khuôn Hệ số ma sát theo quy luật Zibel lấy m = 0,2 là phù hợp với điều kiện ép nguội có bôi trơn Lực ma sát lớn nhất ở kênh vào và ra xác định được

là Fms1 = 12,4 tấn và Fms2 = 8,8 tấn Lực biến dạng kim loại 18,5 tấn Áp lực thủy tĩnh trong vùng biến dạng đạt 1.000  1.200 Mpa, tương đương σ0/σi = 2

Đã thiết kế và triển khai quy trình công nghệ thực nghiệm ép mẫu đối với hai loại vật liệu Cu99,9 D16xL70 và Al7075 C14x14xL80 từ 1 đến 8 lần trên bộ khuôn hai nửa ép phôi tròn D15 và bộ khuôn ghép ép phôi vuông C14x14 có điều chỉnh đối áp

Đã xây dựng các hàm thực nghiệm thông số năng lượng như hệ số trạng thái ứng suất, lực ép phụ thuộc vào các yếu tố cơ bản là giới hạn chảy, điều kiện ma sát, góc gấp lòng khuôn, mức độ biến dạng và các yếu tố khác trong phạm vi mức độ biến dạng rất lớn 1 < ε < 4 So sánh số liệu thực nghiệm với lý thuyết

và mô phỏng trong phạm vi biến dạng ε < 1 cho thấy có sự phù hợp

Với mức độ biến dạng dẻo ε ~ 4, kích thước hạt tinh thể kim loại đạt được cấp

độ siêu mịn, d < 300 nm Giới hạn dẻo, giới hạn bền và độ cứng vi mô kim loại

và hợp kim đo được sau biến dạng đều tăng khoảng trên 30% Tốc độ gia tăng các thông số có trị số lớn hơn ở giai đoạn đầu và giảm tới mức ổn định ở giai đoạn cuối khi mức độ biến dạng đã đạt tới giá trị nhất định

48 , 0 74 , 8 04 ,

2 2

,

0Cu  124 , 64  118 , 09 n  11 , 35 n



2 19 , 7 51 , 78 83 ,

Cu

2 7075

2 ,

0Al  166 , 05  74 , 09 n  6 , 49 n

2

7075 288,30 60,57n 6,23n Al

5.3 Kết luận chương 5

Kết quả nghiên cứu cho phép xây dựng các hàm thực nghiệm thông số năng

lượng như hệ số trạng thái ứng suất, lực ép phụ thuộc vào các yểu tố cơ bản là

giới hạn chảy, điều kiện ma sát, góc gấp lòng khuôn, mức độ biến dạng và các

yếu tố khác thông qua biến hành trình trong phạm vi mức độ biến dạng rất lớn 1

< ε < 4, và phù hợp với mô phỏng

Kết cấu hệ thống khuôn và đồ gá đã thiết kế và chế tạo có tính đặc thù công

nghệ, đủ độ cứng vững, phát huy lực ép cao, thực hiện khả thi quá trình SPD

Với mức độ biến dạng dẻo ε ~ 4, kích thước hạt tinh thể kim loại đạt được cấp

độ siêu mịn, d < 300 nm Giới hạn dẻo, giới hạn bền và độ cứng vi mô kim loại

và hợp kim đo được sau biến dạng đều tăng khoảng trên 30%

KẾT LUẬN CHUNG

6.1 Kết quả đạt được của luận án

Nghiên cứu tổng quan tài liệu tham khảo và lý thuyết quá trình ECAP ta rút ra

những kết luận:

 Lực ma sát giữa phôi và kênh ra tạo nên áp lực thủy tĩnh, làm thay đổi hình

học vùng biến dạng, làm tăng lực ép, giảm mức độ biến dạng có vai trò duy

trì BDD mãnh liệt không phá hủy

 Lực ma sát kênh vào làm tăng lực ép, làm hạn chế khả năng ép do đó cần

khắc phục tối đa bằng bôi trơn cũng như thiết kế kết cấu khuôn và đồ gá phù

hợp

 Nội dung khoa học của luận án có thể tiếp tục nghiên cứu trong lĩnh vực thiết bị và công nghệ gia công và xử lý nhiệt đối với vật liệu, tính lưu biến của vật liệu siêu mịn và na nô

6 Kết quả đạt được và các đóng góp mới của luận án

 Đưa ra được các công thức lý thuyết và công thức thực nghiệm dùng để tính toán các thông số tạo hình vật liệu phi truyền thống SPD

 Thiết kế và chế tạo thành công hệ thống thiết bị, khuôn và đồ gá có kết cấu phù hợp, đáp ứng yêu cầu công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt

 Bước đầu làm rõ thêm bản chất biến dạng mãnh liệt và những yêu cầu tạo ra vật liệu siêu mịn và na nô trong quá trình tạo hình SPD, mở ra khả năng xây dựng biểu đồ tính dẻo và áp dụng mô hình toán, mô hình vật lý cho quá trình phân hạt và thay đổi cơ tính trong phạm vi mức độ biến dạng rất lớn và điều kiện áp lực thủy tĩnh cao

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về công nghệ tạo hình biến dạng dẻo mãnh liệt

Công nghệ tạo hình biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) có mục đích chế tạo vật liệu kim loại và hợp kim kết cấu dạng khối có tổ chức tinh thể hạt mịn với đường kính trung bình hạt tinh thể dtb = (1  10) µm, siêu mịn (UFG) với dtb < 1 µm hoặc na nô mét dtb < (1  100) nm Với tổ chức như vậy, vật liệu này đã được chứng minh có những tính chất ưu việt, cụ thể là giới hạn bền giới hạn chảy và giới hạn phá hủy cao hơn rất nhiều Kích thước hạt càng nhỏ thì cơ tính càng tăng, đặc biệt với kích thước hạt na nô cơ tính vật liệu thay đổi đột biến

Quá trình biến dạng luôn làm cho hạt nhỏ, tuy nhiên đối với kim loại và hợp kim thông thường chỉ biến dạng được 70-80% Nếu biến dạng tiếp sẽ xuất hiện các vết rạn và nứt tế vi dẫn đến phá hủy vật liệu SPD được tiến hành trong điều kiện áp lực thủy tĩnh cao nên có thể đạt được mức độ biến dạng tới 800-900%

1.2 Tổ chức đa tinh thể kim loại và sự thay đổi trong quá trình SPD

Phương pháp SPD có thể làm thay đổi và tạo nên tổ chức hạt na nô tinh thể

trong những vật liệu khác nhau Tuy nhiên kích thước hạt đạt được và đặc tính

của sự hình thành tổ chức na nô phụ thuộc vào việc áp dụng những kỹ thuật

SPD, chế độ biến dạng, kết cấu pha và tổ chức vi mô ban đầu của vật liệu

Trong khoa học và kỹ thuật vật liệu ba vấn đề tổ chức, tính chất và công nghệ

chế tạo có quan hệ mật thiết với nhau

Sự biến đổi cấu trúc ô hình mạng thành một hình có dạng hạt, khi mật độ

khuyết tật trong tường ô trống đạt được giá trị tới hạn nhất định và triệt tiêu một

phần khuyết tật ở sự xuất hiện những điểm khác của đường biên ô trống Các

khuyết tật thừa đóng những vai trò khác nhau: khuyết tật với vectơ Burgers

thẳng góc đường biên hạt kéo dài gây ra sai lệch định hướng tăng lên và khi

mật độ lên chúng gây ra biến đổi cấu trúc dạng hạt, cùng thời điểm đó những

trường ứng suất phạm vi đáng kể được kết hợp với chuyển vị trượt cũng có thể

dẫn tới sự trượt (của hạt) dọc theo đường biên hạt,

1.3 Các ứng dụng của vật liệu thu được sau SPD

Dù cơ lý tính của kim loại UFG dạng khối nhờ phương pháp SPD được cải

thiện trong phạm vi rộng, tuy nhiên, hiện nay việc ứng dụng các vật liệu này

trong công nghiệp cũng còn ít Do đó hiện nay, ứng dụng của kim loại sau SPD

chỉ cho các thị trường đăc biệt – chỉ cần sản phẩm có tính năng đặc biệt với số

số lượng nhỏ, mà ít quan tâm đến giá thành: chi tiết cấy ghép trong y học, ứng

dụng quốc phòng, thiết bị hàng không, dụng cụ thể thao, …

1.4 Phát triển kỹ thuật thực hiện quá trình SPD

Các kỹ thuật SPD khá đa dạng, tiềm năng của công nghệ này rất lớn, tuy nhiên

một số vấn đề vấn đề lý thuyết cũng như các vấn đề công nghệ chưa được

nghiên cứu hoàn chỉnh nên việc ứng dụng chưa được phổ cập rộng rãi, đặc biệt

ở quy mô sản xuất công nghiệp

Trong nhiều năm gần đây, giới khoa học đã đầu tư nhiều cho nghiên cứu về

SPD và kim loại UFG, nhiều kỹ thuật được đề xuất với các mục tiêu chính là

Hình 5.16 Mặt phá hủy của Cu 99,99 đã

ép 4 lần

Các mặt gẫy của mẫu được quan sát trên kính hiển vi điện tử quét SEM, hình 5.16, cho thấy tập hợp các hốc lõm nhỏ nhiều

ở cấp độ, chứng tỏ vật liệu được phát hủy theo cơ chế dẻo và các vết nứt phát triển trên biên hạt Điều này phù hợp khi cấp độ hạt đã nhỏ thì không có cơ chế phát triển vết nứt qua hạt

Đặc tính cơ học vật liệu cơ bản và giới hạn chảy, giới hạn bền, độ cứng và độ giãn dài của các mẫu sau ép đã được khảo sát Dùng phương pháp bình phương nhỏ nhất đã xử lý các dữ liệu đo kiểm thu được:

Hình 5.18 Giới hạn chảy và giới hạn bền sau các lần ép Cu99,9

Hình 5.19 Giới hạn chảy và giới hạn bền sau các lần ép Al7075

2

26 , 0 38 , 2 31 ,

Hình 5.12 Ảnh hiển vi điện tử tán xạ ngược mẫu đồng Cu99,9 ép 4 lần

Hình 5.13 Ảnh TEM mẫu đồng Cu99,9 sau ép 4 lần

Hình 5.13 là ảnh chụp kính hiển vi điện tử truyền qua, cho thấy các đường biên

hạt khá rõ nét của mẫu Cu99,9 sau khi ép 4 lần Kích thước hạt đạt khoảng 300

nm Có thể quan sát được mật độ lệch trong hạt đã giảm đáng kể, tuy nhiên vẫn

còn tồn đọng một số vết tối thể hiện các búi lệch tồn đọng có thể là các nếp gấp

của mặt biên

Các ảnh kiểm tra thành phần hóa học trên máy nhiễu xạ tia X được thực hiện

cho thấy mẫu Cu99,9 có nền mịn và đồng nhất còn mẫu Al7075 có nhiều hạt

tiết pha dài phân tán đều

nâng cao khả thương mại kinh tế mà vẫn đảm bảo và nâng cao được tính chất vốn có của sản phẩm sau SPD

Các kỹ thuật SPD tiêu biểu: kỹ thuật biến dạng xoắn dưới áp lực cao, kỹ thuật rèn trong khuôn kín tuần hoàn, kỹ thuật ép trong kênh gấp khúc tiết diện không đổi, kỹ thuật cán dính tích lũy Các kỹ thuật trên được phát triển khá đa dạng Ngoài ra còn có thể kết hợp nhiều kỹ thuật trên để đạt được hiệu quả cao

Kỹ thuật ECAP (xem hình 2.1) có thể được phát triển và ứng dụng cho nhiều kim loại và hợp kim, bao gồm cả những vật liệu với cấu trúc tinh thể khác nhau như hợp kim biến cứng phân tán và vật liệu compozit nền kim loại Trong quá trình ECAP, mức biến dạng rất lớn có thể đạt được bằng cách lặp đi lặp lại quá trình ép mà không làm thay đổi tiết diện của phôi ban đầu nên tổ chức nhận được là tương đối đồng nhất và nhiều khả năng tránh được rỗ xốp

1.5 Khả năng ứng dụng thực tế của công nghệ SPD

SPD có ưu thế vượt trội trong việc sản xuất ra vật liệu siêu mịn và na nô thể khối Đây là loại hình công nghệ gia công áp lực phi truyền thống khó và phức tạp nhưng có thể tạo ra sản phẩm có giá trị cao, tạo ra vật liệu có cơ lý tính nổi trội Chính vì thế SPD được đánh giá là rất có triển vọng trong tương lai, hiện được giới khoa học quan tâm nghiên cứu

Các số liệu thực nghiệm trong phạm vi biến dạng lớn cũng như thiết bị còn thiếu vì vậy để xây dựng quá trình ứng dụng công nghệ này, cụ thể để áp dụng trong điều kiện lý thuyết và thực tế chưa đầy đủ, phải thực hiện một cách bài bản; kết quả nghiên cứu phải phân tích tỷ mỷ trên quan điểm các chỉ tiêu chính… của quá trình công nghệ và chất lượng sản phẩm Thuật toán thuật toán xây dựng quy trình công nghệ gia công áp lực phi truyền thống được tác giả đề xuất bao gồm đầy đủ các khối lượng công việc cần thiết, trong đó một phần dựa vào kết quả của những nghiên cứu trước, một phần phải nghiên cứu kiểm thử để đáp ứng yêu cầu đặt ra ban đầu

1.6 Kết luận chương 1

SPD là biện pháp hữu hiệu để chế tạo ra vật liệu có cấu trúc UFG và na nô thể

khối Tuy nhiên, việc đưa SPD vào sản xuất công nghiệp hiện còn hạn chế, cần

phải hoàn thiện cơ sỏ lý thuyết và thiết bị - quy trình sản xuất Việc nghiên cứu

chế tạo vật liệu khối UFG và nano là cần thiết vì có thể đem lại những giá trị

khoa học và kinh tế lớn khi đưa vào sản xuất thương mại

Luận án đặt ra nhiệm vụ giải quyết một số vấn đề về lý thuyết sau đó thiết kế

chế tạo hệ thống thiết bị và thực hiện thực nghiệm đối với công nghệ SPD để

làm rõ khả năng tạo hình theo công nghệ này, trên cơ sở áp dụng các mô hình

toán, mô hình vật lý của quá trình công nghệ tạo hình, quá trình phân hạt cũng

như các mô hình đặc tính lưu biến vật liệu, thu thập và xử lý số liệu hướng tới

ứng dụng thực tế

Đề tài nghiên cứu SPD thông qua kỹ thuật ECAP để chế tạo vật liệu UFG và

nano là có tính khoa học và phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam

CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT VÀ ÁP LỰC THỦY TĨNH

ĐẾN CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ÉP

2.1 Trạng thái ứng suất và biến dạng của quá trình ECAP

2.1.1 Đặc điểm vùng biến dạng dẻo

Hình 2.1 Sơ đồ minh họa quá trình ECAP: 1- chày ép; 2- khuôn ép; 3- phôi kim loại; 4- kênh ra; 5- kênh vào; a) sơ đồ ép; b) biểu đồ tốc độ và c) phân

tố biến dạng trước và sau

ép

Trong trường hợp biến dạng lý tưởng, tenxơ ứng suất trong vùng biến dạng Tσ

= Ts+Dσ , trong đó Ts- tenxơ cầu và Dσ- tenxơ lệch

Cơ cấu tạo lực đối áp đủ duy trì áp suất thủy tĩnh để tiến hành SPD ở trạng thái nguội, thay dổi lực đối áp và tính toán xử lý số liệu đo đạc bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất, ta có các phương trình sau cho các trường hợp đối áp q

= 0; q = 0,5 tấn và q = 1 tấn

2 2

110,5711,26 1,79.1,49 2,15 0,016

2 2

5 ,

0 10,766,7 1,15.2,01 2,31 0,03

2 2

0  3 , 37  7 , 73  5 , 14   0 , 88   2 , 09  0 , 007 

Hình 5.1 Sự phụ thuộc của hệ số trạng thái ứng suất

vào ma sát và góc gấp lòng khuôn

5.2 Kết quả nghiên cứu mẫu sau ECAP

Sản phẩm phôi vuông sau ép trong bộ khuôn ghép và phôi tròn ép trong khuôn liền khối cho thấy chất lượng tạo hình đạt yêu cầu về hình dáng và kích thước,

bề mặt không bị nứt vỡ ở những lần ép đầu Sau mỗi lần ép, chiều dài phôi có giảm do sự hình thành ba via tại mặt phân khuôn Phần ba via này có thể hạn chế được bằng kỹ năng điều chỉnh khe hở mặt phân khuôn

Kết quả cuối cùng sau 4 lần ép Cu99,9 là tổ chức hạt phân bố đều về kích thước cũng như về hình dạng Hình 5.12 cho thấy màu của các hạt là bất kỳ và có sự khác biệt lớn chứng tỏ hướng tinh thể các hạt liền kề có thay đổi lớn và tổ chức

vi mô đạt được có tính đẳng hướng Kích thước trung bình của hạt đạt được khoảng 300-500 nm

4.5 Tóm tắt nội dung thực hiện thực nghiệm

 Thiết kế chế tạo khuôn đồ gá và quy trình ép, chế tạo bộ khuôn liền khối hai

mảnh để ép mẫu tròn Thiết kế, chế tạo bộ khuôn ghép có cơ cấu tạo đối áp

để ép mẫu vuông và các vật liệu cứng

 Thực nghiệm ép mẫu tròn trong khuôn liền khối và mẫu vuông trong khuôn

ghép có đối áp vật liệu Cu99,9% và Al7075 với lộ trình Bc Quá trình ép đã

được tiến hành từ 4 đến 20 lần

 Đã đo đạc các thông số công nghệ và thử cơ tính của mẫu ép cũng như đánh

giá sự phát triển tổ chức vi mô vật liệu khi biến dạng dẻo sau ép

4.6 Kết luận chương 4

 Hệ thống thiết bị thí nghiệm bao gồm máy ép 60 tấn, bộ khuôn hai nửa ép

phôi tròn D15 và bộ khuôn ghép ép phôi vuông C14x14 có điều chỉnh đối áp

được thiết kế chế tạo phù hợp, đáp ứng được yêu cầu nghiên cứu

 Triển khai quy trình công nghệ thực nghiệm ép mẫu đối với hai loại vật liệu

Cu99,9 D15xL70 và Al7075 C14x14xL80 từ 1 đến 8 lần

 Kết quả thử nghiệm cũng như kinh nghiệm vận hành cho thấy các thông số

tính toán và đo kiểm đạt được phù hợp với lý thuyết và mô phỏng, đảm bảo

yêu cầu theo dự kiến Các thông số đo đạc thô trực tiếp thu được là tin cậy

và có thể xử lý để phân tích đưa ra những nhận định khoa học về các vấn đề

công nghệ tạo hình cũng như về sự thay đổi tổ chức và tính chất vật liệu

5.1 Kết quả nghiên cứu công nghệ thiết bị tạo hình

Nghiên cứu lý thuyết cho phép xác định công thức tính áp lực ép là môt hàm

phụ thuộc vào giới hạn chảy (2k), hệ số ma sát (m) và góc gấp khúc của khuôn

(α) Sau khi tính toán ta có bảng số, xử lý các số liệu tính toán theo phương

pháp bình phương nhỏ nhất ta có công thức đơn giản (5.1) và đồ thị ở hình 5.1:

2 20 , 0 051 , 0 023 , 0 21 , 7 47 , 0 2

độ khả dĩ trong trường hợp: a) lý tưởng và b)

có ảnh hưởng của ma sát

Hình 2.2 Sơ đồ trạng thái ứng suất trong

vùng biến dạng

2.1.2 Trạng thái biến dạng

Phân tố biến dạng trước và sau khi qua đường trượt là abcd và a'b'c'd' xác định như trên hình

vẽ hình 2.1c Với chiều cao của kênh ra là h, ta có biến dạng trượt khi phân tố đi vào đường trượt:







2 tan(  





h ic

và khi ra khỏi đường trượt phân tố có tổng lượng biến dạng trượt sẽ là      '  cot   cot 

Tenxơ biến dạng trượt đơn có thể viết như sau:



























0 0

0

0 0

cot cot 5 , 0

0 cot cot 5 , 0 0











T

Với N số lần ép, tổng lượng biến dạng là:

3

cot

Công thức (2.1) dùng để tính mức độ biến dạng cho trường hợp lý tưởng khi không tính đến ma sát, giả thiết VBD chỉ là mặt phẳng

2.2 Ảnh hưởng của ma sát và áp lực thủy tĩnh đến quá trình ép

Khi vùng biến dạng biến thể

về mặt trượt OA điều kiện ép

có thể xét trên sơ đồ lực tác dụng của vùng OAD như trên hình 2.3, ta có hệ phương trình:



















0 sin

cos

0 cos

sin

T N

N

P K

P

T K

P









Hình 2.5 Sơ đồ ép chảy ngang: a)

tiết diện không đổi; b) tiết diện

thay đổi

Hình 2.7 Sơ đồ xác định áp lực kim loại lên khuôn

Điều kiện ma sát có thể lai ghép tức là áp dụng quy luật Amonton-Culong khi

yy

và quy luật Zibel khi fyy myy

Phương trình thứ nhất của

hệ chính là công thức tính áp lực thủy tĩnh hay ứng suất trung bình trong vùng

biến dạng tb n Nếu áp dụng bổ sung đối áp p

0 và thay vì góc α là góc ma sát  (hình 2.5b) ta sẽ có công thức V.I Segal:

1 cos sin

sin cot



(2.4)

2.3 Sự phân bố ứng suất tiếp xúc giữa kim loại và đáy khuôn tại VBD

Áp lực thủy tĩnh là chỉ xuất hiện trực tiếp tại vùng biến dạng dẻo, một mặt giữ

cho kim loại không bị phá hủy dẻo, mặt khác làm thay đổi trạng thái biến dạng

thành trượt đơn

Ta có được phương trình có dạng phân ly biến số

x x x x

h

dh tg fp K K

dp    



Sau khi biến đổi có thể viết lại như sau:





























H

xtg tg

m K

 ln

1 1 1

(2.12) , với 0 < x < H

2.4 Tính lực ép và mức độ biến dạng

bằng phương pháp tốc độ gián

đoạn

Công suất ngoại lực, công suất nội lực

hay năng lượng biến dạng được tính

cho phôi: w  p V a 1

Nếu coi ứng suất ma sát trong vùng

biến dạng và trên hai kênh vào ra bằng

nhau

T

yx

 

, áp lực toàn phần sẽ

được tính theo công thức:

Shumadzu Tp HCM; Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam; công ty Buehler HongKong

Hệ thống được lắp đặt thiết bị cảm biến cho phép đo lực ép trong các trường hợp ép khác nhau về số lần ép và đối áp khác nhau, kết quả thu được thể hiện trên đồ thị hình 4.19

Các số liệu được xử lý để thiết lập đường cong quan hệ ứng xuất - biến dạng

Hình 4.19 Kết quả đo cơ tính của các mẫu đồng Cu99,9 (a) và hợp kim Al7075

(b) trên máy thử kéo, sau các lần ép

Hình 4.12 Sự thay đổi của lực ép Cu99,9, phụ thuộc

trong các điều kiện: a) không có đối áp; b) đối áp q = 500 kg; c) đối

áp q = 1.000kg

cấu tạo đối áp để tăng cường thành phần ứng suất thủy tĩnh Thân trên của

khuôn ghép có thể được cố định với phần đế khuôn bằng ba phương án chính

a) b) c)

Hình 4.7-8-9 Khuôn ghép: a) 90 độ, b) 90 độ có góc nghiêng và c) 105 độ

4.3 Thiết bị tạo hình vật liệu

Đã thiết kế chế tạo máy ép thủy lực 60 tấn, tốc độ ép tối đa 30 mm/s và hành

trình 600mm, trang bị các thiết bị phụ trợ như lò gia nhiệt, các thiết bị cảm biến

đo lực, đo nhiệt độ, trang bị đồ gá công nghệ, cơ cấu dẫn hướng và bàn đỡ phụ

trợ tháo lắp khuôn và thay đổi giữa các lần ép thuận tiện

Hình 4.4 Tạo mẫu thử kéo

Hệ thống được lắp đặt thiết bị cảm biến cho phép đo lực ép trong các trường

hợp ép khác nhau về số lần ép và đối áp khác nhau, kết quả thu được thể hiện

trên đồ thị hình 4.12

4.4 Thiết bị nghiên cứu tổ chức và tính chất vật liệu

Dùng máy cắt đĩa (mài, có làm nguội liên tục) và máy cắt dây tia lửa điện tạo

mẫu hình chày để thử kéo và mẫu hình khối kiểm tra cơ tính

Các mẫu kim loại đã được ép ECAP tại PTN trường Đại học Bách khoa Tp Hồ

Chí Minh, đo khảo sát tổ chức và tính chất được thực hiện tại các cơ sở nghiên

cứu khoa học: trường ĐHBK Hà Nội; trường ĐHBK Tp HCM; công ty

 /2 2 cot /2  / 1 

cot 2

2.5 Ảnh hưởng của góc gấp khúc và ma sát đến mức độ biến dạng

Mức độ biến dạng trong vùng dẻo cũng được tính căn cứ vào biểu đồ tốc độ, trong đó tổng lượng biến dạng khi phân tố kim loại đi qua hai đường trượt OB

và OC sẽ như sau:

2 / tan 2 cot 2 sin

2 / tan sin cos 2 2

1

1 1

1













O

T V V

(2.24a) Thay thế số lượng các khối cứng tam giác n/ và khi số khối n tăng lên vô hạn ta có lim[sin(/2)//2] =1 khi 0, suy ra2 Tóm lại, với quan hệ hình học của góc ma sát /2 và tổng biến dạng trượt đơn   1 2

đã tính trên đây thì cường độ biến dạng sau N lần ép sẽ là:



    2cot  /2 

3 3

N N i

(2.27)

2.6 Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất đến tính dẻo

Sự xuất hiện lỗ xốp và vết nứt vi mô đã được mô tả bằng nhiều mô hình Zener, Stroh hay Cotrel, trên quan điểm lý thuyết lệch, do sự tập trung của lệch đường tại biên giới hạt Mô hình Smith giải thích sự gãy của màng biên hạt các pha cứng Quá trình chất tải và biến dạng luôn gắn liền với sự phát sinh tạo mầm, hợp nhất phát triển lớn lên của các lỗ xốp dẫn đến vết nứt vi mô và phá hủy vậy liệu trong quá trình biến dạng

Mô hình phá hủy đối với vật liệu đặc  << 1 và  << 1, bỏ qua các số hạng bậc cao, với a là thông số hình thái lỗ xốp thì phương trình động học của độ











a d

d i

6



Như vậy, khả năng biến dạng của vật liệu được đánh giá bằng hàm lỗ xốp là hàm trực tiếp của mức độ biến dạng và phụ thuộc vào áp lực thủy tĩnh Trong

đó mức độ biến dạng làm xuất hiện lỗ xốp còn áp lực thủy tĩnh khống chế sự hình thành lớn lên hoặc được hàn lại đối với lỗ xốp

2.7 Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất biến dạng đến quá trình làm mịn

hạt trong SPD

Hiệu ứng hóa bền do đường kính hạt nhỏ hơn, đường biên hạt nhiều hơn, mật

độ lệch thay đổi là các nguyên nhân chủ yếu của cơ chế hóa bền biến dạng

nguội Trong điều kiện biến dạng dưới nhiệt độ kết tinh lại các quá trình này

không thuận nghịch Khi kích thước hạt giảm, đạt đến một giới hạn nào đấy,

đặc biệt trong phạm vi na nô thì tính chất sử dụng và tính công nghệ của vật

liệu sẽ vượt trội vì hiệu ứng kích thước và diện tích mặt tiếp xúc hạt

Mô hình quá trình làm mịn hạt của vật liệu đa tinh thể được ứng dụng trong

luận án là hệ các phương trình động học J.E Beigelzimer:



































































d C v d N C d

d S S N C dS

d N C N C dN

Nd C p C d S F d

dS S S C C dN

c b

b b

6 3 2 / 3 3

0 5

5 4

4 3 0

2 2 1

/

) (

(2.35) Trong điều kiện biến dạng cụ thể ta có thể xác định được tốc độ làm mịn hạt

thông qua sự gia tăng của tổng chiều dài các biên hạt trong một đơn vị diện tích

ở kích thước nào đó Sau khi biến đổi, hai phương trình đầu của hệ trên có

dạng:

d

d

b

b

b

d N

C C C N C C N

d N

C N C N











d

2, 5 10 d

b

b

b

d N

N N

d N











Các nghiệm của hệ phương trình vi phân này, là các hàm của mức độ biến dạng

tích lũy γ Từ đó ta tìm được hàm độ xốp và tổng chiều dài đường biên hạt S

cũng như đại lượng tương đương là đường kính hạt d

2.8 Kết luận chương 2

Lực ma sát giữa phôi và kênh ra tạo nên áp lực thủy tĩnh, làm thay đổi hình học

vùng biến dạng, tăng lực ép, giảm khả năng duy trì BDD mãnh liệt không phá

hủy Ứng suất thủy tĩnh làm tăng lực ép, nhưng cần thiết để duy trì quá trình

hành ECAP đối với một số vật liệu mà không cần đối áp Áp lực thủy tĩnh trong vùng biến dạng đạt 1.000  1.200 Mpa, tương đương σ0/σi = 2

3 Phương án khuôn ghép được đề xuất một mặt làm giảm lực ma sát, mặt khác cho phép tăng kích thước chày đảm bảo tính khả thi công nghệ

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM 4.1 Lựa chọn vật liệu phôi ban đầu

Vật liệu phôi là đồng nguyên chất và hợp kim nhôm Al7075 Cả hai đều có cấu trúc fcc nhưng Al7075 là loại hợp kim có hoạt tính hóa già và độ bền cao

4.2 Thiết kế, chế tạo khuôn và đồ gá công nghệ

Khuôn ép phải đảm bảo khuôn ép đủ độ bền cơ học, không bị biến dạng hoặc nứt vỡ khi ép dưới áp lực cao (~ 60 tấn) ngoài ra khuôn ép phải chịu nhiệt, không bị biến dạng do sốc nhiệt, không bị biến đổi thành phần, tổ chức

Hình 4.4b Khuôn hai nửa Hình 4.5 Khuôn ghép Phương án khuôn hai nửa để ép phôi tiết diện tròn với ứng dụng áp lực thủy tĩnh tự phát sinh Khuôn ghép nhiều mảnh được thiết kế có mục đích hạn chế lực ma sát ở kênh vào và tăng hệ số an toàn của chày Khuôn hai khối có mặt phân khuôn đối xứng, được ghép trong đai khuôn có độ côn để tháo lắp

Khuôn ghép phức hợp, kết hợp cơ cấu đối áp gồm nhiều mảnh, áp dụng cho các loại phôi vuông, có mục đích phát huy lực ép lớn cho vật liệu khó biến dạng hơn hoặc phôi có kích thước lớn hơn Khuôn ghép cho phép ứng dụng thêm cơ