Cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của vật liệu nanocomposites cốt hạt al203 phân tán trong nền cu siêu mịn chế tạo bằng phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN QUANG TUẤN CẤU TRÚC VI MƠ VÀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU NANOCOMPOSITES CỐT HẠT AL2O3 PHÂN TÁN TRONG NỀN CU SIÊU MỊN, CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN DẠNG DẺO MÃNH LIỆT Chuyên ngành : KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU KIM LOẠI LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU KIM LOẠI NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN ĐẶNG THỦY Hà Nội- Năm 2011 -1- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu luận văn khoa học tơi Các kết nghiên cứu luận văn hồn tồn trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu Tác giả KS Nguyễn Quang Tuấn -2- MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa……………………………………………………………………01 Lời cam đoan………………………………………………………………… 02 Mục lục………………………………………………………………………….03 Danh mục bảng…….……………………………………………………… 06 Danh mục hình vẽ….……………………………………………………… 06 Phần mở đầu……………….…………………………………………………….11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu ……………………………… ……………………………… 13 1.2 Sự phát triển kỹ thuật ép kênh gấp khúc tiết diện không đổi ECAP …………………………….…………………………………… … 17 1.2.1 ECAP thơng thường với mấu dạng trịn vuông……… 17 1.2.2 Ứng dụng ECAP cho mẫu dạng tấm….……………… ……20 1.2.3 Các kết cấu ECAP hoàn thiện khác: phương pháp khuôn xoay, phương pháp ép bên phương pháp sử dụng khn có nhiều kênh… ….22 1.2.4 Sự phát triển ECAP với kênh song song…………………….24 1.2.5 Quy trình ECAP liên tục…………………………………………….… 28 1.2.6 ECAP áp dụng cho vật liệu bột 32 1.2.7 Kết cấu ECAP tự lựa nhằm hạn chế ma sát 32 1.3.Những thông số CAP…………………………………………34 1.3.1 Lượng biến dạng áp đặt……………….…………….……………………34 1.3.2 Các lộ trình ép ECAP 38 1.3.4 Mơ hình trình trượt ECAP 41 -3- 1.4 Các thông số thực nghiệm ảnh hưởng đến q trình ECAP……………42 1.4.1 Ảnh hưởng góc kênh, f 42 1.4.2 Ảnh hưởng góc lượn, Ψ 45 1.4.3 Ảnh hưởng tốc độ ép .49 1.4.4 Ảnh hưởng nhiệt độ ép 50 1.4.5 Vai trò nhiệt tự sinh trình ép 52 1.4.6 Ảnh hưởng áp lực ngược 54 1.5 kết luận chương …………………………………………………………57 CHƯƠNG 2: MƠ PHỎNG SỐ Q TRÌNH BIẾN DẠNG 2.1.Tính tốn mơ số cho vật liệu Cu đặc ……………………………59 2.1.1 Xây dựng mơ hình hình học………… ….……………………… … 60 2.1.2 Xây dựng mơ hình vật liệu.………… ….……………………… ……21 2.1.3 Các điều kiện biên toán……………………… ………………62 2.2 Kết mô cho vật liệu Cu đặc…………………………………64 2.2.1 Hình dạng phơi sau lần ép…………… …………………………64 2.2.2 Trường phân bố ứng suất sau lần ép ……………………………65 2.2.3 Ứng suất lớn ………………………………………………66 2.2.4 Phân bố biến dạng…………………………………….…………………68 2.2.5 Phân bố tốc độ biến dạng …………………… ………………………70 2.2.6 Phá hủy bên phôi………………………….………………………71 2.2.7 Phá hủy bề mặt……………………………………………………71 2.2.8 Định hướng chuyển động phần tử …………………… ……72 2.3 Xây dựng tính chất đặc trưng cho vật liệu Cu xốp……………………73 2.3.1 Quan hệ Modun Young hệ số Possion…….…………………74 2.3.2 Modun Young ………………………………… ………………… ……75 2.4 Kết mô cho vật liệu Cu xốp…………………………………80 2.4.1 Trường phân bố ứng suất …………… ….….……………….……80 2.4.2 Phân bố biến dạng……………………….…………………………81 -4- 2.4.3 Phân bố tốc độ biến dạng …… ……………………….……………82 2.4.4 Phá hủy ……………….……………………………………………………82 2.4.5 Phân bố tỷ trọng……… ………………… ……………………….83 2.5 Kết luận chương ………………………………………………………….85 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 3.1 Quy trình thực nghiệm ép mẫu nanocomposites Cu – AL O R R R R ép nguội có vỏ bao …………………………………………………….86 3.1.1 Vật liệu, khuôn mẫu thiết bị sử dụng thực nghiệm ……………… ………33 3.2.2 Quy trình thực nghiệm ép nguội nanocomposites Cu - Al O R R R R phương pháp ECAP……………………………………………89 3.2.3 Kết phân tích ………………… ………………………91 3.2 Quy trình thực nghiệm ép mẫu nanocomposites Cu – AL O R R R R Ép nóng khơng có vỏ bao……………………………………93 3.1.1 Vật liệu, khuôn mẫu thiết bị sử dụng thực nghiệm ………………………93 3.2.2 Quy trình thực nghiệm ép nóng mẫu nanocomposite Cu - Al O R R R R Khơng có vỏ bao phương pháp ECAP……………………94 3.2.3 Kết phân tích ……………… …………………………95 3.3 Quy trình thực nghiệm ép nóng mẫu nanocomposites Cu – AL O có vỏ bao………………………………………………………………97 R R R R 3.1.1 Vật liệu, khuôn mẫu thiết bị sử dụng thực nghiệm ………………………99 3.2.2 Quy trình thực nghiệm ép nóng mẫu nanocomposite Cu - Al O phương pháp ECAP……………………………………………99 3.2.3 Kết phân tích …………………………………………………… 99 R -5- R R R CHƯƠNG : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận………………………………………………………………… 105 4.2 Kiến nghị…………………………………………………………………106 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………… …….………… … … 107 -6- DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Phạm vi góc trượt sử dụng lộ trình khác Bảng 2.1 Các thông số công nghệ trình mơ ép ECAP Bảng 3.1: Độ xốp mẫu trước sau ép nóng 01 lần Bảng 3.2 So sánh độ cứng mẫu nano composite Cu – 2% Al O sau ép ECAP R R R R với đồng đặc đồng xốp DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình minh họa ECAP điển hình: mặt X, Y Z theo thứ tự tương ứng mặt phẳng cắt ngang, mặt phẳng chảy mặt phẳng giãn dài Hình 1.2 Nguyên lý cắt ECAP: phân tố chuyển vị nhờ trượt tương Hình 1.3 Áp dụng ECAP cho mẫu dạng tấm: (a) mẫu đứng (b) mẫu nằm ngang Hình 1.4 ECAP mẫu nằm theo chiều ngang, sử dụng lộ trình B Cz R Hình 1.5 Quy trình ECAP sử dụng kết cấu khuôn xoay: (a) trạng thái ban đầu, (b) sau lần ép, (c) sau xoay khn góc 900 P Hình 1.6 Mơ hình quy trình ECAP ép nhiều phía Hình 1.7 Biểu đồ mô tả khả ép lần nhiều rãnh hình: số thể vị trí nghiên cứu mẫu tương ứng sau lần ép 1,2, 3, Hình 1.8 Nguyên lý ECAP với kênh song song: (a) biểu đồ minh họa trình biến dạng với N hướng trượt K khoảng cách dịch chuyển kênh, (b) hình ảnh vùng biến dạng nhận từ kết mô hai chiều 2-D FEM, (c) kết cấu khuôn song song với Φ = 1000 K = 18 mm P P Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý ECAP liên tục: (a) quy trình DCAP, (b) quy trình Conshearing Hình 1.10 Sơ đồ minh họa quy trình ECAP-Conform Hình 1.11 Chi tiết Al gia cơng quy trình ECAP-Conform: dấu mũi tên vị trí chuyển trạng thái sang tiết diện hình vng Hình 1.12 Sơ đồ ngun lý ECAP cố kết bột hợp kim Al: bột nèn vào túi bọc abcd -7- Hình 1.13 Kết cấu ECAP với thành khuôn di chuyển được: (a) thành khuôn di chuyển theo lối vào, (b) thành khuôn di chuyển theo lối Hình 1.14 Nguyên lý ép ECAP: (a) ψ = , (b) ψ= π − φ , (c) giá trị ψ mà nằm ψ = ψ= π − φ Hình 1.15 Sự phụ thuộc biến dạng tương đương vào góc kênh Φ góc lượn Ψ sau lần ép với Φ = 45-1800 Ψ = 0-900 P P P Hình 1.16 Cách thức quay phơi bốn lộ trình ép ECAP Hình 1.17 Hệ thống mặt trượt lộ trình ép với góc kênh 900 1200: số P P P P hiệu 1, 2, tương ứng với lần ép thứ nhất, thứ 2, thứ thứ Hình 1.18 Sự thay đổi hình dạng phần tử hình hộp theo mặt X, Y Z, sử dụng lộ trình A, B A , B C C ép qua 1-8 lần R R R R Hình 1.19 Mơ hình trượt mặt X, Y, Z lộ trình A, B A , B C C ép R R R R qua lần 1, 2, Hình 1.20 Biểu đồ mơ tả khn ECAP sử dụng góc kênh khác Hình 1.21 Ảnh cấu trúc tế vi SAED nhận từ khn hình 1.20 mẫu ép để đạt lượng biến dạng áp đặt ~4 Hình1.22 Sơ đồ mơ tả khn ECAP có góc kênh Φ = 600 P Hình 1.23 Đường đánh dấu đồ thể giá trị độ cứng tế vi đo mặt X mẫu Al sau lần ép khn ECAP có Φ = 900, Ψ = 200 (a) Ψ=00 P P P P P P (b), sử dụng lộ trình B C R R Hình 1.24 Kết cấu khuôn ECAP thể giá trị bán kính lượn ngồi chỗ giao hai kênh Hình 1.25 Sự phụ thuộc ứng suất chảy vào tốc độ ép sau ECAP thông qua 1, 2, lần ép nhiệt độ phòng với tốc độ biến dạng 10-1 s-1 P P P P Hình 1.26 Kích thước hạt sau ECAP Al, hợp kim Al-3%Mg Al-%3Mg0,2%Sc phụ thuộc vào nhiệt độ gia cơng -8- Hình 1.27 vùng nhiệt lúc ép qua mặt phẳng cắt ECAP nhiệt độ phòng với tốc độ ép 18 mm s-1 cho hai mẫu giống hệt nhau: (a)-Al (b)-hợp kim P P Al-3Mg Hình 1.28 Các giá trị thực nghiệm cho độ tăng nhiệt độ Al hợp kim Al hàm giới hạn bền, sử dụng tốc độ ép 0,18 18 mm s-1: đường nét liền P P nét đứt đường dự báo lý thuyết, sử dụng để phân tích truyền nhiệt tập trung Hình 1.29 Nguyên lý sử dụng áp lực ngược ECAP: (a)- P lực ép P R R R R áp lực ngược, (b)-sử dụng môi trường dẻo nhớt kênh Hình 2.1 Kích thước phơi ép Hình 2.2 Hình dạng khn ép ECAP (a)Kích thước khn ép thiết kế; (b) Hình dạng thực khn ép Hình2.3: Đồ thị ứng suất biến dạng mơ hình Cu lựa chọn từ Deform Hình2.4: Hình dạng phơi sau lần ép Hình2.5: Phân bố ứng suất lần ép Hình2.6: Đồ thị ứng suất lớn sau lần ép Hình 2.7: Hình ảnh ứng suất vùng khác lần ép Hình 2.8: Đồ thị phân bố ứng suất lớn lần ép thứ Hình 2.9: Phân bố biến dạng phơi qua lần ép Hình 2.10: Thay đổi mức độ biến dạng sau lần ép Hình 2.11: phân bố tốc độ biến dạng Hình 2.12: Phân bố phá huỷ bên lịng phơi Hình 2.13: Đặc điểm phân bố phá huỷ bên ngồi bề mặt Hình 2.14: Định hướng chuyển động phần tử vật liệu Cu Hình2.3.1: Đường cong ứng suất biến dạng Cu xốp với độ xốp tương ứng Hình 2.3.2: Sự thay đổi mơ đun đàn hồi phụ thuộc tỷ trọng Hình 2.3.3: Hàm số mơ tả giá trị tiêu chuẩn Poisson phụ thuộc tỷ trọngHình 2.3.4: Nhập tỷ trọng tương đối ban đầu Hình 2.3.5: Phân bố tỷ trọng tương đối ban đầu Cu xốp phần mềm Deform Hình 2.4.1: Phân bố ứng suất vật liệu đồng xốp -9- Hình 2.4.2: Phân bố ứng suất lớn Hình.2.4.3: Phân bố biến dạng q trình gia cơng Hình 2.4.4: Phân bố tốc độ biến dạng lịng phơi xốp Hình2.4.5: Phân bố phá hủy ngồi bền mặt phơi Hình 2.4.6: Phân bố tỷ trọng tương đối vật liệu Cu xốp Hình3.1: Máy ép thủy lực Hình3.2: Lị nung Linn Hình3.3: Khn chày ép sơ Hình3.4: Khn ép qua kênh gấp khúc Hình3.5: Cân tỷ trọng Hình 3.6 Quy trình thực nghiệm ép mẫu nano composite Cu – 5% Al O ép nguội có vỏ bao Hình 3.7 Mẫu nano composite Cu – 5% Al O ép nguội 01 lần có vỏ bao Hình 3.8 Mẫu nano composite Cu – 5% Al O ép nguội 02 lần có vỏ bao Hình 3.9 Mẫu nano composite Cu – 5% Al O ép nguội 03 lần có vỏ bao R R R R R R R R R R R R R R R R Hình 3.10 Mẫu nano composite Cu – 5% Al 2O ép nguội 04 lần có vỏ bao Hình 3.11 Ảnh chụp mẫu nano composite Cu – 5% Al O ép nguội 04 lần có vỏ bao Hình 3.12 Quy trình thực nghiệm ép mẫu nano composite Cu – 5% Al O ép nguội có vỏ bao Hình 3.13 Mẫu nano composite Cu – 5% Al 2O ép nguội sơ Hình 3.14 Mẫu nano composite Cu – 5% Al 2O ép nóng khơng vỏ bao Hình 3.15 Bộ điều khiển nhiệt khn ép ECAP Hình 3.16 Khn ép ECAP sử dụng nhiệt trở Hình 3.17 Máy ép ép ECAP sử dụng nhiệt trở ép nóng Hình 3.18 Quy trình thực nghiệm ép mẫu nano composite Cu – 2% Al O R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R ép nóng có vỏ bao Hình 3.19 Hình dạng mẫu ép liên tục mẫu nano composite Cu – 2% Al O ép nóng có vỏ bao Hình 3.20 Hình dạng mẫu 01 ép liên tục mẫu nano composite Cu – 2% Al O ép nóng có vỏ bao R R R R R -10- R R R Hình 3.10 Mẫu nano composite Cu – 5% Al 2O ép nguội 04 lần có vỏ bao R R R R Hình 3.11 Ảnh chụp mẫu nano composite Cu – 5% Al O ép nguội 04 lần có vỏ bao 3.1 Quy trình thực nghiệm ép nóng mẫu nano composite Cu – 5% Al O khơng có vỏ bao : 3.1.1 Vật liệu : - Bột đồng nhập có thành phần ban đầu: >99,5% Cu; Ag