Nghiên cứu nâng cao độ bền hợp kim nhôm 6016 bằng phương pháp biến dạng dẻo (ecap)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA o0o NGUYỄN VIỆT HÀ NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ BỀN HP KIM NHÔM 6016 BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN DẠNG DẺO ECAP CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2008 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: Cán chấm nhận xeùt 1: Caùn chấm nhận xét 2: Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2008 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày Họ tên học viên: Nguyễn Việt Hà I năm 2008 Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: – – 1979 Chuyên ngành: tháng Nơi sinh: Thái Nguyên Cơ khí chế tạo máy MSHV: 00405056 TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu nâng cao độ bền hợp kim nhôm 6016 phương pháp ECAP II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG - Nghiên cứu sở vật lý trình biến dạng vật liệu kim loại - Phân tích phương pháp chế tạo vật liệu có độ bền cao biến dạng dẻo lựa chọn phương pháp ép ECAP - Xây dựng mô hình, lập trình mô tính toán khuôn ép mô trình ép ECAP nâng cao độ bền cho hợp kim nhôm 6016 - Thực nghiệm đánh giá kết III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Lưu Phương Minh CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày tháng năm 2008 TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Xin gửi lời cám ơn chân thành đến TS Lưu Phương Minh người Thầy tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian làm luận văn vừa qua, Thầy dành nhiều thời gian q báu giúp lựa chọn phương pháp nghiên cứu đề tài, phát sai sót, quan niệm chưa thực với thực tế Để hoàn thành luận văn xin gửi lời cám ơn đến cộng tác viên Kỹ sư Phạm Minh Thuận Kỹ sư Trần Quang Trung đóng góp nhiều thời gian công sức tiến hành thí nghiệm thực đề tài Cuối cùng, xin gửi lời cảm tạ sâu sắc đến tất thầy cô Khoa Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, người tận t dạy dỗ, truyền đạt cho nhiều kiến thức quý báu khoa học chuyên ngành suốt thời gian học trường Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng năm 2008 Học viên thực Nguyễn Việt Hà TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Những vật liệu có cỡ hạt nhỏ µm nhận nhiều quan tâm năm qua, chúng gọi vật liệu siêu mịn UFG (Ultra fine grain) Phương pháp biến dạng dẻo trượt tách (severe plastic deformation) ứng dụng nguyên lý công nghệ cắt vật liệu, vật liệu không bị cắt rời mà mạng phân tử bị trượt lên tác dụng lực ép, lực xoắn làm phá vỡ cấu trúc hạt ban đầu để hình thành tổ chức hạt có kích thước hạt bé ban đầu Một số phương pháp biến dạng dẻo để tạo vật liệu UFG nước tiên tiến giới nghiên cứu phát triển như: Ép qua kênh góc có tiết diện không đổi ECAP (equal-channel angular pressing); Ép với lực xoắn cao HPT (high-pressure torsion); Nén ép theo chu kỳ CEC (cyclic-extrusioncompression); Uốn theo chu kỳ liên tục CCB (continuous cyclic bending); Rèn theo đa hướng MF (Multiaxial Forging); Công nghệ cán gấp thẳng RCS (repetitive corrugation and straightening); Ép qua rãnh cưỡng CGP (constrained groove pressing)… Nổi bật phương pháp phương pháp Ép qua kênh góc có tiết diện không đổi ECAP với ưu điểm : Thiết bị chế tạo đơn giản, tạo sản phẩm có kích thước phong phú, ECAP phát triển ứng dụng cho vật liệu có cấu trúc tinh thể khác từ kim loại màu có độ cứng thấp hợp kim có độ cứng cao, ưu điểm quan trọng phương pháp chất lượng đồng sau ép đảm bảo toàn sản phẩm Nội dung nghiên cứu luận văn nghiên cứu thay đổi tổ chức tế vi tính vật liệu hợp kim nhôm 6016 phương pháp biến dạng dẻo trượt tách (severe plastic deformation) để nâng cao độ bền hợp kim trước qua giai đoạn tạo hình, gia công cắt gọt tạo sản phẩm Các công cụ thực nghiên cứu: - Xây dựng mô hình thiết kế : AutoCAD - Xây dựng mô hình mô thí nghiệm : Ansys - Phương pháp kiểm tra lý tính - Phương pháp kim tương quan sát hạt tinh thể ABSTRACT In recent years, bulk nanostructured materials which are called by ultra fine grain material, have attracted in the world The severe plastic deformation methods use a principle of the material cutting but material is not apart from each other also slip in microstructure under application of a high pressure or high tosion, that is imposed on grains of material to produce a new material with small grains and superior property Many different severe plastic deformation methods have been proposed, developed by high tech national in the world such as: equal-channel angular pressing (ECAP); high-pressure torsion (HPT); cyclic-extrusion-compression (CEC); continuous cyclic bending (CCB); Multiaxial Forging (MF); repetitive corrugation and straightening (RCS); constrained groove pressing (CGP)….Of these various procedures, equal channel angular pressing is an especially attractive processing technique for several reasons It is simple procedure that is easily performed on a wide range of alloys, it can be applied to fairly large billets so that there is the potential for producing material that may be used in a wide range of structural application, ECAP may be developed and applied to materials with different cryctal structures and to many material ranging from precipitationhardened alloy to intermetallics and metal –matrix composites The advance of the ECAP that to procedure equal grain in all billet without changing the dimensions of the sample The content of this thesis is a search and investigate the microstructure of aluminium alloy 6016 produced by ECAP and the relationships between the mechanical properties of commoly used metallic materials and deformation routes MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN .4 TÓM TẮT LUẬN VĂN .5 Chương I Tổng quan 1.1 Đặt vấn ñeà 1.2 Các nguyên lý tạo vật liệu nano 10 1.2.1 Nguyên lý tạo hạt nano “bottom-up” 10 1.2.2 Nguyên lý taïo haït nano “top-down” 11 1.3 Cơ sở lý thuyết phương pháp biến dạng dẻo trượt tách 12 1.3.1 Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại 12 1.3.2 Trượt chế biến dạng trượt 13 1.3.3 Song tinh chế biến dạng song tinh 16 1.3.4 Khuyếch tán chế khuyếch tán 19 1.4 Phân tích trình biến dạng dẻo trình cắt kim loại 20 1.5 Phân tích số phương pháp biến dạng dẻo lựa chonï nghiên cứu 23 1.5.1 Phương pháp ép với lực xoắn cao HPT 23 1.5.2 Phương pháp nén ép theo chu kỳ CEC 24 1.5.3 Phương pháp rèn đa hướng MF 25 1.5.4 Phương pháp gấp liên tục ép thẳng RCS 27 1.5.5 Phương pháp ép qua kênh góc có tiết diện không đổi ECAP 28 1.6 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu 30 1.6.1 Mục tiêu nghiên cứu 30 1.6.2 Phạm vi nghiên cứu 32 Chương II Phương pháp ép qua kênh góc có tiết diện không đổi ECAP (equal channel angular pressing) 33 2.1 Nguyên lý ép qua kênh góc có tiết diện không đổi ECAP 33 2.2 Phân tích yếu tố định phương pháp ép ECAP 34 2.2.1 Mức độ biến dạng dẻo ép phương pháp ECAP 35 2.2.2 Các qui trình xoay mẫu tiến hành ép ECAP 37 2.2.3 Ảnh hưởng hệ trượt hình thành từ trình xoay mẫu 37 2.3 Các thơng số ảnh hưởng đến chất lượng hạt phương pháp ECAP 40 2.3.1 Ảnh hưởng góc khn ép 40 2.3.2 Ảnh hưởng góc cong ψ 41 2.3.3 Ảnh hưởng tốc ñộ ép 43 2.3.4 Ảnh hưởng nhiệt ñộ ép 44 2.3.5 Ảnh hưởng có tăng nhiệt cục trình ép 45 2.3.6 Ảnh hưởng lực ép ngược 46 2.4 Những đặc trưng kim loại ép ECAP 47 2.4.1 Đặc tính vi mô sau ép ECAP 47 2.4.2 Sự phát triển cấu trúc hạt siêu mịn đơn tinh thể 49 2.4.3 Sự phát triển cấu trúc siêu mịn đa tinh thể 51 2.5 Cơ tính vật liệu sau eùp ECAP 52 2.5.1 Tính dẻo vật liệu sau trình ép ECAP 52 2.5.2 Độ cứng vật liệu sau trình ép ECAP 53 2.6 Kết luận 54 Chương III Ứng dụng phương pháp ép ECAP để nâng cao độ bền hợp kim nhôm 6016 56 3.1 Giới thiệu chung nhôm hợp kim nhôm 56 3.1.1 Cơ lý tính chung nhôm 56 3.1.2 Tổ chức tính chất hợp kim nhôm 57 3.1.3 Định hướng tinh thể học biến dạng độ lệch sau biến dạng 59 3.2 Tính toán thông số ép ECAP cho hợp kim nhôm 6016 59 3.2.1 Chọn thông số khuôn eùp ECAP 59 3.2.2 Tính toán lực tác động lên thành khuôn 61 3.2.3 Phân tích lựa chọn nhiệt độ ép 62 3.3 Ứng dụng Ansys mô tính ứng suất khuôn trình ép ECAP 63 3.3.1 Giới thiệu phần mềm Ansys 63 3.3.2 Ứng dụng Ansys mô tính ứng suất khuôn ép ECAP 64 3.3.3 Ứng dụng Ansys mô trình ép ECAP 70 3.4 Kết luận 74 Chương IV Thực nghiệm đánh giá kết 75 4.1 Thực Các thiết kế khuôn ECAP có giới 75 4.2 Thực chế tạo khuôn ép ECAP 78 4.3 Chế tạomẫu, chày ép tiến hành thực nghiệm 79 4.3.1 Chế tạo mẫu, chày ép 79 4.3.2 Tiến hành thực nghiệm eùp ECAP 80 4.4 Chế tạo khuôn cải tiến tiến hành thực nghiệm 82 4.4.1 Thiết kế khuôn có áo hình trụ tròn 82 4.4.2 Tính toán khả chịu lực áo khuôn 84 4.4.3 Thực nghiệm kết ép ECAP 84 4.5 Đánh giá kết thực nghiệm 86 4.5.1 Phân tích độ cứng 86 4.5.2 Kieåm tra độ bền kéo 88 4.5.3 Phân tích thay đổi tổ chức sau trình ép ECAP 88 4.6 Kết luận hướng phát triển đề taøi 91 4.6.1 Kết luận 91 4.6.2 Hướng phát triển đề tài 92 TAØI LIỆU THAM KHẢO 93 PHUÏ LUÏC 95 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Cùng với phát triển không ngừng nghành công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu mới, công nghệ sinh học, đời công nghệ nano xem bước ngoặt lớn phát triển khoa học kỹ thuật mà vật liệu nano (nano materials) đối tượng nghiên cứu khoa học công nghệ nano, lónh vực nghiên cứu mạnh mẽ thời gian gần Vật liệu nano vật liệu xây dựng vô số hạt tinh thể có kích thước tính nanomet (từ hàng chục đến hàng trăm nano) Tại quy mô đó, tính chất lý tính vật liệu cao hẳn so với quy mô lớn hơn, điều Hall-Petch [7] chứng minh công thức biểu diễn mối quan hệä độ bền vật liệu kích thước hạt: σ y = σ0 + ky Với: - σ y : ứng suất bền vật liệu - kY: hệ số đàn hồi vật liệu d (1.1) - σ : ứng suất ma sát - d : đường kính hạt vật liệu Từ công thức (1.1) ta thấy ứng suất bền vật liệu tăng kích thước hạt nhỏ Các loại vật liệu sử dụng ứng dụng đặc biệt chế tạo phương pháp tạo phôi tiên tiến (ví dụ đúc phương pháp bán lỏng, phương pháp nổ hạt…), chưa có phương pháp đúc tạo vật liệu có kích thước xuống micrômét Do kỹ thuật nghiên cứu để giảm kích cỡ hạt xuống micrômét đạt cỡ hạt nanomét gọi nguyên lý tạo hạt UFG (ultrafine-grained materials), nội dung mà luận văn đề cập đến HVTH: NGUYỄN VIỆT HAØ ... triển đề tài 4.5.1 Kết luận Nghiên cứu nâng cao độ bền hợp kim nhôm 6016 phương pháp biến dạng dẻo ECAP lónh vực hấp dẫn việc nâng cao độ bền vật liệu hợp nhôm nói riêng kim loại màu nói chung Qua... Nghiên cứu nâng cao độ bền hợp kim nhôm 6016 phương pháp ECAP II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG - Nghiên cứu sở vật lý trình biến dạng vật liệu kim loại - Phân tích phương pháp chế tạo vật liệu có độ bền. .. trình biến dạng dẻo mặt phẳng trượt [8] 1.5 Phân tích phương pháp biến dạng dẻo lựa chọn nghiên cứu 1.5.1 Phương pháp ép với lực xoắn cao HPT (high-pressure torsion) Phương pháp thực nhà nghiên cứu