Nghiên cứu tạo cấu trúc siêu mịn cho vật liệu AZ31 bằng kỹ thuật ép cưỡng bức trong khuôn rãnh chu kỳ (tt)

MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Sự phát triển cơng nghiệp đại địi hỏi có nhiều loại vật liệu với đặc trưng cơ, lý tính cao Kết hợp với yêu cầu giá thành, trọng lượng tính sử dụng khác, vật liệu phân loại theo số công Magiê hợp kim sử dụng nhiều lĩnh vực kỹ thuật có ưu tỷ trọng nhỏ (1,8g/cm3) so với vật liệu kết cấu khác Đặc biệt, độ bền tỷ trọng hợp kim magiê số cơng cịn cao so với hợp kim nhôm thép Chúng ứng dụng nhiều ngành hàng khơng, vũ trụ, khí tơ, khí cụ, Phần lớn hợp kim magiê cịn có khả chịu tải động, chống ăn mịn nước biển đất Đối với loại vật liệu kim loại màu hợp kim magiê, phương pháp hóa bền xử lý nhiệt, hóa bền tiết pha phương pháp hóa bền biến dạng dẻo, đặc biệt trường hợp biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) kết hợp với phương pháp hóa bền truyền thống, có tiềm nâng cao đặc tính sử dụng vật liệu Biến dạng kim loại hợp kim ln làm cho kích thước hạt tinh thể giảm xuống đáng kể, nhiều trường hợp biến dạng nguội ấm làm giảm kích thước hạt tới cấp độ mịn, siêu mịn nanơ Khi đó, tính chất vật liệu giới hạn bền, giới hạn chảy, giới hạn mỏi hay khả chống mài mòn cao nhiều so với ban đầu Thách thức công nghệ SPD tồn khâu áp dụng phạm vi cơng nghiệp chế tạo thành phẩm bán thành phẩm có kích thước lớn Trong phạm vi nghiên cứu, có nhiều kỹ thuật SPD thực Công nghệ “ép cưỡng khuôn rãnh chu kỳ” (CGP) kỹ thuật SPD biến đổi cấu trúc tính chất vật liệu thơng qua biến đổi kích thước hạt kim loại dạng với hiệu cao Vì vậy, luận án lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu tạo cấu trúc siêu mịn cho vật liệu AZ31 kỹ thuật ép cưỡng khuôn rãnh chu kỳ” cho phép tăng cường đặc trưng học vật liệu magie đồng thời mở khả áp dụng phương pháp tạo hình siêu dẻo để chế tạo chi tiết dạng vỏ có biên dạng phức tạp nên mang tính thời cấp thiết Mục đích luận án Mục đích đề tài luận án áp dụng công nghệ CGP để tạo tổ chức cấu trúc mịn siêu mịn cho vật liệu AZ31 dạng để nâng cao tiêu tính Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu - Vật liệu AZ31 - Công nghệ CGP 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Cơ sở lý thuyết biến dạng dẻo với kỹ thuật ép CGP - Mơ số q trình biến dạng CGP - Thực nghiệm công nghệ CGP - Sự thay đổi tổ chức cấu trúc tính vật liệu AZ31 sau biến dạng dẻo Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu tài liệu, tổng hợp kiến thức liên quan, để từ xây dựng chương trình nghiên cứu phát triển ý tưởng nghiên cứu khả thi phương pháp CGP Cụ thể là: Áp dụng sở lý thuyết để phân tích trường ứng suất, biến dạng, dòng chảy dẻo kim loại ảnh hưởng số yếu tố đến trình CGP Ứng dụng mơ số để phân tích trường ứng suất, biến dạng để xác định thông số công nghệ phù hợp Sử dụng kỹ thuật phân tích tổ chức cấu trúc tính AZ31 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 5.1 Ý nghĩa khoa học Đã áp dụng phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt cho vật liệu AZ31 đạt cấu trúc siêu mịn Đây vật liệu thuộc loại khó biến dạng dẻo Đã lý giải ảnh hưởng số yếu tố đến trình công nghệ đánh giá qui luật thay đổi cấu trúc vật liệu 5.2 Ý nghĩa thực tế Áp dụng kỹ thuật CGP, tạo cấu trúc siêu mịn cho vật liệu AZ31 thuộc hệ Mg – Al - Zn có số cơng cao, có khả thi qui mô công nghiệp, ứng dụng nhiều lĩnh vực kỹ thuật Thiết kế chế tạo hệ thống khuôn để thực công nghệ CGP phục vụ cho thí nghiệm đào tạo nghiên cứu Kết đạt đóng góp luận án Thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị khuôn, đáp ứng chế độ công nghệ kỹ thuật ép CGP ổn định Tạo cấu trúc siêu mịn cho AZ31 dạng với tính cải thiện Đã phân tích chi tiết q trình SPD tốn hai chiều công nghệ CGP yếu tố ảnh hưởng làm sở để tính tốn cơng nghệ tạo hình vật liệu, làm phong phú thêm sở lý thuyết Thực khả thi trình SPD kết hợp đồng thời trình kết tinh động, phục hồi động tiết pha, tạo hiệu ứng hóa bền mức độ cao tính đặc thù thực nghiệm kỹ thuật CGP chế tạo cho AZ31 dạng đạt cấu trúc siêu mịn Bố cục luận án Luận án bao gồm phần sau: Mở đầu (03 trang), Chương - Tổng quan phương pháp SPD kim loại hợp kim magie (25 trang), Chương - Cơ sở lý thuyết tạo hình CGP (18 trang), Chương - Mô số trình CGP (34 trang), Chương – Thực nghiệm cơng nghệ CGP (24 trang), Kết luận, kiến nghị (02 trang) Tài liệu tham khảo; Danh mục cơng trình cơng bố luận án; Phụ lục Chương TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP BIẾN DẠNG DẺO MÃNH LIỆT KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MAGIÊ 1.1 Phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt Biến dạng dẻo mãnh liệt phương pháp hữu hiệu sử dụng để chế tạo vật liệu cấu trúc hạt siêu mịn Đây phương pháp sử dụng để biến dạng vật liệu với mức độ biến dạng lớn mà không làm thay đổi đáng kể kích thước phơi Trong suốt q trình SPD áp lực thủy tĩnh lớn hình thành làm giảm khả phá hủy vật liệu [1] SPD phương pháp cách tiếp cận từ xuống, tức vật liệu từ cấu trúc hạt thô thông qua biến dạng mãnh liệt tải trọng va đập chuyển thành cấu trúc hạt UFG Trong SPD có nhiều kỹ thuật cơng nghệ khác ECAP, HPT, ARB, CGP, … 1.2 Magie hợp kim magie 1.2.1 Đặc điểm kim loại hợp kim magie Magie nguyên tố kim loại có trữ lượng lớn vỏ trái đất, khối lượng riêng nhỏ, nhẹ nhiều so với kim loại khác Magie áp suất khí có kiểu mạng lục giác xếp chặt, tỉ số c/a = 1,624 Magiê kim loại có hoạt tính cao, kết hợp, phản ứng hòa tan với nhiều kim loại khác tạo thành hợp kim đa nguyên phức tạp AZ31, AZ80, AZ91, Độ bền, độ cứng tính chất học khác hợp kim Mg chịu ảnh hưởng tương tác pha Mg với pha liên kim, tăng cường khả chống dão cải thiện khả chống ăn mịn cho vật liệu Do đó, Mg có tiêu công cao nên dùng rộng rãi nhiều lĩnh vực ngành hàng không, vũ trụ, điện tử, … 1.2.2 Khả biến dạng hợp kim magiê AZ31 Biến dạng dẻo hợp kim magiê đa tinh thể chủ yếu theo chế song tinh trượt [56] Chỉ có hệ trượt sở không phụ thuộc vào hệ trượt khác hệ đó, biến dạng dẻo đồng theo điều kiện dẻo Von-Mises Vì vậy, biến dạng dẻo hệ trượt sở chịu tác động hệ trượt khác Ở nhiệt độ định, hệ trượt kết hợp với đảm bảo tính liên tục Vì thế, Mg biến dạng nhiệt độ cao với nhiều hệ trượt khác nhau, không riêng hệ trượt sở Tỷ lệ trở lực biến dạng hệ trượt sở hệ trượt phụ khác nhiều, cịn phụ thuộc ngun tố hợp kim khác Đối với AZ31 tỉ lệ  2,5 [57], cịn Mg ngun chất 48  87 [58] 1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng dẻo AZ31 Các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng dẻo AZ31 bao gồm: nhiệt độ; mức độ tốc độ biến dạng; ma sát bơi trơn; kích thước hình dạng phơi khn; thành phần hóa học, cấu trúc kim loại đề cập đến nhiều tài liệu 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến phá hủy trình phân hạt vật liệu 1.4 Kỹ thuật CGP AZ31 dạng Kỹ thuật ép CGP, phôi kim loại dạng bị biến dạng dẻo mãnh liệt đặt khuôn gồm hai loại, loại có rãnh tạo hình chu kỳ loại để ép phẳng Tổng quan cơng trình nghiên cứu cơng bố cho thấy, kỹ thuật CGP hồn tồn thực công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt cho kim loại hợp kim có hợp kim magie AZ31 với mục đích hóa bền nhờ làm nhỏ hạt tinh thể 1.5 Kết luận chương Công nghệ CGP nhiều vấn đề chưa rõ ràng, đặc biệt học trình biến dạng, trình gia cơng, thơng số vật liệu cịn mang tính chất định tính Hợp kim AZ31 có tính hóa bền tiết pha đa hệ kết hợp biến dạng dẻo mãnh liệt mục tiêu nghiên cứu luận án Nội dung luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết, mô thực nghiệm đạt mục đích tạo cho hợp kim AZ31 đạt tổ chức siêu mịn với tiêu tính cao kỹ thuật CGP Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT TẠO HÌNH ÉP CƯỠNG BỨC TRONG RÃNH KHN CHU KỲ 2.1 Các thông số công nghệ kỹ thuật CGP Kỹ thuật CGP ép AZ31 hai nửa khn có rãnh chu kỳ thiết kế cho phôi biến dạng phần nửa chu kỳ Hành trình làm việc khn (S) chiều dày phôi (H) Sau nửa chu kỳ, phôi xoay góc z = 1800 để biến dạng phần cịn lại nửa chu kỳ trước Khoảng cách bước rãnh chiều sâu khuôn tạo điều kiện biến dạng trượt chủ yếu [26, 27], vùng biến dạng dẻo thiết kế có dạng hình vng ban đầu biến dạng nghiêng góc max = 450 Hình 2.2 Thông số khuôn (1), khuôn (3) phôi (2) sau ép cưỡng khn rãnh chu kỳ Q trình phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng xét mặt phẳng tâm phơi zOx hệ tọa độ Oxyz, 2 = suy trạng thái ứng suất 3D phân tách thành ten-xơ cầu ten-xơ lệch sau Hình 2.3 Sơ đồ phân tách ten-xơ ứng suất trạng thái biến dạng phẳng Trạng thái ứng suất mô tả sau: Tσ = JI I + Dσ (2.3) Phôi biến dạng dẻo thỏa mãn điều kiện JII = k2 Von Mises theo công thức (2.4) [60] (2.4) 1 √(σik − JI δik ) (σik − JI δik ) = k 3 đó: JI, JII bất biến ten-xơ ứng suất; ik – ký hiệu Kroneke, ik = i =k, ik = i  k (i, k =1, 2, 3); số hạng có số lặp lại lấy tổng theo qui ước Einstein Căn vào sơ đồ biến dạng phẳng, ta có ten-xơ ứng suất hệ tọa độ Oxyz sau: σxx Tσ = [ τzx σyy τxz σ0 ]=[0 σzz σ0 0 σxx − σ0 0]+[ τzx σ0 0 τxz ] (2.5) σz − σ0 0 = JI/3 ứng suất thủy tĩnh Nếu 2 = 0 = 2 = 1/2(3+1) theo cơng thức (2.2) Trong trình biến dạng dẻo, vùng biến dạng thay đổi, hệ tọa độ trục nghiêng góc  Ten-xơ ứng suất hệ tọa độ Oxyz biểu thị theo phương trình (2.5) Xoay hệ tọa độ trục O123 sau xoay tiếp góc 450 ta có ten-xơ lệch ứng suất theo thứ tự sau σ1 Dσ = [ 0 0 0 0 ] [0 0 σ3   0] (2.7) Ten-xơ ứng suất cắt tạo nên biến dạng góc  có giá trị tương ứng góc xoay vùng dẻo    450 Như vậy, ½ thể tích phơi bị biến dạng sau lần ép khn có rãnh chu kỳ với góc nghiêng  = 450 đạt mức độ biến dạng sau (2.11) (2.11) γ 2  = [ ( ) ] = 0,58 Mỗi chu kỳ phôi qua bốn lần ép, tổng biến dạng hữu hiệu 1,16 2.2 Trạng thái ứng suất biến dạng q trình CGP Phơi có dạng hình tấm, lực ma sát bề mặt phôi theo hai hướng Ox Oy đủ lớn để phôi không bị giãn rộng giãn dài Q trình biến dạng phơi khuôn rãnh CGP chia làm ba giai đoạn, phụ thuộc vào hành trình làm việc khn trên, S tăng từ đến H a) c) b) Hình 2.5 Sơ đồ ứng suất phôi: a) uốn; b) uốn kéo; c) nén Hệ phương trình tốn biến dạng dẻo điều kiện biến dạng phẳng viết dạng [67]: ∂σxx ∂τxz + =0 ∂x ∂z {∂τ ∂σ xz + zz = ∂x ∂z (2.12) (σxx − σzz )2 + 4τ2xz = 4k (2.13) Bài toán giải đầy đủ lý thuyết biến dạng dẻo Bài toán CGP giải phương pháp xây dựng hệ đường trượt vào tính chất chúng điều kiện biên Từ đó, ta tính ứng suất điểm vùng biến dạng dẻo phụ thuộc vào giá trị ứng suất thủy tĩnh góc xoay đường trượt Giá trị ứng suất hệ tọa độ Oxyz hệ tọa độ trục O123 xoay góc  (nghiêng theo vùng dẻo) xác định sau: σxx } = σ0 ± τ31 cos2φ σzz (2.14) τzx = τ31 sin2φ Khi biến dạng dẻo 13 = k Nếu thay góc nghiêng vùng dẻo góc nghiêng trường đường trượt  =  + /4 ta có phương trình (2.15) [65] σxx } σzz = σ0 ± ksin2ω } τ𝑧𝑥 = −kcos2ω Hình 2.6 Trường đường trượt hệ tọa độ trục (2.15) Ngược lại, biết thành phần ten-xơ ứng suất hệ tọa độ Oxyz ta tính góc xoay tọa độ trục thành phần ứng suất Thực tế xét ảnh hưởng mô men lực, sơ đồ biến dạng có thay đổi, hệ đường trượt xây dựng phức tạp hình 2.7, vùng dẻo vùng đàn hồi liên kết vùng chuyển tiếp Vùng nén gần điểm D, vùng kéo gần điểm C xen kẽ Quá trình SPD CGP chia làm giai đoạn uốn, kéo nén trình bày Điều làm sáng tỏ phần mô chương Hình 2.7 Sơ đồ biến dạng với ảnh hưởng mô men uốn lực ép 2.3 Xác định lực ép CGP Căn vào sơ đồ tác dụng lực hình 2.6a lực ép giai đoạn tính phụ thuộc vào mơ men uốn phôi Mô men nội lực phụ thuộc vào ứng suất chảy kích thước phơi, tính tương tự tài liệu [67], với giả thiết khơng có góc lượn khn (vì ảnh hưởng khơng đáng kể) B.H2 (2.16) M=n𝜎 = 1,5 W. Cân mô men ngoại lực nội lực ta có cơng thức tính lực giai đoạn 1: (2.17) σ B H P = 2n 6t Các giai đoạn sau, thêm thành phần lực kéo nên tổng lực ép là: PΣ = 2n σ B H + nB H sinψ σ cosψ 6t 10 (2.18) 60 40 20 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 10 20 30 40 50 3.0 Góc nghiêng rãnh, độ Chiều dày t, mm Hình 2.8 Ảnh hưởng chiều dày đến mô men uốn dẻo 0.00-10.00 10.00-20.00 20.00-30.00 30.00-40.00 Chiều dày phôi, mm Lực ép P, Tấn Mô men dẻo M, kG.m 80 Hình 2.9 Ảnh hưởng góc nghiêng rãnh khuôn chiều dày phôi đến lực ép 2.4 Ảnh hưởng tốc độ biến dạng nhiệt độ đến trình biến dạng Như trình bày, ứng suất chảy vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố vật liệu, có tổ chức cấu trúc, nhiệt độ T, mức độ biến dạng , tốc độ biến dạng ε̇ thời gian t, biểu thị phương trình vi phân (2.19) [69] ∂σ ∂σ ∂σ (2.19) dT + dε + dε̇ ∂T ∂ε ∂ε̇ Mơ hình chảy dẻo vật liệu xây dựng với số n, m  đặc trưng cho phụ thuộc ứng suất chảy dẻo vào mức độ, tốc độ biến dạng nhiệt độ Luận án áp dụng công thức (2.21) V A Tretiacov [24, 70]: dσ = 𝜎 = Kεn ε̇ m eβ/T (2.21) 2.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới trình phân nhỏ hạt Thơng số dùng để đánh giá trình phân nhỏ hạt mức độ biến dạng Trong điều kiện nhiệt độ tốc độ định, luận án xây dựng mơ hình thay đổi đường kính hạt phụ thuộc vào mức độ biến dạng Tuy nhiên, phụ thuộc thông qua biến trung gian chủ yếu 11 mật độ lệch Mật độ lệch phụ thuộc vào số hóa bền (h), số phục hồi (r), tốc độ biến dạng nhiệt độ thể theo cơng thức sau theo mơ hình Laasraoni – Jonas dρ = (h − rρ)dε − ρdε ε̇ m1 m1 Q ε̇ −m1 −m1 Q h = h0 ( ) exp ( ) ; r = r0 ( ) exp ( ) ε0 RT ε0 RT h0, r0, m1, số thực nghiệm; Q hoạt năng; R số khí; T nhiệt độ Biến dạng hợp kim Mg đảm bảo tính liên tục thực hệ trượt theo phương 𝑎⃗ song tinh theo phương c⃗ điều kiện có nhiệt độ hệ trượt có hướng 𝑎⃗ + 𝑐⃗ tham gia Các đường biên hạt biến dạng song tinh mảnh, thẳng Với chế trượt, phụ thuộc vào mức độ biến dạng, trình tự phân hạt là: 1) tăng mật độ lệch; 2) lệch tích tụ xếp lại thành vách lệch (hình 2.10); 3) với hiệu ứng tương tác tập hợp lệch tập trung biên giới hạt siêu hạt làm xuất hiện tượng “lệch chêm” (disclination) khơng hồn chỉnh hoàn chỉnh làm lệch hướng tinh thể liền kề tạo dần lên biên hạt góc xoay [75, 76] 2.6 Kết luận chương Quá trình biến dạng CGP xem xét điều kiện lý tưởng có lực cắt với biến dạng trượt Khi xét ảnh hưởng mô men, trình biến dạng gồm giai đoạn uốn, kéo nén phân tích đầy đủ Mức độ biến dạng sau chu kỳ đạt eff =116% Phôi dễ hồi phục lại hình dạng kích thước ban đầu Ảnh hưởng chiều dày phơi hình dạng khn đến q trình CGP xem xét Lực ma sát tiếp xúc phôi khuôn đủ lớn làm tăng ứng suất thủy tĩnh trì q trình biến dạng dẻo khơng phá hủy Hợp kim AZ31 cần biến dạng nhiệt độ khác vì: 1) cấu trúc lục giác xếp chặt mặt trượt khó biến dạng nên cần có nhiệt độ tăng cường hệ trượt phụ; 2) hòa tan hạt tiết pha 12 Chương MÔ PHỎNG SỐ Q TRÌNH ÉP CƯỠNG BỨC TRONG KHN RÃNH CHU KỲ 3.1 Các điều kiện công nghệ CGP áp dụng cho mô số Căn vào nghiên cứu tổng quan, q trình mơ thực điều kiện đẳng nhiệt 2500C, 2000C 1500C, tốc độ biến dạng phạm vi 0,0001 ÷ 0,01 s-1 Mục đích mơ xác định lực ép, phân tích trạng thái ứng suất – biến dạng điều kiện phá hủy Mô tiến hành bốn chu kỳ ép Ở chu kỳ ép phôi xoay góc z = 1800, chu kỳ ép phơi xoay góc z = 900 giống dự kiến thực nghiệm 3.2 Mơ hình hình học phơi khn 3.3 Mơ hình hành vi nhiệt vật liệu Ứng suất chảy, MPa Vật liệu phôi sử dụng mô vật liệu tiêu chuẩn giả thiết liên tục, đồng đẳng hướng Mơ hình vật liệu (3.1) xây dựng cho trường hợp ép đẳng nhiệt sở số liệu công bố [78] Tốc độ biến dạng lấy theo số liệu thực nghiệm 0,0001 s-1, phù hợp với máy ép thủy lực, đủ nhỏ hạn chế tối đa ảnh hưởng đến ứng suất chảy (3.1) σ = Kεn 250 200 150 100 50 -50 0.0001 1/s 0.2 0.4 0.6 Mức độ biến dạng 0.001 1/s 0.01 1/s Hình 3.2 Sự phụ thuộc ứng suất chảy dẻo vào  𝜺̇ 2000C [78] 13 Bảng 3.3 Thơng số q trình ép thơng số vật liệu Thơng số q trình ép T, C 𝜀̇, s 150 Thông số vật liệu -1 K n 0,01 336,32 0,17 150 0,001 0,19 150 0,0001 269,99 184,874 296.99 0,032 200 0,01 242,558 0,155 200 0,001 181,14 0,12 200 0,0001 148,36 0,097 250 0,01 178,22 0,154 250 0,001 123,319 0,171 250 0,0001 79,638 0,01 3.4 Mô hình chia lưới phần tử hữu hạn điều kiện biên Sử dụng phần mềm mô DEFORM, số liệu ban đầu: thể tích phơi 10800 mm3, số lượng phần tử 51590, số lượng nút 11992, số lượng phần tử tiếp xúc mặt biên 12744 Tốc độ biến dạng trung bình 0,164536 s-1, tốc độ biến dạng tối thiểu 0,00164536 s-1 Q trình mơ thực điều kiện đẳng nhiệt T= 1500C, 2000C 2500C, tốc độ biến dạng 0,001 s-1 0,01 s-1 tương ứng với tốc độ chày 0,9 mm/ph mm/ph Bước tính theo hành trình 0,01875 mm, kết ghi lại sau 10 bước Ép rãnh ép phẳng luân phiên Hệ số ma sát Zibel, mz = 0,4 3.5 Một số kết mô trình biến dạng CGP Mơ cho phép xác định lực ép hàm hành trình thời gian Tương tự thành phần ten-xơ ứng suất, biến dạng, tốc độ tốc độ biến dạng, nhiệt độ hàm thời gian tọa độ không gian Luận án phân tích thay đổi trạng thái ứng suất-biến dạng tại: 20 điểm phân bố vùng biến dạng dẻo; điểm phân bố đường tâm, đường biên, chiều dày vùng đàn hồi, dẻo chuyển tiếp Từ thành phần ứng suất-biến dạng hệ tọa độ Oxyz tính góc xoay hệ tọa độ trục thành 14 phần ten-xơ ứng suất-biến dạng Sai số mô lý thuyết cho phép xác định điều chỉnh thơng số cơng nghệ b) a) Hình 3.8 So sánh lực tác dụng phần cuối hành trình: (a) S = 2,81 mm (b) S = mm, với T = 1500C 𝜺̇ = 0,01 s-1 3.5.1 Trạng thái ứng suất – biến dạng Hình 3.9 Sơ đồ khảo sát thông số 20 điểm vật chất chu kỳ ép Hình 3.10 So sánh biến dạng bề mặt tiếp xúc Kết phân tích trạng thái ứng suất điểm phù hợp với kết nghiên cứu lý thuyết, với sai số không nhiều Mô số cho phép xác định lực ép giai đoạn cuối, có giá trị lớn nhiều so với tính tốn liên quan đến đàn hồi ngược Mô số xác nhận ảnh hưởng mô men uốn làm thay đổi trình biến dạng, cụ thể tồn ba giai đoạn uốn, kéo nén Một phần vật liệu có ứng suất kéo uốn chảy từ vùng đàn hồi sang vùng biến dạng dẻo giai đoạn đầu, chảy ngược lại giai đoạn sau 15 Hình 3.12 Phân bố ứng suất lớn đường tâm phơi Hình 3.15 Phân bố biến dạng theo chiều dày phôi hai vùng 3.5.2 Ứng suất thủy tĩnh khả biến dạng phôi Đặc điểm CGP có nhiều diện tích mặt tự ứng suất thủy tĩnh giai đoạn uốn kéo bề mặt khơng âm hình 3.24, nên khả SPD phơi dày với góc nghiêng rãnh khn lớn khó xảy Hình 3.25 so sánh nguy phá hủy điểm P1 ÷ P5 phân bố chiều dày đường tiếp giáp hai vùng, nơi có nguy phá hủy nhiều Ứng suất thủy tĩnh giai đoạn đầu có giá trị nhỏ dương bề mặt tự do, nhiên biến dạng cịn nhỏ nên khơng ảnh hưởng Chúng âm có giá trị lớn cuối hành trình biến dạng mạnh Sơ đồ sai hỏng phá hủy phức tạp ảnh hưởng mô men uốn Hình 3.24 Phân bố ứng suất thủy tĩnh 16 Hình 3.25 Nguy phá hủy theo chiều dày phôi 3.5.3 Ảnh hưởng yếu tố đến trình CGP Q trình mơ thực chế độ đẳng nhiệt tốc độ biến dạng thấp nên loại trừ ảnh hưởng chúng lần mô So sánh kết lần mô khác cho phép xem xét ảnh hưởng chúng Ảnh hưởng yếu tố khác ma sát, chiều dày phôi xem xét thay đổi điều kiện biên khác Ngoài ra, ma sát ảnh hưởng đến phân bố ứng suất vùng dẻo 3.5.4 Lực biến dạng CGP Công nghệ CGP có lực biến dạng khơng cao lực điền đầy lịng khn tăng gần gấp lần (hình 3.32) Quá trình ép với hành trình Smax = mm, ảnh hưởng mô men lực đàn hồi ngược nên phơi tạo hình dạng lượn sóng có bán kính cong lớn Để khắc phục tượng này, hành trình chày phải tăng lượng định ( mm) tương ứng với lượng đàn hồi thể tích, điều làm cho lực ép tăng đột biến b) a) Hình 3.32 Lực ép biến đổi theo hành trình a) S=2,81 mm b) S=3 mm với T = 2500C 𝜺̇ =0,01 s-1 Sự phụ thuộc lực công biến dạng vào nhiệt độ, mức độ biến dạng tốc độ biến dạng giống trường hợp chung khác có tính đặc thù hình 3.34 17 Lực ép P, T 400 300 200 100 0.188 0.75 1.13 1.5 2.06 2.44 2.84 Hành trình S, mm T250 C, 0.001 1/s T250 C, 0.01 1/s T200 C, 0.001 1/s T150 C, 0.01 1/s Hình 3.34 Sự phụ thuộc lực ép vào nhiệt độ, tốc độ biến dạng mức độ biến dạng 3.6 Kết luận chương Mơ số q trình biến dạng dẻo CGP phương pháp phần tử hữu hạn, cho phép xác định trường ứng suất, trường biến dạng, nhiệt độ nguy phá hủy suốt trình ép mội điểm phơi Ngồi ra, thơng số cơng nghệ lực ép xác định yếu tố ảnh hưởng ma sát, chiều dày phôi xem xét Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ÉP CƯỠNG BỨC TRONG KHUÔN RÃNH CHU KỲ 4.1 Hệ thống thiết bị thực nghiệm, kiểm tra phân tích Các thiết bị đủ độ tin cậy sử dụng để chuẩn bị phơi, thực qui trình cơng nghệ, chuẩn bị mẫu kiểm tra, phân tích tổ chức tế vi tính trước sau thực nghiệm 4.2 Kỹ thuật chuẩn bị mẫu 4.3 Thiết kế chế tạo hệ thống khuôn đồ gá Dựa vào điều kiện cơng nghệ CGP ép AZ31 tấm, khn có hệ thống gia nhiệt tính tốn, thiết kế, chế tạo lắp ráp 18 Hình 4.15 Bộ khn CGP với khuôn ép rãnh, phẳng gia nhiệt lắp rắp 4.4 Q trình thực nghiệm cơng nghệ CGP Q trình cơng nghệ CGP lặp lại nhiều lần với nhiệt độ khác cho tất lần ép, sau lựa chọn chế độ nhiệt độ ép phù hợp Phân đoạn chu kỳ theo bước a, b, c d sau: lần ép rãnh ký hiệu bước 1a, phôi ép phẳng 1b Tiếp theo phôi xoay góc z = 1800 theo chiều kim đồng hồ ép rãnh 1c ép phẳng 1d kết thúc chu kỳ Tương tự chu kỳ sau ta có 2a, 2b, 2c, 2d  3a, 3b, 3c, Sau chu kỳ, phơi xoay góc z = 900 - Lộ trình A, mẫu xoay góc z = 1800 cuối nửa chu kỳ, nhiệt độ không đổi T = 2500C - Lộ trình B, xoay góc z = 1800 chu kỳ z = 900 cuối chu kỳ, nhiệt độ ép giảm dần theo chu kỳ từ 2500C xuống 1500C 4.5 Kết thực nghiệm bàn luận 4.5.1 Kết nghiên cứu công nghệ thiết bị Luận án kết hợp phương pháp giải tích mơ số nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố góc nghiêng rãnh khn chiều dày phôi để xác định thông số công nghệ Sự phụ thuộc lực ép vào góc nghiêng trường hợp cụ thể (4.1), giữ nguyên yếu tố đặc tính kích thước phơi, hình dạng kích thước khn P = - 0,002582 + 0,23 +2,79 19 (4.1) Phôi hợp kim AZ31 ép theo công nghệ CGP, đạt mức độ biến dạng tổng 5,8 sau chu kỳ 4.5.2 Sự biến đổi tính hợp kim AZ31, CGP Kế t quả đo đô ̣ cứng cho thấ y, không có sự khác biê ̣t lớn về giá tri ta ̣ ̣i các điể m đo mẫu Đồ ng thời kế t quả cũng cho thấ y, đô ̣ cứng của hợp kim AZ31 tăng tỉ lê ̣ thuâ ̣n với số lầ n ép, từ 94 HV sau lầ n ép lên 101 HV sau lầ n ép Điề u này thể hiê ̣n sự đồ ng đề u cũng tăng đáng kể mâ ̣t đô ̣ hạt hợp kim AZ31 sau ép CGP Sự thay đổi độ bền theo mức độ biến dạng điều kiện công nghệ CGP luận án thể phương trình sau: Độ bền, MPa σb = 11,15ε2 + 8,62ε + 325 (4.2) 450 400 350 300 0.00 1.00 2.00 3.00 Mức độ biến dạng b) a) Hình 4.25 Độ bền kéo AZ31 CGP : a) thực nghiệm; b) theo (4.2) 4.5.3 Sự biến đổi tổ chức cấu trúc AZ31, CGP Thực nghiệm thực điều kiện đẳng nhiệt T = 2500C tất chu kỳ (ép lộ trình A) có tổ chức hình 4.28 Sự phân nhỏ hạt thể thơng qua đường kính trung bình dtb đạt tinh thể Phương trình phụ thuộc dtb vào mức độ biến dạng (4.3): 𝑑𝑡𝑏 = 2,76𝜀 − 21,42𝜀 + 45,81 20 (4.3) a) b) c) d) Hình 4.28 Ảnh SEM AZ31 ép theo lộ trình A: a) chu kỳ; b) chu kỳ; c) chu kỳ d) chu kỳ Lộ trình B thực kết sản phẩm thu không bị sai hỏng phá hủy, tổ chức cấu trúc đạt hình 4.34 Với điều kiện nhiệt độ chu kỳ cố định giảm theo chu kỳ từ 2500C xuống 1500C, thay đổi mức độ biến dạng đường kính trung bình hạt giảm hình 4.35 a) b) c) d) Hình 4.34 Ảnh SEM AZ31 ép lộ trình B a) chu kỳ; b) chu kỳ; c) chu kỳ d) chu kỳ 21 Đường kính hạt dtb, m Phương trình phụ thuộc dtb vào mức độ biến dạng (4.4): (4.4) 𝑑𝑡𝑏 = 0,8376𝜀 − 10,21𝜀 + 34,53 40.00 20.00 0.00 1.16 2.32 3.48 4.64 5.80 Mức độ biến dạng  Thực nghiệm d=f€ Hình 4.35 Sự phụ thuộc đường kính hạt vào mức độ biến dạng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Luận án đã thực đầy đủ nghiên cứu đặt ra, chế tạo hệ thống khuôn, đồ gá phù hợp làm chủ công nghệ CGP áp dụng thiết bị ép thủy lực nước Đã xác định điều kiện nhiệt độ ép giảm dần từ 2500C xuống 1500C, lộ trình ép với góc lật phơi z = 1800 góc xoay z = 900 cuối chu kỳ, chọn vật liệu ban đầu AZ31 dạng kích thước LxBxH = 60x60x3 mm Sau thực chu kỳ ép, mức độ biến dạng tổng đạt 5,8 Kết thu vật liệu AZ31 dạng cấu trúc siêu mịn, kích thước hạt trung bình dtb  m, giảm 96% so với ban đầu Bằng nghiên cứu lý thuyết mơ số q trình cơng nghệ, luận án làm sáng tỏ đặc điểm vùng biến dạng dẻo công nghệ CGP phân bố xen kẽ vùng đàn hồi chịu lực tác dụng gián tiếp Cụ thể, nghiên cứu thay đổi ứng suất - biến dạng điểm đặc trưng phân bố 22 bề mặt tiếp xúc tâm phôi, chiều dày vị trí tâm vùng biến dạng, vùng đàn hồi ranh giới chuyển tiếp hai vùng Thấy rõ ảnh hưởng mô men uốn làm biến dạng không xác định lực ép khử đàn hồi ngược 116T cuối hành trình ép Luận án xác định tối ưu thông số cơng nghệ, có nhiệt độ, lộ trình, áp lực ép thơng số hình học khn, chiều sâu rãnh khuôn độ rộng bước rãnh khuôn chiều dày phôi, độ nghiêng rãnh khuôn 450 để áp dụng vào mơ hình chế tạo thực tế cho vật liệu AZ31 vật liệu khác có tính chất tính tương tự Vật liệu AZ31 thuộc hệ Mg-Al-Zn dạng đạt có tổ chức tế vi siêu mịn chứa hạt tiết pha phân tán Tổ chức hạt nhận tương đối đồng thể tích phơi Khi ép theo điều kiện lộ trình B, đường kính hạt trung bình thay đổi theo mức độ biến dạng xác định sau: dtb = 0,8376ε2 − 10,21ε + 34,53 Các tính chất học vật liệu AZ31 bao gồm giới hạn bền, giới hạn chảy độ cứng tăng theo mức độ biến dạng tương ứng với số chu kỳ ép Sự phụ thuộc giới hạn bền vào mức độ biến dạng điều kiện áp dụng công nghệ CGP thể theo công thức: σb = 11,15ε2 + 8,62ε + 325 KIẾN NGHỊ Cơng nghệ CGP áp dụng mở rộng cho sản xuất phơi có diện tích lớn, chiều dày mỏng, thực máy ép thủy lực công suất cao 23 Áp dụng công nghệ cán phẳng xử lý nhiệt sau ép CGP, gia công xử lý bề mặt để ứng dụng áp dụng gia công áp lực tiếp cho sản phẩm có hình dạng phức tạp 24 ... đích tạo cho hợp kim AZ31 đạt tổ chức siêu mịn với tiêu tính cao kỹ thuật CGP Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT TẠO HÌNH ÉP CƯỠNG BỨC TRONG RÃNH KHN CHU KỲ 2.1 Các thơng số công nghệ kỹ thuật CGP Kỹ thuật. .. đến q trình cơng nghệ đánh giá qui luật thay đổi cấu trúc vật liệu 5.2 Ý nghĩa thực tế Áp dụng kỹ thuật CGP, tạo cấu trúc siêu mịn cho vật liệu AZ31 thuộc hệ Mg – Al - Zn có số cơng cao, có khả... dụng kỹ thuật phân tích tổ chức cấu trúc tính AZ31 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 5.1 Ý nghĩa khoa học Đã áp dụng phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt cho vật liệu AZ31 đạt cấu trúc siêu mịn Đây vật liệu