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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐĂNG KHOA NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BIẾN DẠNG DẺO MÃNH LIỆT LÀM BIẾN ĐỔI CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU KIM LOẠI Mã số chuyên ngảnh: 62 52 04 05 Chuyên ngành: Công nghệ tạo hình vật liệu Phản biện độc lập 1: PGS. TS. Đinh Văn Chiến Phản biện độc lập 2: PGS. TS. Nguyễn Việt Hùng Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Đắc Trung Phản biện 2: PGS. TS. Đặng Vũ Ngoạn Phản biện 3: PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. Đào Minh Ngừng 2. TS. Lưu Phương Minh LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Đăng Khoa i TÓM TẮT LUẬN ÁN Luận án gồm có 5 chương, nội dung tóm tắt như sau: Chương 1: Giới thiệu về công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt (Severe Plastic Deformation – SPD) và các kỹ thuật được nghiên cứu phát triển nhằm mục đích tạo ra kim loại dạng khối có tổ chức hạt mịn, siêu mịn và na nô, trong đó nghiên cứu sâu về kỹ thuật tiêu biểu của loại hình công nghệ này, đó là ép trong kênh gấp khúc có thiết diện không đổi (Equal Channel Angular Pressing – ECAP). Những vấn đề còn tồn tại cần giải quyết để hoàn thiện cơ sở lý thuyết và công nghệ này được nhấn mạnh, trên cơ sở đó xác định hướng nghiên cứu của luận án là quá trình biến dạng dưới áp lực cao ngăn ngừa phá hủy dẻo trong những điều kiện áp lực thủy tĩnh khác nhau và giải pháp thiết kế công nghệ nhằm duy trì và kiểm soát được đối áp trong quá trình ép. Chương 2: Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng trong vùng dẻo và ảnh hưởng của các yếu tố ma sát và góc ép đến thông số chính của quá trình là hệ số trạng thái ứng suất để duy trì quá trình biến dạng dẻo dưới áp lực thủy tĩnh cao, ngăn ngừa phá hủy dẻo. Kỹ thuật SPD, trong đó công nghệ ECAP là một quá trình tiêu biểu, luôn tạo áp lực thủy tĩnh trong vùng biến dạng. Luận án sử dụng phương pháp giải phương trình vi phân gần đúng để xem xét sự phân bố ứng suất trên bề mặt khuôn và kim loại, cũng như áp dụng phương pháp tốc độ gián đoạn đề phân tích bản chất quá trình chảy dẻo trong vùng biến dạng, qua đó tính được các thông số cơ bản như hệ số trạng thái ứng suất và mức độ biến dạng và sự ảnh hưởng của các yếu tố hệ số ma sát và góc kênh ép. Phương pháp tốc độ gián đoạn thực chất là phương pháp định trị trên được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực tạo hình vật liệu, nhưng ở đây số lượng các khối cứng được tăng đến vô cùng để đạt được lời giải có độ chính xác cao hơn. Điều kiện quá trình ép được đề xuất với các mô hình ma sát khác nhau: a) quy luật Zibel; b) quy luật Coulomb và mô hình ma sát lai ghép, làm phong phú thêm cơ sở lý thuyết tạo hình vật liệu. ii Phá hủy dẻo của kim loại trong quá trình tạo hình và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm mịn hạt cũng được nghiên cứu dựa vào các mô hình của Kolmogorov và Y. Beigelzimer. Chương 3: Nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng số ECAP bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm DEFORM đã đưa ra sự biến đổi của trường ứng suất và biến dạng trong vùng dẻo cũng như trên bề mặt tiếp xúc giữa phôi và khuôn cho phép đánh giá và nhận định về mức độ ảnh hưởng các yếu tố đến các thông số công nghệ cũng như khả năng biến dạng của phôi. Kết quả nhận được làm sáng tỏ cho những nghiên cứu lý thuyết và làm cơ sở cho việc thiết kế hệ thống khuôn chày, đồ gá, … và thiết lập các điều kiện công nghệ để thực hiện được quá trình tạo hình. Chương 4 và 5 trình bày kết quả nghiên cứu về thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị thí nghiệm và thực nghiệm. Thiết bị nghiên cứu bao gồm máy ép thuỷ lực và hệ thống khuôn ghép, đồ gá đã được thiết kế và chế tạo có đủ tính năng thực hiện quá trình biến dạng các loại vật liệu khác nhau dưới áp lực cao. Các thí nghiệm với vật liệu đồng sạch, nhôm Al7075 và titan kỹ thuật, phôi có thiết diện tròn và vuông đã được thực hiện, các thông số công nghệ đo được phù hợp với kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng. Trong luận án sử dụng các thiết bị kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét, kính hiển vi điện tử truyền qua và thiết bị đo độ cứng, máy kéo vạn năng để đánh giá tổ chức và cơ tính các mẫu thu được sau ép. Kết quả đạt được của luận án, những điểm mới và hướng nghiên cứu tiếp theo được trình bày trong phần kết luận chung. iii ABSTRACT The PhD thesis is concerned with the investigation on severe plastic deformation (SPD) as unconventional forming method to get metals and alloys with the grains that are at least smaller than 1 m, which have special mechanical and physical properties. The objective of the thesis is gaining understanding of influence of friction factor, hydropressure and strain on technogical parameters in the scientific field of metalworking as well as laboratory equipment development. Process of grain refinement and mechanical property change in SPD is evaluated by different excellence techniques as OM, SEM, TEM… in the view of the workpiece quality obtained after processing. This PhD thesis consists of literature survey, theoretical and experimental investigations. The chapter 1 surveys literature on fine grain, ultrafine - grain and nanostructured materials which have been formed during severe plastic deformation. Systematic analysis of severe plastic deformation process reveals difference of mathematical formulae published elsewhere for determination technological parameters. Various methods and modifications of techniques are analysed to determine the interested concerns. Chapter 2 and chapter 3 are theoretical study and simulation of ECAP (equal channel angular pressing) process to find technological parameters for equipment design and materials processing implement. Stress strain state of workpiece during ECAP, including them stress in contact surface between metal and tool is important for determination of technological parameters, possibility of metal to deform continuously, production quality, the wear and strength of dies. Method of discrete velocities based on rigid block model of plastic deformation zone, where number of blocks increases infinitely, is a modified upper - bound and method allows analyze stress strain state and determine degree of plastic deformation, hydrostatic stress, punch pressure and dependence of parameters on modified technological conditions. Application of mathematical models and finite element method to solve metalworking problems iv is an effective method. The analyse stress strain state and technological parameters obtained by modeling and simulation in software DEFORM analyzed and compared the results with theoretical calculations. The charpter 4 and charpter 5 describe obtained experimental results and discussions. It presents the research and outcomes on property and structure change of f.c.c Cu99.9 and alloy Al7075 which are severe plastic deformed throughout the conventional equal channel angular pressing. Ultrafine - grained structure of materials has been received which leads to significant enhance of mechanical properties that create opportunity for production quality improvement in metalworking. Research results showed evidence that to obtain finer microstructure of heterogeneous alloy as Al7075 it needs high hydrostatic pressure to deform without ductile fracture that is impossible for conventional metal forming method. Equipment for cold and warm plastic deformation of hard - to - deform metal and alloys as well as for die was designed and machined, which allows increase punch dimension enhancing its resistance in pressing. Treated measured data of technological processing parameters in insert die as function depending on stroke are illustrated graphically. v LỜI CÁM ƠN Tôi xin trân trọng cám ơn: Bộ môn Thiết bị và công nghệ vật liệu cơ khí, Khoa Cơ khí; Bộ môn Kim loại và hợp kim, Khoa Công nghệ vật liệu, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh; Bộ môn Cơ học vật liệu và cán kim loại, Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà nội cũng như các phòng thí nghiệm, viện nghiên cứu trong và ngoài nước đã giúp tôi thực hiện luận án tiến sĩ này. Tôi xin chân thành cám ơn các thầy hướng dẫn khoa học PGS TS Đào Minh Ngừng và TS Lưu Phương Minh đã tận tình chỉ dẫn tôi về chuyên môn để tôi có thể hoàn thành được luận án. Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến các thầy cô phản biện, các thầy cô trong hội đồng chấm luận án các cấp đã có những góp ý giá trị cho luận án của tôi. Đặc biệt tôi xin cám ơn GS TS Đỗ Minh Nghiệp giúp đỡ về định hướng nghiên cứu và cũng như góp ý hoàn thiện luận án. Xin bày tỏ lòng biết ơn đến ba mẹ, toàn thể gia đình, các đồng nghiệp và bạn bè đã hỗ trợ, động viên tôi trong thời gian qua. vi MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i TÓM TẮT LUẬN ÁN ............................................................................................... ii ABSTRACT.............................................................................................................. iv LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................... vi MỤC LỤC ............................................................................................................... vii DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... x DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... xiv DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................... xv MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1 1. Lý do lựa chọn đề tài ...........................................................................................1 2. Mục đích của luận án ...........................................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................2 3.1. Đối tượng nghiên cứu ...................................................................................2 3.2. Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .............................................................................3 5.1. Ý nghĩa khoa học ..........................................................................................3 5.2. Ý nghĩa thực tiễn ..........................................................................................3 6. Kết quả đạt được và các đóng góp mới của luận án..............................................3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN .................................................................................. 5 1.1. Giới thiệu về công nghệ tạo hình biến dạng dẻo mãnh liệt ................................5 1.2. Tổ chức đa tinh thể kim loại và sự thay đổi trong quá trình SPD .......................6 1.3. Các ứng dụng của vật liệu sau SPD.................................................................10 1.4. Phát triển kỹ thuật thực hiện quá trình SPD ....................................................12 1.4.1. Các kỹ thuật biến dạng dẻo mãnh liệt .......................................................12 1.4.2. Đặc điểm chung của kỹ thuật biến dạng dẻo mãnh liệt .............................18 1.5. Khả năng ứng dụng thực tế của công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt................19 vii 1.6. Kết luận chương 1 ..........................................................................................21 CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT VÀ ÁP LỰC THỦY TĨNH ĐẾN QUÁ TRÌNH ÉP ............................................................................. 23 2.1. Trạng thái ứng suất và biến dạng của quá trình ECAP ....................................23 2.1.1. Đặc điểm vùng biến dạng dẻo ..................................................................23 2.1.2. Trạng thái biến dạng ................................................................................25 2.2. Ảnh hưởng của ma sát và áp lực thủy tĩnh đến quá trình ép ............................26 2.3. Sự phân bố ứng suất tiếp xúc giữa kim loại và đáy khuôn tại vùng biến dạng ......................................................................................................................28 2.4. Tính lực ép và mức độ biến dạng bằng phương pháp tốc độ gián đoạn............32 2.5. Ảnh hưởng của góc gấp khúc và ma sát đến mức độ biến dạng .......................35 2.6. Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất đến tính dẻo .............................................37 2.6.1. Ảnh hưởng của áp lực thủy tĩnh đến giới hạn biến dạng khi phá hủy........38 2.6.2. Ảnh hưởng của mức độ biến dạng đến độ xốp vật liệu .............................41 2.7. Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất biến dạng đến quá trình làm mịn hạt trong SPD ..............................................................................................................43 2.7.1. Áp dụng mô hình toán cho quá trình làm mịn hạt .....................................44 2.7.2. Ảnh hưởng của các thông số tạo hình đến cường độ làm mịn hạt .............46 2.8. Kết luận chương 2 ..........................................................................................49 CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH ECAP .......... 51 3.1. Yêu cầu về mô hình hóa và mô phỏng số quá trình ECAP ..............................51 3.2. Xây dựng mô hình khuôn hai nửa ...................................................................53 3.3. Xây dựng mô hình khuôn ghép .......................................................................56 3.4. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn, vật liệu và điều kiện biên .......................58 3.5. Một số kết quả mô phỏng số và bàn luận ........................................................61 3.5.1. Các thông số công nghệ cơ bản của quá trình ép ......................................61 3.5.2. Trạng thái ứng suất và biến dạng của phôi ...............................................66 3.6. Kết luận chương 3 ..........................................................................................70 CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM .......................................................................... 71 4.1. Lựa chọn vật liệu phôi ban đầu .......................................................................72 4.2. Thiết kế, chế tạo khuôn và đồ gá công nghệ ....................................................74 viii 4.2.1. Tóm tắt nội dung thực nghiệm .....................................................................74 4.2.2. Khuôn hai nửa và đồ gá ...........................................................................74 4.2.3. Khuôn ghép phức hợp với cơ cấu đối áp ..................................................76 4.3. Thiết bị tạo hình vật liệu .................................................................................81 4.3.1. Quy trình lắp ráp và vận hành thực nghiệm công nghệ tạo hình ...............82 4.3.2. Sự cố công nghệ, khuyết tật sản phẩm và biện pháp khắc phục ................85 4.4.Thiết bị nghiên cứu tổ chức và tính chất vật liệu ..............................................86 4.4.1. Thiết bị tạo mẫu .......................................................................................86 4.4.2. Thiết bị đánh giá tổ chức và tính chất vật liệu ..........................................88 4.5. Kết luận chương 4 ..........................................................................................91 CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN ....................... 92 5.1. Kết quả nghiên cứu công nghệ thiết bị tạo hình ..............................................92 5.1.1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết ......................................................................92 5.1.2. Thiết kế thiết bị, khuôn và đồ gá thực nghiệm công nghệ ECAP ..............94 5.1.3. Kết quả nghiên cứu quá trình tạo hình bằng ECAP ..................................96 5.2. Đánh giá mẫu sau ECAP .............................................................................. 100 5.2.1. Khảo sát chất lượng bề mặt mẫu, khuyết tật và cách khắc phục.............. 100 5.2.2. Kết quả khảo sát tổ chức và tính chất mẫu ............................................. 102 5.3. Kết luận chương 5 ........................................................................................ 108 KẾT LUẬN............................................................................................................ 110 6.1. Kết quả đạt được của luận án ........................................................................ 110 6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo .......................................................................... 111 NHỮNG CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................... 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 114 PHỤ LỤC .............................................................................................................. 123 ix DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Mối quan hệ giữa giới hạn chảy của thép và kích thước hạt tinh thể. .......... 5 Hình 1.2. Tổ chức hạt na nô mét của đồng khảo sát bằng TEM (a) nhãn trường sáng, (b) nhãn trường tối, (c) phân bố kích thước hạt.................................. 7 Hình 1.3. Tổ chức của thép cacbon cao 1,2 %C: (a) trạng thái tổ chức ban đầu; (b) sau SPD ở nhiệt độ phòng. ......................................................................... 8 Hình 1.4. Tổ chức na nô mét, tạo ra bởi biến dạng xoắn mãnh liệt trong Si: (a) nhãn trường sáng, (b) nhãn trường tối, (c) phân bố kích thước hạt .............. 8 Hình 1.5. Đặc trưng tổ chức tế vi của hỗn hợp Al6001 + 10 % Al203 sau khi biến dạng xoắn mãnh liệt ................................................................................... 9 Hình 1.6. Mô hình biến đổi của tổ chức khuyết tật ở những giai đoạn khác nhau trong quá trình SPD .................................................................................. 10 Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý của quá trình biến dạng xoắn dưới áp lực cao ................. 13 Hình 1.8. Kỹ thuật rèn khuôn kín tuần hoàn ............................................................. 15 Hình 1.9. Nguyên lý của rèn đa phương: (a), (b), (c) - sự bố trí và tác động quay dọc theo trục thứ nhất; (d), (e), (f) - sự bố trí và tác động quay dọc theo trục thứ hai; (g), (h), (i) - sự bố trí và tác động quay dọc theo trục thứ ba. ............................................................................................................ 15 Hình 1.10. Sơ đồ tiêu biểu của kỹ thuật ECAP ......................................................... 16 Hình 1.11. Kỹ thuật cán dính tích luỹ ...................................................................... 17 Hình 1.12. Lưu đồ xây dựng quy trình công nghệ gia công áp lực phi truyền thống.. 20 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. .................................................................... 23 Hình 2.2. Sơ đồ trạng thái ứng suất trong vùng biến dạng......................................... 24 Hình 2.3. Các sơ đồ vùng biến dạng và biểu đồ tốc độ (tốc đồ - hodograph) ............. 26 Hình 2.4. Sơ đồ vùng biến dạng và trường tốc độ khả dĩ trong trường hợp: a) lý tưởng và b) có ảnh hưởng của ma sát. ...................................................... 27 Hình 2.5. Sơ đồ ép chảy ngang: a) tiết diện không đổi; b) tiết diện thay đổi.............. 29 Hình 2.6. Sự phân bố áp lực trên bề mặt giữa kim loại và đáy khuôn tại vùng biến dạng, tính theo công thức (2.12). .............................................................. 31 Hình 2.7. Sơ đồ xác định áp lực kim loại lên khuôn.................................................. 32 x Hình 2.8. Sự phụ thuộc của độ xốp vào số lần ép: 1- / = - 3 và 2- / = - 2,65 tính cho trường hợp 2α = 900;  = 200; m = 1;  = 10-3; a = 0,05; 0 = 10-3; i = N.1,51. ....................................................................................... 42 Hình 2.9. Quá trình phân nhỏ hạt (a) và mô hình (b), biên hạt cản trở lệch khi kích thước hạt lớn và làm tăng tính dẻo khi kích thước hạt nhỏ. ....................... 44 Hình 2.10. Sơ đồ biểu thị thay đổi của tổng chiều dài biên hạt (a) và đường kính trung bình của hạt (b) được tính cho trường hợp C4 = 2,5, C3 = 5, v = 0,005, dc = 0,1; đường cong s1, d1 ứng với  = 0,05; s2, d2 ứng với  = 0,1. ........................................................................................................... 47 Hình 2.11. Ảnh hưởng của áp lực thủy tĩnh đến tổng chiều dài đường biên hạt (a) và đường kính trung bình của hạt (b), tính cho trường hợp C4 = 2,5, v = 0,005, dc = 0,1,  = 0,, trong đó, đường cong s1, d1 ứng với hệ số áp lực thủy tĩnh C3 = 2 và s2, d2 ứng với C3 = 10 ................................................. 48 Hình 2.12. Ảnh hưởng của khả năng tạo mầm biên hạt góc lớn của vật liệu đến tổng chiều dài biên hạt (a) và đường kính trung bình của hạt (b), với C4 = 2,5 cho đường cong s1 và d1 và C4 = 5 cho s2 và d2; với các thông số v = 0,005, dc = 0,1,  = 0,1. ......................................................................... 49 Hình 3.1. Sơ đồ ép ECAP (a) và sơ đồ biến dạng lưới của phôi (b): 1- phôi ép; 2chày; 3- khuôn trên; 4- khuôn dưới; 5- mạng lưới trong phôi trước và sau biến dạng. .......................................................................................... 52 Hình 3.2. Mô hình khuôn nhằm xác định lực ma sát và ứng suất thủy tĩnh khi ép cho phôi tròn (a) và phôi vuông (b). ......................................................... 54 Hình 3.3. Mô hình khuôn ghép có mặt phân khuôn đứng. ......................................... 55 Hình 3.4. Mô hình khuôn ghép hai kênh với phôi vuông. ......................................... 56 Hình 3.5. Ảnh minh họa kết cấu khuôn ghép: a- các miếng ghép; b- sơ đồ lắp ráp... 58 Hình 3.6. Vị trí các điểm được khảo sát trạng thái ứng suất - biến dạng.................... 58 Hình 3.7. Sự phụ thuộc vào hành trình ép của các lực tác dụng lên khuôn hai nửa: 1- lực tác dụng lên chày; 2- lực ma sát kênh vào; 3- lực biến dạng của phôi Ti. .................................................................................................... 61 Hình 3.8. Sự phụ thuộc vào hành trình ép của thành phần lực ma sát tại kênh ra (Px) khi ép nguội titan trong khuôn hai nửa. ............................................. 62 Hình 3.9. Sự thay đổi của lực tác dụng lên khuôn ghép: 1- lực chày ép; 2- lực tấm đáy cố định, trong trường hợp ép nguội titan, m = 0,2. ............................. 63 Hình 3.10. Lực tác dụng lên tấm trượt đứng (1) và tấm cố định sau (2), trường hợp ép nguội Ti trong khuôn ghép, m = 0,2, v = 2 mm/s .......................... 64 xi Hình 3.11. Sự thay đổi của lực tác dụng lên chày ép (1, 3) và tấm đáy (2, 4) trong đó: 1 và 2 là trường hợp m = 0,2; 3 và 4 khi m = 0,4. ............................... 64 Hình 3.12. Sự thay đổi của lực tác dụng lên các thành phần của khuôn ghép: 1chày; 2- tấm đáy; 3, 4 - tấm trượt đứng trái, phải; 5, 6- tấm cố định trước, sau trong trường hợp ép nguội Ti và điều kiện ma sát Amontons Coulomb f = 0,1. ...................................................................................... 65 Hình 3.13. Sự thay đổi của áp lực thủy tĩnh tại các điểm 1, 2, …7 phụ thuộc vào thời gian của quá trình (hành trình) trong điều kiện ép Ti; v = 2mm/s; m = 0,2; kênh ra cố định. .............................................................................. 65 Hình 3.14. Sự phân bố ứng suất trung bình trên bề mặt giữa khuôn và phôi. ............ 67 Hình 3.15. Sự phân bố ứng suất của bảy điểm trên mặt biên tiếp xúc giữa kim loại và tấm đáy khuôn: 1- ứng suất pháp tuyến σz; 2- ứng suất trung bình σtb . 68 Hình 3.16. Sự phân bố ứng suất pháp tuyến của bảy điểm trên mặt biên tiếp xúc giữa kim loại và tấm đứng sau: 1- σx; 2- σy; 3- σtb .................................... 69 Hình 3.17. Biểu đồ phân bố ứng suất trung bình trên bề mặt tiếp xúc giữa phôi và tấm đáy. ................................................................................................... 69 Hình 3.18. Một số khuyết tật trong ECAP ................................................................ 70 Hình 4.1. Hình ảnh và kích thước phôi tròn. ............................................................. 72 Hình 4.2. Hình ảnh và kích thước phôi vuông. ......................................................... 72 Hình 4.3. Ảnh tổ chức tế vi của: a) đồng Cu99,9 và b) hợp kim nhôm Al7075. ........ 73 Hình 4.4. Sơ đồ thiết kế (a), mô hình 3D (b) và ảnh (c) khuôn hai nửa. .................... 75 Hình 4.5. Mô hình 3D bộ khuôn ghép có cơ cấu đối áp ............................................ 77 Hình 4.6. Bản vẽ 3D mô tả các chi tiết chính của khuôn ghép. ................................. 77 Hình 4.7. Trường hợp lắp bộ khuôn ghép 90 độ không có góc nghiêng. ................... 80 Hình 4.8. Trường hợp lắp bộ khuôn ghép 90 độ có góc nghiêng ............................... 80 Hình 4.9. Trường hợp lắp bộ khuôn ghép 105 độ...................................................... 81 Hình 4.10. Máy ép thủy lực 60 tấn dùng trong thực nghiệm. .................................... 82 Hình 4.11. Thiết bị đo lực lắp đặt trên máy ép. ......................................................... 82 Hình 4.12. Sự thay đổi của lực ép Cu99,9, phụ thuộc vào hành trình trong các điều kiện: a) không có đối áp; b) đối áp q = 500 kG; c) đối áp q = 1.000kG. .................................................................................................. 84 Hình 4.13. Tủ sấy mẫu, máy mài và máy đánh bóng điện phân để làm mẫu TEM .... 86 Hình 4.14. Tạo mẫu thử kéo ..................................................................................... 87 xii Hình 4.15. Mẫu soi tổ chức kim tương. .................................................................... 87 Hình 4.16. Kính hiển vi điện tử truyền qua (a), hiển vi điện tử quét JSM 740F(b) và máy kéo nén vạn năng Shimadzu. ........................................................ 88 Hình 4.17. Đường cong thử kéo của các mẫu đồng Cu99,9 (a) và hợp kim Al7075 (b) sau các lần ép...................................................................................... 89 Hình 5.1. Sự phụ thuộc của hệ số trạng thái ứng suất vào ma sát và góc gấp lòng khuôn. ...................................................................................................... 93 Hình 5.2. Hình ảnh thực tế bộ khuôn ghép có cơ cấu đối áp. .................................... 95 Hình 5.3. Sự thay đổi của lực ép, phụ thuộc vào hành trình ECAP đối với đồng Cu99,9: a) đối áp q=1 tấn; b) đối áp q = 0,5 tấn; c) không có đối áp. ....... 97 Hình 5.4. Sự phụ thuộc của lực ép lớn nhất vào mức độ biến dạng. .......................... 98 Hình 5.5. Sự phụ thuộc của lực ép vào hành trình cho lần ép thứ nhất khi đối áp thay đổi. ................................................................................................... 99 Hình 5.6. Hình ảnh phôi Cu99,9 và Al7075 sau các lần ép ..................................... 101 Hình 5.7. Hình ảnh một số dạng sai hỏng. .............................................................. 101 Hình 5.8. Ảnh hưởng của đối áp đến chất lượng của phôi ép: a) ép không đối áp và b) ép có đối áp. ....................................................................................... 102 Hình 5.9. Ảnh hiển vi mẫu đồng Cu99,9 đã ủ, x200 và x500. ................................. 102 Hình 5.10. Ảnh hiển vi Cu99,9 đã ép 2 lần, x500 và x1000. ................................... 103 Hình 5.11. Ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược mẫu đồng Cu99,9 ép 4 lần. ............. 103 Hình 5.12. Ảnh TEM mẫu đồng Cu99,9 sau ép 4 lần. ............................................. 104 Hình 5.13. Mô hình hình thành tổ chức siêu hạt và các đường biên phân hạt. ......... 105 Hình 5.14. Sơ đồ mô tả lệch nêm được tạo bởi hiệu ứng của tập hợp lệch. ............. 106 Hình 5.15. Mặt phá hủy của Cu 99,99 đã ép 4 lần................................................... 106 Hình 5.16. Độ cứng của Cu99,9 và Al7075 sau các lần ép...................................... 107 Hình 5.17. Giới hạn chảy và giới hạn bền sau các lần ép Cu99,9 ............................ 107 Hình 5.18. Giới hạn chảy và giới hạn bền sau các lần ép Al7075............................ 108 xiii DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1. Thông số của vật liệu đồng, hợp kim nhôm và titan .................................. 59 Bảng 4.1. Thành phần hóa học hợp kim nhôm Al7075 (% khối lượng)..................... 72 Bảng 4.2. Thành phần hóa học đồng sạch Cu99,9 (% khối lượng) ............................ 73 Bảng 4.3. Độ cứng phôi Al7075 và đồng sau ủ. ........................................................ 73 Bảng 4.4. Lực ép (P, KN) phụ thuộc hành trình, không có đối áp ............................. 83 Bảng 4.5. Lực ép (P, KN) phụ thuộc hành trình, đối áp 5KN .................................... 83 Bảng 4.6. Lực ép (P, KN) phụ thuộc hành trình, đối áp 10 KN ................................. 84 Bảng 4.7. Mẫu thử kéo Cu 99,9 sau các lần ép ECAP khác nhau. ............................. 88 Bảng 4.8. Mẫu thử kéo hợp kim Al7075 khi đã qua số lần ép ECAP khác nhau. ...... 88 Bảng 4.9. Kết quả thử kéo mẫu đồng Cu99,9 sau ép ................................................. 89 Bảng 4.10. Kết quả thử kéo mẫu hợp kim nhôm Al7075 sau ép................................ 90 Bảng 4.11. Độ cứng mẫu đồng Cu99,9 ..................................................................... 91 Bảng 4.12. Độ cứng mẫu hợp kim nhôm Al7075 ...................................................... 91 Bảng 5.1. Sự phụ thuộc của giới hạn chảy vào hệ số trạng thái ứng suất. .................. 94 Bảng 5.2. So sánh áp lực ép tính toán, mô phỏng và thực nghiệm........................... 100 xiv DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên gọi Đơn vị Ứng suất pháp MPa x, y, z Ứng suất pháp theo các phương x, y, z MPa 1, 2, 3 Ứng suất chính MPa Ứng suất tiếp MPa Ứng suất tiếp theo các mặt MPa   xy, yz, zx Biến dạng dài - Biến dạng dài theo các phương x, y, z -  Biến dạng góc - p Áp lực kim loại lên dụng cụ MPa  Thành phần ứng suất thủy tĩnh MPa  x, y, z Tσ, Ts, Dσ  . Ten xơ ứng suất, Ten xơ cầu, Ten xơ lệch - Biến dạng tương đương s-1  Tốc độ biến dạng tương đương nσ Hệ số trạng thái ứng suất - n Chỉ số hóa bền biến dạng - K Mô đun hóa bền - k Trở lực biến dạng cắt MPa f Hệ số ma sát Coulomb - m Hệ số ma sát Zibel - Ψ Góc mở vùng biến dạng rad lptm Lập phương tâm mặt - lptk Lập phương tâm khối - spxc Sáu phương xếp chặt - xv Chữ viết tắt ARB Viết đầy đủ Kỹ thuật cán dính tích luỹ / Accumulative Roll Bonding BDD Biến dạng dẻo CCDF Kỹ thuật rèn khuôn kín lặp lại / Cyclic Closed-Die Forging CEC CFAE Kỹ thuật ép tuần hoàn / Cyclic Extrusion Compression Kỹ thuật đùn ép liên tục bằng ma sát / Continuous Frictional Angular Extrustion CG ECAE Hạt thô / Coase Grain Kỹ thuật đùn trong kênh gấp khúc tiết diện không đổi / Equal Channel Angular Extrusion / Pressing ECAP Kỹ thuật ép trong kênh gấp khúc tiết diện không đổi / Equal Channel Angular Pressing ECAR Kỹ thuật cán trong kênh gấp khúc thiết diện không đổi / Equal Channel Angular Rolling HPT Kỹ thuật xoắn dưới áp lực cao / High Pressure Torsion LFS Kỹ thuật chẻ dòng dọc / Linear Flow Splitting LXVM Lỗ xốp tế vi MDF Kỹ thuật rèn đa phương / Multi Directional Forging PTHH Phần tử hữu hạn RCS Kỹ thuật gấp và làm thẳng lặp lại / Repetitive Corrugating and Straightening SPD SE Biến dạng dẻo mãnh liệt / Severe Plastic Deformation Kỹ thuật đùn xoắn quanh trục / Spin Extrusion SEM Kính hiển vi điện tử quét / Scanning Electron Microscope SPTS Biến dạng dẻo xoắn mãnh liệt dưới áp lực / Severe Plastic Torsion Straining TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua / Transmission Electron Microscope VBD Vùng biến dạng VTT Vùng tích tụ (ứng suất dư) UFG Hạt siêu mịn / Ultra-fine grain xvi MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Hiện nay, sự xuất hiện của nhiều loại vật liệu có độ bền cao nhưng vẫn đủ dẻo đảm bảo tính gia công tốt đang đáp ứng nhu cầu phát triển các ngành công nghiệp cơ khí chế tạo hiện đại. Trong quá trình sản xuất ra nhiều loại vật liệu tiên tiến có đặc tính cơ lý cao hơn, các phương pháp gia công, xử lý nhằm thay đổi tổ chức tế vi theo hướng nâng cao tính chất cơ học, cải thiện đặc tính gia công cũng như tính năng sử dụng của vật liệu mang đã lại hiệu quả kinh tế rất cao. Trong số các phương pháp chế tạo và gia công vật liệu tiên tiến đã được nghiên cứu phát triển thì công nghệ tạo hình biến dạng vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn và na nô mét để nâng cao các tính chất cơ học là một trong những hướng mũi nhọn. Biến dạng dẻo ở trạng thái nguội thông thường có thể làm nhỏ hạt, tuy nhiên biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) kim loại và hợp kim với cường độ biến dạng cao và mức độ biến dạng lớn đạt được tổ chức hạt tinh thể mịn, siêu mịn và nanômét thể khối là loại công nghệ đặc thù đòi hỏi những điều kiện công nghệ phức tạp cần được nghiên cứu. Cho tới nay đã có nhiều công trình công bố về kết quả nghiên cứu quan hệ mật thiết giữa cấu trúc siêu mịn và na nô mét với các tính chất cơ - lý điển hình có được sau quá trình SPD. Cùng với nhiều kỹ thuật SPD đã được quan tâm ứng dụng, đa số các công trình công bố tập trung đề cập đến các hiện tượng đạt được về tính chất, tổ chức vật liệu. Trong phạm vi kỹ thuật tạo hình, các vấn đề về thiết bị, công nghệ đòi hỏi những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chuyên sâu để nghiên cứu mức độ biến dạng lớn, áp lực thủy tĩnh cao và ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng sản phẩm thu được, nhằm tiến tới áp dụng vào sản xuất. 2. Mục đích của luận án  Nghiên cứu quá trình ứng dụng phương pháp cơ học để chế tạo vật liệu khối có cấu trúc siêu mịn và na nô. 1  Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tạo hình trong công nghệ SPD; 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 của công nghệ SPD để làm các thí nghiệm trong luận án, có thể ép nhiều loại vật liệu với kích thước khác nhau. 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 nghiên cứu công nghệ ECAP-SPD.  Sự thay đổi tổ chức tế vi và tính chất cơ học vật liệu có cấu trúc lập phương tâm mặt, cụ thể là một số kim loại và hợp kim thông dụng như Cu99,9; Al7075 v.v. 3.2. Phạm vi nghiên cứu  Cơ sở lý thuyết tạo hình ứng dụng cho kỹ thuật 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  Nghiên cứu lý thuyết công nghệ SPD, bổ sung và làm sáng tỏ quá trình tạo hình vật liệu khi tiến hành SPD.  Tiến hành mô phỏng và thực nghiệm quá trình ECAP đối với mẫu ép là kim loại và hợp kim thông dụng.  Trên cơ sở tính toán thiết kế và mô phỏng để đưa ra các phương án kết cấu và giải pháp chế tạo hệ thống thiết bị khuôn ép và đồ gá phù hợp nhằm kiểm soát được 2 các thông số của quá trình công nghệ. Xây dựng quy trình công nghệ, vận hành và hoàn thiện hệ thống thiết bị thực nghiệm đã chế tạo.  Ứng dụng các thiết bị tạo mẫu, đo kiểm như máy đo độ cứng tế vi, máy kéo nén vạn năng, kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử để đánh giá tổ chức thu được sau ECAP. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5.1. Ý nghĩa khoa học  Hệ thống hóa và làm rõ công thức tính các thông số công nghệ cho từng trường hợp ECAP cụ thể.  Ứng dụng các mô hình có sẵn về quá trình phân hạt để so sánh kết quẩ nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trong công nghệ tạo hình. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn  Hệ thống thiết bị 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.  Nội dung khoa học của luận án có thể tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu 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 mét. 6. Kết quả đạt được và các đóng góp mới của luận án 1. Đưa ra và làm rõ công thức lý thuyết và xây dựng các công thức thực nghiệm để so sánh, tính toán các thông số tạo hình vật liệu. Áp dụng kỹ thuật cắt khuôn, ghép khuôn khác nhau trong thiết kế chế tạo và trong nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng số quá trình bằng phương pháp PTHH, cho phép phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của phôi và xác định các thành phần lực tác dụng lên các vùng tùy ý của khuôn. 3