Nghiên cứu công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt bằng phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục của rulo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BIẾN DẠNG DẺO MÃNH LIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP CÁN T

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BIẾN DẠNG DẺO MÃNH LIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP CÁN TÍCH HỢP DAO ĐỘNG DỌC TRỤC CỦA RULO

MÃ SỐ: T2014-30TĐ

Tp Hồ Chí Minh, 2014

S 0 9

S KC 0 0 4 8 1 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ MÁY

BÁO CÁO T ỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

Ch ủ nhiệm đề tài: TS Phạm Huy Tuân Thành viên đề tài: ThS Trần Quốc Cường

1.3 Các hiện tượng và các yếu tố ảnh hưởng đến độ hạt của kim loại khi gia công 14

CHƯƠNG 2 CÁC MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ THÔNG SỐ TRONG QUÁ

2.2.3 Các thông số nhiệt và các thông số khác 29

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG FEM CHO BƯỚC CÁN

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN QUA BƯỚC CÁN ĐẦU TIÊN 34

CHƯƠNG 5 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG FEM VÀ KẾT QUẢ THẢO

PHỤ LỤC 1 Ví dụ về “mô phỏng cán 2D” với Abaqus/Explicit 60

PHỤ LỤC 3 Bài báo tham dự hội nghị, tạp chí trong và ngoài nước 64 PHỤ LỤC 4 Bản sao thuyết minh đề tài đã được phê duyệt 65

Trang ii

DAN H SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

SPD : Severe Plastic Deformation

ECAP : Equal Channel Angular Pressing

HTP : High-pressure torsion

RCS : Repetitive Corrugation and Straightening

ECAR : Equal Channel Angular Rolling

ECAP-Comform: Equal Channel Angular Pressing-Conform

HRDSR : High-Ratio Differental Speed Rolling

TWVR : Through-Width Vibration Rolling

ASTM : American Society for Testing and Materials

Trang iii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp gia công áp lực truyền thống 2

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD nhóm thứ nhất (a) ECAP; (b) HPT 3

Hình 3 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD trong nhóm hai 4

Hình 4 Quá trình cán tích h ợp dao động ngang của trục cán (TWVR) 7

Hình 5 Quá trình th ực nghiệm TWVR 8

Hình 6 S ự biến thiên độ bền trong phương pháp TWVR 8

Hình 1 1 Ảnh hưởng của lệch trong các hạt có kích thước khác nhau đến độ bền của vật liệu 13

Hình 1 2 Sai l ệch điểm trong mạng tinh thể 14

Hình 1 3 L ệch trong mạng tinh thể 15

Hình 1 4 Sai l ệch mặt trong mạng tinh thể 16

Hình 1 5 Giao di ện làm việc của Abaqus 6.10 (2010) 21

Hình 1 6 Sơ đồ khối thông tin yêu cầu của phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus 22

Hình 2 1 Mô hình hình h ọc của TWVR 24

Hình 2 2 Sơ đồ mô hình nhiệt và điều kiện biên nhiệt của quá trình TWVR 26

Hình 2 3 Các đường cong ứng suất-biến dạng của Al 5052 trong TWVR 29

Hình 3 1 B ản vẽ 2D cho bước cán đầu tiên 31

Hình 3 2 Phôi được chia (a) 1800 phần tử; (b) 5120 phần tử; (c) 19200 phần tử 32

Hình 3 3 Mô hình 3D hoàn ch ỉnh ở bước cán đầu tiên 33

Hình 4 1 S ự phân bố biến dạng dẻo tương đương 35

Hình 4 2 Bi ến dạng dẻo tương đương của thớ phôi nằm giữa phôi khi cán qua bước đầu tiên 39

Hình 4 3 Đồ thị PEEQ max qua bước cán đầu tiên 40

Trang iv

Hình 4 4 Đồ thị kết quả sự giãn rộng của phôi cán qua bước cán đầu tiên 41

Hình 4 5 Nhi ệt độ phôi khi cán qua bước đầu tiên ứng với các biên độ dao động 45

Hình 4 6 K ết quả nhiệt độ qua bước cán đầu tiên 46

Hình 5 1 B ản vẽ 2D cho bốn bước cán 47

Hình 5 2 Mô hình 3D hoàn ch ỉnh qua bốn bước cán 48

Hình 5 3 Đồ thị kết quả sự giãn rộng của phôi cán qua bốn bước cán 49

Hình 5 4 K ết quả nhiệt độ phôi qua bốn bước cán 50

Hình 6 1 K ết quả biến dạng dẻo tương đương trường hợp biên độ dao động trục cán dưới là 1,5 mm: (a) phương pháp TWVR; (b) phương pháp mới 54

Hình 6 2 K ết quả nhiệt độ của phôi trường hợp biên độ dao động trục cán dưới 55

Trang v

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2 1 Mô đun đàn hồi E, hệ số Poisson ν của Al 5052 29

Bảng 2 2 Các thông số nhiệt và các thông số khác của Al 5052 30

Trang vi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PH Ố HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ MÁY

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp HCM, ngày 7 tháng 11 năm 2014

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt bằng phương pháp

cán tích hợp dao động dọc trục của rulo

- Mã số: T2014-30TĐ

- Chủ nhiệm: TS Phạm Huy Tuân

- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

- Thời gian thực hiện: 12 tháng (từ tháng 11/2013 đến tháng 11/2014)

2 M ục tiêu:

— Nghiên cứu phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để kiểm chứng với thực nghiệm nhằm tìm hiểu các tác động cơ-nhiệt đã xảy ra trên phôi

— Mục tiêu của đề tài nhằm giải thích hiện tượng biến thiên độ bền của vật liệu theo

sự gia tăng biên độ dao động của trục cán Từ đó đưa ra các đề nghị cải tiến công nghệ bao gồm cả về mặt thiết bị cũng như các thông số gia công cho công nghệ gia công biến dạng dẻo mãnh liệt TWVR

1 Tính m ới và sáng tạo:

— Công nghệ gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) với mục đích tạo ra kim loại

có hạt siêu mịn nhằm làm tăng độ bền nhưng không làm giảm độ dai va đập đang nhận được rất nhiều sự quan tâm từ các nhà công nghiệp Một trong những công nghệ SPD vừa mới được nghiên cứu là công nghệ cán có tích hợp dao động dọc trục của rulo (TWVR) Những thực nghiệm ban đầu của công nghệ này chứng minh rằng độ bền kéo của kim loại có thể tăng 18,5% so với phương pháp cán truyền thống Đây là một con số rất đáng quan tâm để có thể đầu tư thêm công sức nhằm nghiên cứu hoàn thiện công nghệ gia công kim loại này hướng đến mục tiêu chuyển giao công nghệ cho các nhà máy

2 K ết quả nghiên cứu:

Trang vii

— Đề tài đã nghiên cứu phân tích kỹ mô hình lý thuyết kết hợp mô phỏng giúp giải thích hiện tượng biến thiên độ bền khi các thông số gia công thay đổi

— Kết quả nghiên cứu giúp cho việc chọn lựa các thông số công nghệ tối ưu hơn khi gia công với các loại vật liệu khác nhau cũng như đã đề xuất thêm những phương pháp gia công SPD mới có thể tiến hành trong tương lai

3 Sản phẩm:

3.1 Sản phẩm khoa học

[1] Huy-Tuan Pham, Quoc-Cuong Tran, Dung-An Wang, Numerical Analysis of

Conference on Sustainable Energy, Ho Chi Minh University of Technology,

pp 102-107, 2013

[2] Pham H.T., Tran Q.C, Wang D.A., Numerical Analysis of the Through-Width Vibration Rolling Process, International Journal of Advanced Transport

Phenomena, Vol 02, No 01, Jan-Dec 2013, pp 21-24

[3] Pham H.T., Tran Q.C., Recent Development for Industrial-Scale Plastic

Technology and Sustainable Development (GTSD2014), HCM city University

of Technology and Education, Oct 30th – 31st, HCM city, Vietnam, pp

151-156, 2014

Biến Dạng Và Trao Đổi Nhiệt Của Công Nghệ Cán Tích Hợp Dao Động Dọc Trục Của Trục Cán, Tạp chí Khoa học & Công nghệ các trường ĐHKT

(Submitted)

3.2 S ản phẩm đào tạo:

Hướng dẫn thành công 1 học viên cao học

— Tên học viên: Trần Quốc Cường

— Ngành : Kỹ thuật cơ khí Khóa: 2012-2014(B)

— Tên đề tài : “Nghiên cứu công nghệ SPD sử dụng phương pháp cán tích hợp

dao động dọc trục của trục cán bằng FEM”

— Điểm : 8.8 (Tám tám)

3.3 Sản phẩm ứng dụng

— Sản phẩm ứng dụng là bộ code mô phỏng quá trình cán có tích hợp dao động doc

trục của rulo bằng phần mềm ABAQUS

6 Hi ệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

Trang viii

— Đề tài là kết quả hợp tác giữa hai nhóm nghiên cứu của trường Đại học Sư Phạm

Kỹ Thuật TP.HCM và nhóm nghiên cứu của Giáo sư Wang Dung-An trường National Chung Hsing University, Đài Loan Mô hình máy thí nghiệm và các kết quả thực nghiệm được tiến hành tại Đài Loan

— Trong tương lai để có thể chủ động hơn trong việc chuyển giao công nghệ, cần tìm kiếm thêm nguồn quỹ nghiên cứu để lắp đặt một hệ thống máy cán theo công nghệ TWVR tại Việt Nam

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Numerical Analysis of the Through-Width Vibration Rolling

Process

Coordinator: Pham Huy Tuan (Ph.D.)

Implementing institution: HCMC University of Technology and Education Duration: from November 2013 to November 2014

2 Objective(s):

— The through-width vibration rolling (TWVR) process, a novel severe plastic deformation (SPD) technique, is numerically analyzed to verify the experimental results from previous published papers

— The aim of the research is to understand the thermal-deformation interaction occurring inside the sample This result is then used to explain the nonlinear variation of the tensile strength when the processing parameters are changed The result of the research could be used as an orientation method to optimize the TWVR processing parameters

3 Creativeness and innovativeness:

— Severe plastic deformation is a technology that can introduce ultrafine-grains (UFG) in materials UFG is an approach to produce high strength metal alloys which is sufficient in improving mechanical properties of many metallic alloys The early experimental results of the most recently studied through-width vibration rolling have shown that the tensile strength could be improved 18,5% compared with the conventional rolling process This interesting improvement is worth to invest more time and effort on this process before it could be transferred

to industrial manufacturers

4 Research results:

— The correlation among the plastic deformation, heat generation and dissipation and mechanical properties of Al 5052 alloys processed by a multi-pass TWVR was studied by the coupled thermal-deformation analysis

Trang x

— The results of this research offer a virtual manufacturing tool to investigate all the nonlinear properties of TWVR It is supposed to reduce the cost of tooling, eliminate the need for multiple physical prototypes, and reduce material waste

5 Products:

5.1 Science product

[1] Huy-Tuan Pham, Quoc-Cuong Tran, Dung-An Wang, Numerical Analysis

of the Through-Width Vibration Rolling Process, The 3 rd International Conference on Sustainable Energy, Ho Chi Minh University of Technology, pp 102-107, 2013

[2] Pham H.T., Tran Q.C, Wang D.A., Numerical Analysis of the

Through-Width Vibration Rolling Process, International Journal of Advanced

Transport Phenomena, Vol 02, No 01, Jan-Dec 2013, pp 21-24

[3] Pham H.T., Tran Q.C., Recent Development for Industrial-Scale Plastic

Deformation Processes, The 2014 International Conference on Green

Technology and Sustainable Development (GTSD2014), HCM city University of Technology and Education, Oct 30th – 31st, HCM city,

Vietnam, pp 151-156, 2014

Trình Biến Dạng Và Trao Đổi Nhiệt Của Công Nghệ Cán Tích Hợp Dao

Động Dọc Trục Của Trục Cán, Tạp chí Khoa học & Công nghệ các trường

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

— The research is a co-operation between two research groups from HCMC University of Technology and Education and National Chung Hsing University, Taiwan The experiment prototype and machine is installed in Taiwan

— In the future, it is expected that this machine can be built in Vietnam in order to investigate some more processing parameters to perfect this technology

Trang xi

PHẦN A TỔNG QUAN

1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

1.1 Các phương pháp gia công áp lực truyền thống

Gia công kim loại bằng áp lực thực chất là lợi dụng tính dẻo của kim loại để làm thay đổi hình dạng, kích thước của kim loại dưới tác dụng của ngoại lực So với phương pháp đúc, gia công biến dạng kim loại tạo ra sản phẩm có độ bền cao hơn, chịu lực tốt hơn, độ chính xác, độ nhẵn bóng bề mặt cao hơn, tiết kiệm kim loại và năng suất lao động cao hơn (Nguyễn Văn Thái, 2006) Trong năm 2012, sản phẩm thép chưa qua gia công toàn cầu đạt 1,54 tỷ tấn (http://www.worldsteel.org) Điều này kéo theo việc sử dụng một số lượng lớn các phương pháp gia công cho các loại vật liệu nói chung và thép nói riêng Các phương pháp gia công này bao gồm đúc, rèn, hàn… Tuy nhiên, có thể thấy rằng hơn 70% các sản phẩm kim loại được sản xuất bởi công nghệ cán ở dạng này hoặc dạng khác Vì vậy, có thể thấy tầm quan trọng đặc biệt của các công nghệ cán sử dụng cho việc tạo hình kim loại (Hailiang et al., 2013) Sơ đồ nguyên lý các phương pháp gia công áp lực truyền thống được thể hiện trong Hình 1

(a) (b) (c)

1

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp gia công áp lực truyền thống

(a) cán; (b) kéo; (c) ép trực tiếp và gián tiếp; (d) rèn khuôn; (e) dập; (f) chồn Nguồn: (Nguyễn Văn Thái, 2006; Võ Trần Khúc Nhã (biên dịch), 2007)

Sau khi qua các phương pháp gia công áp lực truyền thống để tạo hình và phôi thì kim loại có xu hướng biến cứng, hóa bền nhưng độ dẻo và độ dai bị giảm hay có xu hướng biến giòn (Nghiêm Hùng, 2010) Vì vậy, hiện nay trên thế giới cũng như ở nước ta đã và đang nghiên cứu công nghệ mới để tạo ra vật liệu có độ bền cao nhưng không làm giảm độ dai của vật liệu Đó là công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt

1.2 Các phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (severe plastic deformation – SPD)

Các phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) được định nghĩa là các quá trình gia công kim loại với biến dạng dẻo rất lớn để tạo ra kim loại có hạt siêu mịn (kích thước hạt trung bình nhỏ hơn 1 μm) Mục đích của các phương pháp SPD cho việc tạo ra kim loại có hạt siêu mịn là sản xuất ra các chi tiết có khối lượng nhẹ hơn do đặc tính độ bền cao của nó và sự thân thiện với môi trường Các hạt có kích thước nhỏ làm cho độ bền kéo tăng lên mà không làm giảm độ dai va đập của kim loại, điều này khác so với các phương pháp hóa bền như là xử lý nhiệt (Azushima et al., 2008)

Các quá trình gia công SPD có thể được chia thành hai nhóm chính Nhóm thứ nhất bao gồm các phương pháp SPD cho quá trình gia công các kim loại khối không liên tục như: ép kim loại qua qua góc kênh không đổi (Equal Channel Angular Pressing, ECAP) được đưa ra đầu tiên bởi Segal (1977) và sau đó Valiev, Krasilnikov

và Tsenev (1991) đề xuất phương pháp xoắn kim loại dưới áp lực cao (High-pressure torsion, HTP) Nhóm thứ hai bao gồm các phương pháp SPD cho việc gia công liên

2

tục kim loại tấm như là: cán dính tích lũy (Accumulative Roll-Bonding, ARB) được nghiên cứu bởi Saito et al (1998), quá trình lặp lại gấp nếp và nắn thẳng kim loại (Repetitive Corrugation and Straightening, RCS) được khám phá bởi Huang et al (2001), cán kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Channel Angular Rolling, ECAR) của Lee et al (2003), quá trình tương ứng ép kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Channel Angular Pressing-Conform, ECAP-Comform) của Raab et al (2004), cán kim loại với vận tốc hai trục cán khác nhau với tỷ lệ cao (High-Ratio Differental Speed Rolling, HRDSR) của Kim et al (2006) và phương pháp gần đây nhất là cán kim loại

với sự tích hợp dao động dọc trục của trục cán (Through-Width Vibration Rolling, TWVR) của Hsieh et al (2009, 2012)

(a) (b)

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD nhóm thứ nhất (a) ECAP; (b) HPT

Ngu ồn: (Segal, 1977; Valiev, Krasilnikov và Tsenev, 1991)

Nguyên lý gia công của hai phương pháp trong nhóm thứ nhất được thể hiện trong Hình 2 ECAP (Hình 2(a)) là phương pháp đầu tiên của SPD được đưa ra để sản xuất các vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn và đã thu hút được sự nghiên cứu của các nhà khoa học trong những năm gần đây (Valiev et al., 2000; Kim et al., 2004; P.Quang et al., 2009) Trong quá trình ECAP, kim loại được ép qua hai kênh có tiết diện mặt cắt không đổi và giao nhau với một góc Φ Kim loại bị biến dạng mãnh liệt do bị biến

dạng cắt tại khu vực giao nhau của hai kênh (khu vực ABC với góc khuôn Ψ) Trong phương pháp HPT (Hình 2b), kim loại bị nén với áp lực cao đến vài GPa và đồng thời

bị biến dạng xoắn Có thể thấy rằng hai phương pháp này có thể tạo ra được vật liệu

3