Nhờ có đặc thù riêng của quá trình biến dạng trong điều kiện áp lực thủy tĩnh mà phương pháp SPD có thể tạo nên một độ biến dạng lên đến 800 – 900% mà không gây phá hủy vật liệu.. Kích t
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM
TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA Khoa Công nghệ vật liệu
Bộ môn kim loại hợp kim
- -Tiểu luận môn Cán kéo và ép kim loại
Đề tài: Công nghệ SPD
Nhóm sinh viên thực hiện:
Cái Hữu Thùy Vy – V0904819 Dương Minh Trung – V0902963 Nguyễn Chí Trung – V0904723
Trang 2TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SPD
1 Giới thiệu về vật liệu siêu mịn:
Vật liệu siêu mịn (Ultrafine-grained material - UFG) là 1 loại vật liệu đa tinh thể với các hạt có kích thước rất nhỏ nằm trong khoảng 100nm–1000nm Nhờ vào kích thước hạt siêu mịn, đặc tính của vật liệu UFG đã có những biến đổi mang tính đột biến và có
ý nghĩa lớn trong việc nâng cao cơ tính của vật liệu
Phương trình Hall-Petch đã chỉ ra mối liên hệ giữa kích thước hạt và độ bền của vật liệu đa tinh thể như sau:
y = o + kd-1/2
Trong đó y: ứng suất chảy của vật liệu
o: hằng số vật liệu hay ứng suất ban đầu, mô tả sự cản trở của mạng tinh thể với chuyển động lệch
k: hằng số dẽo, thể hiện vai trò của biên hạt
Theo phương trình trên, ứng suất chảy tăng với sự giảm căn bậc 2 của kích thước hạt Việc giảm kích thước hạt dẫn đến tăng độ bền kéo mà không làm giảm tính dai, khác với các phương pháp hóa bền khác như nhiệt luyện
Hình 1: Sự thay đổi giới hạn bền uốn, mô đun Weibull, độ cứng, tốc độ mòn vào kích thước hạt WC-Co.[1],tr21
2 Tổng quan về phương pháp SPD:
Hiện tại có rất nhiều phương pháp để làm giảm kích thước hạt Theo các kết quả nghiên cứu, các quá trình biến dạng đặc biệt là biến dạng ở nhiệt độ thấp đều làm giảm kích thước hạt (cán, rèn, đùn…) Tuy nhiên các quá trình biến dạng thông thường này
Trang 3chỉ có thể tạo nên độ biến dạng 80 – 90%, nếu ta tiếp tục cho gia tăng biến dạng sẽ gây
ra các vết rạn nứt tế vi bên trong vật liệu và dẫn đến phá hủy vật liệu Mặt khác khi ta thực hiện nhiều lần cán, kéo, ép… để gia tăng biến dạng thì kích thước tiết diện sản phẩm trở nên rất nhỏ do đó không phù hợp để sử dụng trong các chi tiết kết cấu
Để khắc phục vấn đề trên, các nhà khoa học trên Thế Giới đã nghiên cứu ra một phương pháp làm nhỏ hạt mới đó là Severe Plastic Deformation (SPD) Nhờ có đặc thù riêng của quá trình biến dạng trong điều kiện áp lực thủy tĩnh mà phương pháp SPD có thể tạo nên một độ biến dạng lên đến 800 – 900% mà không gây phá hủy vật liệu Và phương pháp SPD vẫn có thể tạo nên một lượng biến dạng cực lớn mà không làm thay đổi tiết diện sản phẩm
Kích thước hạt của vật liệu sau khi được chế tạo bằng phương pháp SPD thông thường nhỏ hơn 1 μm, tuỳ thuộc vào việc sử dụng các kỹ thuật khác nhau sẽ cho các kích thước hạt khác nhau
Kim loại có hạt siêu mịn tạo bởi phương pháp SPD thể hiện độ bền cao, tới mức có thể được dùng như là kim loại có độ bền cực cao cùng khả năng tương thích với môi trường tốt
Việc nghiên cứu về vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn được chế tạo bằng kỹ thuật biến dạng dẽo mãnh liệt SPD đang phát triển với một tốc độ ngày càng tăng Trọng tâm của các nghiên cứu hiện nay là tìm hiểu các tính chất của mẫu vật liệu dạng khối lớn của các kim loại và các hợp kim thông dụng Hướng sản xuất quy mô lớn đang phát triển, mặc dù chậm hơn, nhưng rất cần được quan tâm
3 Ứng dụng của vật liệu UFG sau khi tiến hành SPD:
Mục đích của phương pháp SPD là tạo ra các sản phẩm, chi tiết bằng kim loại có khối lượng nhẹ, độ bền cao và tương thích với môi trường So với phương pháp luyện kim bột, phương pháp SPD cho phép tạo ra vật liệu nano có độ sạch cao hơn và có thể ứng dụng cho qui mô công nghiệp
Các loại bu lông làm từ hợp kim titan qua quá trình ECAP được sử dụng rộng rãi trong công nghệ chế tạo ôtô và máy bay Các loại đai ốc siêu nhỏ chế tạo từ thép cacbon UFG sau khi ECAP
Một số hình ảnh về sản phẩm sử dụng vật liệu UFG sau khi qua SPD:
2
Trang 4Hình 2: Bu lông đai ốc độ bền cao bằng hợp kim Ti[4],tr45
Hình 3: Hình dáng bên ngoài và mặt cắt của bu lông siêu nhỏ làm từ thép cacbon UFG.[5],tr31
Hình 4: Bề ngoài của chi tiết kiểu “Piston” sản xuất từ vật liệu nano Al1420.[6],tr7
Hình 5 : Tấm implants làm từ vật liệu Ti nano.[4],tr23.
Trang 54 Các phương pháp SPD:
Phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) được định nghĩa là quá trình tạo hình kim loại với mức độ biến dạng dẻo lớn được đặt vào trong kim loại dạng khối để tạo
ra kim loại có kích thước hạt siêu mịn Mục đích chính của phương pháp SPD là tạo chi tiết có độ bền và nhẹ tương thích với môi trường So với phương pháp luyện kim bột, phương pháp SPD cho phép tạo ra vật liệu nano có độ sạch cao hơn và có thể ứng dụng cho qui mô công nghiệp
Trong phương pháp SPD, kim loại và hợp kim được biến dạng dẻo mãnh liệt bằng nhiều kỹ thuật khác nhau Các kỹ thuật thường dùng là kỹ thuật ép qua kênh có tiết diện không đổi (ECAP); kỹ thuật xoắn dưới áp lực cao (HPT); kỹ thuật cán dính tích lũy (ARB); kỹ thuật rèn đa chiều (MF); kỹ thuật kéo nén chu kì (CEC)…
4.1 Các kỹ thuật chính trong phương pháp SPD:
a) Kỹ thuật ép trong kênh gấp khúc tiết diện không đổi (ECAP):
Phương pháp ECAP được biết đến lần đầu tiên vào năm 1977, phương pháp này được nghiên cứu bởi nhà khoa học người Nga Segal ECAP là một trong những kỹ thuật thích hợp cho phép tạo được vật liệu nano để nâng cao cơ tính cho kim loại giòn và kém bền như Titan có kích thước hạt siêu mịn và có thể phát triển ở quy mô công nghiệp
Ưu điểm lớn nhất của kỹ thuật ECAP là cho phép chế tạo mẫu với kích thước lớn, tính kinh tế và công nghệ cao – dễ thực hiện Trong phương pháp này, biến dạng được tạo thành bằng cách lặp đi lặp lại quá trình ép vật liệu trong kênh gấp khúc Vì tiết diện kênh không đổi nên tiết diện phôi ban đầu cũng không thay đổi do đó sản phẩm cuối cùng có cấu trúc tương đối đồng nhất và không có hiện tượng rỗ xốp
Hình 6: Sơ đồ minh họa kỹ thuật ECAP.[3],tr15
4
Trang 6Một số kỹ thuật ECAP thông thường được sử dụng như kỹ thuật đùn mặt Trong kỹ thuật đùn mặt, quá trình gia công với biến dạng trượt thuần túy có thể lặp lại trong vật liệu, vì thế cường độ biến dạng dẻo lớn được sinh ra bên trong vật liệu mà không làm thay đổi kích thước mặt cắt ngang của phôi Những kỹ thuật này còn có tên là ECAE – đùn trong kênh gấp khúc có tiết diện không đổi hoặc ECAP
Kỹ thuật ECAP sử dụng khuôn có thiết kế với hai thông số hình học đặc trưng là góc
kênh và góc lượn , trong đó góc kênh là góc giao nhau giữa hai kênh và góc
lượn là góc biểu thị phần cung ngoài nối giữa hai rãnh giao nhau của kênh kép trong khuôn
Độ biến dạng tương đương εN sau N lần ép được xác định bởi công thức:
1
Trong đó ε là tổng biến dạng, Ψ là góc lượn ngoài của kênh, Φ là góc kênh
Hình 7: Sơ đồ minh họa kỹ thuật ECAE.[3],tr55
Kỹ thuật ECAP cũng tương tự kỹ thuật đùn mặt nhưng ở đây mẫu được ép một phía (từ trên xuống) qua 2 kênh có tiết diện không đổi
Kênh bị uốn cong qua một góc 90o, mẫu đưa vào trong kênh và được ép qua khuôn bằng một chày ép Trong kỹ thuật này mẫu được ép nhiều lần theo những lộ trình khác nhau Ở đây có bốn lộ trình cơ bản trong kỹ thuật ECAP Trong lộ trình A, mẫu được
ép mà không xoay; trong lộ trình BA mẫu bị xoay 90o qua lại giữa các lần ép liên tiếp; trong lộ trình BC mẫu bị xoay 90o theo chiều kim đồng hồ sau mỗi lần ép; trong lộ trình C mẫu bị xoay 180o sau mỗi lần ép
Trang 7Hình 8: Các lộ trình ép cơ bản trong ECAP.[4],tr22
Hiện tại phương pháp ECAP được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu cải tiến thành nhiều dạng như: ECAD, ECAR, ECAE, I-ECAP…
Dựa trên kỹ thuật ECAP thông thường, các cải tiến nhằm đạt được cấu trúc nano tốt hơn được nghiên cứu Cải tiến đầu tiên là sử dụng áp suất ngược (back – pressure) trong khuôn ECAP để tạo biến dạng trượt lớn, ngăn sự hư hỏng của phôi và tăng lượng tổng biến dạng lên sau từng lần ép
Với cùng nguyên lý hoạt động như kỹ thuật ECAP, người ta cải tiến bằng cách giảm số lần lặp lại việc ép mẫu trong khuôn bằng việc tăng số lần gấp khúc của kênh trong khuôn (hình 1.5) Sử dụng kênh gấp khúc hai lần, biến dạng trong một lần ép đạt được gấp đôi và năng suất của kỹ thuật ECAP tăng lên Ép theo hai hướng khác nhau với năng lượng của chày ép bằng nhau có thể được sử dụng cho các quá trình lặp lại Trong quá trình này, tổng biến dạng tăng 2, 3 lần sau một lần ép
6
Hình 9: Mô tả sơ đồ kỹ thuật ECAP với
áp suất ngược.[4],tr23
Hình 10: Sơ đồ mô tả kỹ thuật ECAP với kênh được gấp khúc 2 lần.[4],tr26
Trang 8Ngoài ra còn có thể sử dụng khuôn xoay (rotary – die) để loại bỏ những hạn chế trong
kỹ thuật ECAP thông thường (như mẫu phải được đẩy ra khỏi khuôn và được chèn lại sau mỗi giai đoạn) Khuôn bao gồm hai kênh với cùng tiết diện, tại tâm chỗ giao nhau
sử dụng góc phù hợp Ở lần đầu tiên, mẫu được đưa vào khuôn bằng một chày dập như hình 11(a), và sau khi ép mẫu như trong hình 11(b), khuôn được xoay 90o, và mẫu được ép lại lần nữa như hình 11(c) Bằng cách sử dụng dụng cụ ECAP này, mẫu có thể được ép bằng chày A với áp suất ngược từ chày B, tương tự như việc sử dụng áp suất ngược
Hình 11: Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật ECAP sử dụng khuôn xoay.[4],tr33
b) Kỹ thuật xoắn ép áp lực cao (HPT):
Kỹ thuật HPT được phát minh bởi Valiev vào năm 1989, trong phương pháp này, một đĩa rất mỏng bị ép trong khuôn kín bởi áp suất cực cao, lực xoắn từ chày ép tác động vào bởi ma sát tiếp xúc tại bề mặt giữa chày và đĩa
Hình 12: Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật HPT.[4],tr45
Trang 9Nguyên lý của kỹ thuật HPT được thể hiện trong hình 12 Mẫu dùng để thử nghiệm có đường kính 10 mm, bề dày 0,8 mm và kích thước hạt ban đầu khoảng 50 μm Dụng cụ gồm 2 phần gồm đe trên và đe dưới được làm bằng thép dụng cụ có độ bền cao với bề mặt rãnh hình trụ (có đường kính 10 mm và sâu 0,25 mm) được nitrat hóa và gia công cẩn thận ở trung tâm mỗi đe Mẫu được đặt trong rãnh này và được bôi trơn bằng MoS2 Khi áp tải vào, mẫu thí nghiệm có sự thay đổi nhỏ về chiều dày (khoảng 0,78 mm) Quá trình sản xuất bằng kỹ thuật HPT được tiến hành ở nhiệt độ phòng bằng cách xoay đe dưới với tốc độ 1 vòng/phút so với đe trên, và dưới tải đặt vào 470 kN tương ứng với áp lực đưa vào P = 6,0 GPa
Đối với hợp kim Al – Mg – Sc, một vài mẫu bị biến dạng xoay 5 lần và những mẫu khác được biến dạng xoay 1 lần theo hướng tiến về phía trước và 2 lần xoay ngược chiều Đối với Cu nguyên chất, tất cả các mẫu được biến dạng xoay 5 lần theo cùng một hướng
Nhược điểm của phương pháp này là mẫu ép ở dạng đĩa nhỏ và không thích hợp sản xuất các vật liệu lớn dạng khối
Biến dạng khi xoắn được tính theo công thức:
, ( ) 3
y r n
t
π
Trong đó r: khoảng cách từ trục của mẫu
n: tốc độ quay
t: độ dầy của mẫu
Dựa trên kết quả của các nghiên cứu trước đây, các nghiên cứu hiện tại về HPT đã chú trọng vào hai chủ đề đặc biệt là sự ảnh hưởng của hướng biến dạng xoắn đến sự hình thành cấu trúc micro và tiềm năng sử dụng kỹ thuật HPT trong phương pháp SPD
c) Kỹ thuật cán dính tích lũy (ARB):
Kỹ thuật ARB được Saito và công sự phát minh vào năm 1998 Nguyên lý của quá trình này là lặp đi lặp lại quá trình cán dính truyền thống các tấm kim loại được chồng lên nhau Cụ thể là ta đặt hai tấm kim loại đã được xử lý sạch bề mặt lên nhau, sau khi qua quá trình cán thông thường hai tấm sẽ dính chặt vào nhau Tiếp theo tấm kim loại
sẽ được cắt làm đôi theo chiều dài, đem đi xử lý sạch bề mặt, đặt chồng lên nhau và cán tiếp lần nữa Việc làm trên sẽ được lặp đi lặp lại nhiều lần không giới hạn và sẽ đat được lượng biến dạng rất lớn
8
Trang 10Hình 13: Sơ đồ nguyên lý
[4],tr47
Biến dạng của quá trình ARB sau n chu kỳ có thể được tính như sau:
0
ln( ) 1 1
t
r r
t
Trong đó to: bề dày ban đầu của các tấm kim loại đặt lên nhau
t: bề dày của tấm kim loại sau khi cán dính
r: độ giảm bề dày sau mỗi lần cán
Mục đích của các nghiên cứu hiện tại về kỹ thuật ARB là để tạo ra tấm thép dạng khối
có cấu trúc hạt siêu mịn Vì những tấm thép này hầu hết là vật liệu kết cấu đòi hỏi phải
có hạt cực mịn để làm tăng độ bền của thép, đồng thời giảm trọng lượng trong các công trình xây dựng mà không cần phải thêm các nguyên tố hợp kim Đây là một ưu điểm giúp cho việc tái chế thép phế liệu tốt hơn
Ngoài 3 kỹ thuật chính trên, các nhà khoa học còn phát minh ra nhiều kỹ thuật khác như:
Kỹ thuật gấp và làm thẳng lập lại
4ln
3
r t r t
Trang 11Kỹ thuật rèn ép liên tục trong khuôn kín (CCDF).
ln ( / )
2
3
H W
ε =
Kỹ thuật đùn nén liên tục (CEC)
4 ln D
d
ε = π ÷
Kỹ thuật rèn đa chiều (MDF)…
4.2 Tính chất của vật liệu sau khi thực hiện SPD:
Kim loại sau khi thực hiện quá trình SPD thường có cấu trúc hạt siêu mịn mà các phương pháp xử lý cơ nhiệt truyền thống không thể nào đạt được Và như vậy, vật liệu kim loại SPD thể hiện các tính chất độc đáo và tuyệt vời như có độ bền rất cao so vật liệu truyền thống với kích thước hạt thô, và khả năng tương thích với môi trường tốt
Hình 14: Hình ảnh SEM bề mặt của Al 7075 qua 4 lần ép.[1],tr25
10
Trang 12Hình 15: Hình ảnh SEM bề mặt của Al 7075 qua 8 lần ép.[1],tr26
Từ các ảnh chụp vi cấu trúc bằng TEM, các nhà khoa học mong rằng độ cứng và độ bền kéo của vật liệu kim loại với cấu trúc hạt siêu mịn sẽ cao hơn Rất nhiều nghiên cứu khoa học tập trung vào độ bền và độ dẻo của nhiều loại vật liệu kim loại qua nhiều
kỹ thuật SPD Vật liệu đã qua SPD nói chung là sẽ có độ bền cao so với các vật liệu truyền thống Độ bền của vật liệu liên tục tăng khi bị biến dạng và sau đó dần dần bão hòa Mặt khác, độ dẻo giảm mạnh khi biến dạng tương đối nhỏ, sau đó giữ nguyên giá trị hay giảm nhẹ khi biến dạng tăng
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Yonghao Zhao, Structures and Mechanical Properties of ECAP Processed 7075 A1
Alloy upon Natural Aging and T651 Treatment, Materials Science & Technology
Division (2004)
[2] Y.H Zhao, Microstructures & mechanic properties of UFG 7075 Al alloy
processed by ECAP & their evolutions during annealing, Acta Materialia, 2004.
Trang 13[3] Dong Hyuk Shin, Grain elongation in a super plastic 7075 Al alloy, Scripta Materialia, 1999
[4] Terry C Lowe, Outlook for Manufacturing Materials by Severe Plastic
Deformation, Materials Science Forum Vols 503-504 (2006) pp 355-362.
[5] A Azushima, R Kopp, A Korhonen, D.Y Yang, F Micari, G.D Lahoti, P Groche,
J Yanagimoto, N Tsuji, A Rosochowski, A Yanagida (2008), Severe plastic
deformation (SPD) processes for metals, CIRP Annals - Manufacturing
Technology 57 (2008) 716–735
[6] Phạm Quang, Phùng Trí Điểm, Nguyễn Thị Huyền, Nguyễn Thị Hoàng Oanh, Đỗ
Minh Nghiệp và Yong Jin Kim, Mô phỏng số 3D quá trình biến dạng dẻo khi ép
Titan trong kênh gấp khúc không đổi (ECAP), Kỷ yếu Hội nghị Khoa học và Công
nghệ lần thứ 11, HCMUT – 21-23/10/2009
[7] Saito Y, Tsuji N, Utsunomiya H, Sakai T, Hong RG (1998), Ultra-fine Grained
Bulk Aluminum Produced by Accumulative Roll-bonding (ARB) Process, Scripta
Materialia 39 (9):1221–1227
[8] Horita Z, Langdon TG, Microstructures and Microhardness of an Aluminum Alloy
and Pure Copper After Processing by HPT, Materials Science and Engineering A
410–411 (2005) 422–425
[9] Chakkingal U, Suriadi AB, Thomson PF (1998), Microstructure Development
During Equal Channel Angular Drawing of Al at Room Temperature, Scripta
Materialia 39(6):677–684
[10] Yoon S.C, Phạm Quang, Die design for homogeneous plastic deformation during
ECAP, Journal of Material Processing Technology 187–188 (2007) 46–50.
12