Nghiên cứu các thông số hình học của phôi trong quá trình cắt vật liệu hợp kim ti 6AL 4v và so sánh với hình dạng trong quá trình cắt mô phỏng sử dụng phần tử hữu hạn

Tổng quan các phương pháp tổ chức sản xuất cơ khí; tổ chức lao động trong các nhà máy cơ khí; phương pháp tổ chức các hoạt động sản xuất trong các nhà máy cơ khí; tổ chức nhân sự và các hoạt động tại ban kỹ thuật cơ điện nhà máy sữa Tiên Sơn, Bắc Ninh. Tổng quan các phương pháp tổ chức sản xuất cơ khí; tổ chức lao động trong các nhà máy cơ khí; phương pháp tổ chức các hoạt động sản xuất trong các nhà máy cơ khí; tổ chức nhân sự và các hoạt động tại ban kỹ thuật cơ điện nhà máy sữa Tiên Sơn, Bắc Ninh.

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

PHẠM HỮU NGUYÊN

NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA PHOI TRONG QUÁ TRÌNH CẮT VẬT LIỆU HỢP KIM Ti-6AL-4V VÀ SO SÁNH VỚI HÌNH DẠNG TRONG QUÁ TRÌNH CẮT MÔ PHỎNG SỬ DỤNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 TS Nguyễn Kiên Trung

Hà Nội - 2018

Trang 2

Học viên: Phạm Hữu Nguyên SHSV: CB160188 Lớp: 16BCTM Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Kiên Trung

Page i

Mục lục

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ iv

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU vii

LỜI CAM ĐOAN viii

LỜI NÓI ĐẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Đối tượng nghiên cứu 1

1.3 Mục đích nghiên cứu 2

1.3.1 Phương pháp nghiên cứu 2

1.3.2 Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2

1.4 Bố cục đề tài 2

1.5 Lời cảm ơn 2

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu 3

1.1.1 Quá trình tạo phoi trong gia công cắt gọt 3

1.1.2 Quá trình hình thành phoi 3

1.2 Phân loại các dạng phoi 4

1.2.1 Phoi dây 4

1.2.2 Phoi vụn 5

1.2.3 Phoi xếp - phoi răng cưa 6

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng hình học của phoi 6

1.3.1 Ảnh hưởng của vật liệu phôi và dụng cụ cắt 6

1.3.2 Ảnh hưởng của chế độ cắt và thông số hình học của dao 7

1.4 Kết luận chương một 12

CHƯƠNG 2 ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH CẮT VẬT LIỆU TITAN 13

2.1 Đặc điểm của vật liệu hợp kim Titan và ứng dụng 13

2.1.1 Đặc điểm của vật liệu hợp kim tian 13

2.1.2 Tổ chức tế vi của hợp kim Titan 15

Trang 3

Page ii

2.1.3 Sự chuyển pha trong hợp kim titan 19

2.1.4 Cấu trúc tế vi của hợp kim Titan α + β 20

2.2 Ứng dụng của hợp kim Titan 22

2.2.1 Ngành công nghiệp hàng không và vũ trụ 22

2.2.2 Ngành công nghiệp đóng tàu 23

2.2.3 Ngành công nghiệp ô tô 24

2.2.4 Ngành kiến trúc 25

2.2.5 Trong lĩnh vực thể thao 26

2.2.6 Trong y học 27

2.2.7 Trong máy tính công nghiệp 27

2.2.8 Công nghiệp thực phẩm 28

2.2.9 Trong ngành đồ trang sức 28

2.3 Đặc điểm của quá trình cắt vật liệu hợp kim Titan 29

2.4 Kết luận chương hai 36

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH TIỆN TITAN VÀ SO SÁNH QUÁ TRÌNH CẮT MÔ PHỎNG 38 3.1 Phương pháp xác định thông số hình học của phoi 38

3.1.1 Các thông số hình học đặc trưng cho phoi răng cưa 38

3.1.2 Một số phương pháp xác định hình học phoi, ưu và nhược điểm 39 3.2 Đánh giá ảnh hưởng của tổ chức tế vi và chế độ cắt đến hình dáng hình học của phoi khi cắt hợp kim Titan 42

3.2.1 Sơ đồ quá trình cắt thực nghiệm 42

3.2.2 Cách thức tiến hành thực nghiệm đo các thông số của phoi răng cưa 44 3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của chế độ cắt tới thông số hình học của phoi đối với từng tổ chức tế vi 48

3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của tổ chức tế vi tới thông số hình học của phoi ở cùng tốc độ cắt 61 3.3 So sánh hình dạng của phoi trong quá trình cắt thực tế và cắt mô phỏng

70

Trang 4

Page iii

3.3.1 So sánh hình dạng của phoi trong quá trình cắt thực nghiệm ở tốc

độ cắt 61 m/min và quá trình mô phỏng ở tốc độ cắt 60 m/min 71

3.3.2 So sánh hình dạng của phoi trong quá trình cắt thực nghiệm ở tốc độ cắt 122 m/min và quá trình mô phỏng ở tốc độ cắt 180 m/min 73

3.4 Kết luận chương ba 75

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

Trang 5

Page iv

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quá trình hình thành phoi trong quá trình gia công cắt gọt 4

Hình 1.2 Các dạng phoi điển hình 6

Hình 1.3 Dạng phoi phổ biến cho các loại vật liệu (P- thép, M- thép không gỉ, K- gang, N- Kim loại màu, S- Vật liệu dẫn nhiệt kém, H-thép nhiệt luyện) 7

Hình 1.4 Các vùng cắt tốc độ thấp (convetional range) và tốc độ cao (HSC) cho một số vật liệu gia công phổ biến 8

Hình 1.5 a) Phoi răng cưa ở vận tốc cắt 400 m/phút, b) phoi chuyển tiếp ở vận tốc cắt 700 m/min trong nghiên cứu của Arrazola (2007) 9

Hình 1.6 Ảnh hưởng của điều kiện cắt đến hình thái của phoi trong nghiên cứu của Bermingham (2011) 10

Hình 1.7 Thông số hình học của phoi trong nghiên cứu của Bermingham 11

Hình 2.1 Các pha  và  trong hợp kim Ti-6Al-4V 15

Hình 2.2 Sơ đồ pha của Titan theo nhiệt độ và áp suất [Velsavjevic 2012] 16

Hình 2.3 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến các giản đồ pha và quá trình chuyển pha của Titan (Sơ đồ pha tiêu biểu) [Frees 2011] 16

Hình 2.4 Cấu trúc mạng BCC, HCP 17

Hình 2.5 Ứng suất trượt (CRSS) là hàm của nhiệt độ trong pha α [Lütjering, 2003] 18

Hình 2.6 a) Mô đun đàn hồi (E) và b) độ cứng của pha  là hàm của góc γ giữa trục c và phương lực [Lütjering, 2003; Britton, 2009] 18

Hình 2.7 Môđun đàn hồi (E) và mô đun trượt (G) của pha alpha là hàm của nhiệt độ [Lütjering, 2003] 19

Hình 2.8 Sơ đồ pha và đường chuyển pha (β - transus) của Titanium 20

Hình 2.9 Các loại tổ chức tế vi phổ biến của hợp kim Ti64 [Attanasio, 2013; Maciej Motyka, 2012; Meyer, 2008] 21

Hình 2.10 Sơ đồ xử lý nhiệt cho hợp kim α + β Ti [Lütjering, 2003] 22

Hình 2.11 Các hợp kim Titan sử dụng trong động cơ máy bay 23

Hình 2.12 Cánh quạt tàu sử dụng vật liệu hợp kim Titan 24

Hình 2.13 Động cơ ô tô sử dụng vật liệu hợp kim Titan 25

Hình 2.14 Khung xe đạp thể thao bằng hợp kim Titan 26

Hình 2.15 Ứng dụng của hợp kim Titan trong y học 27

Hình 2.16 Ứng dụng của hợp kim Titan trong máy mính 28

Hình 2.17 Ứng dụng của hợp kim Titan thiết bị thực phẩm 28

Hình 2.18 Ứng dụng của hợp kim Titan trong ngành trang sức 29

Trang 6

Page v

Hình 2.19 Sơ đồ pha của các hợp kim titan (E Gautier và B Appolaire, Ecole

de Mines de Nancy, Pháp) 32

Hình 2.20 Sự khởi đầu vết nứt gãy (crack initation) trong dải trượt nhiệt (adiabatic shear bands) 34

Hình 2.21 Sự phân bố nhiệt cắt trên dao và phôi gia công (Konig [1979]) 35

Hình 3.1 Các thông số đặc trưng cho đỉnh (peak) của phoi răng cưa 38

Hình 3.2 Các thông số đặc trưng của đáy (Valley) phoi răng cưa 39

Hình 3.3 Các thông số đặc trưng bề mặt trượt (Shear band) của phoi răng cưa 39 Hình 3.4 Xác định hình dạng và các thông số hình học của phoi bằng phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn FEM 41

Hình 3.5 Bốn cấu trúc tế vi của hợp kim Ti-6Al-4V sử dụng trong các thí nghiệm cắt (màu đen đậm: pha  ; màu sáng pha  ) 43

Hình 3.6 Mô hình thí nghiệm tiện hợp kim Ti-6Al-4V 44

Hình 3.7 a) Hình ảnh mẫu gá đặt phoi, b) ảnh chụp phoi bằng kính hiển vi điện tử 45

Hình 3.8 Chương trình Matlab để đo các thông số 46

Hình 3.9 Đo các thông số của phoi được đo trên phần mềm Matlab 46

Hình 3.10 Bảng dữ liệu các thông số của phoi thu được từ phần mềm Matlab 47 Hình 3.11 Dữ liệu của các thông số được nhập vào phần mềm Sigma Plot 48

Hình 3.12 Hai dạng biểu đồ chính được sử dụng để biểu diễn các thông số đặc trưng cho phoi 48

Hình 3.13 Hình ảnh và các thông số cho đỉnh răng cưa của phoi với tổ chức tế vi dạng Bet 49

Hình 3.14 Hình ảnh và các thông số cho đỉnh răng cưa của phoi với tổ chức tế vi dạng Elo 50

Hình 3.15 Hình ảnh và các thông số cho đỉnh răng cưa của phoi với tổ chức tế vi dạng Mill 51

Hình 3.16 Hình ảnh và các thông số cho đỉnh răng cưa của phoi với tổ chức tế vi dạng Sta 52

Hình 3.17 Hình ảnh và các thông số cho đáy răng cưa của phoi với tổ chức tế vi dạng Bet 53

Hình 3.18 Hình ảnh và các thông số cho đáy răng cưa của phoi với tổ chức tế vi dạng Elo 54

Hình 3.19 Hình ảnh và các thông số cho đáy răng cưa của phoi với tổ chức tế vi dạng Mill 55

Hình 3.20 Hình ảnh và các thông số cho đáy răng cưa của phoi với tổ chức tế vi dạng Sta 56

Trang 7

Page vi

Hình 3.21 Hình ảnh và các thông số bề mặt trượt phoi răng cưa của phoi với tổ chức tế vi dạng Bet 57 Hình 3.22 Hình ảnh và các thông số bề mặt trượt phoi răng cưa của phoi với tổ chức tế vi dạng Elo 58 Hình 3.23 Hình ảnh và các thông số bề mặt trượt phoi răng cưa của phoi với tổ chức tế vi dạng Mill 59 Hình 3.24 Hình ảnh và các thông số bề mặt trượt phoi răng cưa của phoi với tổ chức tế vi dạng Sta 60 Hình 3.25 Hình ảnh và các thông số đỉnh phoi răng cưa của phoi ở tốc độ cắt thấp 61 m/min 61 Hình 3.26 Hình ảnh và các thông số đỉnh phoi răng cưa của phoi ở tốc độ cắt trung bình 91 m/min 62 Hình 3.27 Hình ảnh và các thông số đỉnh phoi răng cưa của phoi ở tốc độ cắt cao 122 m/min 63 Hình 3.28 Hình ảnh và các thông số đáy phoi răng cưa của phoi ở tốc độ cắt thấp 61 m/min 64 Hình 3.29 Hình ảnh và các thông số đáy phoi răng cưa của phoi ở tốc độ cắt trung bình 91 m/min 65 Hình 3.30 Hình ảnh và các thông số đáy phoi răng cưa của phoi ở tốc độ cắt cao

122 m/min 66 Hình 3.31 Hình ảnh và các thông số bề mặt trượt phoi răng cưa của phoi ở tốc

độ cắt thấp 61 m/min 67 Hình 3.32 Hình ảnh và các thông số bề mặt trượt phoi răng cưa của phoi ở tốc

độ cắt trung bình 91 m/min 68 Hình 3.33 Hình ảnh và các thông số bề mặt trượt phoi răng cưa của phoi ở tốc

độ cắt cao 122 m/min 69 Hình 3.34 Hình ảnh phoi trong mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn FEM từ một số nghiên cứu 71 Hình 3.35 So sánh các thông số hình học phoi trong quá trình cắt thực nghiệm ở tốc độ cắt 61 m/min và quá trình mô phỏng ở tốc độ cắt 60 m/min 73 Hình 3.36 Hình ảnh biểu đồ so sánh các thông số hình học phoi trong quá trình cắt thực nghiệm ở tốc độ cắt 180 m/min và quá trình mô phỏng ở tốc độ cắt 122 m/min 74

Trang 8

Page vii

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các thông số đặc trƣng cho ba loại vật liệu phổ biến trong máy bay 23

Trang 9

Page viii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là: Phạm Hữu Nguyên học viên cao học lớp 16BCTM.KT khóa 2016B Chuyên ngành: Chế tạo máy – CN Chế tạo máy

Đề tài: Nghiên cứu các thông số hình học của phoi trong quá trình cắt vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V và so sánh với hình dạng trong quá trình cắt mô phỏng sử dụng phần tử hữu hạn

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Kiên Trung

Tôi xin cam đoan các nghiên cứu trong luận văn này là do chính tác giả thực hiện

Trang 10

Mặc dù có những đặc tính cơ học, độ bền, cùng với khối lượng riêng thấp và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời nhưng gia công hợp kim Ti-6Al-4V không giống với quá trình gia công của bất kỳ vật liệu thông thường nào Quá trình công hợp kim Ti-6Al-4V tại nước ta hiện nay hầu như là không có Do đó nghiên cứu quá trình gia công Titan hiện nay là cần thiết Nghiên cứu hình dạng phoi là một trong những hướng nghiên cứu trong nghiên cứu đó

Xuất phát từ tầm quan trọng trên, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu các thông

số hình học của phoi trong quá trình cắt vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V và so sánh với hình dạng trong quá trình cắt mô phỏng sử dụng phần tử hữu hạn”

Đối tượng được sử dụng để nghiên cứu là hình ảnh của phoi thu được khi cắt hợp kim Ti-6Al-4V

1.2 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu các thông số hình học của phoi trong quá trình cắt vật liệu hợp

kim Ti-6Al-4V ở bốn tổ chức tế vi khác nhau và ba tốc độ cắt khác nhau; so sánh hình dạng của phoi thu được trong thực nghiệm và trong quá trình cắt mô

phỏng sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

Trang 11

Page 2

1.3 Mục đích nghiên cứu

Thống kê được ảnh hưởng của tổ chức tế vi của vật liệu và tốc độ cắt tới hình

dáng và các thông số hình dáng của phoi từ đó đưa ra được các đặc điểm của quá trình cắt vật liệu hợp kim Titan

So sánh được các hình dáng và thông số của phoi trong quá trình gia công

thực tế và mô phỏng từ để đánh giá được độ tin cậy các quá trình mô phỏng cắt

1.3.1 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu thống kê thực nghiệm kết hợp so sánh với phương pháp mô phỏng sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

1.3.2 Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Trong quá trình gia công cắt gọt các sản phẩm cơ khí, hình dạng của phoi ảnh

hưởng rất nhiều bởi vật liệu gia công, hình dáng hình học của dao và chế độ cắt Nghiên cứu hình dáng hình học của phoi có thể cho ta biết đặc điểm của quá trình cắt và một phần chất lượng gia công cũng như tuổi bền của dụng cụ cắt

1.4 Bố cục đề tài

Đề tài nghiên cứu gồm 3 chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

Chương 2: Nghiên cứu về đặc trưng của quá trình cắt hợp kim Titan

Chương 3: Nghiên cứu các thông số hình học đặc trưng của quá trình tiện hợp kim Titan và so sánh với quá trình cắt mô phỏng

1.5 Lời cảm ơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Kiên Trung đã hướng dẫn em hoàn thành đề tài này

Trang 12

Page 3

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu

1.1.1 Quá trình tạo phoi trong gia công cắt gọt

Các chi tiết được chế tạo bằng phương pháp cắt gọt từ phôi là một khối vật liệu để thay đổi hình dáng, kích thước, chất lượng bề mặt và tính chất vật liệu gia công Lớp vật liệu cần phải lấy đi trên phôi trong quá trình cắt gọt gọi là lương dư gia công, phần vật liệu bị hớt bỏ đi được gọi là phoi

Lượng dư gia công càng lớn thì thời gian cần thiết để cắt gọt càng nhiều, do đó

để chế tạo ra một chi tiết dùng được bằng phương pháp cắt gọt thì lượng dư cũng như thời gian gia công phải đủ Lượng dư gia công thường không được cắt hết một lần mà phải sau vài lần cắt (chạy dao), người ta thường chia quá trình gia công cắt gọt thành hai giai đoạn chạy dao: Giai đoạn thứ nhất là gia công thô, tức là lấy đi phần cơ bản của lượng dư gia công, giai đoạn này người ta ít chú ý đến sai số về hình dáng,kích thước, cũng như chất lượng bề mặt gia công; giai đoạn hai gồm các bước gia công bán tinh, gia công tinh hớt bỏ đi một lượng nhỏ lượng dư gia công còn lại để đạt được độ chính xác về hình dáng, kích thước và chất lượng bề mặt gia công theo yêu cầu kỹ thuật của bản vẽ chi tiết

1.1.2 Quá trình hình thành phoi

Như đã nói ở trên thì quá trình gia công cắt gọt là quá trình lấy đi khỏi phôi một lượng vật liệu không nguyên khối được gọi là phoi để nhận được chi tiết có hình dáng, kích thước, chất lượng bề mặt theo yêu cầu kỹ thuật

Nhiều công trình nghiên cứu đã chứng minh rằng: Quá trìng cắt gọt là sự trượt phá của các phần tử vật liệu dưới tác dụng của lực mà các thành phần dụng cụ cắt tác dụng vào

Dưới tác dụng của lực cắt P (Hình 1.1), lớp kim loại ở mặt trước của dao sẽ bị nén lại, sau đó lớp kim loại bị tách rời bắt đầu bị ép trồi lên dọc theo mặt trước của dao (hiện tượng này xảy ra cho đến khi nào áp lực của dao chưa vượt quá

Trang 13

Học viên: Phạm Hữu Nguyên SHSV: CB160188 Lớp: 16BCTM

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Kiên Trung

Page 4

lực liên kết giữa các phần tử vật liệu) cho đến khi áp lực của dao lên vật liệu

vượt quá lực liên kết giữa các phần tử vật liệu thì phoi bị nén sẽ trượt theo mặt

phẳng, dao tiếp tục nén và các phần tử phoi tiếp theo tiếp tục trượt.Các phần tử

vật liệu trượt theo mặt trượt - nằm nghêng so với bề mặt phôi một góc 1 = 30 ÷

40o Bên trong mỗi phần tử vật liệu cũng diễn ra sự xê dịch các tinh thể dưới một

góc 2 = 60 ÷ 65o

Hình 1.1 Quá trình hình thành phoi trong quá trình gia công cắt gọt

Như vậy, trong quá trình cắt gọt, đầu tiên trong các phần tử vật liệu được cắt

xảy ra biến dạng đàn hồi sau đó là biến dạng dẻo, và kết thúc là các phần tử phoi

trượt liên tục

1.2 Phân loại các dạng phoi

Tùy theo cơ tính của vật liệu (khả năng biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo)

và chế độ cắt mà trong quá trình cắt gọt tạo ra nhiều dạng phoi khác nhau Trong

thực tế người ta chia làm ba dạng phoi: Phoi vụn, phoi xếp và phoi dây

1.2.1 Phoi dây

Nếu các phoi kim loại được hình thành trong quá trình gia công không có phân

đoạn tức là không bị vỡ, thì nó được gọi là các loại phoi liên tục

Phoi dây (Hình 1.2a) được tạo thành khi gia công các vật liệu có độ dẻo cao, độ

cứng thấp với tốc độ cắt lớn và ma sát tối thiểu giữa phoi và mặt trước dao Phoi

dạng này trượt ra khỏi dao dưới dạng dây dài có độ nhẵn các bề mặt xung quanh

tương đối như nhau, ít thấy răng cưa Các điều kiện để hình thành các loại phoi

liên tục là:

(i) Vật liệu gia công dẻo như thép nhẹ

Trang 14

Sự hình thành các phoi liên tục trong quá trình gia công có những ưu điểm sau

 Bề mặt gia công có chất lượng tốt hơn đối với các vật liệu dẻo

 Ít sinh nhiệt cắt do ma sát tối thiểu giữa mặt trước của dao và phoi

đá, gốm xứ, ebônít, v.v Nó gồm những mảnh vật liệu rời rạc có hình dáng khác nhau, các phần tử vật liệu này không liên kết với nhau hoặc liên kết với nhau rất yếu

Các điều kiện để hình thành các phoi không liên tục là:

(i) Lượng ăn dao thấp

(ii) Góc trước dao nhỏ

(iii) Tốc độ cắt cao

(iv) Lực ma sát lớn ở bề mặt tiếp xúc giữa mặt trước của dao và phoi

(v) Chiều sâu cắt lớn

Sự hình thành các loại phoi không liên tục trong các vật liệu giòn sẽ cho các

bề mặt gia công tốt, làm tăng tuổi thọ dao và giảm tiêu thụ năng lượng cắt Khi các phoi không liên tục được tạo thành trong quá trình cắt các vật liệu dẻo, kết quả của chất lượng bề mặt gia công kém và mòn dao diễn ra nhanh

Trang 15

Page 6

1.2.3 Phoi xếp - phoi răng cưa

Phoi xếp (Hình 1.2.c) được tạo thành khi gia công vật liệu có độ cứng vừa phải, có ít độ dẻo với vận tốc cắt trung bình Phoi trong quá trình cắt dạng này là dạng chuyển tiếp của phoi dây và phoi vụn Phía bề mặt phoi trượt lên mặt trước của dao là mặt nhẵn, còn phía đối diện thì gồ ghề có dạng răng cưa Các phần tử vật liệu trong dạng phoi này liên kết với nhau tương đối bền vững

a) Phoi dây b) Phoi vụn c) Phoi xếp (răng cưa)

Hình 1.2 Các dạng phoi điển hình

Cần nhần mạng rằng các dạng phoi trên đây không phải là cố định theo vật liệu, mà nó có thể thay đổi từ dạng phoi này sang dạng phoi khác nếu ta thay đổi điều kiện cắt Ví dụ như khi chiều sâu cắt nhỏ và tốc độ cắt cao thì khả năng tạo

ra phoi dây cao hơn

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng hình học của phoi

1.3.1 Ảnh hưởng của vật liệu phôi và dụng cụ cắt

Vật liệu dụng cụ cắt đặc biệt là vật liệu gia công có ảnh hưởng rất lớn đến hình dạng phoi như ví dụ trong Hình 1.3 Đã có nhiều nhiều cứu về ảnh hưởng của

cả vật liệu gia công và dụng cụ cắt đến hình dáng hình học của phoi gia công đặc biệt là đối với dạng phoi răng cưa Theo nghiên cứu đề xuất của một số tác giả (Komanduri và cộng sự, 1982; Molinari và cộng sự, 2002; Shi và Liu, 2006), tính chất vật liệu gia công hoặc các thông số quá trình cắt có thể có ảnh hưởng lớn đến các hiện tượng tạo phoi răng cưa trong quá trình gia công Ví dụ, khi độ dẫn nhiệt của vật liệu phôi giảm, xu hướng hình thành phoi răng cưa sẽ cao hơn Khi tốc độ cắt tăng, xu hướng hình thành phoi răng cưa trở nên cao hơn

Trang 16

Page 7

Trong quá trình cắt nhôm, phoi được hình thành trong gia công có hình dạng dây liên tục, nhưng ở tốc độ cắt cao nó có thể bị phân đoạn tùy thuộc vào điều kiện cắt Mặt khác, trong quá trình cắt Titan thì sự hình thành phoi dạng răng cưa xảy ra ở hầu hết các tốc độ cắt trừ ở tốc độ thấp nhất Luận điểm này được coi là nguyên nhân gây nhầm lẫn và không nhất quán trong việc giải thích dữ liệu cắt trước những năm 1980 khi phân tích quá trình cắt Titan Năm 1981, Komanduri và Von Turkovich đề xuất nghiên cứu sự hình thành phoi cắt trực giao thực nghiệm với camera có độ phân giải cao SEM từ tốc độ thấp (1.2mm / phút) đến tốc độ cao (240 m/phút) đã thống nhất được quan điểm về cơ chế xuất hiện các dải trượt nhiệt (shear band) trong phoi dẫn tới sự hình thành phoi dạng răng cưa trong quá trình cắt hợp kim Titan

Hình 1.3 Dạng phoi phổ biến cho các loại vật liệu (P- thép, M- thép không gỉ, K- gang, N- Kim loại màu, S- Vật liệu dẫn nhiệt kém, H-thép nhiệt luyện) 1.3.2 Ảnh hưởng của chế độ cắt và thông số hình học của dao

Chế độ cắt và thông số hình học của dao (các góc cắt) có ảnh hưởng rất lớn tới dạng phoi và kích thước hình học của phoi Hình dạng phoi dây dễ tìm thấy trong các quá trình cắt ở tốc độ thấp Trong khi đó phoi răng cưa là dạng phoi phổ biến trong các quá trình cắt cao tốc

Trang 17

Page 8

Hình 1.4 Các vùng cắt tốc độ thấp (convetional range) và tốc độ cao (HSC)

cho một số vật liệu gia công phổ biến

Một số nghiên cứu đã chứng minh và khảo sát được những ảnh hưởng này Các nghiên cứu này chủ yếu là khảo sát thực nghiệm Ví dụ trong nghiên cứu của Arrazola (2007) với vật liệu gia công thép AISI 1040 và dụng cụ cắt các bít nhóm P10 và GC 3015, một lực kế Kistler loại 9121 đã sửu dụng được sử dụng

để đo lực cắt trong các các quá trình cắt thực nghiệm Tốc độ lấy mẫu dữ liệu là

5120 Hz và bộ lọc LP 300 Hz được sử dụng Quá trình cắt thực nghiệm cho thấy hình dạng phoi (răng cưa, liên tục hoặc chuyển tiếp của hai dạng) tùy thuộc vào tốc độ cắt, góc trước và độ dày phoi trước khi bị biến dạng (chiều dày cắt) Theo kết quả thực nghiệm, hình dạng phoi thu được, răng cưa, liên tục hoặc chuyển tiếp phụ thuộc rất lớn vào tốc độ cắt và góc nghiêng Tuy nhiên, sự phụ thuộc vào độ dày phoi trước khi biến dạng chưa được thể hiện rõ ràng dựa trên các giá trị thu được trong quá trình thực nghiệm Khi cắt với dụng cụ cắt GC3015 có góc trước +6 và độ dày phoi không trước biến dạng 0,3 mm, phoi chuyển tiếp bắt đầu thu được ở tốc độ cắt 400 m/phút Trong trường hợp góc nghiêng là - 6, phoi chuyển tiếp bắt đầu xuất hiện ở tốc độc cắt 200 m/phút Đối với các điều kiện cắt tương tự, ta không thu được các phoi dạng răng cưa cho đến khi tốc độ cắt là khoảng 750 m/phút ứng với góc nghiêng +6 Trong trường hợp góc

Trang 18

Page 9

nghiêng âm -6, phoi răng cưa thu được cho tốc độ cắt khoảng 300 và 400 m/phút

a) b)

Hình 1.5 a) Phoi răng cưa ở vận tốc cắt 400 m/phút, b) phoi chuyển tiếp ở

vận tốc cắt 700 m/min trong nghiên cứu của Arrazola (2007)

Trong một nghiên cứu khác của Bermingham (2011) cho thấy các chế độ cắt

và góc trước khác nhau tạo ra các hình thái phoi khác nhau với vật liệu hợp kim Ti-6Al-4V như trong Hình 1.6 Khi tốc độ cắt giảm xuống và chiều sâu cắt tăng lên, một số thay đổi vật lý xảy ra trong phoi, bao gồm giảm độ dày của phoi, giảm khoảng cách giữa các khe và tăng góc bề mặt trượt Trong nghiên cứu của mình, Bermingham đã sử dụng khí Nitơ lạnh (liquid nitrogen, LN) trợ giúp quá trình làm mát vùng cắt Khí Nitơ lạnh nói riêng hay điều kiện làm mát nói chung cũng tạo ra những thay đổi về hình thái phoi và chiều dài tiếp xúc của dao-phoi Mặc dù không có ảnh hưởng đáng kể đến độ dày của phoi và khoảng cách giữa các răng cưa

Trang 19

Page 10

(A) f=0.36 mm/rev, ap=1.1 mm Dry, (B) f=0.36 mm/rev, ap=1.1 mm LN, (C) f=0.20 mm/rev, ap=2.0 mm Dry, (D) f=0.20 mm/rev, ap=2.0 mm LN, (E) f=0.15 mm/rev, ap=2.7 mm Dry, (F) f=0.15 mm/rev, ap=2.7 mm LN

Hình 1.6 Ảnh hưởng của điều kiện cắt đến hình thái của phoi trong nghiên

cứu của Bermingham (2011)

Trang 20

Page 11

Hình 1.7 Thông số hình học của phoi trong nghiên cứu của Bermingham

Trang 21

Page 12

1.4 Kết luận chương một

Trong quá trình gia công cắt gọt hình dạng phoi thu được thường ở ba dạng chính là phoi vụn, phoi xếp và phoi dây tùy theo cơ tính của vật liệu (khả năng biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo) và chế độ cắt Mỗi một loại vật liệu có những đặc điểm cơ tính riêng nên trong quá trình gia công cắt gọt hình dạng của phoi bị ảnh hưởng rất lớn bởi vật liệu làm phôi Bên cạnh ảnh hưởng của vật liệu thì chế độ cắt và thông số hình học của dao (các góc cắt) cũng có ảnh hưởng rất lớn tới dạng phoi và kích thước hình học của phoi Hình dạng phoi dây dễ tìm thấy trong các quá trình cắt ở tốc độ thấp Trong khi đó phoi răng cưa là dạng phoi phổ biến trong các quá trình cắt cao tốc

Trang 22

Page 13

CHƯƠNG 2 ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH CẮT VẬT

LIỆU TITAN

2.1 Đặc điểm của vật liệu hợp kim Titan và ứng dụng

2.1.1 Đặc điểm của vật liệu hợp kim tian

Titan tinh khiết là kim loại trắng, có hoạt động hóa học mạnh Khối lượng riêng của Titan là 4,54 g/cm3, nhẹ hơn 43% so với thép, hơi nặng hơn so với Magiê và kim loại nhẹ Độ bền cơ học gần như bằng thép, gấp hai lần so với nhôm, gấp năm lần so với Magiê Đặc biệt, Titanium có độ bền nhiệt cao, nhiệt

độ nóng chảy 1942K, cao hơn vàng gần 1000K, cao hơn thép gần 500K Hiện

nay hợp kim titan có ứng dụng nhiều trong đời sống hàng ngày

Titanium là kim loại hoạt hóa học mạnh Nó có thể phản ứng với O2, N2, H2, S

và halogen và các chất phi kim loại khác Nhưng ở nhiệt độ bình thường, lớp oxit bảo vệ trên bề mặt titan để tạo ra một lớp rất dày, có thể chống lại axít mạnh hoặc nước regia, cho thấy khả năng chống ăn mòn mạnh Vì vậy, trong điều kiện môi trường axit, kiềm, kim loại muối và các chi tiết bằng titan trở nên an toàn Việc sử dụng hợp kim titan chủ yếu do hợp kim titan có độ bền cơ học cao trong khi khối lượng thấp, tính chất cơ học tốt, độ dẻo dai và chống ăn mòn rất tốt

a) Độ bền cơ học cao

Khối lượng riêng của hợp kim titan là khoảng 4.5 g/cm3, chỉ bằng 60% lượng thép Độ bền của titan tinh khiết gần với thép bình thường Một số hợp kim titanium độ bền cơ học cao hơn độ bền của nhiều loại thép kết cấu, thép hợp kim Do đó, tỉ lệ độ bền riêng (độ bền/ khối lượng riêng) của hợp kim titan lớn hơn nhiều so với các vật liệu kết cấu kim loại khác Chính vì lý do này, hợp kim titan được sử dụng nhiều trong động cơ máy bay, các bộ phận liên quan đến khung, màng ngăn, đai ốc và thiết bị hạ cánh

b) Độ bền nhiệt tốt

Trang 23

Page 14

Việc sử dụng nhiệt độ cao hơn so với hợp kim nhôm, nhưng vẫn có thể duy trì được độ bền yêu cầu ở nhiệt độ 450 ~ 500C trong khi hợp kim nhôm ở 150 C hơn sẽ có độ bền giảm rất đáng kể Do đó nhiệt độ làm việc của các chi tiết máy bằng hợp kim titan lên đến 500C, trong khi với hợp kim nhôm chỉ dưới 200C Hợp kim titan vẫn có thể duy trì tính chất cơ học tốt ở nhiệt độ thấp và nhiệt độ cực thấp Hợp kim titan có khả năng làm việc nhiệt độ rất thấp giống như các vật liệu kẽm cực thấp, chẳng hạn như TA7, nó có thể duy trì độ dẻo nhất định ở -

253C Do đó, hợp kim titan cũng là một vật liệu quan trọng khi làm việc trong điều kiện nhiệt độ thấp

c) Chống ăn mòn hóa học tốt

Trong không khí và nước biển, các hợp kim titan có độ chống ăn mòn tốt hơn nhiều so với thép không gỉ Đặc biệt là sự ăn mòn rỗ, ăn mòn axit, chống ăn mòn với ứng suất; chống ăn mòn với các chất kiềm, clorua, các chất hữu cơ, axit nitric và axít sulfuric

d) Độ hoạt động hóa học lớn

Hoạt tính hóa học của titan là mạnh, nó có thể phản ứng hóa học mạnh với O2,

N2, H, CO, CO2, hơi nước và khí amonia trong khí quyển Hàm lượng cacbon trên 0,2% sẽ tạo thành một hợp chất TiC cứng trong hợp kim titan Ở nhiệt độ cao, Titan cũng có thể tương tác với N2 để hình thành bề mặt cứng TiN Ở nhiệt

độ trên 600 C, titan hấp thụ oxy để tạo thành lớp cứng có độ cứng cao; Nếu hàm lượng hydro tăng, sẽ là sự hình thành của lớp bề mặt giòn Bề mặt cứng và giòn trên bề mặt vật liệu Titan được tạo trong môi trường không khí có thể đạt tới 0.1 ~ 0.15 mm, và mức độ cứng hóa là từ 20% đến 30% Độ hoạt động hóa học (ái lực hóa học) của titanium cũng lớn, làm cho nó dễ dàng dính vào các bề mặt ma sát

e) Tính dẫn nhiệt nhỏ, mô đun đàn hồi thấp

Trang 24

Page 15

Một hạn điểm yếu của Titan tinh khiết là độ dẫn nhiệt thấp (khoảng 15.24 W/(mK), bằng khoảng 1/4 của niken, 1/5 sắt và 1/14 nhôm) Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt của các loại hợp kim titan là khoảng 50% thấp hơn so với titan tinh khiết Mô đun đàn hồi của hợp kim titan là khoảng ½ so với thép, vì vậy độ cứng kém, biến dạng dễ dàng, không thích hợp cho thanh mảnh và các bộ phận tường mỏng

2.1.2 Tổ chức tế vi của hợp kim Titan

Titanium có thể tồn tại ở các pha alpha (), beta () và rất hiếm khi ở dạng omega ().Hình 2.2 cho thấy sơ đồ pha của Titan là một hàm của nhiệt độ và áp suất Tuy nhiên, sơ đồ pha bị ảnh hưởng mạnh bởi loại hợp kim thành phần và hàm lượng của chúng như thể hiện trong Hình 2.3 Các tính chất cơ học và độ cứng của các hợp kim Titan phụ thuộc nhiều tỉ lệ pha α, β và ω trong tổ chức tế

vi Ngoài ra, các tổ chức tế vi của hợp kim Titan cũng bị ảnh hưởng bởi xử lý nhiệt và hợp kim thành phần Tổ chức tế vi cũng đóng vai trò ảnh hưởng lớn đến mòn dụng cụ trong gia công hợp kim Ti





Trang 25

Page 16

Hình 2.2 Sơ đồ pha của Titan theo nhiệt độ và áp suất [Velsavjevic 2012]

Hình 2.3 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến các giản đồ pha và quá

trình chuyển pha của Titan (Sơ đồ pha tiêu biểu) [Frees 2011]

Trong các pha alpha, beta và omega, pha alpha với cấu trúc lục giác HCP (Hexagonal Close-packed Structure) là pha ổn định ở nhiệt độ phòng mà không cần bất kỳ hợp kim ổn định và áp suất nào Ở nhiệt độ phòng, cấu trúc lục giác

a) α-stabilized system,

b) β-stabilized isomorphous system,

c) β-stabilized eutectoid system

Trang 26

Page 17

của pha α có các thông số mạng a (0.295 nm) và c (0.468 nm) như trong Hình 5

Tỷ lệ c / a đối với titan α nguyên chất và c (1.587) nhỏ hơn tỷ lệ cho cấu trúc tinh thể hình lục giác nguyên mẫu lý tưởng (1.633) Vật liệu tinh thể bị trượt khi

có biến dạng dẻo dọc theo các mặt phẳng và hướng nhất định trong mạng tinh thể Mô đun đàn hồi và độ cứng đạt giá trị cao nhất dọc theo trục c nhưng thấp nhất theo hướng vuông góc với trục c như trong Hơn nữa, đàn hồi và mô đun cắt và độ cứng giảm theo nhiệt độ như trong Hình 2.5 Pha α có hai pha biến thể: cấu trúc martensit (α′) và cấu trúc martensit orthorhombic (α″)

Pha beta () là một pha có thể thay đổi được với cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) Nó có nhiều hệ thống trượt hơn pha α làm cho nó dễ uốn và dễ biến dạng hơn Mô đun đàn hồi, mô đun trượt và độ cứng của pha  thấp hơn pha α (Meier 1992)

Trang 27

Page 18

Hình 2.5 Ứng suất trượt (CRSS) là hàm của nhiệt độ trong pha α [Lütjering,

2003]

giữa trục c và phương lực [Lütjering, 2003; Britton, 2009]

Trang 28

Page 19

Hình 2.7 Môđun đàn hồi (E) và mô đun trượt (G) của pha alpha là hàm của

nhiệt độ [Lütjering, 2003]

2.1.3 Sự chuyển pha trong hợp kim titan

Sự biến đổi cấu trúc tinh thể xảy ra với các kim loại chuyển tiếp trong nhóm IVB như Ti, Zr, Hf hoặc dưới áp suất tác dụng (p), nhiệt độ (T) hoặc cả hai (p, T) Sự chuyển pha α  β thuận lợi hơn với việc thay đổi nhiệt độ trong khi áp suất là quan trọng hơn đối với sự chuyển pha β  ω

Sự chuyển đổi α → β xảy ra từ pha α đến pha khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ chuyển pha β, β - transus, (100% β pha) Nhiệt độ β-transus bị ảnh hưởng mạnh bởi thành phần hợp kim thêm vào

Ngược lại, pha β transform chuyển thành pha α trong quá trình làm mát liên tục của các hợp kim titan α-β từ nhiệt độ trên β-transus Tùy thuộc vào tốc độ làm mát, cơ chế chuyển pha có thể là β → α với tốc độ làm nguội chậm và chuyển đổi β → α’ với tốc độ làm mát nhanh ở nhiệt độ dưới 700 ÷ 750 °C Làm lạnh nhanh (quenching) hợp kim Ti64 từ khoảng nhiệt độ 750 ÷ 900 °C tạo ra martensit orthorhombic (α″)

Trang 29

Page 20

Chuyển đổi β → ω có thể đảo ngược và không khuếch tán Cơ chế chuyển đổi pha của pha beta có thể thay đổi trong vật liệu này theo hai tuyến: tuyến 1 (β →

β + ω + α → β + α) và tuyến 2 (β → β + ω → β + ω + α → β + α) [Grabriel, 2013]

Hình 2.8 Sơ đồ pha và đường chuyển pha (β - transus) của Titanium

2.1.4 Cấu trúc tế vi của hợp kim Titan α + β

Các tính chất cơ học, độ cứng và khả năng gia công của các hợp kim Ti ảnh hưởng bởi cấu trúc tế của chúng Hợp kim hai pha (α + β) Ti có các loại vi cấu trúc khác nhau tùy thuộc vào xử lý nhiệt (nhiệt độ, thời gian, tốc độ làm lạnh và điều kiện làm mát) Hợp kim hai pha (α + β) Ti có bốn cấu trúc tế vi phổ biến được đặt tên là:

1) Cấu trúc đã hạt nhỏ (milled annealed),

2) Cấu trúc hạt lớn (equiaxed),

3) Cấu trúc lá mỏng (fully lamellar) và

4) Cấu trúc kết hợp (bi-modal hoặc duplex) là sự kết hợp của hạt lớn (equiaxed), cấu trúc lá mỏng (fully lamellar) như trong Hình 2.9

Cấu trúc equiaxed có khả năng chống nứt tốt, độ bền kéo thấp, độ bền mỏi trung bình Cấu trúc trúc kết hợp (bi-modal) được đặc trưng bởi độ dẻo dai và độ bền mỏi cao, độ bền kéo cao Trong khi đó khả năng chống nứt tế vi (crack) và lan truyền nứt tế vi là những đặc tính đáng chú ý của một cấu trúc cấu trúc lá

Trang 30

Page 21

mỏng (fully lamellar) [Zhang, 2014] Cấu trúc kết hợp (bi-modal) là cấu trúc điển hình trong quá trình luyện kim của các hợp kim α + β Ti khi xử lý nhiệt được áp dụng trong dải α + β như trong Hình 2.10 [Lütjering, 2003] Toàn bộ cấu trúc lớp mỏng có thể đạt được bằng cách xử lý nhiệt thường ở trên nhiệt độ beta-transus (beta ủ) sau đó làm nguội từ từ trong lò hoặc trong không khí Trong vi cấu trúc này, độ dày của Widmanstätten α-laths, kích thước thuộc địa

và kích thước hạt trước là các thông số quan trọng phụ thuộc vào tốc độ làm mát

để xác định các tính chất của các hợp kim này Cấu trúc lớp mỏng hoàn toàn được tin là khó khăn hơn và khó khăn hơn so với các vi cấu trúc khác

Hình 2.9 Các loại tổ chức tế vi phổ biến của hợp kim Ti64 [Attanasio, 2013;

Maciej Motyka, 2012; Meyer, 2008]

Mill annealed

389±18HV

Bimodal 411±15HV

Trang 31

Page 22

Hình 2.10 Sơ đồ xử lý nhiệt cho hợp kim α + β Ti [Lütjering, 2003]

2.2 Ứng dụng của hợp kim Titan

2.2.1 Ngành công nghiệp hàng không và vũ trụ

Hợp kim Titan được sử dụng trong những cấu trúc máy bay và là vật liệu kết cấu chính của động cơ máy bay, mức độ ứng dụng của thị trường hợp kim titan

là một thước đo quan trọng về mức độ của vật liệu máy bay tiên tiến, là một trong những khía cạnh quan trọng của tác động chiến thuật máy bay Trong máy bay chiến đấu thế hệ thứ ba ở nước ngoài, hợp kim titanium chiếm từ 20% đến 25% trọng lượng cơ thể, và đã tăng 41% trong máy bay chiến đấu thế hệ thứ tư F-22 (EMD) và ứng dụng của nó cho thấy một chiếc máy bay lớn hơn khuynh hướng Aero động cơ với titan đã được một sự gia tăng dần dần của nước ngoài tiên tiến hàng không titan tiêu thụ đã đạt khoảng 30%, chẳng hạn như liều lượng titan Titan V2500 là 31%, lượng hợp kim titan là 40% động cơ F119 thế hệ thứ

tư

Trong máy bay dân dụng, lượng hợp kim titan cũng đang dần tăng lên, A380 titan chiếm 10% trọng lượng toàn bộ, chỉ sử dụng vật liệu titan khoảng 60 tấn Số lượng titan được sử dụng bởi Airbus đã tăng từ 4,5% ở các thế hệ thứ ba lên thứ tư trong thế hệ A340 là 6%, trong khi đó hàm lượng titan của A350, A320 là 15%

Heat treatment in α + β field

Trang 32

Page 23

Sự phát triển của hệ thống quốc phòng và thay đổi nhanh chóng trên toàn thế giới hệ thống hàng không dân dụng, yêu cầu của máy bay và động cơ thông qua một cách hiệu quả để giảm trọng lượng cấu trúc liên tục cải thiện hiệu suất, nâng cao độ tin cậy an toàn và giảm chi phí chu kỳ cuộc sống

Hình 2.11 Các hợp kim Titan sử dụng trong động cơ máy bay

Bảng 2.1 Các thông số đặc trưng cho ba loại vật liệu phổ biến trong máy bay

2.2.2 Ngành công nghiệp đóng tàu

Kim loại Titan có nhiều đặc điểm rất phù hợp để sử dụng trong ngành công nghiệp đóng tàu, chẳng hạn như tính chống ăn mòn tuyệt vời đối với nước biển, trọng lượng nhẹ và độ bền cao, khả năng tái chế tốt, vv Đối với việc sử dụng trong tương lai của Ti, một số dữ liệu cơ bản trên Ti cần được nghiên cứu để xây

Trang 33

Page 24

dựng tàu Ti Titan có một khả năng lớn cho con tàu-nguyên liệu, đặc biệt, trong một số mục đích đặc biệt

Hình 2.12 Cánh quạt tàu sử dụng vật liệu hợp kim Titan

2.2.3 Ngành công nghiệp ô tô

Trong ngành công nghiệp ô tô, sử dụng cho Titan trong trường aftermarket và đua xe ô tô/xe gắn máy Các bộ phận động cơ như que kết nối, cổ tay chân, van, van thuộc hạ và lò xo, rocker arms và trục cam được chế tạo từ Titan, bởi vì nó

là bền, mạnh mẽ, nhẹ và chống nóng và chống ăn mòn Trong khi vật liệu Titan

có thể đắt hơn so với các loại vật liệu khác nhưng khi thiết kế nếu tận dụng hết đặc điểm độc đáo của nó sẽ mang lại hiệu suất tốt hơn và tuổi thọ lâu hơn dù giá thành có thể đắt hơn

Trang 34

Trang 35

Page 26

phong phú của nguyên và tinh quặng, đã cải thiện tình trạng sẵn có Khả năng miễn dịch chống ăn mòn của Titan, Độ bềnvà tính chất vật lý kết hợp để cho phép giảm bức tường dày, làm giảm chi phí khi lắp đặt Được nghiên cứu thiết

kế tận dụng thuộc tính độc đáo và tiết kiệm dài hạn từ độ bền và bảo trì thấp của

nó làm cho Titan một trong ngày hôm nay của chi phí có hiệu quả nhất các vật liệu xây dựng trên một cơ sở vòng đời Không có kiến trúc titan như cuộn, tấm, composite panel và ống.Hiện nay hợp kim Titan phổ biến nhất được sử dụng trong việc xây dựng bên ngoài bức tường, mái nhà, lá chắn

2.2.5 Trong lĩnh vực thể thao

Trong lĩnh vực thể thao hợp kim Titan được sử dụng trong sản xuất vợt chơi quần vợt, golf, thanh trục, cricket, khúc côn cầu và bóng đá, vỏ ngoài lò nướng thịt, khung xe đạp và các phụ kiện Các hợp kim Titan cũng được sử dụng làm khung cảnh tượng.Một khung hình bằng hợp kim Titan tuy khá đắt tiền, nhưng

độ bền cao và không dị ứng da

Các ứng dụng của Titan trong sản xuất xe đạp bắt đầu khoảng 25-30 năm trước đây và nó là lần đầu tiên hợp kim Titan được áp dụng trong lĩnh vực thể thao Hợp kim Titan phổ biến nhất được sử dụng cho xe đạp khung là Тi3Аl-2.5V (ASTM lớp 9) / PT3V

Hình 2.14 Khung xe đạp thể thao bằng hợp kim Titan

Trang 36

Hợp kim titan được sử dụng phổ biến trong y học: GOST VT1-0, VT1-00, ASTM B 348 lớp 1, lớp 2, lớp 3, lớp 4, hợp kim VT6 / VT6S, ASTM B 348 lớp

5, lớp 23, Ti 6Al-4V ASTM F 1472, ASTM, Ti 6Al-4V ELI ASTM F 136

Hình 2.15 Ứng dụng của hợp kim Titan trong y học 2.2.7 Trong máy tính công nghiệp

Hợp kim Titan được sử dụng trong các bộ phận cấu trúc xung quanh phần cứng như ổ đĩa và vi mạch do nó có khả năng khử từ tính.Thuộc tính không từ tính của nó ngăn chặn sự can thiệp với quá trình lưu trữ dữ liệu; khả năng chịu được nhiệt độ cho phép nhiệt độ cao hơn trong quá trình sơn, mà cải thiện tỷ lệ

Trang 37

Hình 2.17 Ứng dụng của hợp kim Titan thiết bị thực phẩm

2.2.9 Trong ngành đồ trang sức

Titan gần đây đã đƣợc sử dụng nhƣ là một vật liệu trang sức và ngày càng phổ biến.Sự đa dạng của các sản phẩm trang sức Titan bao gồm: nhẫn, vòng đeo tay,

Trang 38

Page 29

dây chuyền, dây chuyền, mặt dây chuyền, bông tai vv Đồ trang sức Titan là nhẹ

và cảm thấy ấm áp khi chạm vào Nó là bền lâu hơn so với vàng hoặc bạch kim

Hình 2.18 Ứng dụng của hợp kim Titan trong ngành trang sức

2.3 Đặc điểm của quá trình cắt vật liệu hợp kim Titan

Ngành công nghiệp titan (Ti) đƣợc thành lập vào những năm 1950 chủ yếu để chế tạo các bộ phận trong ngành hàng không vũ trụ nhƣ các bộ phận động cơ, tên lửa và tàu vũ trụ Ngày nay, Titan và các hợp kim của nó đã trở thành vật liệu kim loại thiết yếu cho ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và thiết bị y tế

do tính chất vật lý nổi bật của nó, tuy nhiên cũng chính đặc tính cơ học đó lại gây những vấn đề khó khăn trong việc gia công các chi tiết bằng hợp Titan cho các ngành công nghiệp này Đặc biệt, quá trình cắt ở tốc độ cao của các hợp kim titan là rất khó khăn vì tuổi thọ dụng cụ cắt cực kỳ ngắn Ví dụ, tại tốc độ cắt

Trang 39

Page 30

120 m/phút, dụng cụ cắt kim cương đa tinh thể (PCD) có thể kéo dài 2-4 phút và chỉ khoảng 1-2 phút cho các dụng cụ cacbít không phủ [Schrock, 2013] Tốc độ cắt được khuyến cáo hiện tại cho titan là ít hơn 30m/ phút với dụng cụ cắt là thép gió (HSS) và 60 m/phút với các dụng cụ các bít trong điều khiện gia công không sử dụng dung dịch làm mát bôi trơn [Rahman, 2003] Nhìn chung, khả năng gia công (tính gia công) của các hợp kim Ti được coi là thấp khi xét cả về các chỉ tiêu như lực cắt, tuổi thọ dụng cụ, năng suất cắt và chất lượng bề mặt gia công [Jaffery, 2008]

Mặc dù các hợp kim Ti có khối lượng riêng thấp khoảng 4,5 g/cm3 và độ bền

cơ học cao ở nhiệt độ cao [Oosthuizen, 2010], độ dẫn nhiệt của chúng cực thấp, trong khoảng từ 6,6 đến 20 W/m.K tùy thuộc vào các hợp kim thành phần thêm vào Nhiệt độ chuyển pha (nhiệt độ -transus) và nhiệt độ nóng chảy cho titan tinh khiết vào khoảng 882C [Yang, 1999] và 1650C [Oosthuizen, 2010] Những nhiệt độ này có thể thay đổi tùy thuộc vào tỉ lệ của các thành phần hợp kim thêm vào và điều kiện áp suất Ví dụ, nhiệt độ -transus cho Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-4V và Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo lần lượt là 1040C, 995C và 885C [Semiatin, 1996] Nhiệt độ -transus của titan tinh khiết là 1055 và 873K ở điều kiện áp suất 0, 5 và 10 GPa [Velsavjevic 2012] Titan được phân loại thành hai loại, titan chưa tinh chế (hoặc titan tinh khiết thương mại bao gồm 99,67% thành phần là Ti) và titan hợp kim (hợp kim Ti) có khả năng chống ăn mòn vượt trội Titan tinh kiết thương mại có các ứng dụng rất hạn chế Nó được sử dụng chủ yếu trong các ngành công nghiệp hóa chất Các hợp kim Ti có độ bền cao hơn, và do đó được ứng dụng rộng hơn trong các ngành công nghiệp hàng không

vũ trụ và thiết bị y tế Dựa vào tổ chức tế vi với các pha thành phần, hợp ki Titan được phân loại ra ba loại: Alpha (-Ti), Beta (-Ti), và Alpha-Beta (+-Ti) Hợp kim -Ti (Ti5Al2.5Sn, Ti8Al1Mo1V, v.v), có cấu trúc tế vi với các tinh thể lục giác  Các chất dùng để ổn định pha α, như Al, O, B, N, Sn làm tăng

Trang 40

Page 31

nhiệt độ β-transus Các hợp kim alpha và gần-alpha thường không thể xử lý nhiệt, giòn và có độ bền kéo thấp đến trung bình, khả năng chống ăn mòn cao và khả năng hàn tốt Chúng chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng chống ăn mòn

Hợp kim -Ti (Ti11.5Mo6Zr4.5Sn, Ti5553, v.v.), các cấu trúc lập phương tâm khối Các chất dùng để ổn định pha , chẳng hạn như V, Nb, Ta và Mo giúp giảm nhiệt độ -transus Các hợp kim trong nhóm này dễ dàng xử lý nhiệt, dẻo

và có độ bền cao và có khối lượng riêng cao hơn [Machado, 1990] Các hợp kim trong nhóm này cho thấy độ cứng cao hơn

Các hợp kim (+)-Ti (Ti6Al4V, Ti5Al4V, vv) chứa sự kết hợp của cả chất

ổn định pha α và pha β Các tính chất cơ học của các hợp kim này thay đổi đáng

kể tùy thuộc vào quá trình xử lý nhiệt, có thể dẫn đến độ bền cơ học cao ở nhiệt

độ phòng đến nhiệt độ cao Nói chung, các hợp kim trong nhóm này có sức bền cao hơn các hợp kim alpha và gần alpha, được sử dụng rộng rãi trong các mục đích chung (các ứng dụng liên quan đến độ bền) và các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ Trong nhóm hợp kim alpha-beta, Ti-6Al-4V là hợp kim được biết đến nhiều nhất và thường được sử dụng nhất (chiếm tới 60% tổng sản lượng các hợp kim Titan [Boyer, 1996])

Các hợp kim -Ti có đặc điểm gia công kém hơn nhiều so với các hợp kim titan alpha và (α + β)-Ti [Arrazola, 2009; Machai, 2013]

Bên cạnh các hợp kim này, có hai loại hợp kim chuyển tiếp, hợp kim gần alpha và hợp kim gần beta Các hợp kim gần alpha có tới 5% chất ổn định beta với vi cấu trúc chủ yếu pha alpha và pha beta khoảng 3-5% Các hợp kim beta gần có tỷ lệ phần trăm lớn là pha beta bền (βM) và các đặc tính tương tự của các hợp kim α + β [Maciej Motyka, 2012]

Định dạng
Số trang	89
Dung lượng	5,7 MB