Nghiên cứu phương pháp và công nghệ tạo hình siêu dẻo ứng dụng cho phôi nhôm dạng tấm hệ AA 5083

Tạo hình siêu dẻo SPF được ứng dụng rộng rãi như là một phương pháp kinh tế để sản xuất các chi tiết có độ phức tạp cao, trọng lượng nhẹ với một công đoạn tạo hình trong các ngành công n

-

NGUYỄN HOÀI NAM

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH SIÊU DẺO ỨNG DỤNG CHO PHÔI NHÔM DẠNG TẤM HỆ AA5083

Chuyên ngành : Cơ khí chế tạo máy Mã số ngành : 2.01.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2006

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Lưu Phương Minh

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm

Tp HCM, ngày tháng năm 200

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I- TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu phương pháp và công nghệ tạo hình siêu dẻo ứng dụng cho phôi nhôm dạng tấm hệ AA5083

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Tổng quan cơ sở lý thuyết biến dạng siêu dẻo và công nghệ tạo hình siêu dẻo, các phương pháp tạo hình siêu dẻo, thiết bị tạo hình siêu dẻo

Nghiên cứu công nghệ tạo hình siêu dẻo đối với hợp kim hệ nhôm AA5083, mô phỏng số quá trình tạo hình bằng phần mềm MSC.Marc 2005 nhằm xác định biến thiên độ dày trên toàn bộ bề mặt sản phẩm

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong Quyết định

giao đề tài): 03-07-2006

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03-12-2006

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS Lưu Phương Minh

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH CN BỘ MÔN

QL CHUYÊN NGÀNH

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

Ngày tháng năm

LỜI CẢM ƠN

Để có được những kiến thức vô cùng quý giá và hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp được giao như hiện nay, em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa

Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM đã dạy em trong suốt hơn hai năm vừa qua Nhân đây, em xin được bày tỏ lòng biết ơn, sự kính trọng đến quý thầy cô và kính chúc quý thầy cô luôn dồi dào sức khỏe để chắp cánh tri thức cho thế hệ mai sau

Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy Lưu Phương Minh đã dành nhiều thời gian để hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và quá trình thực hiện luận văn

Nguyễn Hoài Nam

Siêu dẻo là đặc tính của một vài vật liệu kim loại có độ giãn dài rất lớn mà không bị phá hủy ở điều kiện gia công thích hợp Độ giãn dài này đạt được từ vài trăm cho đến 1000% hoặc hơn nữa Vật liệu được gia công theo phương pháp này xảy ra ở tốc độ biến dạng thấp (< 1 s-1), nhiệt độ gia công cao (> 0,5Tnóng chảy) và vật liệu có kích thước hạt nhỏ mịn phù hợp

Tạo hình siêu dẻo (SPF) được ứng dụng rộng rãi như là một phương pháp kinh tế để sản xuất các chi tiết có độ phức tạp cao, trọng lượng nhẹ với một công đoạn tạo hình trong các ngành công nghiệp hiện đại Tạo hình siêu dẻo cũng làm tăng thêm tính thẩm mỹ, giảm tối thiểu số nguyên công sản xuất Trong suốt quá trình tạo hình siêu dẻo, độ biến mỏng của các thành phần trên sản phẩm phụ thuộc vào nhiều tham số như là hình dạng khuôn tạo hình, đặc tính vật liệu và điều kiện tạo hình như là áp suất và nhiệt độ Ngày nay, hợp kim nhôm AA5083 được ứng dụng rộng rãi để sản xuất bằng công nghệ tạo hình siêu dẻo trong ngành công nghiệp ôtô

Superplasticity is the property of certain metallic materials that very high longations without contraction till breakage can be achieved at suitable working conditions These elongations are from few hundred to 1000 % or even more

temperatures (> 0.5Tmelting point), and corresponding microstructure of material

Superplastic forming (SPF) has been widely accepted as an economical method to produce highly complex, lightweight and integral parts with a single forming operation in modern industry Superplastic forming also enhances design freedom, minimizes the amount of scrap produced During a superplastic forming process, thinning of components depends on several parameters including the shape of the die, the material properties, and the forming conditions such as pressure and temperature Nowaday, aluminum alloy AA5083 has been used to produce a variety of superplastic forming parts for the automotive industry

1 Kí hiệu quy ước và ý nghĩa

ε& Tốc độ biến dạng

n Độ nhạy ứng suất của tốc độ biến dạng

α Hệ số phụ thuộc cấu trúc biên hạt

2 Chữ viết tắt và ý nghĩa

EBSD Electron backscatter diffraction (Nhiễu xạ phân tán electron) FEA Finite element analysis (Phân tích phần tử hữu hạn)

GBM Grain boundary migration (Dịch chuyển biên hạt)

GBS Grain boundary sliding (Trượt biên hạt)

SPF Superplastic forming (Tạo hình siêu dẻo)

SPF/DB Superplastic forming/Diffusion bonding

(Tạo hình siêu dẻo/Liên kết khuếch tán)

Lời nói đầu 1

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU KIM LOẠI SIÊU DẺO VÀ CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH SIÊU DẺO

1.2 Khái quát về công nghệ tạo hình siêu dẻo

1.2.2 Các hợp kim phù hợp với công nghệ tạo hình siêu dẻo 11 1.2.3 Phạm vi ứng dụng của công nghệ tạo hình siêu dẻo 13 1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về công nghệ tạo hình siêu dẻo

1.4 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của đề tài

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG SIÊU DẺO VÀ CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH SIÊU DẺO

2.1 Cơ sở lý thuyết biến dạng siêu dẻo

2.1.3 Những nét riêng cơ học của biến dạng siêu dẻo 28

2.1.4 Đặc trưng cấu trúc tế vi của biến dạng siêu dẻo 35

2.1.5 Lỗ trống và phá hủy trong biến dạng siêu dẻo 44

2.2 Công nghệ tạo hình siêu dẻo

2.2.1 Nguyên lý quá trình tạo hình của công nghệ tạo hình siêu dẻo 51

2.2.2 Những ưu điểm và hạn chế của công nghệ tạo hình siêu dẻo 55

2.2.3 Phân loại các phương pháp gia công theo công nghệ tạo hình

2.2.4 Quy trình sản xuất theo công nghệ tạo hình siêu dẻo 61

2.2.5 Thiết bị tạo hình theo công nghệ tạo hình siêu dẻo 67

Chương 3

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH SIÊU DẺO ỨNG DỤNG

CHO PHÔI TẤM HỢP KIM NHÔM AA5083

3.3 Các thông số công nghệ phù hợp trong quá trình tạo hình siêu dẻo

3.4 Ứng dụng phần mềm MSC.Marc 2005 mô phỏng số quá trình tạo

Công nghệ tạo hình siêu dẻo (Superplastic Forming) hay còn gọi là công nghệ SPF là một trong những công nghệ tạo hình tiên tiến trên thế giới nhằm để chế tạo các chi tiết có bề mặt phức tạp từ phôi tấm trong các ngành công nghiệp ôtô, công nghiệp hàng không Sản phẩm của công nghệ này là các tấm bao thân

xe ôtô, các chi tiết trên máy bay và một số các chi tiết được dùng trong y học

Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là có thể chế tạo các chi tiết rất phức tạp bằng một công đoạn, giảm nhẹ trọng lượng chi tiết, tăng độ cứng vững của kết cấu

Đối với các chi tiết dạng tấm, thành mỏng và có hình dạng phức tạp, người ta không thể gia công tạo hình theo các phương pháp truyền thống như dập, hàn mà phải dùng kỹ thuật thổi ép bằng khí nén xuống hình dạng của khuôn tạo hình Công nghệ này giúp chúng ta cải thiện đáng kể về tính thẩm mỹ của sản phẩm, giảm thời gian gia công và giá thành sản phẩm Chính vì những

ưu điểm nổi bật trên mà những năm gần đây, công nghệ tạo hình siêu dẻo đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi ở các nước có nền công nghiệp phát triển

Đây là công nghệ tạo hình khá mới mẻ tại Việt Nam nên chưa được ứng dụng với quy mô rộng rãi để sản xuất, cũng như chưa có những công trình nghiên cứu về lĩnh vực này thật đầy đủ và toàn diện như những phương pháp công nghệ tạo hình phổ biến khác Mặt khác còn có lý do về vấn đề bảo mật bản quyền công nghệ nên nhiều yếu tố quan trọng trong tính toán thiết kế thiết

bị sản xuất của phương pháp này chưa được phổ biến rộng khắp trên thế giới Việc nghiên cứu công nghệ và thiết bị tạo hình siêu dẻo là rất cần thiết tại Việt

tiền đề cho việc phát triển sản xuất các chi tiết ứng dụng trong nền công nghiệp ôtô, hội nhập với nền công ngiệp sản xuất tiên tiến trên thế giới

Với những lý do trên, luận văn này tập trung vào nghiên cứu cơ sở lý thuyết biến dạng siêu dẻo và công nghệ tạo hình siêu, khai thác sử dụng phần mềm chuyên dùng để tính toán cho công nghệ SPF trên thế giới là MSC Marc

2005 thông qua sự giúp đỡ của các thầy cô trong khoa Cơ khí, để sau này có thể ứng dụng trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học của bản thân ở cơ quan công tác trong tương lai và góp một phần nhỏ cho công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

Do giới hạn thời gian thực hiện luận văn và kiến thức còn hạn chế, cho nên chắc chắn trong luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy,

em rất mong nhận được sự giúp đỡ và chỉ dẫn thêm của thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp

Phía dưới

Nghiên cứu cận đại về siêu dẻo

Gia công thép Damascus (Thép carbon 1,6-1,9%)

Thời kỳ đồng thiếc (Cu-As)

Năm 1912, Bengough công bố bài báo ở Trường Đại học Liverpool, ông tin chắc là có chứa một liên kết đặc biệt siêu dẻo nào đó trong vật liệu kim loại Bengough mô tả việc kéo một thanh đồng đặc biệt đến trạng thái thanh mảnh cho tới khi đứt hẳn thì có một độ giãn dài vô cùng lớn Đánh giá về vấn đề này, Bengough thảo luận với các cộng sự và đưa ra thuyết liên kết vô định hình Thanh đồng đặc biệt được dùng trong thí nghiệm thử kéo của Bengough là đồng thau (α + β), đạt được độ giãn dài 163% ở 700oC Các dữ liệu thí nghiệm của Bengough được thể hiện như trên hình 1.2 Có thể nhận thấy rằng các thiết bị rất thô sơ, điều khiển nhiệt độ bị hạn chế, tương xứng với tốc độ biến dạng lớn hầu như chắc chắn được dùng trong thí nghiệm của Bengough, kết quả đạt được của ông thì thật sự ngoài mong đợi Tiếp tục thử nghiệm với các vật liệu siêu dẻo tương tự theo thí nghiệm của Bengough trong thời gian gần đây, ví dụ như đối với hợp kim của Cu-40%Zn đã được phát triển khả năng siêu dẻo lên rất lớn trong khoảng nhiệt độ 600oC đến 800oC

Những thử nghiệm khác nhau về tính chảy dẻo của kim loại tiếp tục được nghiên cứu không ngừng Vào năm 1928, Jenkins đã thực hiện thí nghiệm và đạt được kết quả của sự kéo dài ra 300 - 400% trong vật liệu kim loại với thành phần hóa học Cd-Zn và Pb-Zn sau khi thực hiện quá trình kéo nóng cơ khí, cung cấp bằng chứng đầu tiên của đặc tính siêu dẻo trong cách thử nghiệm đơn giản (hình 1.3) Tuy nhiên, Jenkins chưa đưa ra các nhận xét mang ý nghĩa quan trọng trong các bản tóm tắt hay các bản kết luận của ông ta Vào năm 1934, Pearson công bố kết quả nghiên cứu của mình tại Trường Đại học Newcastle, chứng minh bằng cách dùng hợp kim Bi-Sn đơn giản có thể tạo hình đạt được gần 2000% và cuộn vòng lại, mức độ giãn dài rất lớn có thể đạt được với cấu trúc vật liệu 2 pha Kết quả là Pearson đạt được sự chứng nhận khoa học và sự tán thưởng của mọi người với phát minh siêu dẻo đầu tiên của mình

Sau này ở vùng Đông Đức, Sauerwald dự báo rằng có một hợp kim nhôm và kẽm có tính dễ kéo sợi và ông ta đã sáng chế nhiều kết cấu tốt Trong thời gian này, các nhà khoa học Liên Xô cũng đang thực hiện một số bài báo cáo đặc biệt Vào năm 1945, Bochvar và Sviderskaya đặt ra thuật ngữ

"sverhplastchnost" (ultrahigh plasticity) trên bài báo của họ về những hợp kim

siêu dẻo Thuật ngữ "superplasticity" đã được dùng đầu tiên bằng tiếng Anh ở

những bản tóm tắt về hóa học vào năm 1947, nhưng xuất hiện lần đầu tiên vào

năm 1959 trên bài báo kỹ thuật do Lozinsky và Simeonova với tựa đề "Super Plastic of Commercial Iron under Cyclic Fluctuations of Temperature" Một số

mốc then chốt khám phá ra đặc tính siêu dẻo trong vật liệu kim loại trong giai đoạn này được tóm tắt bởi hình sau:

Pearson công bố mẫu giãn dài 2000% của hợp kim Bi-Sn

Sauveur khám phá

ra sự giãn siêu dẻo

Bochvar và đồng nghiệp với bài báo về siêu dẻo và đưa ra thuật

ngữ "Sverhplastichnost"

(superplasticity)

Jenkins công bố mẫu siêu dẻo

Bengough nhận

xét tính siêu

dẻo ở đồng

thau năm 1912

b) Từ năm 1962 đến năm 1982

Mặc dù những bài báo về siêu dẻo thỉnh thoảng xuất hiện sau năm 1945, sự quan tâm đặc biệt được chú ý vào năm 1962 với bài báo tổng hợp do Underwood làm việc ở Liên Xô Hình 1.6 đã tính đến trong phần tổng hợp này minh họa tính dễ kéo sợi của hợp kim Zn-Al sau khi kéo ở nhiệt độ 375oC Đặc tính kéo sợi lớn nhất là 650% đạt được ở 250oC với hợp kim có thành phần khối

lượng 20%Al và 80%Zn Kết quả xuất sắc này đã thu hút sự chú ý của Backofen

ở viện kỹ thuật Massachusetts Sau đó, nhóm nghiên cứu của ông ta đã nghiên cứu ra hợp kim Al-Cu và vật liệu Pb-Sn

Zn (% khối lượng)

Mang lại ý nghĩa to lớn về phát minh vật liệu kim loại siêu dẻo, Backofen cùng các đồng sự của ông đã chỉ ra hợp kim Al-Zn có thể được tạo hình thành một hình dạng với áp suất khí quyển đơn giản, như trong nghề thổi thủy tinh

thổi khí đơn giản từ hợp kim Zn-Al do Backofen chế tạo vào năm 1964

Các mẫu thí nghiệm trên một số hợp kim siêu dẻo và những bài báo về các hợp kim này do Backofen công bố vào năm 1964 cho thấy khả năng đặc biệt của những hợp kim siêu dẻo, khởi đầu sự hình thành và phát triển vượt bậc trong lĩnh vực vật liệu kim loại siêu dẻo Vào năm 1968, bốn năm sau phát minh của Backofen về tạo hình siêu dẻo, bài báo tổng hợp đầu tiên với cùng chủ đề siêu dẻo được công bố bởi Chaudhari và một năm sau, cuốn sách đầu tiên với tựa đề

"Superplasticity of Metals and Alloy[15] đã được viết bởi Presnyakov Một thời

gian sau đó, những công trình nghiên cứu ở các nước phương Tây, ở Liên Xô và

ở Nhật Bản đã lần lượt được công bố

c) Từ năm 1982 cho đến ngày nay

Hội nghị quốc tế năm 1982 đưa ra quy ước "Superplastic Forming of Structural Alloys" để chỉ ra tầm quan trọng to lớn trong chủ đề siêu dẻo trong cả

hai quan điểm học thuật và thương mại Đó cũng là cuộc thảo luận đầu tiên về chủ đề siêu dẻo Trong hội nghị này, tính khả thi trong ứng dụng thương mại của vật liệu kim loại siêu dẻo được tổng hợp lại từ những hợp kim titan, hợp kim niken và các hợp kim của sắt

Từ hội nghị năm 1982, những hội nghị chuyên đề quốc tế đầy ý nghĩa khác đã được xuất hiện ngày càng nhiều Tạo hình siêu dẻo (Superplastic Forming, SPF) là chủ đề hội nghị chuyên đề tổ chức vào năm 1984 ở Los Angeles (Mỹ) Một hội nghị về hợp kim nhôm siêu dẻo trong công nghiệp hàng không được tổ chức ở Cranfield (Anh) vào tháng 7-1985 Hội nghị quốc tế thứ hai về siêu dẻo được tổ chức ở Grenoble (Pháp) vào tháng 9-1985 NATO-AGARD đã chọn siêu dẻo làm loạt bài thuyết trình của họ vào các năm 1987 và

1989 Năm 1991, sau khi tranh luận và trao đổi đáng kể tại hội nghị quốc tế về siêu dẻo (ICSAM-91) tại Osaka, trạng thái siêu dẻo được định nghĩa là vật liệu

đa tinh thể đẳng hướng, có độ giãn dài rất lớn trước khi phá hủy Các hội nghị song phương giữa các nước phát triển cũng chọn đề tài siêu dẻo làm một trong những chủ đề chính trong các buổi thảo luận Ngày nay, các hợp kim siêu dẻo ngày càng được cải thiện tính chất và kỷ lục về độ giãn dài trong vật liệu kim loại siêu dẻo đã đạt được gần 8000% với hợp kim đồng thương mại Cu-Al của Highashi[14]

1.2 KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH SIÊU DẺO

1.2.1 Giới thiệu về công nghệ tạo hình siêu dẻo

Trên thế giới, ngành gia công áp lực đã phát triển đến mức độ hiện đại về thiết bị gia công, phương pháp gia công và khả năng gia công Ở các nước có nền công nghiệp tiên tiến trên thế giới đã chế tạo và sử dụng các thiết bị máy móc hiện đại có công suất lớn như máy ép thủy lực có lực ép hàng mấy chục vạn tấn, ứng dụng các phương pháp gia công tạo hình hiện đại như công nghệ tạo hình bằng áp lực thủy tĩnh, công nghệ tạo hình siêu dẻo cho các ngành công nghiệp ôtô, công nghiệp hàng không

Công nghệ tạo hình siêu dẻo (có thuật ngữ tiếng Anh là Superplastic Forming và thường được gọi tắt là công nghệ SPF) được thừa nhận là phương

pháp kinh tế để sản xuất các chi tiết có hình dạng rất phức tạp, khối lượng nhẹ và đạt độ chính xác cao với quá trình tạo hình đơn giản trong nền công nghiệp hiện đại, đặc biệt là các ngành công nghiệp hàng không và công nghiệp ôtô Trong quá trình tạo hình, chiều dày các thành phần trên sản phẩm phụ thuộc vào

nhiều thông số như hình dạng khuôn tạo hình, đặc tính vật liệu và các điều kiện tạo hình như áp suất và nhiệt độ Sau đây là một số hình ảnh về công nghệ tạo hình siêu dẻo được ứng dụng để sản xuất ở một số nơi trên thế giới:

Quá trình tạo hình theo công nghệ SPF đối với các chi tiết có kích thước lớn hoặc các hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao là tương đối phức tạp, chu kỳ một lần tạo hình thường là rất lâu Khuôn tạo hình và máy ép thủy lực để sản xuất các chi tiết dạng này có kích thước lớn, giá thành thiết bị khá đắt tiền, quá trình tạo hình khá phức tạp vì phải cần điền đầy vật liệu trong khuôn với một kích thước lớn nên rất dễ gây ra phế phẩm, chi phí cho một chu kỳ sản phẩm là rất lớn

Hình 1.11. Tạo hình sản phẩm SPF kích thước lớn ở nhiệt độ trên 1000 o C

1.2.2 Các hợp kim phù hợp với công nghệ tạo hình siêu dẻo

Mỗi hợp kim có đặc tính và nhiệt độ nóng chảy khác nhau, vì vậy, tùy vào ứng dụng thực tế của từng loại sản phẩm mà ta phải lựa chọn sao cho phù hợp với quá trình tạo hình siêu dẻo Các hợp kim được ứng dụng trong công nghệ tạo hình siêu dẻo được gọi là vật liệu kim loại siêu dẻo hoặc hợp kim siêu dẻo Mỗi hợp kim gồm nhiều nguyên tố kim loại hợp thành tính theo tỷ lệ phần trăm về thành phần khối lượng Đây cũng chính là cơ sở để đưa ra ký hiệu của từng hợp kim dựa theo tỷ lệ khối lượng của từng nguyên tố kim loại có trong hợp kim đó Sau đây là một số các hợp kim siêu dẻo phù hợp với công nghệ tạo hình siêu dẻo:

Tên hợp kim Ký hiệu

Thép không gỉ

Thành phần hóa học của hợp kim titan thường không ít hơn hai nguyên tố kim loại Trong các hợp kim được ứng dụng trong công nghệ tạo hình siêu dẻo thì hợp kim nhôm và hợp kim magiê có nhiệt độ gia công tạo hình khoảng dưới

550oC, còn hợp kim titan có nhiệt độ tạo hình tương đối cao khoảng 900oC hoặc hơn Điều này gây khó khăn phức tạp trong quá trình tạo hình sản xuất, trong chế tạo làm tăng giá thành sản phẩm

o C)

Tùy theo yêu cầu của sản phẩm mà người ta lựa chọn các hợp kim siêu dẻo khác nhau ứng dụng cho công nghệ tạo hình siêu dẻo, thông thường hợp kim magiê và hợp kim nhôm được ứng dụng rộng rãi nhất trong các ngành công nghiệp còn hợp kim titan thì được ứng dụng trong một số các chi tiết đặc biệt chuyên dụng

1.2.3 Phạm vi ứng dụng của công nghệ tạo hình siêu dẻo

Công nghệ SPF được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hàng không, công nghiệp ôtô Hiện nay, nhiều nhà sản xuất trên thế giới áp dụng công nghệ tạo hình siêu dẻo làm biện pháp hoàn thiện các sản phẩm cơ khí

ô tô, cụ thể là sản xuất các tấm bao quanh thân xe ôtô, các cánh cửa xe ôtô giúp sản phẩm ngày càng chất lượng hơn

Hình 1.13. Công nghệ SPF được ứng dụng để sản xuất các tấm bao quanh thân xe ôtô

Sau đây là một số ứng dụng của công nghệ tạo hình siêu dẻo ở các loại hợp kim siêu dẻo khác nhau:

Hợp kim magiê

Hợp kim magiê có ưu điểm chủ yếu là làm vật liệu nhẹ, kết cấu chất lượng cao, khả năng chống ăn mòn của hợp kim magiê khá tốt, bền như hợp kim nhôm nhưng lại nhẹ hơn 25% so với hợp kim nhôm Hợp kim magiê dùng chủ yếu trong chế tạo máy bay, ôtô, các thiết bị quân sự Rất nhiều chi tiết trên máy bay được chế tạo bằng hợp kim magiê theo công nghệ SPF như thân máy, cửa buồng lái Nhiệt độ tạo hình theo công nghệ SPF đối với hợp kim magiê vào khoảng 425oC

Hợp kim nhôm

Hợp kim nhôm có độ bền cao hơn hẳn nhôm nguyên chất Đối với công nghệ tạo hình siêu dẻo thì các ứng dụng của hợp kim nhôm rất đa dạng Hợp kim hệ Al-Mg thuộc về hệ hợp kim nhôm nhẹ nhất, có tính đàn hồi tốt, ổn định, chống ăn mòn khí quyển, bề mặt gia công đẹp, khả năng giảm chấn tương đối tốt, có độ bền mỏi cao Trong ngành công nghiệp ôtô, hợp kim nhôm được ứng dụng chủ yếu trong công nghệ tạo hình siêu dẻo để gia công các tấm bao ngoài quanh thân xe ôtô, các cánh cửa xe ôtô Hợp kim nhôm được dùng phổ biến nhất hiện nay trong ngành công nghiệp ôtô là các hợp kim nhôm AA5083, AA7475

Hình 1.15 Các c ánh cửa ôtô bằng hợp kim nhôm gia công theo công nghệ SPF[6]

Hợp kim titan

Hợp kim titan được ứng dụng công nghệ tạo hình siêu dẻo để sản xuất các bán cầu vệ tinh, các chỗ uốn cong dạng khuỷu, các vỏ thiết bị máy móc Ứng dụng phổ biến nhất là hợp kim titan Ti-6Al-4Vi Giá thành của hợp kim titan cao hơn đáng kể so với hợp kim nhôm, magiê nên phạm vi ứng dụng cũng có hạn chế, chủ yếu trong công nghệp hàng không và vũ trụ Tuy nhiên, hợp kim titan có vị trí rất quan trọng trong tương lai đối với công nghệ tạo hình siêu dẻo

Bên cạnh những ứng dụng rất rộng rãi của công nghệ tạo hình siêu dẻo trong công nghiệp thì công nghệ này còn được ứng dụng để phục vụ trong y học Công nghệ tạo hình siêu dẻo ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong y học, người ta chủ yếu sử dụng hợp kim titan làm ra các sản phẩm cần sự chắc chắn, chịu được độ va đập và ít bị mài mòn Các sản phẩm tiêu biểu ứng dụng công nghệ tạo hình siêu dẻo như phần bảo vệ hàm răng, phần che bảo vệ mũi, phần chi tiết thay thế xương hàm để trồng răng

Hình 1.18. Một vài ứng dụng tiêu biểu của công nghệ SPF trong y học

Ngoài ra, trên thế giới và nhất là trong ngành công nghiệp hàng không, người ta thường kết hợp công nghệ tạo hình siêu dẻo SPF với kỹ thuật liên kết khuếch tán DB (thường được gọi là công nghệ SPF/DB) để có thể sản xuất được các chi tiết có gân dạng hình thang bên trong Ưu điểm chính của công nghệ SPF/DB là nhằm giảm trọng lượng chi tiết mà vẫn đảm bảo độ bền, độ vững chắc của kết cấu nhờ vào sự rất vững chắc của các tấm siêu dẻo kết hợp tạo thành bên trong bề mặt chi tiết Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của công nghệ SPF/DB là sản xuất các cánh tuabin của động cơ trên máy bay mà hãng Roll-Royce ở Anh là nhà sản xuất hàng đầu về cánh động cơ tuabin

Nhờ có gân hình thang chạy dọc bên trong bởi sự kết hợp của nhiều tấm hợp kim siêu dẻo mà những chi tiết được sản xuất theo công nghệ kết hợp

SPF/DB luôn đảm bảo độ bền, độ cứng vững, giảm tối đa trọng lượng kết cấu, điều này luôn được đòi hỏi và rất phù hợp trong ngành hàng không

và của thiết bị bào gỗ loại lớn được sản xuất theo công nghệ SPF/DB

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH SIÊU DẺO

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Hiện nay trên thế giới, tại các nước có nền công nghiệp phát triển như Mỹ, Anh, Đức, Nhật, loại hình công nghệ tạo hình siêu dẻo SPF đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp ôtô, công nghiệp hàng không và trong khoảng thời gian từ 10 ÷ 15 năm trở lại đây, công nghệ tạo hình siêu dẻo đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà sản xuất, nhiều trung tâm nghiên cứu và các trường đại học trên thế giới Công nghệ SPF được phát triển và đưa vào ứng dụng sản xuất đầu tiên ở Anh vào năm 1968 Khi ấy, tập đoàn BAC (British Aircraft Corporation) đã bắt đầu ứng dụng công nghệ SPF để sản xuất các chi tiết trên máy bay Hiện nay có rất nhiều trường đại học nổi tiếng trên thế giới nghiên cứu công nghệ tạo hình siêu dẻo SPF như đại học Oxford, Cambridge, Wolverhampton (Anh), đại học Stuttgart (Đức) Nhiều nhà sản xuất trên thế giới đã ứng dụng công nghệ SPF để hoàn thiện các sản phẩm cơ khí ôtô, các chi tiết trên máy bay Trong đó, hãng Roll-Royce ở Anh và công ty Furukawa-Sky

Aluminum của Nhật là những tập đoàn hàng đầu trong việc sản xuất các chi tiết trên ôtô, máy bay bằng công nghệ tạo hình siêu dẻo

1.3.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Có thể nói công nghệ tạo hình siêu dẻo (còn gọi tắt là công nghệ SPF) đối với Việt Nam còn quá mới mẻ và hầu như chưa được áp dụng ở một cơ sở sản xuất nào Điều này càng khiến chúng ta cần thúc đẩy quá trình nghiên cứu, hội nhập và tiếp thu các công nghệ tiên tiến trên thế giới, trong đó, công nghệ SPF là rất cần thiết đối với ngành cơ khí ôtô ở nước ta Hầu hết các chi tiết dạng tấm đều được thực hiện sản xuất theo các phương pháp tạo hình truyền thống như cán, dập và hàn lại với nhiều chi tiết khác nhau, điều này vừa phải thực hiện qua nhiều công đoạn khác nhau, vừa không đạt được tính thẩm mỹ cao Trong khi đó, áp dụng công nghệ SPF, chúng ta có thể gia công tạo hình chỉ bằng một công đoạn và đạt được hiệu quả kinh tế cao, giảm trọng lượng của chi tiết, tăng độ cứng vững của kết cấu, tính thẩm mỹ của sản phẩm được hoàn thiện hơn Xuất phát từ những ưu điểm nổi bật đó, chúng ta cần nghiên cứu và ứng dụng công nghệ SPF vào ngành công nghiệp cơ khí, nhanh chóng tiếp thu các công nghệ tiên tiến trên thế giới, góp phần mang lại hiệu quả kinh tế cho đất nước Trước mắt, sản phẩm công nghệ này có thể ứng dụng tại Việt Nam trong các ngành cơ khí ôtô như sản xuất các cánh cửa, mui xe, các tấm bao quanh thân xe ôtô Tùy từng công dụng và kích thước cụ thể, các chi tiết và vật liệu được nghiên cứu chế tạo sản xuất phải phù hợp với điều kiện kinh tế của đất nước Tiếp thu và áp dụng kỹ thuật tiên tiến trên thế giới cho việc phát triển nhanh nền kinh tế nước nhà cũng là một yếu tố quan trọng để tạo điều kiện thuận lợi phát triển cho ngành công nghiệp cơ khí

1.4 MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1.4.1 Mục tiêu của đề tài

Để tồn tại trên thị trường cạnh tranh toàn cầu, sản xuất công nghiệp ngày nay phải luôn đưa ra thị trường những sản phẩm mới với chất lượng ngày càng cao, giá thành ngày càng giảm Xu thế phát triển chung của các nhà sản xuất công nghiệp hiện đại là ứng dụng những phương pháp sản xuất tiên tiến, sử dụng máy tính, công nghệ phần mềm để tự động hóa và liên kết các chức năng kỹ thuật nhằm giảm thời gian và chi phí sản xuất, tăng tính thẩm mỹ và kết cấu của sản phẩm, thỏa mãn và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của khách hàng

Mục tiêu của đề tài là:

- Tổng quan cơ sở lý thuyết biến dạng siêu dẻo và công nghệ tạo hình siêu dẻo, nghiên cứu các phương pháp tạo hình siêu dẻo, thiết bị tạo hình siêu dẻo và các thông số đầu vào đặc trưng trong suốt quá trình biến dạng

- Nghiên cứu công nghệ tạo hình siêu dẻo đối với hợp kim hệ nhôm AA5083, mô phỏng số quá trình tạo hình bằng phần mềm MSC.Marc 2005 nhằm xác định biến thiên độ dày trên toàn bộ bề mặt sản phẩm

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Trên cơ sở tổng quan lý thuyết biến dạng siêu dẻo và công nghệ tạo hình siêu dẻo, nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình biến dạng hợp kim tấm hệ nhôm AA5083, từ đó dự đoán các điều kiện kỹ thuật cần thiết cho quá trình sản xuất để điều chỉnh hình dạng và chất lượng sản phẩm, giúp sản phẩm ngày càng chất lượng hơn Nghiên cứu ảnh hưởng của tính chất vật liệu đến quá trình biến dạng và các phương pháp lựa chọn vật liệu kim loại siêu dẻo dùng trong công nghệ SPF Nghiên cứu tính năng kỹ thuật của thiết bị

tạo hình siêu dẻo, thu thập thông tin về các thiết bị trên thế giới, trên cơ sở đó đưa ra các giải pháp đúng đắn để lựa chọn các thông số kỹ thuật phù hợp với chế độ tạo hình vật liệu siêu dẻo dạng phôi tấm

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình biến dạng và các biện pháp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, các phương pháp và công nghệ tạo hình siêu dẻo cho phôi nhôm AA5083 dạng tấm có thành mỏng Từ các thông số đó, thực hiện phân tích phần tử hữu hạn (FEA) mô phỏng số quá trình tạo hình siêu dẻo một sản phẩm hệ nhôm AA5083 bằng phần mềm MSC.Marc 2005 Ứng dụng phần mềm MSC.Marc 2005 này nhằm triển khai trình tự thực hiện một bài toán mô phỏng số cho sản phẩm hợp kim nhôm AA5083 theo công nghệ tạo hình siêu dẻo SPF Dựa trên các thông số đầu vào trong quá trình tạo hình một cách hợp lý nhất để xác định biến thiên độ dày trên sản phẩm, tránh tối đa các khuyết tật và các hiện tượng nứt vỡ có thể xảy ra nhằm đạt được chất lượng sản phẩm đồng thời tiết kiệm thời gian và chi phí sản xuất

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG SIÊU DẺO VÀ CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH SIÊU DẺO

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG SIÊU DẺO

Việc nắm vững bản chất quá trình biến dạng siêu dẻo và sự thay đổi tính chất kèm theo có ý nghĩa rất quan trọng trong công nghệ gia công tạo hình, từ đó đề ra các phương pháp nâng cao cơ tính của vật liệu cũng như khắc phục các dạng hỏng, phế phẩm do chúng tạo ra Vì vậy, nghiên cứu quá trình biến dạng siêu dẻo có ý nghĩa lý thuyết và thực tế, mang lại hiệu quả kinh tế rất to lớn

trong công nghệ gia công tạo hình vật liệu

2.1.1 Khái niệm biến dạng siêu dẻo

Siêu dẻo (superplasticity) là khả năng biến dạng dẻo rất lớn (có thể lên đến 2000% hoặc hơn) của một số hợp kim có thành phần và tổ chức tế vi xác định, trong khoảng nhiệt độ và tốc độ biến dạng xác định Vật liệu siêu dẻo được phát hiện từ rất lâu nhưng mãi cho đến những năm 60, người ta mới nhận thức được đầy đủ ý nghĩa to lớn của nó trong kỹ thuật, ví dụ trong các công nghệ biến dạng tạo phôi Các quá trình tạo phôi trong công nghiệp như rèn, dập, ép, cán có thể tiến hành rất dễ dàng đối với vật liệu siêu dẻo trên những thiết bị đơn giản, năng suất cao, chất lượng cao, chi phí thấp Một số chi tiết có thành mỏng

và sâu có thể chế tạo theo phương pháp thổi bằng khí nén Ứng dụng rộng rãi vật liệu siêu dẻo sẽ là một cuộc cách mạng thực sự trong công nghệ tạo hình bằng gia công áp lực

Số lượng hợp kim có tính siêu dẻo được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng ngày càng nhiều Người ta phân loại vật liệu siêu dẻo thành ba nhóm sau: siêu dẻo nhiệt độ phòng, siêu dẻo nhiệt độ trung bình (200 ÷ 500oC), siêu dẻo nhiệt độ cao (hơn 500oC) Phần lớn các hợp kim siêu dẻo sử dụng rộng rãi hiện nay thuộc nhóm thứ hai và thứ ba Tiêu biểu là các hợp kim trên cơ sở của titan, đồng, nhôm, kẽm hoặc magiê, được ứng dụng rộng rãi để chế tạo một số chi tiết trong ôtô, máy bay Để có được hợp kim, thông thường người ta dùng cách nấu chảy hai hay nhiều nguyên tố kim loại với một tỷ lệ thành phần khối lượng nhất định

Vật liệu kim loại siêu dẻo là loại vật liệu đặc biệt quan trọng trong công nghệ tạo phôi bằng cách cán, ép thể tích với độ giãn dài từ vài trăm phần trăm trở lên mà vẫn không bị phá hủy vật liệu Các biện pháp công nghệ thường được sử dụng để chế tạo hợp kim siêu dẻo là biến dạng nguội sơ bộ mạnh kèm theo kết tinh lại, nhiệt luyện tuần hoàn hay chuyển pha ở trạng thái rắn hoặc làm nguội nhanh như các hợp kim Ti, Ni, Al, thép cacbon cao (1,6%C) Khó khăn thường gặp là phải tạo ra một tổ chức hạt nhỏ mịn ổn định cũng như duy trì một tốc độ biến dạng quá nhỏ và một môi trường nhiệt độ cao khác hẳn với các điều kiện kỹ thuật thông thường Mặc dù vậy, trạng thái siêu dẻo luôn được sử dụng để chế tạo các chi tiết có hình dạng rất phức tạp, có thành mỏng và sâu bằng các công nghệ thông dụng như ép thể tích, đúc áp lực (ở nhiệt độ gần nhiệt độ nóng chảy) hoặc thổi bằng khí nén (đối với những hợp kim có độ dẻo cao) và đặc biệt

có lợi, đôi khi không thể thay thế được khi cần có biến dạng không phá hủy từ vài phần trăm trở lên

Al-Zn cùng tinh

Bi-Sn cùng tinh

Bi-In cùng tinh

Đối với biến dạng dẻo thì sự hoạt động của nhiều hệ trượt cùng một lúc (trượt phức tạp) làm các mặt trượt bị uốn và quay, do đó khi mức độ biến dạng lớn, sự khác nhau về định hướng giữa các hạt giảm dần, hạt bị kéo dài trong

phương biến dạng, chứa nhiều khuyết tật và có thể tạo ra tổ chức sợi Khác với biến dạng dẻo, biến dạng siêu dẻo thể hiện ứng xử không đàn hồi với độ nhạy tốc độ biến dạng, biến dạng siêu dẻo chủ yếu do trượt biên hạt, xoay hạt, khuếch tán và chuyển dịch hạt, biến dạng siêu dẻo có hạt hoàn toàn không bị kéo dài như biến dạng dẻo Sau đây là bảng so sánh sự khác nhau giữa biến dạng siêu dẻo so với biến dạng dẻo:

Biến dạng siêu dẻo Biến dạng dẻo

- Siêu dẻo thể hiện một ứng xử không đàn hồi với

độ nhạy tốc độ biến dạng

- Hiệu quả của hóa cứng biến dạng là thứ cấp

- Xoay hạt, trượt biên hạt là những cơ chế đầu tiên

của biến dạng

- Cấu trúc giảm, định hướng hạt trở nên ngẫu

nhiên khi biến dạng tăng lên

- Biến dạng chủ yếu do trượt biên hạt với khuếch

tán và chuyển dịch

- Biến dạng làm giảm bất đẳng hướng ban đầu

- Phá hủy do sự phát triển của nút trống và sự

không ổn định hình học

- Dẻo thể hiện một ứng xử không đàn hồi mà không phụ thuộc tốc độ biến dạng

- Ứng suất chảy gia tăng trực tiếp theo hóa cứng biến dạng

- Cấu trúc hạt vẫn giữ nguyên suốt thời gian biến dạng

- Cấu trúc giảm, ưu tiên hướng biến dạng ban đầu

- Biến dạng chủ yếu do sự dịch chuyển hạt

- Biến dạng tạo ra một bất đẳng hướng lớn

- Phá hủy do vật liệu và sự không ổn định hình học

2.1.2 Điều kiện xảy ra biến dạng siêu dẻo

Có thể xem siêu dẻo là một trạng thái chung của vật liệu tồn tại trong những điều kiện đặc biệt về tổ chức và biến dạng Đó là hiện tượng hàng loạt kim loại và hợp kim với kích thước hạt nhỏ mịn (< 104 nm), có thể biến dạng dẻo với mức độ giãn dài lớn (102 ÷ 103%) mà không bị hóa bền và không bị phá hủy

ở nhiệt độ cao (≥ 0,5Tnc, Tnc là nhiệt độ nóng chảy) với tốc độ biến dạng rất nhỏ (10-5 ÷ 10-1 s-1) Thực chất siêu dẻo là một trường hợp đặc biệt của biến dạng

dẻo ở nhiệt độ cao Cơ chế của siêu dẻo chưa được khẳng định, song mức độ biến dạng lớn ở nhiệt độ cao có thể do một hay một vài quá trình sau đây gây nên: trượt ở bên trong hạt, trượt biên giới hạt, khuếch tán định hướng do chuyển động của khuyết tật điểm và hồi phục động học do kết tinh lại khi biến dạng Người ta nhận thấy rằng quá trình biến dạng của vật liệu siêu dẻo có liên quan đến các nhóm hạt nhỏ mịn với vùng biên giới sắp xếp phù hợp có cùng xu hướng trượt biên giới Khi biến dạng ở nhiệt độ cao (≥ 0,5Tnc) kèm theo hiện tượng thải bền là do các lệch leo tới tinh giới và chuyển động theo tinh giới làm cho biên giới hạt trượt với tốc độ bằng tốc độ leo của lệch

Khi biến dạng ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại (< 0,5Tnc), biên giới hạt càng nhiều (hạt càng nhỏ) thì mức độ hóa bền càng cao (công thức Hall-Petch) Sau một mức độ biến dạng nào đó vật liệu bị hóa bền trở nên khó biến dạng Đối với vật liệu siêu dẻo khi biến dạng ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại, ngoài quá trình trượt của lệch trong hạt còn có sự trượt tập hợp biên giới hạt Điều này cho thấy hợp kim có hạt càng nhỏ mịn thì càng dễ biến dạng ở nhiệt độ kết tinh lại (điều này đồng nghĩa với hợp kim có hạt càng thô to thì có độ bền nóng càng cao) Quá trình leo của lệch và trượt biên giới gây ra sự chảy dẻo trong vật rắn tinh thể và được mô tả theo công thức:

σ= kε&m (2.1) Trong đó:

σ : ứng suất chảy

k : hằng số phụ thuộc vật liệu

ε& : tốc độ biến dạng

m : độ nhạy tốc độ biến dạng

Có thể hiểu rằng, giá trị m được mô tả như là đặc tính của vật liệu chống lại sự mỏng và sự thắt lại Giá trị m càng cao thì khả năng chống lại chỗ thắt càng tốt hơn và chiều dày sản phẩm đồng nhất hơn trong quá trình sản xuất Một trong những cách gia tăng giá trị m là tăng nhiệt độ sản xuất Khi m = 1 thì ứng suất chảy tỉ lệ thuận với tốc độ biến dạng và trạng thái của vật liệu giống như trạng thái chảy nhớt của chất lỏng Newton Các vật liệu siêu dẻo hệ Zn-Al, Al-

Cu, Bi-Sn có m ≈ 1 ở nhiệt độ cao Trạng thái chảy dẻo biên giới hạt, ngoài sự liên quan đến quá trình leo của lệch còn liên quan đến sự khuếch tán định hướng

do sự chuyển đổi nguyên tử và nút trống cũng như sự tụ tập hoặc tiêu hủy nút trống Trạng thái siêu dẻo không chỉ cần có các hạt nhỏ mịn đồng đều mà còn cần giữ cho các hạt đó không thay đổi trong suốt thời gian biến dạng ở nhiệt độ cao (≥ 0,5 Tnc) Các hợp kim một pha (ví dụ: dung dịch rắn) không giữ được trạng thái này vì hạt kịp lớn lên trong thời gian biến dạng ở nhiệt độ cao Trong thực tiễn, thường sử dụng các hợp kim hai (hay nhiều) pha kiểu cùng tinh hoặc cùng tích với tỷ lệ pha 1:1 từ các nguyên tố có nhiệt độ nóng chảy gần nhau, với số lượng biên pha lớn nhất có khả năng giữ được tổ chức hạt nhỏ trong quá trình chế tạo Thực nghiệm cho thấy khi tăng độ phân tán của tổ chức, giảm kích thước hạt và khoảng cách các tấm cùng tinh thì khả năng biến dạng dẻo tăng lên

Như vậy, trạng thái siêu dẻo tồn tại khi có các dấu hiệu sau:

- Ứng suất chảy của vật liệu kim loại ở trạng thái siêu dẻo nhạy cảm cao

so với trạng thái dẻo đối với tốc độ biến dạng, hay nói cách khác là vật liệu siêu dẻo có thiên hướng hóa bền tốc độ

- Có khả năng biến dạng lớn, đặc biệt khi kéo sẽ biến dạng đều tới vài trăm phần trăm không có thắt cục bộ

- Ứng suất chảy ở trạng thái siêu dẻo nhỏ hơn nhiều ứng suất chảy của vật liệu đó ở trạng thái dẻo

Thực chất, khả năng biến dạng lớn của vật liệu siêu dẻo là sự phụ thuộc của ứng suất chảy vào tốc độ biến dạng gần với tính lưu biến của môi trường lỏng nhớt

Chỉ số biến cứng Trạng thái Độ nhạy tốc độ

Trạng thái dẻo

- Biến dạng nguội

- Biến dạng nóng

Siêu dẻo

Dẻo lý tưởng

Môi trường nhớt

(Lỏng Newton)

0 - 0,05 0,1 - 0,3 0,3 - 1.0

1

Trong khía cạnh lưu biến thì bản chất biến dạng siêu dẻo là ở trạng thái môi trường dẻo nhớt, tương tự biến dạng dẻo ở trạng thái nóng nhưng khác về bản chất thành phần chảy nhớt Hàng loạt các thực nghiệm đã chứng minh trạng thái siêu dẻo của vật liệu chỉ tồn tại trong điều kiện nhất định, trong đó các điều kiện có ý nghĩa cơ bản là trạng thái cấu tạo, nhiệt độ và tốc độ biến dạng

Cơ chế biến dạng siêu dẻo là kết quả tương tác phức tạp giữa các quá trình chuyển động các khuyết tật điểm, đường, khối trong mạng tinh thể và biên hạt Ngoài ra, biến dạng siêu dẻo tồn tại còn là kết quả của sự tương tác các quá trình trượt của lệch và khuếch tán bên trong và trên biên hạt Để duy trì trạng thái siêu dẻo thì tốc độ biến dạng một mặt phải đủ nhỏ để xảy ra hoàn toàn quá trình khuếch tán và một mặt đủ lớn để khống chế không tăng kích thước hạt ở nhiệt độ cao Phần lớn các trường hợp, khoảng tốc độ biến dạng này là 10-2 - 10-4

s-1, nghĩa là nằm trong khoảng giữa tốc độ biến dạng dão ở nhiệt độ cao và tốc độ biến dạng trong gia công áp lực truyền thống

2.1.3 Những nét riêng cơ học của biến dạng siêu dẻo

Một trong những tính chất đáng quan tâm nhất của siêu dẻo là khả năng chịu biến dạng kéo tốt Khả năng này được đánh giá bằng hệ số độ nhạy tốc độ biến dạng m, được cho bởi m = ∂(lnσ)/∂(lnε&), trong đó, σ là ứng suất và ε& là tốc độ biến dạng Trong lý thuyết dão, quan hệ thường được sử dụng nhiều hơn là quan hệ n = ∂(lnσ)/∂(lnε), trong đó, n là độ nhạy ứng suất của tốc độ biến dạng và m = 1/n

Cách đơn giản nhất để đánh giá mức độ quan trọng của tham số m trong việc làm tăng độ giãn dài là xem xét sự thay đổi của một tiết diện A của mẫu thí nghiệm, sau thời gian t trong suốt quá trình thí nghiệm kéo là như sau:

dA/dt = -(p/K)1/m(A)(m-1)/m (2.2) trong đó: P là lực căng, K là nhiệt độ và tham số phụ thuộc vào cấu trúc σ = kε&m

Phương trình trên thể hiện việc đánh giá mặt cắt tiết diện ngang của mẫu phụ thuộc vào diện tích tiết diện của mẫu thử hiện tại thông qua tham số m và không phụ thuộc vào A khi m tiến đến 1 Như vậy, ta thấy rằng xu hướng chịu kéo sẽ giảm khi m tiến gần đến 1 và khi giá trị m = 0,5 sẽ dẫn đến sự khuếch tán của các chỗ thắt và khả năng giãn dài trên phạm vi rộng sẽ không thực hiện được

Độ giãn dài (%)

Như vậy, giá trị m càng lớn sẽ dẫn đến càng tốt cho quá trình co thắt của vật liệu siêu dẻo Giá trị lớn nhất của m = 1 (khi ấy n cũng bằng 1) được cho là giá trị mà toàn bộ các tinh thể đều biến dạng theo một kiểu của dão khuếch tán

(difussional creep) Người ta còn dựa vào khái niệm hệ số độ giảm chỗ thắt α

của vật liệu siêu dẻo để đánh giá khả năng siêu dẻo của chúng, dựa trên sự giảm diện tích mặt cắt ngang chỗ thắt từ a0 xuống αao với α < 1

Để chứng minh ảnh hưởng của giá trị m đến biến dạng siêu dẻo, người ta thực hiện kéo đơn mẫu hình trụ với A là tiết diện ngang chỗ thắt và L là chiều

dài chỗ thắt, ta có:

A L = (A + dA)(L + dL)

= AL + AdL + LdA + dAdL

Suy ra: A dL = -LdA

dA/A = -dL/L = -dε

Do đó: dA/A = {(dL/L)/dt} = - ε& dt