Tóm tắt: Nghiên cứu tạo cấu trúc siêu mịn cho vật liệu AZ31 bằng kỹ thuật ép cưỡng bức trong khuôn rãnh chu kỳ.

Nghiên cứu tạo cấu trúc siêu mịn cho vật liệu AZ31 bằng kỹ thuật ép cưỡng bức trong khuôn rãnh chu kỳ.Nghiên cứu tạo cấu trúc siêu mịn cho vật liệu AZ31 bằng kỹ thuật ép cưỡng bức trong khuôn rãnh chu kỳ.Nghiên cứu tạo cấu trúc siêu mịn cho vật liệu AZ31 bằng kỹ thuật ép cưỡng bức trong khuôn rãnh chu kỳ.Nghiên cứu tạo cấu trúc siêu mịn cho vật liệu AZ31 bằng kỹ thuật ép cưỡng bức trong khuôn rãnh chu kỳ.Nghiên cứu tạo cấu trúc siêu mịn cho vật liệu AZ31 bằng kỹ thuật ép cưỡng bức trong khuôn rãnh chu kỳ.

và đất.

Đối với các loại vật liệu kim loại màu như hợp kim magiê,ngoài các phương pháp hóa bền bằng xử lý nhiệt, hóa bền tiết pha thìphương pháp hóa bền biến dạng dẻo, đặc biệt trong trường hợp biếndạng dẻo mãnh liệt (SPD) có thể kết hợp cùng với các phương pháphóa bền truyền thống, có tiềm năng nâng cao đặc tính sử dụng củavật liệu

Biến dạng kim loại và hợp kim luôn làm cho kích thước hạttinh thể giảm xuống đáng kể, nhiều trường hợp biến dạng nguội và

ấm có thể làm giảm kích thước hạt tới cấp độ mịn, siêu mịn và nanô.Khi đó, tính chất của vật liệu như giới hạn bền, giới hạn chảy, giớihạn mỏi hay khả năng chống mài mòn sẽ cao hơn nhiều so với banđầu

Thách thức của công nghệ SPD đang tồn tại ở khâu áp dụng nótrong phạm vi công nghiệp chế tạo ra các thành phẩm hoặc bán thànhphẩm có kích thước lớn Trong phạm vi nghiên cứu, đã có nhiều kỹthuật SPD được thực hiện Công nghệ “ép cưỡng bức trong khuônrãnh chu kỳ” (CGP) là một trong những kỹ thuật SPD có thể biến đổicấu trúc và tính chất vật liệu thông qua sự biến đổi kích thước hạt củakim loại dạng tấm với hiệu quả cao Vì vậy, luận án lựa chọn đề tài:

“Nghiên cứu tạo cấu trúc siêu mịn cho vật liệu AZ31 bằng kỹ thuật

ép cưỡng bức trong khuôn rãnh chu kỳ” cho phép tăng cường các

đặc trưng cơ học của vật liệu magie đồng thời mở ra khả năng ápdụng

phương pháp tạo hình siêu dẻo để chế tạo các chi tiết dạng vỏ có biêndạng phức tạp nên sẽ mang tính thời sự cấp thiết.

2.Mục đích của luận án

Mục đích của đề tài luận án là áp dụng công nghệ CGP để tạo

tổ chức cấu trúc mịn và siêu mịn cho vật liệu AZ31 dạng tấm để nângcao các chỉ tiêu cơ tính

3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1.Đối tượng nghiên cứu

-Vật liệu AZ31

-Công nghệ CGP

3.2.Phạm vi nghiên cứu

-Cơ sở lý thuyết biến dạng dẻo với kỹ thuật ép CGP

-Mô phỏng số quá trình biến dạng CGP

-Thực nghiệm công nghệ CGP

-Sự thay đổi tổ chức cấu trúc và cơ tính của vật liệu AZ31 saubiến dạng dẻo

4.Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu tài liệu, tổng hợp các kiến thức liên quan, để từ đóxây dựng được chương trình nghiên cứu và phát triển ý tưởng nghiêncứu khả thi về phương pháp CGP Cụ thể là:

Áp dụng cơ sở lý thuyết để phân tích trường ứng suất, biếndạng, dòng chảy dẻo của kim loại và ảnh hưởng của một số yếu tốđến quá trình CGP

Ứng dụng mô phỏng số để phân tích trường ứng suất, biếndạng để xác định các thông số công nghệ phù hợp.

Sử dụng các kỹ thuật phân tích tổ chức cấu trúc và cơ tính AZ31

5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

5.1.Ý nghĩa khoa học

Đã áp dụng được phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt chovật liệu AZ31 đạt được cấu trúc siêu mịn Đây là vật liệu thuộc loạikhó biến dạng dẻo

Đã lý giải được ảnh hưởng của một số yếu tố cơ bản đến quátrình công nghệ và đánh giá các qui luật thay đổi cấu trúc vật liệu5.2.Ý nghĩa thực tế

Áp dụng kỹ thuật CGP, tạo được cấu trúc siêu mịn cho vật liệuAZ31 thuộc hệ Mg – Al - Zn có chỉ số công năng cao, có khả thi ởqui mô công nghiệp, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật

Thiết kế và chế tạo hệ thống khuôn để thực hiện công nghệCGP phục vụ cho thí nghiệm trong đào tạo và nghiên cứu

6.Kết quả đạt được và các đóng góp mới của luận án

Thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị khuôn, đáp ứng chế độ côngnghệ và kỹ thuật ép CGP ổn định

Tạo cấu trúc siêu mịn cho AZ31 dạng tấm với cơ tính được cảithiện

Đã phân tích chi tiết quá trình SPD là bài toán hai chiều trongcông nghệ CGP và các yếu tố ảnh hưởng làm cơ sở để tính toán côngnghệ tạo hình vật liệu, làm phong phú thêm cơ sở lý thuyết

Thực hiện khả thi quá trình SPD kết hợp đồng thời các quátrình kết tinh động, phục hồi động cũng như tiết pha, tạo hiệu ứnghóa bền ở mức độ cao là tính đặc thù trong thực nghiệm kỹ thuậtCGP chế tạo cho AZ31 dạng tấm đạt cấu trúc siêu mịn

7.Bố cục của luận án

Luận án bao gồm các phần chính sau: Mở đầu (03 trang),Chương 1 - Tổng quan về phương pháp SPD kim loại và hợp kimmagie (25 trang), Chương 2 - Cơ sở lý thuyết tạo hình CGP (18trang), Chương 3 - Mô phỏng số quá trình CGP (34 trang),

Chương 4 – Thực nghiệm công nghệ CGP (24 trang),

Kết luận, kiến nghị (02 trang)

Tài liệu tham khảo; Danh mục các công trình công bố của luận án; Phụ lục

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP BIẾN DẠNG DẺO MÃNH LIỆT KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MAGIÊ

1.1.Phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt

Biến dạng dẻo mãnh liệt là một phương pháp hữu hiệu được

sử dụng để chế tạo vật liệu cấu trúc hạt siêu mịn Đây là phươngpháp được sử dụng để biến dạng vật liệu với mức độ biến dạng lớn

mà không làm thay đổi đáng kể kích thước của phôi Trong suốt quátrình SPD áp lực thủy tĩnh lớn được hình thành làm giảm khả năngphá hủy của vật liệu [1] SPD là một trong các phương pháp của cáchtiếp cận từ trên xuống, tức là vật liệu từ cấu trúc hạt thô thông quabiến dạng mãnh liệt hoặc tải trọng va đập sẽ chuyển thành cấu trúchạt UFG Trong SPD có nhiều kỹ thuật công nghệ khác nhau nhưECAP, HPT, ARB, CGP, …

1.2.Magie và hợp kim magie

1.2.1. Đặc điểm của kim loại và hợp kim magie

Magie là một nguyên tố kim loại có trữ lượng rất lớn trong vỏtrái đất, khối lượng riêng nhỏ, nhẹ hơn rất nhiều so với các kim loạikhác Magie ở áp suất khí quyển có kiểu mạng lục giác xếp chặt, tỉ sốc/a = 1,624 Magiê là kim loại có hoạt tính cao, nó có thể kết hợp,phản ứng hoặc hòa tan với nhiều kim loại khác tạo thành hợp kim đanguyên phức tạp như AZ31, AZ80, AZ91, Độ bền, độ cứng và cáctính chất cơ học khác của hợp kim Mg đều chịu ảnh hưởng của sựtương tác giữa pha nền Mg với các pha liên kim, tăng cường khảnăng chống dão và cải thiện khả năng chống ăn mòn cho vật liệu

Do đó, Mg có

chỉ tiêu công năng cao nên được dùng rất rộng rãi trong nhiều lĩnhvực như ngành hàng không, vũ trụ, điện tử, …

1.2.2.Khả năng biến dạng của hợp kim magiê AZ31

Biến dạng dẻo của hợp kim magiê đa tinh thể chủ yếu theo cơchế song tinh và trượt [56] Chỉ có hệ trượt cơ sở mới không phụthuộc vào các hệ trượt khác ở trên hệ đó, biến dạng dẻo là đồng nhấttheo điều kiện dẻo Von-Mises Vì vậy, biến dạng dẻo trên những hệtrượt không phải cơ sở sẽ chịu tác động của các hệ trượt khác Ởnhiệt độ nhất định, các hệ trượt kết hợp với nhau đảm bảo tính liêntục Vì thế, Mg có thể biến dạng ở nhiệt độ cao với nhiều hệ trượtkhác nhau, không chỉ riêng hệ trượt cơ sở

Tỷ lệ trở lực biến dạng trên hệ trượt cơ sở và các hệ trượt phụkhác nhau nhiều, nó còn phụ thuộc nguyên tố hợp kim khác nữa Đốivới AZ31 tỉ lệ đó là 2  2,5 [57], còn Mg nguyên chất là 48  87[58]

1.2.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng dẻo AZ31

Các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng dẻo của AZ31 bao gồm:nhiệt độ; mức độ và tốc độ biến dạng; ma sát và bôi trơn; kích thướchình dạng của phôi và khuôn; thành phần hóa học, cấu trúc của kimloại đã được đề cập đến trong nhiều tài liệu

1.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến phá hủy và quá trình phân hạt vật liệu

1.4.Kỹ thuật CGP đối với AZ31 dạng tấm

Kỹ thuật ép CGP, phôi kim loại dạng tấm bị biến dạng dẻo mãnhliệt khi đặt trong một bộ khuôn gồm hai loại, một loại có rãnh tạohình chu kỳ và loại kia để ép phẳng Tổng quan những công trìnhnghiên cứu đã công bố cho thấy, kỹ thuật CGP hoàn toàn có thể thựchiện công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt cho kim loại và hợp kimtrong đó có hợp kim magie AZ31 với mục đích hóa bền nhờ làm nhỏhạt tinh thể

1.5.Kết luận chương 1

Công nghệ CGP còn nhiều vấn đề chưa rõ ràng, đặc biệt cơ

học quá trình biến dạng, quá trình gia công, các thông số về vật liệucòn mang tính chất định tính Hợp kim AZ31 có tính hóa bền tiếtpha đa

hệ kết hợp cùng biến dạng dẻo mãnh liệt là mục tiêu nghiên cứu củaluận án.

Nội dung của luận án là kết hợp nghiên cứu lý thuyết, môphỏng và thực nghiệm đạt mục đích tạo cho hợp kim AZ31 đạt tổchức siêu mịn với các chỉ tiêu cơ tính cao nhất có thể bằng kỹ thuậtCGP

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TẠO HÌNH ÉP CƯỠNG BỨC TRONG

RÃNH KHUÔN CHU KỲ

2.1.Các thông số công nghệ của kỹ thuật CGP

Kỹ thuật CGP ép tấm AZ31 bằng hai nửa khuôn có rãnh chu

kỳ được thiết kế sao cho phôi biến dạng từng phần trong mỗi nửa chu

kỳ Hành trình làm việc của khuôn (S) bằng chiều dày của phôi (H).Sau mỗi nửa chu kỳ, phôi được xoay góc z = 1800 để biến dạngphần còn lại của nửa chu kỳ trước Khoảng cách các bước rãnh bằngchiều sâu khuôn sẽ tạo điều kiện biến dạng trượt là chủ yếu [26, 27],vùng biến dạng dẻo được thiết kế có dạng hình vuông ban đầu khibiến dạng sẽ nghiêng góc max = 450

Hình 2.2 Thông số cơ bản của khuôn trên (1), khuôn dưới

(3) và phôi (2) sau ép cưỡng bức trong khuôn rãnh chu

Quá trình phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng được xét trong mặt phẳng tâm phôi zOx của hệ tọa độ Oxyz, trong đó 2 = 0 suy

ra trạng thái ứng suất 3D có thể được phân tách thành ten-xơ cầu và

ten-xơ lệch như sau

Hình 2.3 Sơ đồ phân tách ten-xơ ứng suất trong trạng thái biến dạng

Mises theo công thức (2.4) [60]

√(σ − 1 J δ ) (σ − 1 J δ ) = k

ik 3 I ik ik 3 I ik

(2.4)

trong đó: JI, JII là bất biến của ten-xơ ứng suất; ik – ký hiệu Kroneke,

ik = 1 nếu i =k, ik = 0 nếu i  k (i, k =1, 2, 3); số hạng có chỉ số lặp

lại lấy tổng theo qui ước Einstein

Căn cứ vào sơ đồ biến dạng phẳng, ta có ten-xơ ứng suất trong

hệ tọa độ Oxyz như sau:

σxx 0 τxz σ0 0 0 σxx − σ0 0 τxz

Tσ = [ 0 σyy 0 ] = [ 0 σ0 0 ] + [ 0 0 0 ]

τzx 0 σzz 0 0 σ0 τzx 0 σz − σ0 (2.5)trong đó 0 = JI/3 là ứng suất thủy tĩnh Nếu 2 = 0 thì 0 = 2 =

1/2(3+1) theo công thức (2.2)

Trong quá trình biến dạng dẻo, vùng biến dạng sẽ thay đổi, hệ

tọa độ trục chính sẽ nghiêng một góc  Ten-xơ ứng suất trong hệ tọa

độ Oxyz khi đó sẽ được biểu thị theo phương trình (2.5) Xoay về hệ

tọa độ trục chính O123 và sau đó xoay tiếp một góc 450 ta có ten-xơ

lệch ứng suất theo thứ tự như sau

Dσ = [ 0 0 0 ] và [0 0 0]

(2.7)

Ten-xơ ứng suất cắt tạo nên biến dạng góc  có giá trị tương

ứng góc xoay của vùng dẻo 0    450 Như vậy, ½ thể tích phôi bị

biến dạng sau một lần ép trong khuôn có rãnh chu kỳ với góc

nghiêng  = 450 đạt mức độ biến dạng như sau (2.11)

2.2.Trạng thái ứng suất biến dạng của quá trình CGP

Phôi có dạng hình tấm, lực ma sát trên bề mặt phôi theo hai

hướng Ox và Oy đủ lớn để phôi không bị giãn rộng và giãn dài Quá

trình biến dạng của phôi trong khuôn rãnh CGP chia làm ba giai

đoạn, phụ thuộc vào hành trình làm việc của khuôn trên, S tăng từ 0

đến H

Hình 2.5 Sơ đồ ứng suất của phôi: a) uốn; b) uốn và kéo; c) nén.

Hệ phương trình của bài toán biến dạng dẻo trong điều kiện

biến dạng phẳng được viết dưới dạng [67]:

∂σxx + ∂τxz = 0{ ∂τ∂x ∂z

Bài toán trên đã được giải đầy đủ trong lý thuyết biến dạng

dẻo Bài toán của CGP được giải bằng phương pháp xây dựng hệ

đường trượt căn cứ vào tính chất của chúng và điều kiện biên Từ đó,

ta có thể tính ứng suất tại một điểm bất kỳ trong vùng biến dạng dẻo

phụ thuộc vào giá trị ứng suất thủy tĩnh và góc xoay của đường trượt

Giá trị các ứng suất trong hệ tọa độ Oxyz khi hệ tọa độ trục chính

O123 xoay một góc  (nghiêng theo vùng dẻo) được xác định như

sau:

σxx} = σ0 ± τ31cos2φ

σzz

τzx = τ31sin2φKhi biến dạng dẻo 13 = k Nếu thay góc nghiêng của vùng dẻo

bằng góc nghiêng của trường đường trượt  =  + /4 ta có phương

trình (2.15) [65]

σxx} = σ0 ± ksin2ω

τ��= −kcos2ω

Hình 2.6 Trường đường trượt và hệ tọa độ trục chính.

Ngược lại, khi biết các thành phần ten-xơ ứng suất trong hệ

tọa độ Oxyz ta cũng có thể tính được góc xoay của tọa độ trục chính

và các thành phần ứng suất trong đó

Thực tế khi xét ảnh hưởng của mô men lực, sơ đồ biến dạng

có thay đổi, hệ đường trượt được xây dựng phức tạp hơn như trên

hình 2.7, vùng dẻo và vùng đàn hồi liên kết bằng vùng chuyển tiếp

Vùng nén 1 và 2 gần điểm D, vùng kéo 3 và 4 gần điểm C xen kẽ

nhau Quá trình SPD của CGP chia làm 3 giai đoạn uốn, kéo và nén

như đã trình bày Điều này sẽ được làm sáng tỏ trong phần mô phỏng

ở chương 3

Hình 2.7 Sơ đồ biến dạng với sự ảnh hưởng của mô men uốn và lực ép.

2.3.Xác định lực ép trong CGP

Căn cứ vào sơ đồ tác dụng lực của hình 2.6a lực ép ở giai đoạn

1 được tính phụ thuộc vào mô men uốn của phôi Mô men nội lực

phụ thuộc vào ứng suất chảy và kích thước của phôi, tính tương tự

trong tài liệu [67], với giả thiết không có góc lượn của khuôn (vì ảnh

σ B H2

PΣ = 2n

6t + nB H sinψ σ cosψ

(2.18)

Hình 2.8 Ảnh hưởng của chiều Hình 2.9 Ảnh hưởng của góc

dày đến mô men uốn dẻo nghiêng rãnh khuôn và chiều

dày

phôi đến lực ép.

2.4.Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng và nhiệt độ đến quá trình

biến dạng

Như đã trình bày, ứng suất chảy của vật liệu phụ thuộc vào rất

nhiều yếu tố của vật liệu, trong đó có tổ chức cấu trúc, nhiệt độ T,

mức độ biến dạng , tốc độ biến dạng εε và thời gian t, được biểu thị

Mô hình chảy dẻo của vật liệu được xây dựng với các hằng số

n, m và  đặc trưng cho sự phụ thuộc của ứng suất chảy dẻo vào mức

độ, tốc độ biến dạng và nhiệt độ Luận án áp dụng công thức (2.21)

của V A Tretiacov [24, 70]:

2.5.Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân nhỏ hạt

Thông số chính dùng để đánh giá quá trình phân nhỏ hạt là

mức độ biến dạng Trong các điều kiện nhiệt độ và tốc độ nhất định,

P,

iề

u dà

y ph ôi, m

3.0

10 20 30 0.00 10.00 30.00

luận án xây dựng mô hình thay đổi đường kính hạt phụ thuộc vàomức độ biến dạng Tuy nhiên, sự phụ thuộc thông qua biến trunggian chủ yếu

là mật độ lệch Mật độ lệch phụ thuộc vào hằng số hóa bền (h), hằng

số phục hồi (r), tốc độ biến dạng và nhiệt độ được thể hiện theo côngthức sau theo mô hình Laasraoni – Jonas

2.6.Kết luận chương 2

Quá trình biến dạng CGP xem xét trong điều kiện lý tưởng chỉ

có lực cắt với biến dạng trượt Khi xét ảnh hưởng của mô men, quátrình biến dạng gồm các giai đoạn uốn, kéo và nén đã được phân tíchđầy đủ Mức độ biến dạng sau mỗi chu kỳ đạt eff =116% Phôi tấm

dễ hồi phục lại hình dạng và kích thước ban đầu

Ảnh hưởng của chiều dày phôi và hình dạng khuôn đến quátrình CGP đã được xem xét Lực ma sát và tiếp xúc giữa phôi tấm vàkhuôn đủ lớn làm tăng ứng suất thủy tĩnh duy trì quá trình biến dạngdẻo không phá hủy

Hợp kim AZ31 cần được biến dạng ở các nhiệt độ khác nhau vì:

ε

1) cấu trúc lục giác xếp chặt ít mặt trượt khó biến dạng nên cần cónhiệt độ tăng cường các hệ trượt phụ; 2) hòa tan các hạt tiết pha.

Chương 3

MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH ÉP CƯỠNG BỨC TRONG

KHUÔN RÃNH CHU KỲ

3.1.Các điều kiện công nghệ CGP áp dụng cho mô phỏng số

Căn cứ vào nghiên cứu tổng quan, quá trình mô phỏng được

thực hiện trong các điều kiện đẳng nhiệt 2500C, 2000C và 1500C, tốc

độ biến dạng trong phạm vi 0,0001 ÷ 0,01 s-1 Mục đích của mô

phỏng xác định lực ép, phân tích trạng thái ứng suất – biến dạng

cũng như điều kiện phá hủy Mô phỏng được tiến hành bốn chu kỳ

ép Ở giữa các chu kỳ ép phôi được xoay một góc z = 1800, sau

cuối mỗi chu kỳ ép phôi xoay một góc z = 900 giống như dự kiến

thực nghiệm

3.2.Mô hình hình học của phôi và khuôn

3.3.Mô hình hành vi cơ nhiệt của vật liệu

Vật liệu phôi sử dụng trong mô phỏng là những vật liệu tiêu

chuẩn được giả thiết liên tục, đồng nhất và đẳng hướng

Mô hình vật liệu (3.1) được xây dựng cho từng trường hợp ép

đẳng nhiệt trên cơ sở các số liệu đã được công bố [78] Tốc độ biến

dạng lấy theo số liệu thực nghiệm 0,0001 s-1, phù hợp với máy ép

thủy lực, đủ nhỏ và hạn chế tối đa ảnh hưởng đến ứng suất chảy

Mức độ biến dạng

0.0001 1/s 0.001 1/s 0.01 1/s