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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

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

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2014-30TĐ

S KC 0 0 4 8 1 3

Tp. Hồ Chí Minh, 2014


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ MÁY

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

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

Mã số: T2014-30TĐ

Chủ nhiệm đề tài: TS. Phạm Huy Tuân
Thành viên đề tài: ThS. Trần Quốc Cường

TP. HCM, 11/2014


MỤC LỤC
Trang
Mục lục

I

Danh sách các chữ viết tắt

III

Danh mục các hình

IV

Danh mục các bảng

VI

Thông tin kết quả nghiên cứu

VII

PHẦN A. TỔNG QUAN

1

1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

1

2 Tính cấp thiết

9

3 Mục tiêu

9

4 Cách tiếp cận

9

5 Phương pháp nghiên cứu

9

6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

10

PHẦN B. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

11

CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

11

1.1 Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn

11

1.2 Phương trình Hall-Petch

13

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

14

biến dạng dẻo

14

1.4 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS

18

CHƯƠNG 2. CÁC MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ THÔNG SỐ TRONG QUÁ
TRÌNH MÔ PHỎNG TWVR BẰNG FEM

24

2.1 Các mô hình nghiên cứu

24

2.1.1 Mô hình hình học

24

2.1.2 Mô hình vật liệu

24

2.1.3 Mô hình nhiệt độ

25

2.2 Các thông số trong quá trình mô phỏng TWVR

28

2.2.1 Các thông số về hình học và chuyển động

28

2.2.2 Các thông số vật liệu phôi Al 5052

28

Trang i


2.2.3 Các thông số nhiệt và các thông số khác

29

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG FEM CHO BƯỚC CÁN
ĐẦU TIÊN

31

3.1 Thiết kế bản vẽ 2D

31

3.2 Xây dựng mô hình 3D và chia lưới cho phôi

31

3.3 Xây dựng mô hình 3D hoàn chỉnh

33

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

34

4.1 Sự phân bố biến dạng dẻo tương đương (PEEQ)

34

4.2 Sự giãn rộng của phôi

41

4.3 Nhiệt độ của phôi

42

CHƯƠNG 5. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG FEM VÀ KẾT QUẢ THẢO
LUẬN QUA BỐN BƯỚC CÁN

47

5.1 Xây dựng mô hình mô phỏng qua bốn bước cán

47

5.2 Kết quả và thảo luận qua bốn bước cán

49

5.2.1 Sự giãn rộng của phôi

49

5.2.2 Nhiệt độ của phôi

50

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ

52

6.1 Kết luận

52

6.1.1 Qua bước cán đầu tiên

52

6.1.2 Qua bốn bước cán

52

6.1.3 Tổng kết

53

6.2 Kiến nghị

53

6.2.1 Các vấn đề còn tồn tại

53

6.2.2 Hướng phát triển của đề tài

53

TÀI LIỆU THAM KHẢO

56

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

60

PHỤ LỤC 2. Hướng dẫn cao học

63

PHỤ LỤC 3. Bài báo tham dự hội nghị, tạp chí trong và ngoài nước

64

PHỤ LỤC 4. Bản sao thuyết minh đề tài đã được phê duyệt

65

Trang ii


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
SPD

: Severe Plastic Deformation

ECAP

: Equal Channel Angular Pressing

HTP

: High-pressure torsion

ARB

: Accumulative Roll-Bonding

RCS

: Repetitive Corrugation and Straightening

ECAR

: Equal Channel Angular Rolling

ECAP-Comform: Equal Channel Angular Pressing-Conform
HRDSR : High-Ratio Differental Speed Rolling
TWVR : Through-Width Vibration Rolling
FEM

: Finite Element Method

CAE

: Computer Aided Engineering

CAD

: Computer Aided Design

ASTM

: American Society for Testing and Materials

Trang iii


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp gia công áp lực truyền thống ...................... 2

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD nhóm thứ nhất (a) ECAP; (b) HPT .....3
Hình 3 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD trong nhóm hai ................................... 4
Hình 4 Quá trình cán tích hợp dao động ngang của trục cán (TWVR) ......................... 7
Hình 5 Quá trình thực nghiệm TWVR ........................................................................... 8
Hình 6 Sự biến thiên độ bền trong phương pháp TWVR ............................................... 8
Hình 1. 1 Ảnh hưởng của lệch trong các hạt có kích thước khác nhau đến độ bền của
vật liệu ......................................................................................................................... 13
Hình 1. 2 Sai lệch điểm trong mạng tinh thể ............................................................... 14
Hình 1. 3 Lệch trong mạng tinh thể ............................................................................ 15
Hình 1. 4 Sai lệch mặt trong mạng tinh thể ................................................................. 16
Hình 1. 5 Giao diện làm việc của Abaqus 6.10 (2010)................................................ 21
Hình 1. 6 Sơ đồ khối thông tin yêu cầu của phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus .......22
Hình 2. 1 Mô hình hình học của TWVR ........................................................................24
Hình 2. 2 Sơ đồ mô hình nhiệt và điều kiện biên nhiệt của quá trình TWVR. ..............26
Hình 2. 3 Các đường cong ứng suất-biến dạng của Al 5052 trong TWVR ..................29
Hình 3. 1 Bản vẽ 2D cho bước cán đầu tiên................................................................ 31
Hình 3. 2 Phôi được chia (a) 1800 phần tử; (b) 5120 phần tử; (c) 19200 phần tử .....32
Hình 3. 3 Mô hình 3D hoàn chỉnh ở bước cán đầu tiên .............................................. 33
Hình 4. 1 Sự phân bố biến dạng dẻo tương đương ...................................................... 35
Hình 4. 2 Biến dạng dẻo tương đương của thớ phôi nằm giữa phôi khi cán qua bước
đầu tiên ........................................................................................................................ 39
Hình 4. 3 Đồ thị PEEQ max qua bước cán đầu tiên ................................................... 40
Trang iv


Hình 4. 4 Đồ thị kết quả sự giãn rộng của phôi cán qua bước cán đầu tiên ............... 41
Hình 4. 5 Nhiệt độ phôi khi cán qua bước đầu tiên ứng với các biên độ dao động .....45
Hình 4. 6 Kết quả nhiệt độ qua bước cán đầu tiên ...................................................... 46
Hình 5. 1 Bản vẽ 2D cho bốn bước cán ...................................................................... 47
Hình 5. 2 Mô hình 3D hoàn chỉnh qua bốn bước cán ................................................. 48

Hình 5. 3 Đồ thị kết quả sự giãn rộng của phôi cán qua bốn bước cán ...................... 49
Hình 5. 4 Kết quả nhiệt độ phôi qua bốn bước cán ..................................................... 50
Hình 6. 1 Kết quả biến dạng dẻo tương đương trường hợp biên độ dao động trục cán
dưới là 1,5 mm: (a) phương pháp TWVR; (b) phương pháp mới ................................. 54
Hình 6. 2 Kết quả nhiệt độ của phôi trường hợp biên độ dao động trục cán dưới ......55

Trang v


DANH MỤC CÁC BẢNG
BẢNG

Trang

Bảng 2. 1 Mô đun đàn hồi E, hệ số Poisson ν của Al 5052 ......................................... 29
Bảng 2. 2 Các thông số nhiệt và các thông số khác của Al 5052 ................................ 30

Trang vi


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ MÁY

Tp. HCM, ngày 7 tháng 11 năm 2014

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt bằng phương pháp
cán tích hợp dao động dọc trục của rulo
- Mã số: T2014-30TĐ
- Chủ nhiệm: TS. Phạm Huy Tuân
- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
- Thời gian thực hiện: 12 tháng (từ tháng 11/2013 đến tháng 11/2014)
2. Mục tiêu:
— Nghiên cứu phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán bằng
phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để kiểm chứng với thực nghiệm nhằm tìm
hiểu các tác động cơ-nhiệt đã xảy ra trên phôi.
— Mục tiêu của đề tài nhằm giải thích hiện tượng biến thiên độ bền của vật liệu theo
sự gia tăng biên độ dao động của trục cán. Từ đó đưa ra các đề nghị cải tiến công
nghệ bao gồm cả về mặt thiết bị cũng như các thông số gia công cho công nghệ
gia công biến dạng dẻo mãnh liệt TWVR.
1. Tính mới và sáng tạo:
— Công nghệ gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) với mục đích tạo ra kim loại
có hạt siêu mịn nhằm làm tăng độ bền nhưng không làm giảm độ dai va đập đang
nhận được rất nhiều sự quan tâm từ các nhà công nghiệp. Một trong những công
nghệ SPD vừa mới được nghiên cứu là công nghệ cán có tích hợp dao động dọc
trục của rulo (TWVR). Những thực nghiệm ban đầu của công nghệ này chứng
minh rằng độ bền kéo của kim loại có thể tăng 18,5% so với phương pháp cán
truyền thống. Đây là một con số rất đáng quan tâm để có thể đầu tư thêm công sức
nhằm nghiên cứu hoàn thiện công nghệ gia công kim loại này hướng đến mục tiêu
chuyển giao công nghệ cho các nhà máy.
2. Kết quả nghiên cứu:
Trang vii

— Đề tài đã nghiên cứu phân tích kỹ mô hình lý thuyết kết hợp mô phỏng giúp giải
thích hiện tượng biến thiên độ bền khi các thông số gia công thay đổi.
— Kết quả nghiên cứu giúp cho việc chọn lựa các thông số công nghệ tối ưu hơn khi
gia công với các loại vật liệu khác nhau cũng như đã đề xuất thêm những phương
pháp gia công SPD mới có thể tiến hành trong tương lai.
3. Sản phẩm:
3.1 Sản phẩm khoa học
[1]. Huy-Tuan Pham, Quoc-Cuong Tran, Dung-An Wang, Numerical Analysis of
the Through-Width Vibration Rolling Process, The 3rd International
Conference on Sustainable Energy, Ho Chi Minh University of Technology,
pp. 102-107, 2013.
[2]. Pham H.T., Tran Q.C, Wang D.A., Numerical Analysis of the Through-Width
Vibration Rolling Process, International Journal of Advanced Transport
Phenomena, Vol. 02, No. 01, Jan-Dec 2013, pp. 21-24.
[3]. Pham H.T., Tran Q.C., Recent Development for Industrial-Scale Plastic
Deformation Processes, The 2nd International Conference on Green
Technology and Sustainable Development (GTSD2014), HCM city University
of Technology and Education, Oct. 30th – 31st, HCM city, Vietnam, pp. 151156, 2014.
[4]. Phạm Huy Tuân, Trần Quốc Cường, Wang Dung An, Nghiên Cứu Quá Trình
Biến Dạng Và Trao Đổi Nhiệt Của Công Nghệ Cán Tích Hợp Dao Động Dọc
Trục Của Trục Cán, Tạp chí Khoa học & Công nghệ các trường ĐHKT.
(Submitted)
3.2 Sản phẩm đào tạo:
Hướng dẫn thành công 1 học viên cao học
— Tên học viên: Trần Quốc Cường
— Ngành

: Kỹ thuật cơ khí

— Tên đề tài

: “Nghiên cứu công nghệ SPD sử dụng phương pháp cán tích hợp

Khóa: 2012-2014(B)

dao động dọc trục của trục cán bằng FEM”
— Điểm

: 8.8 (Tám tám)

3.3 Sản phẩm ứng dụng
— Sản phẩm ứng dụng là bộ code mô phỏng quá trình cán có tích hợp dao động doc
trục của rulo bằng phần mềm ABAQUS.
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

Trang viii


— Đề tài là kết quả hợp tác giữa hai nhóm nghiên cứu của trường Đại học Sư Phạm
Kỹ Thuật TP.HCM và nhóm nghiên cứu của Giáo sư Wang Dung-An trường
National Chung Hsing University, Đài Loan. Mô hình máy thí nghiệm và các kết
quả thực nghiệm được tiến hành tại Đài Loan.
— Trong tương lai để có thể chủ động hơn trong việc chuyển giao công nghệ, cần tìm
kiếm thêm nguồn quỹ nghiên cứu để lắp đặt một hệ thống máy cán theo công nghệ
TWVR tại Việt Nam.
Trưởng Đơn vị
(ký, họ và tên)

Chủ nhiệm đề tài

TS. Phạm Huy Tuân

Trang ix


INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1. General information:
Project title: Numerical Analysis of the Through-Width Vibration Rolling
Process
Code number: T2014-30TĐ
Coordinator: Pham Huy Tuan (Ph.D.)
Implementing institution: HCMC University of Technology and Education
Duration: from November 2013 to November 2014
2. Objective(s):
— The through-width vibration rolling (TWVR) process, a novel severe plastic
deformation (SPD) technique, is numerically analyzed to verify the experimental
results from previous published papers.
— The aim of the research is to understand the thermal-deformation interaction
occurring inside the sample. This result is then used to explain the nonlinear
variation of the tensile strength when the processing parameters are changed. The
result of the research could be used as an orientation method to optimize the
TWVR processing parameters.
3. Creativeness and innovativeness:
— Severe plastic deformation is a technology that can introduce ultrafine-grains
(UFG) in materials. UFG is an approach to produce high strength metal alloys
which is sufficient in improving mechanical properties of many metallic alloys.
The early experimental results of the most recently studied through-width
vibration rolling have shown that the tensile strength could be improved 18,5%
compared with the conventional rolling process. This interesting improvement is

worth to invest more time and effort on this process before it could be transferred
to industrial manufacturers.
4. Research results:
— The correlation among the plastic deformation, heat generation and dissipation and
mechanical properties of Al 5052 alloys processed by a multi-pass TWVR was
studied by the coupled thermal-deformation analysis.

Trang x


— The results of this research offer a virtual manufacturing tool to investigate all the
nonlinear properties of TWVR. It is supposed to reduce the cost of tooling,
eliminate the need for multiple physical prototypes, and reduce material waste.
5. Products:
5.1 Science product
[1]. Huy-Tuan Pham, Quoc-Cuong Tran, Dung-An Wang, Numerical Analysis
of the Through-Width Vibration Rolling Process, The 3rd International

[2].

[3].

[4].

Conference on Sustainable Energy, Ho Chi Minh University of
Technology, pp. 102-107, 2013.
Pham H.T., Tran Q.C, Wang D.A., Numerical Analysis of the ThroughWidth Vibration Rolling Process, International Journal of Advanced
Transport Phenomena, Vol. 02, No. 01, Jan-Dec 2013, pp. 21-24.
Pham H.T., Tran Q.C., Recent Development for Industrial-Scale Plastic
Deformation Processes, The 2014 International Conference on Green

Technology and Sustainable Development (GTSD2014), HCM city
University of Technology and Education, Oct. 30th – 31st, HCM city,
Vietnam, pp. 151-156, 2014.
Phạm Huy Tuân, Trần Quốc Cường, Wang Dung An, Nghiên Cứu Quá
Trình Biến Dạng Và Trao Đổi Nhiệt Của Công Nghệ Cán Tích Hợp Dao
Động Dọc Trục Của Trục Cán, Tạp chí Khoa học & Công nghệ các trường

ĐHKT. (Submitted)
5.2 Education product:
— Successfully advise for a graduate student
5.3 Application product:
— A computer programming code for the simulation of the through-width vibration
rolling process in ABAQUS.
6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability:
— The research is a co-operation between two research groups from HCMC
University of Technology and Education and National Chung Hsing University,
Taiwan. The experiment prototype and machine is installed in Taiwan.
— In the future, it is expected that this machine can be built in Vietnam in order to
investigate some more processing parameters to perfect this technology.

Trang xi


PHẦN A. TỔNG QUAN
1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
1.1 Các phương pháp gia công áp lực truyền thống
Gia công kim loại bằng áp lực thực chất là lợi dụng tính dẻo của kim loại để làm
thay đổi hình dạng, kích thước của kim loại dưới tác dụng của ngoại lực. So với
phương pháp đúc, gia công biến dạng kim loại tạo ra sản phẩm có độ bền cao hơn,
chịu lực tốt hơn, độ chính xác, độ nhẵn bóng bề mặt cao hơn, tiết kiệm kim loại và

năng suất lao động cao hơn (Nguyễn Văn Thái, 2006). Trong năm 2012, sản phẩm
thép chưa qua gia công toàn cầu đạt 1,54 tỷ tấn (). Điều này
kéo theo việc sử dụng một số lượng lớn các phương pháp gia công cho các loại vật liệu
nói chung và thép nói riêng. Các phương pháp gia công này bao gồm đúc, rèn, hàn…
Tuy nhiên, có thể thấy rằng hơn 70% các sản phẩm kim loại được sản xuất bởi công
nghệ cán ở dạng này hoặc dạng khác. Vì vậy, có thể thấy tầm quan trọng đặc biệt của
các công nghệ cán sử dụng cho việc tạo hình kim loại (Hailiang et al., 2013). Sơ đồ
nguyên lý các phương pháp gia công áp lực truyền thống được thể hiện trong Hình 1.

(a)

(b)

(c)

1


(d)

(e)

(f)

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp gia công áp lực truyền thống
(a) cán; (b) kéo; (c) ép trực tiếp và gián tiếp; (d) rèn khuôn; (e) dập; (f) chồn
Nguồn: (Nguyễn Văn Thái, 2006; Võ Trần Khúc Nhã (biên dịch), 2007)
Sau khi qua các phương pháp gia công áp lực truyền thống để tạo hình và phôi thì
kim loại có xu hướng biến cứng, hóa bền nhưng độ dẻo và độ dai bị giảm hay có xu
hướng biến giòn (Nghiêm Hùng, 2010). Vì vậy, hiện nay trên thế giới cũng như ở

nước ta đã và đang nghiên cứu công nghệ mới để tạo ra vật liệu có độ bền cao nhưng
không làm giảm độ dai của vật liệu. Đó là công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt.
1.2 Các phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (severe plastic
deformation – SPD)
Các phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) được định nghĩa là các
quá trình gia công kim loại với biến dạng dẻo rất lớn để tạo ra kim loại có hạt siêu mịn
(kích thước hạt trung bình nhỏ hơn 1 μm). Mục đích của các phương pháp SPD cho
việc tạo ra kim loại có hạt siêu mịn là sản xuất ra các chi tiết có khối lượng nhẹ hơn do
đặc tính độ bền cao của nó và sự thân thiện với môi trường. Các hạt có kích thước nhỏ
làm cho độ bền kéo tăng lên mà không làm giảm độ dai va đập của kim loại, điều này
khác so với các phương pháp hóa bền như là xử lý nhiệt (Azushima et al., 2008).
Các quá trình gia công SPD có thể được chia thành hai nhóm chính. Nhóm thứ
nhất bao gồm các phương pháp SPD cho quá trình gia công các kim loại khối không
liên tục như: ép kim loại qua qua góc kênh không đổi (Equal Channel Angular
Pressing, ECAP) được đưa ra đầu tiên bởi Segal (1977) và sau đó Valiev, Krasilnikov
và Tsenev (1991) đề xuất phương pháp xoắn kim loại dưới áp lực cao (High-pressure
torsion, HTP). Nhóm thứ hai bao gồm các phương pháp SPD cho việc gia công liên
2


tục kim loại tấm như là: cán dính tích lũy (Accumulative Roll-Bonding, ARB) được
nghiên cứu bởi Saito et al. (1998), quá trình lặp lại gấp nếp và nắn thẳng kim loại
(Repetitive Corrugation and Straightening, RCS) được khám phá bởi Huang et al.
(2001), cán kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Channel Angular Rolling, ECAR)
của Lee et al. (2003), quá trình tương ứng ép kim loại qua góc kênh không đổi (Equal
Channel Angular Pressing-Conform, ECAP-Comform) của Raab et al. (2004), cán kim
loại với vận tốc hai trục cán khác nhau với tỷ lệ cao (High-Ratio Differental Speed
Rolling, HRDSR) của Kim et al. (2006) và phương pháp gần đây nhất là cán kim loại
với sự tích hợp dao động dọc trục của trục cán (Through-Width Vibration Rolling,
TWVR) của Hsieh et al. (2009, 2012).

(a)

(b)

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD nhóm thứ nhất (a) ECAP; (b) HPT
Nguồn: (Segal, 1977; Valiev, Krasilnikov và Tsenev, 1991)
Nguyên lý gia công của hai phương pháp trong nhóm thứ nhất được thể hiện trong
Hình 2. ECAP (Hình 2(a)) là phương pháp đầu tiên của SPD được đưa ra để sản xuất
các vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn và đã thu hút được sự nghiên cứu của các nhà
khoa học trong những năm gần đây (Valiev et al., 2000; Kim et al., 2004; P.Quang et
al., 2009). Trong quá trình ECAP, kim loại được ép qua hai kênh có tiết diện mặt cắt
không đổi và giao nhau với một góc Φ. Kim loại bị biến dạng mãnh liệt do bị biến
dạng cắt tại khu vực giao nhau của hai kênh (khu vực ABC với góc khuôn Ψ). Trong
phương pháp HPT (Hình 2b), kim loại bị nén với áp lực cao đến vài GPa và đồng thời
bị biến dạng xoắn. Có thể thấy rằng hai phương pháp này có thể tạo ra được vật liệu

3


(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Hình 3 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD trong nhóm hai
(a) ARB; (b) RCS; (c) ECAR; (d) ECAP-Conform; (e) HRDSR; (f) TWVR
4


Nguồn: (Saito 1998; Huang 2001; Lee 2003; Raab 2004; Kim 2006; Hsieh, 2009,
2012)
với hạt siêu mịn nhưng cả hai đều chưa thể được đưa và sản xuất với quy mô lớn do
các nhược điểm như: năng suất thấp và kích cỡ phôi nhỏ. Vì vậy, các phương pháp
trong nhóm thứ hai sau đây có thể khắc phục được những nhược điểm trên và có tiềm
năng rất lớn cho việc sản xuất các vật liệu có hạt siêu mịn với quy mô lớn.
Nhóm thứ hai bao gồm các phương pháp SPD cho việc sản xuất vật liệu có hạt
siêu mịn với kim loại tấm phù hợp với quy mô công nghiệp như: ARB, RCS, ECAR,
ECAP-Conform, HRDSR và TWVR. Nguyên lý gia công phổ biến của các phương
pháp trong nhóm hai chủ yếu dựa vào sự kết hợp của phương pháp cán truyền thống và
SPD để phù hợp cho việc sản xuất với quy mô lớn kim loại có hạt siêu mịn và chúng
được thể hiện lần lượt trong Hình 3. Các phương pháp như: ARB (Hình 3(a)), RCS
(Hình 3(b)), ECAR (Hình 3(c)) và ECAP-Conform (Hình 3(d)) đã được phát triển để
tạo ra kim loại có hạt siêu mịn. Tuy nhiên, khả năng ứng dụng của các phương pháp
này trong quy mô công nghiệp thấp do quá trình gia công phức tạp, chất lượng bề mặt
vật liệu xấu, kích cỡ phôi nhỏ và kim loại bị hạn chế về độ lớn biến dạng. Một phương
pháp mới đã được chứng minh là có thể sản xuất các tấm kim loại với bề mặt lớn có
cấu trúc hạt siêu mịn là HRDSR, được nghiên cứu bởi Kim et al. (2006). Nguyên lý
của phương pháp này được thể hiện trong Hình 3(e). Phương pháp HRDSR là phương
pháp cán truyền thống nhưng vận tốc của hai trục cán là khác nhau. Phôi được cán qua
duy nhất một bước cán với chiều dày giảm 70%. Phôi bị biến dạng cắt rất lớn và biến
dạng khá đồng đều dọc theo hướng chiều dày. Có thể thấy rằng phương pháp HRDSR
có tiềm năng rất lớn trong việc gia công hợp kim có độ bền cao như là hợp kim nhôm.

Hơn nữa, HRDSR là quá trình gia công liên tục và chỉ yêu cầu qua duy nhất một bước
cán để tạo ra cấu trúc hạt siêu mịn bên trong vật liệu. Phương pháp này có nhiều ưu
điểm hơn các phương pháp trước. Tuy nhiên dù chỉ yêu cầu phôi qua một bước cán
nhưng chiều dày giảm khá lớn (70%) và trong quá trình gia công thì phôi bị biến dạng
cắt chưa đạt hiệu quả cao. Các vấn đề này có thể được khắc phục trong phương pháp
được phát triển gần đây nhất là TWVR (Hình 3(f)) sẽ được giới thiệu và nghiên cứu kỹ
trong các phần tiếp theo.
5


Ngoài các phương pháp trên thì phương pháp cán lạnh (cryorolling) đã được sử
dụng gần đây để kết hợp với các phương pháp SPD tạo ra vật liệu có hạt siêu mịn. Cán
lạnh là một quá trình xử lý đơn giản ở nhiệt độ thấp mà yêu cầu lực tác dụng tương đối
nhỏ để gây ra biến dạng mãnh liệt nhằm tạo ra các đặc tính cấu trúc con vi kết tinh
trong các loại vật liệu. Phương pháp sử dụng kỹ thuật cán phôi có nhiệt độ thấp hơn
nhiệt độ nitơ lỏng được sử dụng rộng rãi để cải thiện các tính chất của các vật liệu.
Cán lạnh có thể đáp ứng tốt cho các ứng dụng công nghiệp quy mô lớn của các vật liệu
có cấu trúc nanô. Cán lạnh được xác định như là một trong số các con đường tiềm
năng để sản xuất các hợp kim nhôm có hạt siêu mịn dạng khối. Độ bền kéo và độ dai
của vật liệu được cải thiện do sự loại bỏ quá trình hồi phục của vật liệu trong suốt quá
trình cán lạnh. Hơn nữa, cán lạnh có nhiều thuận lợi như việc yêu cầu biến dạng dẻo
thấp hơn, quy trình sản xuất đơn giản và khả năng sản xuất vật liệu một cách liên tục
(Hailiang et al., 2012).
Hiện nay ở nước ta, cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến lĩnh
vực SPD mà đi đầu và có nhiều công trình nghiên cứu công bố trong nước là Viện
Khoa Học Và Kỹ Thuật Vật Liệu thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Những
đóng góp trong việc phát triển phương pháp này ở Việt Nam là các nhà khoa học thuộc
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội như: GS TS. Nguyễn Trọng Giảng, GS TS. Đỗ
Minh Nghiệp, PGS TS. Đào Minh Ngừng, TS. Phạm Quang.
Phương pháp SPD được nghiên cứu chủ yếu trong nước là ép kim loại qua góc

kênh không đổi (ECAP) vì phương pháp này khá đơn giản và phù hợp với điều kiện
nghiên cứu ở nước ta. Các công trình đã được công bố trong nước chủ yếu theo hướng
mô hình hóa và mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Phạm Quang, Đào
Minh Ngừng và Đỗ Minh Nghiệp, 2010). Một số ít các công trình theo hướng thực
nghiệm như: nghiên cứu chế tạo một số hợp kim hệ Ti và Al cấu trúc mịn, siêu mịn và
nano bằng phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt đang được thực hiện bởi PGS TS.
Đào Minh Ngừng (hướng dẫn) và Nguyễn Đăng Khoa thực hiện từ năm 2011.
1.3 Nhận xét chung và hướng nghiên cứu của đề tài
Các phương pháp SPD như: ECAP, HTP, ARB, RCS, ECAR, ECAP-Conform đã
tạo ra vật liệu kim loại có hạt siêu mịn với cơ tính tốt nhưng lĩnh vực áp dụng bị giới
6


hạn do kích thước có thể của phôi nhỏ (Azushima et al., 2008). Hầu như các quá trình
này biến dạng do trượt chưa đủ (HRDSR), chất lượng bề mặt xấu và sự phức tạp trong
quá trình gia công (Hsieh et al., 2009, 2012).
Một phương pháp SPD mới làm cho độ bền vật liệu cao hơn hẳn các phương pháp
trước đã được các nhà khoa học Đài Loan nghiên cứu là phương pháp cán tích hợp dao
động ngang của trục cán (Through-Width Vibration Rolling – TWVR, 2009) (Hsieh et
al., 2009, 2012). Phương pháp mới này có thể cải thiện đặc tính cơ học của vật liệu do
tạo ra thêm được ứng suất cắt tác dụng lên phôi do ma sát giữa phôi và các trục cán khi
trục cán dưới dao động dọc theo hướng vuông góc với hướng cán (xem Hình 4).
Hai trục cán (rollers) quay ngược nhau và được điều khiển bằng động cơ thủy lực
(hydraulic motors). Bên cạnh quay, trục cán dưới đồng thời dao động ngang dọc trục
và cũng được điều khiển bởi động cơ thủy lực. Cả hai trục cán đều có đường kính 150
mm và được điều khiển quay với vận tốc không đổi 2 vòng/phút. Trục cán dưới dao
động ngang với tần số không đổi 5 Hz và biên độ dao động được thay đổi từ 0 đến 3
mm. Phôi cán có kích thước 100x20x5 mm3. Quá trình này được tiến hành qua 4 bước
cán với mỗi bước cán thì chiều dày phôi giảm 40%. Do đó, chiều dày cuối cùng của
phôi cán khoảng 0,65 mm. Vật liệu phôi được tiến hành là hợp kim nhôm Al5052.

Hình 4 Quá trình cán tích hợp dao động ngang của trục cán (TWVR)
Nguồn: (Hsieh et al., 2009, 2012)
Một số hình ảnh về quá trình thực nghiệm (xem Hình 5)

7


(a)

(b)

(c)

Hình 5 Quá trình thực nghiệm TWVR
(a) Máy móc, (b) Gia công, (c) Kết quả bề rộng
Nguồn: (Hsieh, 2009)
Nhưng kết quả thực nghiệm về sự biến thiên độ bền của vật liệu theo sự gia tăng
biên độ dao động của trục cán vẫn chưa được giải thích (xem Hình 6).

Hình 6 Sự biến thiên độ bền trong phương pháp TWVR
Nguồn: (Hsieh, 2009)
Việc nghiên cứu công nghệ này bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite
Element Method, FEM) là rất cần thiết cho việc giải thích vấn đề trên và định hướng
để tối ưu các thông số thực nghiệm. Các kết quả của FEM được dùng như là một
phương pháp định hướng cho các quá trình thực nghiệm khi phôi được thay đổi về
8


S

K

L

0

0

2

1

5

4