Nghiên cứu chế tạo vật liệu titan có cấu trúc siêu mịn và nano bằng kết hợp hai phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt ecap và cán nguội

Bộ giáo dục và đào tạo

Trờng đại học Bách khoa hà nội


đỗ văn khiết

Nghiên cứu chế tạo vật liệu titan
Có cấu trúc siêu mịn và nano
Bằng kết hợp hai phơng pháp biến
dạng dẻo mãnh liệt ecap và cán nguội

Lụân văn thạc sỹ ngành kỹ thuật vật liệu

Ngời hớng dẫn khoa học:

GS. TS. Nguyễn trọng giảng

Hà Nội 2010


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan bản luận văn này là do bản thân tôi
thực hiện, những kết quả nghiên cứu đợc đa ra trong luận
văn này là của bản thân tôi và cha từng đợc ai công bố
trên các tạp chí khoa học trớc đây. Các số liệu và kết quả
nghiên cứu đợc thực hiện một cách trung thực và chính
xác.

I

mục lục

mục lục........................................................................................................I
phần Mở đầu..............................................................................................1
Chơng i

Tổng quan

1.1. Các phơng pháp cơ bản chế tạo vật liệu có cấu trúc siêu mịn
và nano.....................................................................................................3
1.1.1. Các phơng pháp SPD..................................................................7
1.1.1.1. Biến dạng xoắn dới áp lực cao.......................................8
1.1.1.2. Rèn đa chiều...............................11
1.1.1.3. ép trong kênh đờng thông gấp khúc.............................13
1.1.2. Một vài nghiên cứu đã đợc biết đến về sự hình thành
cấu trúc siêu mịn và nanô ở những kim loại và hợp kim khác
nhau bằng phơng pháp SPD ................................................................18
1.1.2.1 Biến dạng dẻo mãnh liệt Cu (99,98%) - (R.Z.
Valiev; R.K. Islamgaliev; I.V. Alecxandrov).............................19
1.1.2.2 Biến dạng dẻo mãnh liệt Al (nhóm nghiên cứu
tại Trờng ĐHBK HN)....................................................................21
1.1.2.3 Biến dạng dẻo mãnh liệt ở một số hợp kim khác
(R.Z. Valiev; R.K. Islamgaliev; I.V. Alecxandrov)......................24


II

1.2. Kết hợp phơng pháp cán truyền thống để tăng bền và

giảm kích thớc hạt................................................................................27
1.3. Kết luận chơng I...................................................................................30
Chơng ii

Thực nghiệm

2.1. Quy trình công nghệ chế tạo Ti có kích thớc hạt siêu mịn và
nano bằng kết hợp hai phơng pháp ECAP và cán............................31
2.2. Kim loại sử dụng cho nghiên cứu..........................................................33
2.2.1. Tính chất vật lý của Titan............................................................34
2.2.2. Mạng tinh thể của Titan.............................................................34
2.2.3. Đặc điểm của chuyển biến pha trong Ti.....................................35
2.2.4. ứng dụng của Titan.....................................................................36
2.3. Các thiết bị thí nghiệm...........................................................................36
2.3.1. Khuôn ép và đồ gá.......................................................................36
2.3.2 Máy ép thuỷ lực chuyên dụng 100 tấn........................................37
2.3.3 Lò nung liên tục HK 40.24..........................................................38
2.3.4 Máy kéo nén................................................................................38
2.3.5 Máy cán hai trục...........................................................................39
2.3.6 Kính hiển vi điện tử quét...............................................................40
2.3.7 Kính hiển vi điện tử truyền qua.....................................................41
2.4 Thí nghiệm................................................................................................42
2.4.1. ép mẫu Ti.....................................................................................42
2.4.2. Cán mẫu Titan..............................................................................44


III

2.5 Phơng pháp và thiết bị phân tích kết quả thí nghiệm........................48
2.5.1. Các kỹ thuật chuẩn bị mẫu cho hiển vi điện tử truyền qua..........48

2.5.2. Chuẩn bị mẫu thử cơ tính.............................................................49

Chơng iII

Kết quả và thảo luận

3.1.1 Kết quả phân tích cấu trúc...................................................................51
3.1.2 Kết quả phân tích cơ học......................................................................56
Kết luận............................................................. .......................................62
Kiến nghị....................................................................................................63
Tài liệu tham khảo..............................................................................64


1

phần Mở đầu

Cùng với sự tiến bộ của khoa học công nghệ nói chung, khoa học vật
liệu cũng có sự phát triển mạnh mẽ. Nhiều loại vật liệu mới ra đời có các tính
năng kỹ thuật vợt trội so với các loại truyền thống tạo điều kiện thúc đẩy tiến
bộ khoa học tiến tới những tầm cao mới. Vật liệu kim loại và hợp kim của
chúng có tầm quan trọng đặc biệt và đợc sử dụng rất rộng rãi trong các
ngành công nghiệp. Mặc dù có lịch sử phát triển lâu đời nhng ngày nay loại
vật liệu kim loại và hợp kim vẫn đang đợc tiếp tục nghiên cứu, phát triển một
cách mạnh mẽ và luôn xuất hiện những công nghệ mới phục vụ chế tạo vật
liệu mới hoặc cải tạo chúng nhằm tăng cao cơ, lý tính đáp ứng các yêu cầu
trong áp dụng thực tế.
Trong thời gian gần đây, đợc biết đến là các phơng pháp biến dạng
dẻo mãnh liệt (SPD - Severe Plastic Defomation) trong đó phơng pháp ép
chảy trong khuôn đờng thông gẫy khúc (Equal Channel Angle Presing

ECAP) là một trong những phơng pháp biến dạng dẻo mãnh liệt đã chứng
minh rằng, quá trình biến dạng dẻo ở trạng thái nguội hay ấm có thể đạt đợc
mức độ biến dạng rất lớn dẫn tới những kết quả rất khả quan trong việc cải
thiện tính chất của vật liệu kim loại, cụ thể là làm cho vật liệu kim loại có cấu
trúc mịn hơn tiến tới cấu trúc nano, tiếp đó có thể kết hợp phơng pháp biến
dạng dẻo truyền thống để tránh đợc những khuyết tật, thậm chí phá huỷ vật
liệu và tạo cho chúng vừa có độ bền, độ cứng cao lại vừa có tính dẻo tốt phục
vụ cho việc gia công chế tạo chi tiết. Tuy có nhiều công nghệ chế tạo vật liệu
có cấu trúc siêu mịn và nano khác nhng vì những nhợc điểm của chúng
cũng nh những u điểm của phơng pháp ECAP kết hợp với phơng pháp
cán trong môi trờng nhiệt độ phòng mà đã có rất nhiều tác giả đang tập trung


2

nghiên cứu phơng pháp này, tuy nhiên chúng cũng chỉ đợc phát hiện và
nghiên cứu trong một vài thập kỷ gần đây và đang có xu hớng mở rộng về cả
chủng loại lẫn quy mô nghiên cứu và ứng dụng trong sản xuất công nghiệp.
Trong số các loại vật liệu đợc đề cập đến nhiều là titan, đồng, nhôm, ngoài
ra các loại vật liệu khác cũng đang đợc đề cập và nghiên cứu một cách tích
cực.
Trong luận văn này đề cập tới vấn đề nghiên cứu về công nghệ chế tạo
vật liệu Ti có cấu trúc siêu mịn và nano bằng kết hợp hai phơng pháp biến
dạng dẻo mãnh liệt ECAP và cán nguội. Luận văn đợc trình bày thành 3
chơng. Chơng I, trình bày tổng quan về các phơng pháp cơ bản chế tạo vật
liệu có cấu trúc siêu mịn và nano. Chơng II là quá trình thực nghiệm đợc
tiến hành tại Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Chơng III đa ra kết quả
quá trình thí nghiệm và cuối cùng là kết luận của luận văn và một số kiến
nghị cho hớng đi tiếp theo của công trình nghiên cứu.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại

học Thái Nguyên, Viện Đào tạo Sau Đại học, Trờng Đại học Bách khoa Hà
Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bản luận văn này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với GS. TS. Nguyễn Trọng
Giảng, ngời Thầy đã hớng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá
trình nghiên cứu.
Tôi xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo khoa Khoa Học và Công nghệ Vật
liệu, Bộ môn Cơ học Vật liệu và Cán Kim loại, phòng thí nghiệm Công nghệ
Vật liệu Kim loại, Trung tâm Polime ĐHBK-HN đã tạo mọi điều kiện thuận
lợi để tôi hoàn thành bản luận văn này.
Xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô : TS. Đinh Văn Hải; TS. Lê Thái
Hùng; TS. Nguyễn Đăng Thuỷ; ThS. Đỗ Thành Dũng; ThS. Đặng Thị Hồng
Huế; ThS. Phạm Mai Khánh đã giúp đỡ và làm việc cùng tôi trong suốt quá
trình nghiên cứu.


3

Chơng i

Tổng quan

1.1. Các phơng pháp cơ bản chế tạo vật liệu có cấu trúc siêu mịn
và nano

Hiện nay trên thế giới đang xảy ra cuộc chạy đua sôi động về phát triển
và ứng dụng của công nghệ nano. Có thể kể đến một số cờng quốc đang
chiếm lĩnh thị trờng công nghệ này hiện nay là: Mỹ, Nhật, Trung Quốc, Đức,
Nga và một số nớc Châu Âu khác. ở Việt Nam, tuy chỉ mới tiếp cận với
công nghệ nano trong những năm gần đây nhng cũng có những bớc chuyển
tạo ra sức hút mới đối với lĩnh vực đầy cam go thử thách này. Điều đó đợc

thể hiện bằng số các công trình khoa học, số bằng phát minh, sáng chế, số các
công ty có liên quan đến khoa học vật liệu nano gia tăng theo cấp số mũ.
Các vật liệu nano có thể thu đợc bằng bốn phơng pháp phổ biến, mỗi
phơng pháp đều có những điểm mạnh và điểm yếu, một số phơng pháp chỉ
có thể đợc áp dụng với một số vật liệu nhất định mà thôi.


4

Phơng pháp hoá ớt
Bao gồm các phơng pháp chế tạo vật liệu dùng trong hoá keo
(colloidal chemistry), phơng pháp thuỷ nhiệt, sol-gen, và kết tủa. Theo
phơng pháp này, các dung dịch chứa ion khác nhau đợc trộn với nhau theo
một tỷ phần thích hợp, dới tác động của nhiệt độ, áp suất mà các vật liệu
nano đợc kết tủa từ dung dịch. Sau các quá trình lọc, sấy khô, thu đợc các
vật liệu nano. Ưu điểm của phơng pháp hoá ớt là các vật liệu có thể chế tạo
đợc rất đa dạng, chúng có thể là vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại. Đặc điểm
của phơng pháp này là rẻ tiền và có thể chế tạo đợc một khối lợng lớn vật
liệu. Nhng nó cũng có nhợc điểm là các hợp chất có liên kết với phân tử
nớc có thể là một khó khăn, phơng pháp sol-gen thì không có hiệu suất cao.
Phơng pháp bốc bay
Gồm các phơng pháp quang khắc (lithography), bốc bay trong chân
không (vacuum deposition) vật lý, hoá học. Các phơng pháp này áp dụng
hiệu quả để chế tạo màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt, tuy vậy ngời ta
cũng có thể dùng nó để chế tạo hạt nano bằng cách cạo vật liệu từ đế. Tuy
nhiên phơng pháp này không hiệu quả lắm để có thể chế tạo ở quy mô
thơng mại.
Phơng pháp hình thành từ pha khí
Gồm các phơng pháp nhiệt phân (flame pyrolysis) , nổ điện (electroexplosion), đốt laser (laser ablation), bốc bay nhiệt độ cao, plasma. Nguyên
tắc của phơng pháp này là hình thành vật liệu nano từ pha khí. Nhiệt phân là

phơng pháp có từ rất lâu, đợc dùng để chế tạo các vật liệu đơn giản nh


5

cácbon, silicon. Phơng pháp đốt laser thì có thể tạo đợc nhiều loại vật liệu
nhng lại chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm vì hiệu suất của chúng thấp.
Phơng pháp Plasma một chiều và xoay chiều có thể dùng để chế tạo rất nhiều
vật liệu khác nhau nhng lại không thích hợp để chế tạo vật liệu hữu cơ vì
nhiệt độ của nó có thể đến 90000C. Phơng pháp hình thành từ pha khí dùng
chủ yếu để tạo lồng Carbon (fullerene) hoặc ống carbon, rất nhiều các công ty
dùng phơng páhp này để chế tạo mang tính thơng mại.
Phơng pháp cơ học
Bao gồm các phơng pháp biến dạng mãnh liệt, tán, nghiền, hợp kim cơ
học. Với phơng pháp tán, nghiền, vật liệu ở dạng bột đợc nghiền ở kích
thớc nhỏ hơn. Ngày nay các máy nghiền thờng dùng là máy nghiền kiểu
hành tinh hoặc máy nghiền quay. Phơng pháp cơ học có u điểm là đơn giản,
dụng cụ chế tạo không đắt tiền và có thể chế tạo với một lợng lớn vật liệu.
Tuy nhiên nó lại có nhợc điểm là các hạt bị kết tụ nối với nhau, phân bố kích
thớc hạt không đồng nhất, dễ bị nhiễm bẩn từ các dụng cụ chế tạo và thờng
khó có thể đạt đợc hạt có kích thớc nhỏ. Phơng pháp này thờng đợc
dùng để chế tạo vật liệu không phải là hữu cơ nh là kim loại. Đặc biệt gần
đây là phơng pháp biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD - severe plastic
deformation), phơng pháp này đã thu hút sự quan tâm của nhiều chuyên gia
về khoa học vật liệu. Sự quan tâm này không chỉ đợc quyết định bởi những
tính chất cơ học và vật lý vốn có đối với những vật liệu cấu trúc siêu mịn và
nanô khác nhau (ví dụ, chế tạo bằng sự ngng tụ khí hoặc nghiền bi với sự
củng cố tiếp theo), mà còn bởi chính những u điểm của vật liệu SPD so với
những vật liệu cấu trúc nanô (NSM) khác. Cụ thể là, phơng pháp SPD cho
phép khắc phục một số liên kết cũng nh trạng thái nứt còn lại trong những

mẫu đặc, những tạp chất từ máy nghiền bi, sự gia công phôi và ứng dụng thực


6

tế quy mô lớn của những vật liệu nhất định. Nguyên lý của việc chế tạo vật
liệu cấu trúc siêu mịn và nanô dạng khối sử dụng phơng pháp SPD có thể
chọn để thay cho phơng pháp ép bột nanô.
Đặc điểm đợc biết đến nhiều nhất của phơng pháp SPD là sự biến
dạng rất mạnh, chẳng hạn bằng cán hoặc tạo hình nguội, có thể dẫn đến cải
tiến quan trọng cấu trúc vi mô ở nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, những sự hình
thành cấu trúc thờng là cơ sở của một loại ô mạng có những biên hạt góc
thấp với những định hớng sai. Trong đó, cấu trúc nanô đợc hình thành từ
phơng pháp SPD là những cấu trúc của một loại hạt siêu mịn bao gồm chủ
yếu những biên hạt góc lớn. Sự hình thành những cấu trúc siêu mịn và nanô
nh vậy có thể đợc thực hiện bởi phơng pháp SPD, tạo ra sự biến dạng rất
lớn ở nhiệt độ tơng đối thấp, chịu tác động áp lực cao. Dựa trên nguyên lý
này thì những phơng pháp đặc biệt của biến dạng cơ học đã đợc phát triển
và sử dụng.
Những sự phát triển và nghiên cứu đầu tiên của việc tạo ra vật liệu cấu
trúc nanô, ứng dụng phơng pháp SPD đợc thực hiện bởi Valiev và cùng
những cộng sự của ông ta hơn mời năm trớc. Những năm gần đây vấn đề
này đợc mô tả một cách rõ nét hơn qua sự công bố của nhiều công trình
khác. Mặc dù vậy, các nhà khoa học tin tởng rằng những khám phá quan
trọng nhất về thuộc tính đặc biệt của vật liệu chế tạo bằng phơng pháp SPD
sẽ tiếp tục đợc tìm ra trong những năm tới. Một số thuộc tính này là duy nhất
và khá quan trọng đối với những sự nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. Tổng
quan này trình bày một số kết quả đã đạt đợc đồng thời đa ra những vấn đề
cần phải tiếp tục nghiên cứu về vật liệu cấu trúc siêu mịn và nanô đợc chế tạo
bằng phơng pháp biến dạng dẻo mãnh liệt - SPD.

7

1.1.1 Các phơng pháp SPD

Trong quá trình phát triển, các phơng pháp SPD phải thoả mãn một số
điều kiện cần thiết đợc đa vào tính toán với mục đích là hình thành cấu trúc
siêu mịn và nanô ở những mẫu và phôi dạng khối. Thứ nhất, nó rất quan trọng
để tạo ra cấu trúc hạt siêu mịn với những đờng biên hạt góc lớn, vì chỉ trong
trờng hợp này mới có thể thay đổi chất lợng thuộc tính vật liệu. Thứ hai, để
tạo ra những thuộc tính ổn định của những vật liệu thì sự hình thành những
cấu trúc siêu mịn và nanô đồng đều bên trong thể tích của một mẫu là rất cần
thiết. Thứ ba, tính cơ học của những mẫu này không bị h hại hoặc rạn nứt
nào mặc dù chúng chịu sự biến dạng dẻo lớn. Những phơng pháp truyền
thống của biến dạng dẻo nh cán, kéo hoặc ép chảy không thể thoả mãn
những điều kiện cần thiết này. Sự hình thành cấu trúc nanô ở mẫu dạng khối
không thể xảy ra nếu không áp dụng những nguyên tắc phối hợp cơ học riêng
của biến dạng. Hiện nay, phần lớn những kết quả thu đợc đều liên quan tới
việc áp dụng hai phơng pháp SPD: biến dạng xoắn dới áp lực cao và ép
trong kênh đờng thông gấp khúc (ECAP - equal channel angular pressing).
Một vài nghiên cứu đã đợc biết đến về sự hình thành cấu trúc siêu mịn và
nanô và tinh thể siêu tế vi ở những kim loại và hợp kim khác nhau bằng biện
pháp rèn đa chiều.

Sự biến dạng xoắn dới áp lực cao và ép trong kênh gấp khúc có tiết
diện nh nhau (ECAP) là một trong những phơng pháp cho phép tạo ra sự
biến dạng dẻo lớn và sự hình thành cấu trúc siêu mịn và nanô.

8

1.1.1.1. Biến dạng xoắn dới áp lực cao (SPTS)

Những thiết bị tạo ra sự biến dạng dẻo xoắn mãnh liệt (SPTS - Severe
Plastic Torsion Straining) đợc điều khiển dới áp lực cao. Nguyên lý chế tạo
những thiết bị đó là một sự phát triển cao hơn thiết bị kiểu đe của Bridgenan.
ở cơ cấu đầu tiên thiết bị này đợc sử dụng để nghiên cứu sự biến đổi pha
trong suốt quá trình biến dạng dữ dội cũng nh sự phát triển cấu trúc và những
thay đổi về nhiệt độ kết tinh lại sau biến dạng lớn. Sự hình thành cấu trúc nanô
đồng nhất với những biên hạt góc lớn qua biến dạng xoắn mãnh liệt đợc chế
tạo thành công là một bớc rất quan trọng để coi qui trình này nh một
phơng pháp mới trong việc chế tạo vật liệu cấu trúc nanô.
Đầu tiên chúng ta hãy xem xét những khía cạnh cơ học của sự biến
dạng xoắn mãnh liệt.
Phơng pháp biến dạng xoắn dới áp lực cao có thể đợc sử dụng để
chế tạo những mẫu kiểu đĩa. Nguyên lý của quá trình xoắn dới áp lực cao
đợc mô tả dới dạng biểu đồ ở hình 1.1a. Phôi kim loại đợc nén ở giữa
những cái đe và đợc biến dạng xoắn dới áp lực đặt (P) bằng vài GPa. Một
mâm cặp ở dới quay và lực ma sát bề mặt làm biến dạng phôi kim loại bằng
cách dịch chuyển. Do hình dạng hình học đặc trng của mẫu nên thể tích
chính của vật liệu bị biến dạng ở điều kiện nén gần nh là thuỷ tĩnh dới áp
lực đặt và áp lực ở những lớp vòng ngoài mẫu. Kết quả cho thấy, mặc dù giá
trị biến dạng lớn nhng mẫu biến dạng không bị phá huỷ.


9

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của quá trình biến dạng xoắn dới áp lực cao;

Hình 1.1b thể hiện những biến số đợc sử dụng để tính toán biến dạng
gây ra trong quá trình HPT, tại góc quay và khoảng dịch chuyển nhỏ tơng
ứng với d và dl, ta có dl = rd, trong đó r là bán kính của đĩa và biến dạng
cắt (biến dạng trợt) d đợc tính bởi:

d =

dl rd
=
h0
h0

(1.1)

trong đó: h0 là chiều dày của đĩa.
Từ phơng trình (1.1) ta sẽ tính đợc biến dạng cắt tơng ứng với N
vòng quay, = 2N:

=

2 Nr
h0

(1.2)

Để so sánh giá trị biến dạng cắt trong quá trình xoắn với giá trị biến
dạng cắt trong quá trình biến dạng khác thì giá trị biến dạng cắt trong quá
trình xoắn thờng đợc quy về giá trị biến dạng tơng đơng eeq phù hợp với
điều kiện dẻo Mises.

10

eeq =



(1.3)

3

Bởi vậy, biến dạng thực tơng ứng với N vòng quay đợc tính bởi
công thức sau:


= ln(1 + eeq ) = ln1 +


2Nr
3h0

(1.4)

Biến dạng thực cũng đợc tính một cách gần đúng nh sau:
h

= ln
h0

trong đó:

2 r
hoặc = ln
h0





(1.5)

h - là khoảng sau khi biến dạng,
h0 - là khoảng trớc khi biến dạng.

Biến dạng thực của đĩa ứng với h0 = 0,3 mm và r = 5 mm sau một vòng
quay bằng 4,1 (tính theo công thức 1.4) và bằng 4,65 (tính theo công thức 1.5).
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng sau một số lần quay sự biến dạng theo
cách thức này thờng cho kết quả nh nhau dẫn đến cấu trúc vi mô ở tâm của
mẫu đợc cải thiện và cấu trúc nanô đợc tạo ra thờng đồng nhất ở bán kính
của mẫu. Tính đồng nhất về cấu trúc của mẫu đợc kiểm định bởi sự phân bố
đồng nhất giá trị độ cứng vi mô đo qua mỗi mẫu.
Những mẫu đợc tạo ra bởi biến dạng xoắn mãnh liệt thờng ở dạng đĩa
có đờng kính từ 10 đến 20mm và chiều dày 0,2 ữ 0,5mm. Sự thay đổi đáng
kể về cấu trúc vi mô đợc quan sát ngay sau sự biến dạng qua 1/2 vòng quay,
nhng sự hình thành cấu trúc nanô đồng nhất đợc quyết định ở một số vòng
quay nhất định nh một quy luật.
Các nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra rằng biến dạng xoắn khốc liệt có
thể đợc ứng dụng thành công không chỉ cho sự cải thiện cấu trúc vi mô mà
còn để gia cố bột. Quá trình biến dạng xoắn ở nhiệt độ phòng dới áp lực cao

11

bằng vài GPa có thể cho một mật độ khá cao gần 100% trong quá trình tạo
những mẫu cấu trúc nanô dạng đĩa.
1.1.1.2. Rèn đa chiều (MF)
Đây cũng là một trong phơng pháp tạo ra cấu trúc nanô ở những phôi
dạng khối nhờ sự rèn đa chiều (MF-multiple forging), nó đợc phát triển bởi
tác giả Salishchev. Quá trình rèn đa chiều thờng đợc kết hợp với động lực
kết tinh lại.
Nguyên lý của rèn đa chiều (hình 1.2) giả thiết rằng sự lặp lại nhiều lần
của những thao tác rèn tự do: điều chỉnh quá trình chuốt với sự thay đổi trục
của lực biến dạng thực. Tính đồng nhất của biến dạng đạt đợc trong quá trình
rèn đa chiều thấp hơn so với trờng hợp ECAP và biến dạng xoắn. Tuy nhiên,
phơng pháp này cho phép thu đợc trạng thái cấu trúc nanô trong vật liệu khá
giòn bởi vì quá trình chế tạo bắt đầu ở nhiệt độ cao và tải đặc trng trên máy
gia công là thấp hơn. Để thu đợc kích thớc hạt nhỏ nhất thì cần phải lựa
chọn nhiệt độ và chế độ biến dạng thích hợp.
Phơng pháp rèn đa chiều đợc sử dụng để tinh chế một số hợp kim
cấu trúc vi mô, bao gồm Ti, hợp kim Ti VT8, VT30, Ti-6%Al-32%Mo, hợp
kim Mg; Mg-6%Zn, những hợp kim Ni, hợp kim có độ bền cao và một số
loại khác. Quá trình rèn đa chiều thờng đợc thực hiện ở khoảng nhiệt độ
biến dạng dẻo 0,1 ữ 0,5 Tml (Tml - là nhiệt độ nóng chảy). Nó đợc thể hiện ở
những hợp kim hyđrô hoá của hợp kim Ti hai pha, không chỉ tăng thêm tính
dẻo, giảm bớt nhiệt độ biến dạng mà còn làm kích thớc hạt nhỏ hơn.


12

Hình 1.2. Nguyên lý của rèn đa chiều: (a), (b), (c) - sự bố trí và tác động quay

dọc theo trục thứ nhất; (d), (e), (f) - sự bố trí và tác động quay dọc theo trục
thứ hai; (g), (h), (i) - sự bố trí và tác động quay dọc theo trục thứ ba.

Bởi vậy, phơng pháp SPD đã đợc phát triển để hình thành cấu trúc
nanô ở những phôi và đĩa dạng khối không kể đến sự khác nhau của kim loại
và hợp kim. Tuy nhiên, vấn đề chế tạo những phôi có kích thớc lớn hơn có
cấu trúc đồng đều thì vẫn còn rất thực tế. Vấn đề phát triển phơng pháp SPD
mới có hiệu quả hơn trong giới hạn công nghệ của chúng ta, cũng nh việc cải
tiến thiết bị khuôn và việc tạo ra trạng thái cấu trúc nanô ở vật liệu dễ biến
dạng, bao gồm cả hoá bền biến dạng cũng là rất cần thiết.


13

1.1.1.3. ép trong kênh đờng thông gấp khúc (ECAP)

Phơng pháp ECAP đợc sử dụng để biến dạng phôi kim loại theo đờng
dịch chuyển rõ ràng đợc phát triển bởi Segal cùng các cộng sự đầu những năm
80. Mục đích của phơng pháp này là gây ra sự biến dạng dẻo rất lớn bên trong
vật liệu mà không làm thay đổi vùng mặt cắt ngang của thanh. Vì lý do đó, sự
biến dạng lặp lại của chúng là có thể. Vào những năm đầu của thập kỉ 90
phơng pháp đợc phát triển và đợc ứng dụng nhiều là phơng pháp SPD cho
quá trình tạo ra cấu trúc với thành phần kích thớc hạt siêu hiểm vi và nanomet.
Trong thí nghiệm ECAP những phôi ban đầu có mặt cắt ngang dạng tròn hoặc
vuông với chiều dài từ 70 ữ 100mm. Đờng kính hoặc đờng chéo mặt cắt
ngang của nó không vợt quá 20mm.

Hình 1.3. Sơ đồ mô tả quá trình ECAP;

14

Trong quá trình ECAP mỗi phôi đợc ép nhiều lần qua khuôn có góc
giao nhau của hai kênh thông thờng là 900. Nếu cần thiết, trong trờng hợp vật
liệu khó biến dạng, quá trình ECAP đợc điều chỉnh ở nhiệt độ thích hợp để
quá trình biến dạng của phôi đợc dễ dàng hơn.
Tại vị trí góc ở phía ngoài = 00 (Hình 1.3a), xét một phần tử nhỏ hình
vuông abcd ở kênh đi vào và góc ở phía trong là bất kỳ, ép qua mặt phẳng
cắt giả định và trở nên méo đi thành hình bình hành abcd. Từ những
nguyên tắc đầu tiên này, ta có thể xác định biến dạng cắt bởi công thức:

= 2 cot

(1.6)

2

Sử dụng cho trờng hợp tơng tự trên (Hình 1.4b), biến dạng cắt là:

=

(1.7)

Đối với trờng hợp nh trên (Hình 1.4c), biến dạng cắt đợc tính toán
bởi công thức sau:


= 2 cot + + cos ec +
2

2

2

2

(1.8)

Ta thấy rằng, công thức (1.6) khi = 00 và (2.7) khi = ( - )0 là
trờng hợp tối giản của công thức (1.8). Điều đó cho thấy rằng công thức (1.8)
là công thức tổng quát nhất và có thể đợc sử dụng để tính toán biến dạng cắt
đối với cả ba trờng hợp trên (hình 1.4). Do đó, biến dạng tơng đơng eN
sau N lần ép có thể đợc trình bày một cách tổng quát bởi công thức sau:

eN =

N .
N


=
2
cot
+
+

cos
ec

+

3
3
2 2
2 2

(1.9)

(, : là góc ngoài và góc trong của kênh ép thể hiện trên (Hình 1.4).
Sử dụng công thức (1.9) để tính toán với trờng hợp ECAP góc = 900,
= 200 cho mỗi lần ép thì giá trị biến dạng của phôi xấp xỉ bằng 1 (eN 1).


15

Hình 1.4. Nguyên lý của ECAP:
(a) = 00 ; (b) = ( - )0; (c) 00 < < ( - )0.

Trong quá trình ECAP, hớng và số lần ép phôi là rất quan trọng trong
việc cải thiện cấu trúc vi mô. Các lộ trình của phôi trong quá trình ECAP đợc
thể hiện trên (Hình 1.5): lộ trình A, hớng dịch chuyển của phôi không thay
đổi ở mỗi lần ép; lộ trình B, sau mỗi lần ép phôi đợc xoay đi một góc 900
quanh trục dọc của nó; lộ trình C, sau mỗi lần ép phôi đợc xoay đi một góc
1800 quanh trục dọc của nó.


16

Hình 1.5. Các cách tiến hành của quá trình ECAP

Những lộ trình đã cho ở trên (hình 1.5) đợc phân biệt theo phơng
trợt của phôi trong kênh gấp khúc ở mỗi lần ép kế tiếp. Vì thế, trong quá
trình ECAP xuất hiện sự thay đổi các ô hình cầu bên trong phôi.
Trong quá trình ECAP tại nơi giao nhau của kênh gấp khúc, ô trống
hình tròn sẽ chuyển đổi hình dạng thành một elíp (hình 1.6 a). Điều này xuất
hiện sau lần ép đầu tiên do sự trợt thuần tuý. Hơn nữa, kết quả ở những lần
ép tiếp theo của lộ trình A là sẽ dẫn đến sự dài ra của trục 1 và elíp. Trong đó
phơng trợt đợc xoay quanh đờng thẳng góc với trục tạo với mặt cắt dọc
của kênh một góc 2, thể hiện trên hình (1.6b).
Quá trình ép đợc lặp lại trong lộ trình B, dẫn tới phơng và mặt phẳng
trợt bị xoay đi một góc 1200 (với 2 = 900) (hình 1.6b).


17

Hình 1.6. Cơ chế dịch chuyển mẫu trong quá trình ECAP:
(a) biến dạng một chu kỳ; (b) lộ trình A; (c) lộ trình C.
Trong quá trình biến dạng bởi lộ trình C, quá trình ép đợc thực hiện
lại, phơng trợt vẫn trong cùng một mặt phẳng nhng theo hớng đối diện
(hình 1.6 c và 1.7 c) ô hạt tạo ra có dạng hình cầu.
áp dụng cả ba lộ trình trên sẽ thu đợc những giá trị tăng lên về ứng
suất chảy và độ bền của vật liệu đợc gia công. Vật liệu này sẽ đạt đợc trạng
thái bão hoà sau một vài lần ép. Ngời ta đã thực hiện quá trình ECAP đối với
những mẫu Cu và Ni nh hình 1.6 và nhận thấy trong quá trình biến dạng có
sự tăng tải. Hơn nữa, có sự ổn định trong giai đoạn tăng bền và tải hầu nh
không thay đổi.


18

Hình 1.7. Những hớng dịch chuyển trong quá trình ECAP
theo lộ trình A (a), B (b), C (c).

1.1.2. Một vài nghiên cứu đ đợc biết đến về sự hình thành cấu trúc
siêu mịn và nanô ở những kim loại và hợp kim khác nhau bằng các
phơng pháp SPD.

Phơng pháp SPD có thể tạo ra cấu trúc nanô trong những vật liệu khác
nhau. Tuy nhiên kích thớc hạt đạt đợc và đặc tính của sự hình thành cấu
trúc nanô phụ thuộc vào việc áp dụng những phơng pháp SPD, chế độ tạo ra,
kết cấu pha và cấu trúc vi mô ban đầu của vật liệu. Dới đây là một số ví dụ về
đặc trng cấu trúc nanô, thảo luận các bớc tiến hành để đạt đợc kích thớc
hạt nhỏ nhất trong những vật liệu khác nhau đợc chế tạo bằng phơng pháp
SPD và coi điều đó đồng thời với sự phát triển cấu trúc vi mô trong quá trình
biến dạng mãnh liệt.


19

Ngày nay, cấu trúc nanô đã đợc tạo ra ở một số kim loại, hợp kim,
thép và những hợp chất liên kim nhờ việc ứng dụng các phơng pháp SPD
khác nhau.
1.1.2.1 Biến dạng dẻo mãnh liệt Cu (99,98%) - (R.Z. Valiev; R.K.
Islamgaliev; I.V. Alecxandrov)
Trong những kim loại nguyên chất, việc ứng dụng biến dạng dẻo xoắn
mãnh liệt có thể tạo ra cấu trúc hạt siêu mịn với kích thớc trung bình
khoảng 100 nm và áp dụng quá trình ECAP có thể tạo ra kích thớc hạt 200
ữ 300 nm. Trên hình 1.8, là những hình ảnh nền sáng và tối đợc quan sát
bằng kính hiểm vi điện tử thể hiện cấu trúc nanô tiêu biểu của đồng

(99,98%), tạo ra bằng quá trình SPTS ở nhiệt độ phòng (biến dạng thực e = 7,
áp lực đặt P = 7GPa). Kết quả này đợc Valiev và cộng sự của ông nghiên
cứu đợc thể hiện trên (hình 1.8) cho thấy rằng biên hạt rất dễ nhận, chúng là
những đờng cong hoặc gợn sóng. Cũng có những biên hạt với những hình
ảnh không đợc rõ nét và sự nhiễn xạ tơng phản bên trong hạt là không
đồng nhất và thờng chịu sự biến đổi phức tạp.

Hình 1.8. ảnh TEM của Cu cấu trúc nano, chế tạo bằng
biến dạng xoắn mãnh liệt: (a) ảnh nền sáng; (b) ảnh nền tối.


20

Điều này đòi hỏi phải có một mức lớn ứng suất bên trong và sự biến
dạng đàn hồi của mạng tinh thể. Nh vậy, một sự tơng phản phức hợp đợc
quan sát cả bên trong hạt chứa đựng sự chuyển vị mạng và hạt không chứng
tỏ có khuyết tật mà chứng tỏ những biên hạt là những nguồn ứng suất bên
trong. Sự phân bố góc cực của những vị trí thu đợc trên mẫu nhiễu xạ cũng
biểu thị những ứng suất nội tại cao. Mật độ trung bình của chuyển vị mạng
của đồng (Cu) chế tạo bằng SPD là khoảng 5 ữ 1014 m-2. Những vị trí trên
mẫu nhiễu xạ sắp xếp dọc theo vòng tròn biểu hiện những sự định hớng sai
về góc lớn của những mặt bên cạnh của mạng tinh thể. Sự có mặt của biên
hạt góc lớn chủ yếu trong cấu trúc của đồng (Cu) phải chịu biến dạng mãnh
liệt cũng đợc xác nhận bởi những phép đo trực tiếp sự sai lệch định hớng
của biên hạt riêng lẻ, sự tồn tại rất quan trọng có đặc tính của vật liệu SPD.
Những biểu đồ của sự phân bố cỡ hạt đang tồn tại từ những ảnh nền tối cho
thấy cấu trúc của đồng (Cu) chế tạo bằng SPD đợc mô tả bởi sự phân bố
theo tiêu chuẩn lôgarit với kích thớc hạt trung bình 107 nm.

Hình 1.9. ảnh TEM của đồng (Cu) cấu trúc nanô chế tạo bởi

quá trình ECAP: (a) lộ trình B; (b) lộ trình C.
Riêng đối với Cu (99,97%) chịu tác động của quá trình ECAP ở nhiệt độ
phòng (12 lần ép, lộ trình B), kích thớc hạt trung bình đạt đợc là 210 nm (hình