Nghiên cứu công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt làm biến đổi cấu trúc và tính chất của vật liệu kim loại (tt)

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo
MỞ ĐẦU
Hệ thống thiết bị khuôn và đồ gá cũng như quy trình vận hành cần phải phát
triển thêm để đáp ứng yêu cầu cao hơn trong các nghiên cứu mở rộng.

1. Lý do lựa chọn đề tài

Nghiên cứu ảnh hưởng việc xử lý nhiệt sau quá trình biến dạng mạnh để đạt

Kim loại và hợp kim thể khối khi BDD mãnh liệt với cường độ biến dạng lớn

được vật liệu tính chất cơ lý mong muốn ở trạng thái ổn định.

và mức độ biến dạng cao thì quá trình phân hạt mạnh, có thể thu được tổ chức

Xây dựng và ứng dụng mô hình toán, mô hình vật lý của quá trình phân hạt
cũng như tính lưu biến của vật liệu để kiểm soát tiến trình BDD.

đa tinh thể hạt mịn, siêu mịn và na nô. Tổ chức hạt tinh thể vật liệu càng nhỏ,
các thông số cơ tính độ cứng, độ bền và giới hạn chảy của vật liệu càng cao.
Việc nghiên cứu lý thuyết cũng như mô phỏng để xác định chế độ ép và các
thông số công nghệ phù hợp dưới ảnh hưởng của nhiều yếu tố điều kiện biên
cũng như đưa ra các giải pháp thiết kế khuôn và đồ gá sẽ đảm bảo ứng dụng
khả thi công nghệ trong thực tiễn.
2. Mục đích của luận án
Luận án đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu quá trình ứng dụng phương pháp cơ học để
chế tạo vật liệu khối có tổ chức siêu mịn và na nô.
 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tạo hình công nghệ ECAP qua đó xem xét ảnh
hưởng của các yếu tố công nghệ liên quan đến tổ chức, cơ tính và quá trình
tạo hình, cũng như chất lượng sản phẩm nhận được.
 Thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị ứng dụng kỹ thuật ECAP.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1 Đối tượng nghiên cứu
 Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng của vật liệu trong vùng biến
dạng dẻo, xác định các thông số năng lượng sự liên quan của các yếu tố cơ
bản đến chất lượng sản phẩm ép.
 Hệ thống thiết bị khuôn và đồ gá để thực hiện công nghệ ECAP-SPD.
 Sự thay đổi tổ chức tế vi và tính chất cơ học một số kim loại và hợp kim
thông dụng như Cu99,9; Al7075.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
 Cơ sở lý thuyết tạo hình cho kỹ thuật ECAP.

24

1


 Mô phỏng và thực nghiệm quá trình ECAP.

Ứng suất thủy tĩnh làm tăng lực ép, nhưng cần thiết để duy trì quá trình BDD

 Thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị khuôn và đồ gá phục vụ thực nghiệm.

mà không có phá hủy. Áp lực thủy tĩnh trong VBD có tác dụng ngăn cản phát

 Khảo sát chất lượng mẫu ép sau tạo hình, tổ chức tế vi, tính chất cơ học và

triển các lỗ xốp tế vi, tỷ lệ thuận với giới hạn chảy vật liệu và lực ma sát giữa

nguy cơ phá hủy.

kim loại và khuôn.

4. Phương pháp nghiên cứu

Ứng dụng mô hình toán của quá trình phân nhỏ hạt (khi giải hệ phương trình vi

 Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm đối với mẫu ép là

phân 2.36) cho thấy trong điều kiện công nghệ tạo hình nhất định và vật liệu
cho trước thì đường kính trung bình của hạt chỉ đạt tới mức độ tới hạn ổn định.

kim loại và hợp kim thông dụng.
 Trên cơ sở tính toán lý thuyết và mô phỏng, ứng dụng các phần mềm thiết

Kết quả mô phỏng cho phép xác định các lực ma sát tác dụng lên từng thành

kế đưa ra giải pháp chế tạo hệ thống khuôn ép và đồ gá phù hợp nhằm kiểm

phần khuôn. Hệ số ma sát theo quy luật Zibel lấy m = 0,2 là phù hợp với điều

soát được các thông số của quá trình công nghệ.

kiện ép nguội có bôi trơn. Lực ma sát lớn nhất ở kênh vào và ra xác định được

 Xây dựng quy trình công nghệ, vận hành và hoàn thiện trên hệ thống thiết bị
thực nghiệm đã chế tạo.

là Fms1 = 12,4 tấn và Fms2 = 8,8 tấn. Lực biến dạng kim loại 18,5 tấn. Áp lực
thủy tĩnh trong vùng biến dạng đạt 1.000  1.200 Mpa, tương đương σ0/σi = 2.

Nghiên cứu được tiến hành tại các phòng thí nghiệm của Khoa Công nghệ vật

Đã thiết kế và triển khai quy trình công nghệ thực nghiệm ép mẫu đối với hai

liệu, Khoa Cơ khí – Trường ĐHBK TP HCM; ĐHBK Hà nội; Viện Hàn lâm

loại vật liệu Cu99,9 D16xL70 và Al7075 C14x14xL80 từ 1 đến 8 lần trên bộ

Khoa học và Công nghệ VN, TP HCM; Buehler, Hong Kong;…

khuôn hai nửa ép phôi tròn D15 và bộ khuôn ghép ép phôi vuông C14x14 có

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

điều chỉnh đối áp.

5.1 Ý nghĩa khoa học

Đã xây dựng các hàm thực nghiệm thông số năng lượng như hệ số trạng thái

 Hệ thống hóa và làm phong phú thêm cơ sở lý thuyết tạo hình áp dụng cho
công nghệ và thiết bị ECAP.

ứng suất, lực ép phụ thuộc vào các yếu tố cơ bản là giới hạn chảy, điều kiện ma
sát, góc gấp lòng khuôn, mức độ biến dạng và các yếu tố khác trong phạm vi

 Ứng dụng các mô hình toán, mô hình vật lý để giải thích quá trình phân hạt,
xây dựng các công thức lý thuyết và thực nghiệm ứng dụng trong công nghệ
tạo hình.

mức độ biến dạng rất lớn 1 < ε < 4 . So sánh số liệu thực nghiệm với lý thuyết
và mô phỏng trong phạm vi biến dạng ε < 1 cho thấy có sự phù hợp.
Với mức độ biến dạng dẻo ε ~ 4, kích thước hạt tinh thể kim loại đạt được cấp

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

độ siêu mịn, d < 300 nm. Giới hạn dẻo, giới hạn bền và độ cứng vi mô kim loại

 Hệ thống khuôn và đồ gá đã thực nghiệm thành công có thể phục vụ cho

và hợp kim đo được sau biến dạng đều tăng khoảng trên 30%. Tốc độ gia tăng

việc nhân rộng và nghiên cứu phát triển ứng dụng sản xuất.
 Kết quả nghiên cứu của luận án về lý thuyết công nghệ và thiết bị là tài liệu

các thông số có trị số lớn hơn ở giai đoạn đầu và giảm tới mức ổn định ở giai
đoạn cuối khi mức độ biến dạng đã đạt tới giá trị nhất định.

phục vụ cho đào tạo lý thuyết và thực hành đại học và sau đại học.

2

23


HV Al 7075  95,04  8,74.n  0,48.n 2

(5.7)

 0Cu, 2  124,64  118,09.n  11,35.n 2

(5.8)

 bCu  231,83  78,51 .n  7,19 .n 2

(5.9)

 0Al, 27075  166,05  74,09n  6,49n 2

(5.10)

 bAl 7075  288,30  60,57 n  6,23n 2

(5.11)

 Nội dung khoa học của luận án có thể tiếp tục nghiên cứu trong lĩnh vực
thiết bị và công nghệ gia công và xử lý nhiệt đối với vật liệu, tính lưu biến
của vật liệu siêu mịn và na nô.
6. Kết quả đạt được và các đóng góp mới của luận án
 Đưa ra được các công thức lý thuyết và công thức thực nghiệm dùng để tính
toán các thông số tạo hình vật liệu phi truyền thống SPD.
 Thiết kế và chế tạo thành công hệ thống thiết bị, khuôn và đồ gá có kết cấu

5.3. Kết luận chương 5
Kết quả nghiên cứu cho phép xây dựng các hàm thực nghiệm thông số năng
lượng như hệ số trạng thái ứng suất, lực ép phụ thuộc vào các yểu tố cơ bản là
giới hạn chảy, điều kiện ma sát, góc gấp lòng khuôn, mức độ biến dạng và các
yếu tố khác thông qua biến hành trình trong phạm vi mức độ biến dạng rất lớn 1

phù hợp, đáp ứng yêu cầu công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt.

 Bước đầu làm rõ thêm bản chất biến dạng mãnh liệt và những yêu cầu tạo ra
vật liệu siêu mịn và na nô trong quá trình tạo hình SPD, mở ra khả năng xây
dựng biểu đồ tính dẻo và áp dụng mô hình toán, mô hình vật lý cho quá trình
phân hạt và thay đổi cơ tính trong phạm vi mức độ biến dạng rất lớn và điều

< ε < 4, và phù hợp với mô phỏng.

kiện áp lực thủy tĩnh cao.
Kết cấu hệ thống khuôn và đồ gá đã thiết kế và chế tạo có tính đặc thù công
nghệ, đủ độ cứng vững, phát huy lực ép cao, thực hiện khả thi quá trình SPD.

CHƯƠNG 1

Với mức độ biến dạng dẻo ε ~ 4, kích thước hạt tinh thể kim loại đạt được cấp

1.1. Giới thiệu về công nghệ tạo hình biến dạng dẻo mãnh liệt

độ siêu mịn, d < 300 nm. Giới hạn dẻo, giới hạn bền và độ cứng vi mô kim loại

Công nghệ tạo hình biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) có mục đích chế tạo vật liệu

và hợp kim đo được sau biến dạng đều tăng khoảng trên 30%.

kim loại và hợp kim kết cấu dạng khối có tổ chức tinh thể hạt mịn với đường

KẾT LUẬN CHUNG

TỔNG QUAN

kính trung bình hạt tinh thể dtb = (1  10) µm, siêu mịn (UFG) với dtb < 1 µm

hoặc na nô mét dtb < (1  100) nm. Với tổ chức như vậy, vật liệu này đã được

6.1. Kết quả đạt được của luận án

chứng minh có những tính chất ưu việt, cụ thể là giới hạn bền giới hạn chảy và

Nghiên cứu tổng quan tài liệu tham khảo và lý thuyết quá trình ECAP ta rút ra

giới hạn phá hủy cao hơn rất nhiều. Kích thước hạt càng nhỏ thì cơ tính càng

những kết luận:

tăng, đặc biệt với kích thước hạt na nô cơ tính vật liệu thay đổi đột biến.

 Lực ma sát giữa phôi và kênh ra tạo nên áp lực thủy tĩnh, làm thay đổi hình

Quá trình biến dạng luôn làm cho hạt nhỏ, tuy nhiên đối với kim loại và hợp

học vùng biến dạng, làm tăng lực ép, giảm mức độ biến dạng có vai trò duy

kim thông thường chỉ biến dạng được 70-80%. Nếu biến dạng tiếp sẽ xuất hiện

trì BDD mãnh liệt không phá hủy.

các vết rạn và nứt tế vi dẫn đến phá hủy vật liệu. SPD được tiến hành trong điều

 Lực ma sát kênh vào làm tăng lực ép, làm hạn chế khả năng ép do đó cần

kiện áp lực thủy tĩnh cao nên có thể đạt được mức độ biến dạng tới 800-900% .

khắc phục tối đa bằng bôi trơn cũng như thiết kế kết cấu khuôn và đồ gá phù
hợp.
22

3


1.2. Tổ chức đa tinh thể kim loại và sự thay đổi trong quá trình SPD

Hình 5.16. Mặt phá hủy của Cu 99,99 đã

Phương pháp SPD có thể làm thay đổi và tạo nên tổ chức hạt na nô tinh thể

ép 4 lần.

trong những vật liệu khác nhau. Tuy nhiên kích thước hạt đạt được và đặc tính

Các mặt gẫy của mẫu được quan sát trên

của sự hình thành tổ chức na nô phụ thuộc vào việc áp dụng những kỹ thuật

kính hiển vi điện tử quét SEM, hình 5.16,

SPD, chế độ biến dạng, kết cấu pha và tổ chức vi mô ban đầu của vật liệu.

cho thấy tập hợp các hốc lõm nhỏ nhiều

Trong khoa học và kỹ thuật vật liệu ba vấn đề tổ chức, tính chất và công nghệ

ở cấp độ, chứng tỏ vật liệu được phát

chế tạo có quan hệ mật thiết với nhau.

hủy theo cơ chế dẻo và các vết nứt phát

Sự biến đổi cấu trúc ô hình mạng thành một hình có dạng hạt, khi mật độ

triển trên biên hạt. Điều này phù hợp khi

khuyết tật trong tường ô trống đạt được giá trị tới hạn nhất định và triệt tiêu một

cấp độ hạt đã nhỏ thì không có cơ chế phát triển vết nứt qua hạt.

phần khuyết tật ở sự xuất hiện những điểm khác của đường biên ô trống. Các

Đặc tính cơ học vật liệu cơ bản và giới hạn chảy, giới hạn bền, độ cứng và độ

khuyết tật thừa đóng những vai trò khác nhau: khuyết tật với vectơ Burgers

giãn dài của các mẫu sau ép đã được khảo sát. Dùng phương pháp bình phương

thẳng góc đường biên hạt kéo dài gây ra sai lệch định hướng tăng lên và khi

nhỏ nhất đã xử lý các dữ liệu đo kiểm thu được:

mật độ lên chúng gây ra biến đổi cấu trúc dạng hạt, cùng thời điểm đó những
trường ứng suất phạm vi đáng kể được kết hợp với chuyển vị trượt cũng có thể
dẫn tới sự trượt (của hạt) dọc theo đường biên hạt,...
1.3. Các ứng dụng của vật liệu thu được sau SPD
Dù cơ lý tính của kim loại UFG dạng khối nhờ phương pháp SPD được cải

thiện trong phạm vi rộng, tuy nhiên, hiện nay việc ứng dụng các vật liệu này
trong công nghiệp cũng còn ít. Do đó hiện nay, ứng dụng của kim loại sau SPD
chỉ cho các thị trường đăc biệt – chỉ cần sản phẩm có tính năng đặc biệt với số

Hình 5.18. Giới hạn chảy và giới hạn bền sau các lần ép Cu99,9

số lượng nhỏ, mà ít quan tâm đến giá thành: chi tiết cấy ghép trong y học, ứng
dụng quốc phòng, thiết bị hàng không, dụng cụ thể thao, …
1.4. Phát triển kỹ thuật thực hiện quá trình SPD
Các kỹ thuật SPD khá đa dạng, tiềm năng của công nghệ này rất lớn, tuy nhiên
một số vấn đề vấn đề lý thuyết cũng như các vấn đề công nghệ chưa được
nghiên cứu hoàn chỉnh nên việc ứng dụng chưa được phổ cập rộng rãi, đặc biệt
ở quy mô sản xuất công nghiệp.

Hình 5.19. Giới hạn chảy và giới hạn bền sau các lần ép Al7075

Trong nhiều năm gần đây, giới khoa học đã đầu tư nhiều cho nghiên cứu về

HV Cu  124,31  2,38.n  0,26.n 2

SPD và kim loại UFG, nhiều kỹ thuật được đề xuất với các mục tiêu chính là
4

21

(5.6)


nâng cao khả thương mại kinh tế mà vẫn đảm bảo và nâng cao được tính chất
vốn có của sản phẩm sau SPD.

Các kỹ thuật SPD tiêu biểu: kỹ thuật biến dạng xoắn dưới áp lực cao, kỹ thuật
rèn trong khuôn kín tuần hoàn, kỹ thuật ép trong kênh gấp khúc tiết diện không
đổi, kỹ thuật cán dính tích lũy. Các kỹ thuật trên được phát triển khá đa dạng.
Ngoài ra còn có thể kết hợp nhiều kỹ thuật trên để đạt được hiệu quả cao.
Kỹ thuật ECAP (xem hình 2.1) có thể được phát triển và ứng dụng cho nhiều
kim loại và hợp kim, bao gồm cả những vật liệu với cấu trúc tinh thể khác nhau
như hợp kim biến cứng phân tán và vật liệu compozit nền kim loại. Trong quá
trình ECAP, mức biến dạng rất lớn có thể đạt được bằng cách lặp đi lặp lại quá
Hình 5.12. Ảnh hiển vi điện tử tán xạ ngược mẫu đồng Cu99,9 ép 4 lần.

trình ép mà không làm thay đổi tiết diện của phôi ban đầu nên tổ chức nhận
được là tương đối đồng nhất và nhiều khả năng tránh được rỗ xốp .
1.5. Khả năng ứng dụng thực tế của công nghệ SPD
SPD có ưu thế vượt trội trong việc sản xuất ra vật liệu siêu mịn và na nô thể
khối. Đây là loại hình công nghệ gia công áp lực phi truyền thống khó và phức
tạp nhưng có thể tạo ra sản phẩm có giá trị cao, tạo ra vật liệu có cơ lý tính nổi
trội. Chính vì thế SPD được đánh giá là rất có triển vọng trong tương lai, hiện
được giới khoa học quan tâm nghiên cứu.

Hình 5.13. Ảnh TEM mẫu đồng Cu99,9 sau ép 4 lần.

Các số liệu thực nghiệm trong phạm vi biến dạng lớn cũng như thiết bị còn

Hình 5.13 là ảnh chụp kính hiển vi điện tử truyền qua, cho thấy các đường biên

thiếu vì vậy để xây dựng quá trình ứng dụng công nghệ này, cụ thể để áp dụng

hạt khá rõ nét của mẫu Cu99,9 sau khi ép 4 lần. Kích thước hạt đạt khoảng 300

trong điều kiện lý thuyết và thực tế chưa đầy đủ, phải thực hiện một cách bài

nm. Có thể quan sát được mật độ lệch trong hạt đã giảm đáng kể, tuy nhiên vẫn

bản; kết quả nghiên cứu phải phân tích tỷ mỷ trên quan điểm các chỉ tiêu

còn tồn đọng một số vết tối thể hiện các búi lệch tồn đọng có thể là các nếp gấp

chính… của quá trình công nghệ và chất lượng sản phẩm. Thuật toán thuật toán

của mặt biên.

xây dựng quy trình công nghệ gia công áp lực phi truyền thống được tác giả đề

Các ảnh kiểm tra thành phần hóa học trên máy nhiễu xạ tia X được thực hiện
cho thấy mẫu Cu99,9 có nền mịn và đồng nhất còn mẫu Al7075 có nhiều hạt

xuất bao gồm đầy đủ các khối lượng công việc cần thiết, trong đó một phần dựa
vào kết quả của những nghiên cứu trước, một phần phải nghiên cứu kiểm thử để
đáp ứng yêu cầu đặt ra ban đầu.

tiết pha dài phân tán đều.

20

5


1.6. Kết luận chương 1

Cơ cấu tạo lực đối áp đủ duy trì áp suất thủy tĩnh để tiến hành SPD ở trạng thái

SPD là biện pháp hữu hiệu để chế tạo ra vật liệu có cấu trúc UFG và na nô thể

nguội, thay dổi lực đối áp và tính toán xử lý số liệu đo đạc bằng phương pháp

khối. Tuy nhiên, việc đưa SPD vào sản xuất công nghiệp hiện còn hạn chế, cần

bình phương nhỏ nhất, ta có các phương trình sau cho các trường hợp đối áp q

phải hoàn thiện cơ sỏ lý thuyết và thiết bị - quy trình sản xuất. Việc nghiên cứu

= 0; q = 0,5 tấn và q = 1 tấn.

chế tạo vật liệu khối UFG và nano là cần thiết vì có thể đem lại những giá trị
khoa học và kinh tế lớn khi đưa vào sản xuất thương mại.

Pq 1  10,57  11,26.S  1,79.  1,49.S  2,15.S 2  0,016 2
2

Luận án đặt ra nhiệm vụ giải quyết một số vấn đề về lý thuyết sau đó thiết kế
chế tạo hệ thống thiết bị và thực hiện thực nghiệm đối với công nghệ SPD để

Pq  0,5  10,76  6,7.S  1,15.  2,01.S  2,31.S  0,03

2

(5.2)
(5.3)

Pq  0  3,37  7,73.S  5,14.  0,88.S  2,09.S 2  0,007 2 (5.4)

làm rõ khả năng tạo hình theo công nghệ này, trên cơ sở áp dụng các mô hình
toán, mô hình vật lý của quá trình công nghệ tạo hình, quá trình phân hạt cũng
như các mô hình đặc tính lưu biến vật liệu, thu thập và xử lý số liệu hướng tới
ứng dụng thực tế.
Đề tài nghiên cứu SPD thông qua kỹ thuật ECAP để chế tạo vật liệu UFG và
nano là có tính khoa học và phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam.
CHƯƠNG 2

ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT VÀ ÁP LỰC THỦY TĨNH
ĐẾN CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ÉP

2.1. Trạng thái ứng suất và biến dạng của quá trình ECAP
2.1.1. Đặc điểm vùng biến dạng dẻo

Hình 5.1. Sự phụ thuộc của hệ số trạng thái ứng suất
vào ma sát và góc gấp lòng khuôn.
5.2. Kết quả nghiên cứu mẫu sau ECAP
Sản phẩm phôi vuông sau ép trong bộ khuôn ghép và phôi tròn ép trong khuôn

Hình 2.1. Sơ đồ minh họa

liền khối cho thấy chất lượng tạo hình đạt yêu cầu về hình dáng và kích thước,

quá trình ECAP: 1- chày

bề mặt không bị nứt vỡ ở những lần ép đầu. Sau mỗi lần ép, chiều dài phôi có

ép; 2- khuôn ép; 3- phôi

giảm do sự hình thành ba via tại mặt phân khuôn. Phần ba via này có thể hạn

kim loại; 4- kênh ra; 5-

chế được bằng kỹ năng điều chỉnh khe hở mặt phân khuôn.

kênh vào; a) sơ đồ ép; b)
biểu đồ tốc độ và c) phân
tố biến dạng trước và sau
ép.

Kết quả cuối cùng sau 4 lần ép Cu99,9 là tổ chức hạt phân bố đều về kích thước
cũng như về hình dạng. Hình 5.12 cho thấy màu của các hạt là bất kỳ và có sự
khác biệt lớn chứng tỏ hướng tinh thể các hạt liền kề có thay đổi lớn và tổ chức
vi mô đạt được có tính đẳng hướng. Kích thước trung bình của hạt đạt được

Trong trường hợp biến dạng lý tưởng, tenxơ ứng suất trong vùng biến dạng Tσ

khoảng 300-500 nm.

= Ts+Dσ , trong đó Ts- tenxơ cầu và Dσ- tenxơ lệch.
6

19


4.5. Tóm tắt nội dung thực hiện thực nghiệm

2.1.2. Trạng thái biến dạng

 Thiết kế chế tạo khuôn đồ gá và quy trình ép, chế tạo bộ khuôn liền khối hai

Phân tố biến dạng trước và sau

mảnh để ép mẫu tròn. Thiết kế, chế tạo bộ khuôn ghép có cơ cấu tạo đối áp

khi qua đường trượt là abcd và

để ép mẫu vuông và các vật liệu cứng.

a'b'c'd' xác định như trên hình

 Thực nghiệm ép mẫu tròn trong khuôn liền khối và mẫu vuông trong khuôn

vẽ hình 2.1c. Với chiều cao của

ghép có đối áp vật liệu Cu99,9% và Al7075 với lộ trình Bc. Quá trình ép đã

kênh ra là h, ta có biến dạng

được tiến hành từ 4 đến 20 lần.

trượt khi phân tố đi vào đường

 Đã đo đạc các thông số công nghệ và thử cơ tính của mẫu ép cũng như đánh
giá sự phát triển tổ chức vi mô vật liệu khi biến dạng dẻo sau ép.
4.6. Kết luận chương 4
 Hệ thống thiết bị thí nghiệm bao gồm máy ép 60 tấn, bộ khuôn hai nửa ép
phôi tròn D15 và bộ khuôn ghép ép phôi vuông C14x14 có điều chỉnh đối áp
được thiết kế chế tạo phù hợp, đáp ứng được yêu cầu nghiên cứu.

Hình 2.2. Sơ đồ trạng thái ứng suất trong
vùng biến dạng.

trượt:

 

ic

 tan(   )  cot 
h
2

và khi ra khỏi đường trượt phân tố có tổng lượng biến dạng trượt sẽ là

      '  cot   cot 

yêu cầu theo dự kiến. Các thông số đo đạc thô trực tiếp thu được là tin cậy

Tenxơ biến dạng trượt đơn có thể viết như sau:
0
0,5cot   cot   0


T  0,5cot   cot  
0
0

0

0
0
2 N cot 
Với N số lần ép, tổng lượng biến dạng là:  N 
3

và có thể xử lý để phân tích đưa ra những nhận định khoa học về các vấn đề

Công thức (2.1) dùng để tính mức độ biến dạng cho trường hợp lý tưởng khi

công nghệ tạo hình cũng như về sự thay đổi tổ chức và tính chất vật liệu.

không tính đến ma sát, giả thiết VBD chỉ là mặt phẳng.

 Triển khai quy trình công nghệ thực nghiệm ép mẫu đối với hai loại vật liệu
Cu99,9 D15xL70 và Al7075 C14x14xL80 từ 1 đến 8 lần
 Kết quả thử nghiệm cũng như kinh nghiệm vận hành cho thấy các thông số
tính toán và đo kiểm đạt được phù hợp với lý thuyết và mô phỏng, đảm bảo

CHƯƠNG 5

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN

2.2. Ảnh hưởng của ma sát và áp lực thủy tĩnh đến quá trình ép
Khi vùng biến dạng biến thể

5.1. Kết quả nghiên cứu công nghệ thiết bị tạo hình

về mặt trượt OA điều kiện ép

Nghiên cứu lý thuyết cho phép xác định công thức tính áp lực ép là môt hàm

có thể xét trên sơ đồ lực tác

phụ thuộc vào giới hạn chảy (2k), hệ số ma sát (m) và góc gấp khúc của khuôn

dụng của vùng OAD như trên

(α). Sau khi tính toán ta có bảng số, xử lý các số liệu tính toán theo phương

hình 2.3, ta có hệ phương

pháp bình phương nhỏ nhất ta có công thức đơn giản (5.1) và đồ thị ở hình 5.1:
p / 2k  0,47  7,21.m  0,023.  0,051.m  0,20.m2

18

(2.1)

(5.1)

Hình 2.4. Sơ đồ vùng biến dạng và trường tốc
độ khả dĩ trong trường hợp: a) lý tưởng và b)
có ảnh hưởng của ma sát.
7

trình:
 PN sin   K cos  T  0

 PN cos  K sin   PT  0

Điều kiện ma sát có thể lai ghép tức là áp dụng quy luật Amonton-Culong khi
f yy  m  yy
f yy  m yy
và quy luật Zibel khi
. Phương trình thứ nhất của
hệ chính là công thức tính áp lực thủy tĩnh hay ứng suất trung bình trong vùng
   n . Nếu áp dụng bổ sung đối áp p và thay vì góc α là góc ma
biến dạng tb
0
sát  (hình 2.5b) ta sẽ có công thức V.I. Segal:

 tb  k . cot    yx sin  sin    cos  1  p 0

Shumadzu Tp HCM; Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam; công ty Buehler
HongKong...
Hệ thống được lắp đặt thiết bị cảm biến cho phép đo lực ép trong các trường
hợp ép khác nhau về số lần ép và đối áp khác nhau, kết quả thu được thể hiện
trên đồ thị hình 4.19.

(2.4)

2.3. Sự phân bố ứng suất tiếp xúc giữa kim loại và đáy khuôn tại VBD
Áp lực thủy tĩnh là chỉ xuất hiện trực tiếp tại vùng biến dạng dẻo, một mặt giữ
cho kim loại không bị phá hủy dẻo, mặt khác làm thay đổi trạng thái biến dạng
thành trượt đơn.
Ta có được phương trình có dạng
phân ly biến số


K  fpx  dhx

dpx   K 
tg  hx


Hình 4.12. Sự thay đổi của
lực ép Cu99,9, phụ thuộc
vào
hành
trình
trong các điều kiện: a)
không
có
đối
áp;
b) đối áp q = 500 kg; c) đối
áp q = 1.000kg.

Sau khi biến đổi có thể viết lại như
sau:
  1  m  xtg 
 ln
p x  K 1  1 

tg 
H 
 
(2.12) , với 0 < x < H.

Hình 2.5. Sơ đồ ép chảy ngang: a)
tiết diện không đổi; b) tiết diện
thay đổi

Các số liệu được xử lý để thiết lập đường cong quan hệ ứng xuất - biến dạng.

2.4. Tính lực ép và mức độ biến dạng
bằng phương pháp tốc độ gián
đoạn
Công suất ngoại lực, công suất nội lực
hay năng lượng biến dạng được tính
cho phôi: w  p.a.V1 .
Nếu coi ứng suất ma sát trong vùng
biến dạng và trên hai kênh vào ra bằng
   Tyx
nhau yx
, áp lực toàn phần sẽ
được tính theo công thức:
8

Hình 2.7. Sơ đồ xác định áp lực
kim loại lên khuôn

Hình 4.19. Kết quả đo cơ tính của các mẫu đồng Cu99,9 (a) và hợp kim Al7075
(b) trên máy thử kéo, sau các lần ép.
17


cấu tạo đối áp để tăng cường thành phần ứng suất thủy tĩnh. Thân trên của
khuôn ghép có thể được cố định với phần đế khuôn bằng ba phương án chính.

p / 2k  cot    / 2   2mcot   / 2   L / a  1

(2.23)

2.5. Ảnh hưởng của góc gấp khúc và ma sát đến mức độ biến dạng
Mức độ biến dạng trong vùng dẻo cũng được tính căn cứ vào biểu đồ tốc độ,
trong đó tổng lượng biến dạng khi phân tố kim loại đi qua hai đường trượt OB
và OC sẽ như sau:
V
cos  sin tan / 2
 1  2 T1  2
 2 cot  2 tan / 2
VO 1
sin
1

a)
b)
c)
Hình 4.7-8-9. Khuôn ghép: a) 90 độ, b) 90 độ có góc nghiêng và c) 105 độ
4.3. Thiết bị tạo hình vật liệu
Đã thiết kế chế tạo máy ép thủy lực 60 tấn, tốc độ ép tối đa 30 mm/s và hành
trình 600mm, trang bị các thiết bị phụ trợ như lò gia nhiệt, các thiết bị cảm biến
đo lực, đo nhiệt độ, trang bị đồ gá công nghệ, cơ cấu dẫn hướng và bàn đỡ phụ

(2.24a)

Thay thế số lượng các khối cứng tam giác n   /  và khi số khối n tăng lên vô
hạn ta có lim[sin(/2)//2] =1 khi 0, suy ra  2   . Tóm lại, với quan hệ

hình học của góc ma sát      / 2 và tổng biến dạng trượt đơn     1   2
đã tính trên đây thì cường độ biến dạng sau N lần ép sẽ là:
N 
N
2 cot    / 2    
i 

3
3
(2.27)
2.6. Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất đến tính dẻo

trợ tháo lắp khuôn và thay đổi giữa các lần ép thuận tiện.

Sự xuất hiện lỗ xốp và vết nứt vi mô đã được mô tả bằng nhiều mô hình Zener,
Hình 4.4. Tạo
mẫu thử kéo

Stroh hay Cotrel, trên quan điểm lý thuyết lệch, do sự tập trung của lệch đường
tại biên giới hạt. Mô hình Smith giải thích sự gãy của màng biên hạt các pha
cứng. Quá trình chất tải và biến dạng luôn gắn liền với sự phát sinh tạo mầm,
hợp nhất phát triển lớn lên của các lỗ xốp dẫn đến vết nứt vi mô và phá hủy vậy
liệu trong quá trình biến dạng.

Hệ thống được lắp đặt thiết bị cảm biến cho phép đo lực ép trong các trường
hợp ép khác nhau về số lần ép và đối áp khác nhau, kết quả thu được thể hiện

Mô hình phá hủy đối với vật liệu đặc  << 1 và  << 1, bỏ qua các số hạng

4.4. Thiết bị nghiên cứu tổ chức và tính chất vật liệu

bậc cao, với a là thông số hình thái lỗ xốp thì phương trình động học của độ
d

xốp khi biến dạng sẽ là:
(2.30).
   6a 
d i


Dùng máy cắt đĩa (mài, có làm nguội liên tục) và máy cắt dây tia lửa điện tạo

Như vậy, khả năng biến dạng của vật liệu được đánh giá bằng hàm lỗ xốp là

mẫu hình chày để thử kéo và mẫu hình khối kiểm tra cơ tính.

hàm trực tiếp của mức độ biến dạng và phụ thuộc vào áp lực thủy tĩnh. Trong

Các mẫu kim loại đã được ép ECAP tại PTN trường Đại học Bách khoa Tp Hồ

đó mức độ biến dạng làm xuất hiện lỗ xốp còn áp lực thủy tĩnh khống chế sự

Chí Minh, đo khảo sát tổ chức và tính chất được thực hiện tại các cơ sở nghiên

hình thành lớn lên hoặc được hàn lại đối với lỗ xốp.

trên đồ thị hình 4.12.

cứu khoa học: trường ĐHBK Hà Nội; trường ĐHBK Tp HCM; công ty
16

9


2.7. Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất biến dạng đến quá trình làm mịn
hạt trong SPD
Hiệu ứng hóa bền do đường kính hạt nhỏ hơn, đường biên hạt nhiều hơn, mật
độ lệch thay đổi là các nguyên nhân chủ yếu của cơ chế hóa bền biến dạng
nguội. Trong điều kiện biến dạng dưới nhiệt độ kết tinh lại các quá trình này
không thuận nghịch. Khi kích thước hạt giảm, đạt đến một giới hạn nào đấy,
đặc biệt trong phạm vi na nô thì tính chất sử dụng và tính công nghệ của vật
liệu sẽ vượt trội vì hiệu ứng kích thước và diện tích mặt tiếp xúc hạt.
Mô hình quá trình làm mịn hạt của vật liệu đa tinh thể được ứng dụng trong
luận án là hệ các phương trình động học J.E. Beigelzimer:

 C1
dS 
 dN   2  C 2 S 0  S   F S d  C3 ( p)  C 4 Nd
d 




 dN b  C 4 N  C 5 N b d
 dS  C N / S  S d
5 b
0

 d  C 3 N 3 / 2 d c3 v  C 6 d





hành ECAP đối với một số vật liệu mà không cần đối áp. Áp lực thủy tĩnh trong
vùng biến dạng đạt 1.000  1.200 Mpa, tương đương σ0/σi = 2.
3. Phương án khuôn ghép được đề xuất một mặt làm giảm lực ma sát, mặt khác
cho phép tăng kích thước chày đảm bảo tính khả thi công nghệ.
CHƯƠNG 4

THỰC NGHIỆM

4.1. Lựa chọn vật liệu phôi ban đầu
Vật liệu phôi là đồng nguyên chất và hợp kim nhôm Al7075. Cả hai đều có cấu
trúc fcc nhưng Al7075 là loại hợp kim có hoạt tính hóa già và độ bền cao.
4.2. Thiết kế, chế tạo khuôn và đồ gá công nghệ
Khuôn ép phải đảm bảo khuôn ép đủ độ bền cơ học, không bị biến dạng hoặc
nứt vỡ khi ép dưới áp lực cao (~ 60 tấn) ngoài ra khuôn ép phải chịu nhiệt,
không bị biến dạng do sốc nhiệt, không bị biến đổi thành phần, tổ chức.

(2.35)

Trong điều kiện biến dạng cụ thể ta có thể xác định được tốc độ làm mịn hạt
thông qua sự gia tăng của tổng chiều dài các biên hạt trong một đơn vị diện tích
ở kích thước nào đó. Sau khi biến đổi, hai phương trình đầu của hệ trên có
dạng:








dN
 C1  C2C5 N b   C3  C4  N
d
d Nb
 C4 N  C5 N b
d



 dN
 7, 5 N  N b  0, 04

 d

 d N b  2,5 N  10 N
(2.36)
b
 d

Hình 4.4b. Khuôn hai nửa

Hình 4.5. Khuôn ghép

Phương án khuôn hai nửa để ép phôi tiết diện tròn với ứng dụng áp lực thủy

Các nghiệm của hệ phương trình vi phân này, là các hàm của mức độ biến dạng

tĩnh tự phát sinh. Khuôn ghép nhiều mảnh được thiết kế có mục đích hạn chế

tích lũy γ. Từ đó ta tìm được hàm độ xốp và tổng chiều dài đường biên hạt S

lực ma sát ở kênh vào và tăng hệ số an toàn của chày. Khuôn hai khối có mặt

cũng như đại lượng tương đương là đường kính hạt d.

phân khuôn đối xứng, được ghép trong đai khuôn có độ côn để tháo lắp.

2.8. Kết luận chương 2

Khuôn ghép phức hợp, kết hợp cơ cấu đối áp gồm nhiều mảnh, áp dụng cho các

Lực ma sát giữa phôi và kênh ra tạo nên áp lực thủy tĩnh, làm thay đổi hình học

loại phôi vuông, có mục đích phát huy lực ép lớn cho vật liệu khó biến dạng

vùng biến dạng, tăng lực ép, giảm khả năng duy trì BDD mãnh liệt không phá

hơn hoặc phôi có kích thước lớn hơn. Khuôn ghép cho phép ứng dụng thêm cơ

hủy. Ứng suất thủy tĩnh làm tăng lực ép, nhưng cần thiết để duy trì quá trình
10

15


BDD không phá hủy. Đối với mỗi lần ép, giá trị áp lực thủy tĩnh này cần được
xác định theo biểu đồ tính dẻo vật liệu.

Ứng dụng mô hình toán của quá trình phân nhỏ hạt cho thấy trong điều kiện
công nghệ tạo hình nhất định và vật liệu cho trước thì đường kính trung bình
của hạt chỉ đạt tới mức độ tới hạn ổn định. Các công thức tính toán các thông số
áp lực thủy tĩnh, áp lực ép và mức độ biến dạng được xây dựng minh chứng
tính đặc thù công nghệ phục vụ việc thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị khuôn và
đồ gá thử nghiệm.
Hình 3.13. Sự thay đổi của áp lực thủy tĩnh tại các điểm 1, 2, …7
phụ thuộc vào thời gian của quá trình (hành trình)
trong điều kiện ép Ti; v = 2mm/s; m = 0,2; kênh ra cố định.

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH ECAP
3.1. Yêu cầu về mô hình hóa và mô phỏng số quá trình ECAP
Để thuận tiện cho quá trình phân tích dữ liệu cũng như chuyển đổi từ phần mềm

Hình 3.13 thể hiện sự biến đổi giá trị ứng suất trung bình, tức áp lực thủy tĩnh

thiết kế sang phần mềm mô phỏng, hệ tọa độ OXYZ với gốc O tại tâm vùng

tại các điểm “vật chất” P1, P2 …và P7 từ trên xuống. Quan sát quá trình mô

biến dạng, lấy tương ứng hệ tọa độ của phần mềm DEFORM, trong đó trục OZ

phỏng động cùng đồ thị trên cho thấy các phần tử tại tâm phôi trong kênh ra

trùng với tâm lòng khuôn dẫn vào, OX- tâm lòng khuôn dẫn ra, OY-vuông góc

luôn có áp lực thủy tĩnh nén rất lớn (- 1.000 MPa). Khi đi qua vùng biến dạng

với mặt OXZ tạo thành hệ phải. Hệ tọa độ này cũng là hệ tọa độ trục chính và

chúng giảm xuống và hầu như bị triệt tiêu khi ra khỏi vùng biến dạng dẻo. Tại

ứng suất tác dụng theo các hướng trục chính theo thứ tự là σ1, σ2 và σ3, quá

lân cận tâm vùng biến dạng dẻo, gần đường OA, giá trị áp lực thủy tĩnh giảm

trình biến dạng được xét trong mặt đối xứng nên có quá trình chảy phẳng 2 = 0.

xuống khoảng - 600 MPa như đã xác định ở trên.

3.2. Xây dựng mô hình khuôn hai nửa

3.6. Kết luận chương 3
Mô hình khuôn hai nửa có mục đích xác định lực ma sát tác dụng trên toàn bộ
Bằng kỹ thuật cắt khuôn tại các mặt phù hợp, kết quả mô phỏng xác định các

kênh vào và kênh ra cũng như lực biến dạng tại VBD dẻo. Bằng cách xác định

lực ma sát tác dụng riêng biệt lên từng thành phần khuôn trong đó có lực biến

ứng suất tiếp xúc trên bề mặt ta cũng có thể tính lực ma sát.

dạng là hàm phụ thuộc vào hành trình ép. Hệ số ma sát theo quy luật Zibel lấy
m = 0,2 là phù hợp với điều kiện ép nguội có bôi trơn. Lực ma sát lớn nhất ở
kênh vào và ra xác định tương ứng là 12,4 tấn và 8,8 tấn. Lực biến dạng kim
loại 18,5 tấn.
Áp lực ép trong ECAP phụ thuộc trực tiếp vào giới hạn bền cắt của vật liệu,
điều kiện ma sát, áp lực thủy tĩnh và tăng lên nếu có đối áp. Áp lực thủy tĩnh
của ECAP trong điều kiện không có đối áp đạt tới giá trị cao nên có thể tiến

Hình 3.2. Mô hình khuôn nhằm xác định lực ma sát và ứng
suất thủy tĩnh khi ép cho phôi tròn (a) và phôi vuông (b).

14

11


3.3. Xây dựng mô hình khuôn ghép

3.5. Một số kết quả mô phỏng số và bàn luận

Khuôn ghép có mục đích tăng kích thước của chày, giảm lực ma sát ở kênh vào

Hình 3.7 Sự phụ thuộc vào

để tăng khả năng ép và có thể đặt áp lực thủy tĩnh. Khuôn ghép cũng có mục

hành trình ép của các lực tác

đích dễ tháo sau khi ép.

dụng lên khuôn ghép hai
khối: 1- lực của chày; 2- lực
ma sát kênh vào; 3- lực biến
dạng của phôi Ti.
.

Hình 3.12. Lực tác dụng lên
các thành phần của khuôn

Hình 3.5. Kết cấu khuôn ghép: a- các miếng ghép; b- sơ đồ lắp ráp.

ghép: 1- chày; 2- tấm đáy; 3,

Mô hình khuôn ghép được xây dựng từ nhiều mảnh ghép theo các phương án

4 - tấm trượt đứng trái, phải;

khác nhau, có mục đích xác định lực ép từ phía phôi lên từng phần của khuôn,

5, 6- tấm cố định trước, sau

xem xét độ bền của mảnh ghép sao cho có thể chuyển đổi từ ma sát giữa phôi

(ép nguội Ti và điều kiện ma

và khuôn thành ma sát giữa các phần ghép của khuôn.

sát Amontons - Coulomb f=

3.4. Xây dựng mô hình PTHH, vật liệu và điều kiện biên

0,1).

Mô hình hình học và tính chất vật liệu phôi được áp dụng đối với kim loại là

Hiệu ứng áp lực nén thủy tĩnh cao làm cho loại hình công nghệ này trở nên nổi

đồng, nhôm hợp kim Al7075 và titan sạch. Lòng khuôn có tiết diện vuông cạnh

bật và được quan tâm nhiều vì khả năng giữ không làm kim loại bị phá hủy

c = 14 mm với chiều cao h = 120 mm, phôi được làm với dung sai 0,1 mm,

trong quá trình biến dạng dẻo, tuy nhiên nó cũng làm cho lực ép của chày tăng

3

thực tế kích thước của phôi 13.9 x 13.9 x 120 mm .
Mô hình PTHH và các điều kiện biên được chọn theo hệ đo lường SI, mức độ

lên. Áp lực thủy tĩnh tạo nên có nguyên nhân chủ yếu là lực ma sát (Px) tại
vùng ra (hình 3.7).

chính xác cao với số lượng phần tử ban đầu 30.000, sau khi thiết lập tự động số

Hình 3.12 thể hiện lực tác dụng lên chày bằng tổng của lực biến dạng tác dụng

phần tử thực tế có được là 29.037 và số nút mạng là 6.771.

lên thanh ngang (tấm đáy) và lực tác dụng lên hai tấm cố định. Thành phần lực

Các thông số quá trình ép gồm có nhiệt độ 200C, hành trình của chày 106 mm,

tác dụng lên 2 tấm trượt đứng không được cộng vào lực tác dụng lên chày vì

tốc độ chày 2 mm/s theo hướng (-z), bước tiến của chày 1,325 mm, tổng số
lượng các bước tính là 800 và cứ sau 10 bước thì ghi lại các thông số vào tệp dữ
liệu để phục vụ cho các bước phân tích tiếp theo, hậu xử lý.

12

khi xây dựng mô hình điều kiên biên hai tấm trượt đứng chuyển động cùng tốc
độ với chày (di chuyển cùng chày). Khi tính toán độ bền của chày cần xét thêm
tác động thành phần lực ma sát giữa hai tấm trượt đứng với khuôn

13