Cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của vật liệu nanocomposites cốt hạt al203 phân tán trong nền cu siêu mịn, chế tạo bằng phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.96 MB, 107 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN QUANG TUẤN
CẤU TRÚC VI MƠ VÀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU
NANOCOMPOSITES CỐT HẠT AL2O3 PHÂN TÁN TRONG NỀN
CU SIÊU MỊN, CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN DẠNG DẺO
MÃNH LIỆT
Chuyên ngành : KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU KIM
LOẠI
LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC VÀ CÔNG
NGHỆ VẬT LIỆU KIM LOẠI
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN ĐẶNG THỦY
Hà Nội- Năm 2011
-1-
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu luận văn khoa học của tôi. Các kết
quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa được cơng bố ở
bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào
Tác giả
KS. Nguyễn Quang Tuấn
-2-
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa……………………………………………………………………01
Lời cam đoan………………………………………………………………… ...02
Mục lục………………………………………………………………………….03
Danh mục các bảng…….………………………………………………………..06
Danh mục các hình vẽ….………………………………………………………..06
Phần mở đầu……………….…………………………………………………….11
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu ………………………………...………………………………..13
1.2 . Sự phát triển của kỹ thuật ép trong kênh gấp khúc tiết diện không
đổi ECAP …………………………….……………………………………..…...17
1.2.1. ECAP thơng thường với những mấu dạng trịn hoặc vng………..17
1.2.2. Ứng dụng ECAP cho những mẫu dạng tấm….………………....……20
1.2.3. Các kết cấu ECAP hồn thiện khác: phương pháp khn xoay,
phương pháp ép bên và phương pháp sử dụng khn có nhiều kênh…
….22
1.2.4. Sự phát triển của ECAP với các kênh song song…………………….24
1.2.5. Quy trình ECAP liên tục…………………………………………….…..28
1.2.6. ECAP áp dụng cho vật liệu bột...........................................................32
1.2.7. Kết cấu ECAP tự lựa nhằm hạn chế ma sát........................................32
1.3.Những thông số cơ bản của CAP…………………………………………34
1.3.1. Lượng biến dạng áp đặt……………….…………….……………………34
1.3.2. Các lộ trình ép trong ECAP................................................................38
1.3.4. Mơ hình về q trình trượt trong ECAP..............................................41
-3-
1.4. Các thông số thực nghiệm ảnh hưởng đến quá trình ECAP……………42
1.4.1. Ảnh hưởng của góc kênh, f ...........................................................42
1.4.2. Ảnh hưởng của góc lượn, Ψ ...........................................................45
1.4.3. Ảnh hưởng của tốc độ ép.................................................................49
1.4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ ép
.........................................................50
1.4.5. Vai trò của nhiệt tự sinh trong quá trình ép....................................52
1.4.6. Ảnh hưởng của áp lực ngược....................................................................54
1.5. kết luận chương 1 …………………………………………………………57
CHƯƠNG 2: MƠ PHỎNG SỐ Q TRÌNH BIẾN DẠNG
2.1.Tính tốn mơ phỏng số cho vật liệu Cu đặc ……………………………59
2.1.1. Xây dựng mô hình hình học…………....….………………………..…..60
2.1.2. Xây dựng mơ hình vật liệu.…………..….………………………...……21
2.1.3. Các điều kiện biên của bài tốn………………………..………………62
2.2. Kết quả mơ phỏng cho vật liệu Cu đặc…………………………………64
2.2.1. Hình dạng phơi sau mỗi lần ép……………..…………………………64.
2.2.2. Trường phân bố ứng suất sau mỗi lần ép ……………………………65
2.2.3. Ứng suất chính lớn nhất ………………………………………………66
2.2.4. Phân bố biến dạng…………………………………….…………………68
2.2.5. Phân bố tốc độ biến dạng ……………………..………………………70
2.2.6. Phá hủy bên trong phơi………………………….………………………71
2.2.7. Phá hủy ngồi bề mặt……………………………………………………71
2.2.8. Định hướng chuyển động của các phần tử ……………………..……72
2.3. Xây dựng tính chất đặc trưng cho vật liệu Cu xốp……………………73
2.3.1. Quan hệ giữa Modun Young và hệ số Possion…….…………………74
2.3.2. Modun Young …………………………………...…………………..……75
2.4. Kết quả mô phỏng cho vật liệu Cu xốp…………………………………80
2.4.1. Trường phân bố ứng suất ……………..….….……………….……80
2.4.2. Phân bố biến dạng……………………….…………………………81
-4-
2.4.3. Phân bố tốc độ biến dạng ……...……………………….……………82
2.4.4. Phá hủy ……………….……………………………………………………82
2.4.5. Phân bố tỷ trọng………..…………………..……………………….83
2.5. Kết luận chương 2 ………………………………………………………….85
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM
3.1. Quy trình thực nghiệm khi ép mẫu nanocomposites Cu – AL 2 O 3 khi
R
R
R
R
ép nguội có vỏ bao …………………………………………………….86
ơ
3.1.1. Vật liệu, khn mẫu và các thiết bị sử dụng trong thực nghiệm
………………..………33
3.2.2. Quy trình thực nghiệm ép nguội nanocomposites Cu - Al 2 O 3
R
R
R
R
bằng phương pháp ECAP……………………………………………89
3.2.3. Kết quả và phân tích …………………..………………………91
3.2. Quy trình thực nghiệm khi ép mẫu nanocomposites Cu – AL 2 O 3 khi
R
R
R
R
Ép nóng khơng có vỏ bao……………………………………93
3.1.1. Vật liệu, khuôn mẫu và các thiết bị sử dụng trong thực nghiệm
………………………93
3.2.2. Quy trình thực nghiệm ép nóng mẫu nanocomposite Cu - Al 2 O 3
R
R
R
R
Khơng có vỏ bao bằng phương pháp ECAP……………………94
3.2.3. Kết quả và phân tích ………………...…………………………95
3.3. Quy trình thực nghiệm khi ép nóng mẫu nanocomposites Cu – AL 2 O 3
có vỏ bao………………………………………………………………97
R
R
R
R
3.1.1. Vật liệu, khuôn mẫu và các thiết bị sử dụng trong thực nghiệm
………………………99
3.2.2. Quy trình thực nghiệm ép nóng mẫu nanocomposite Cu - Al 2 O 3
bằng phương pháp ECAP……………………………………………99
3.2.3. Kết quả và phân tích ……………………………………………………...99
R
-5-
R
R
R
CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
4.1. Kết luận…………………………………………………………………..105
4.2. Kiến nghị…………………………………………………………………106
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………..…….…………..…..…....107
-6-
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Phạm vi góc trượt sử dụng trong các lộ trình khác nhau
Bảng 2.1. Các thơng số cơng nghệ trong q trình mơ phỏng ép ECAP
Bảng 3.1: Độ xốp của mẫu trước và sau khi ép nóng 01 lần
Bảng 3.2 So sánh độ cứng của mẫu nano composite Cu – 2% Al 2 O 3 sau ép ECAP
R
R
R
R
với đồng đặc và đồng xốp
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mơ hình minh họa ECAP điển hình: các mặt X, Y và Z theo thứ tự tương
ứng là các mặt phẳng cắt ngang, mặt phẳng chảy và mặt phẳng giãn dài.
Hình 1.2. Nguyên lý cắt trong ECAP: các phân tố 1 và 2 chuyển vị được nhờ sự
trượt tương đối với nhau.
Hình 1.3. Áp dụng ECAP cho mẫu dạng tấm: (a) mẫu đứng và (b) mẫu nằm ngang
Hình 1.4. ECAP đối với mẫu tấm nằm theo chiều ngang, sử dụng lộ trình B Cz
R
Hình 1.5. Quy trình ECAP sử dụng kết cấu khuôn xoay: (a) trạng thái ban đầu, (b)
sau một lần ép, (c) sau khi xoay khuôn một góc 900
P
Hình 1.6. Mơ hình quy trình ECAP ép nhiều phía
Hình 1.7. Biểu đồ mơ tả khả năng ép một lần trong nhiều rãnh hình: các con số thể
hiện vị trí nghiên cứu mẫu tương ứng sau lần ép 1,2, 3, 4 và 5
Hình 1.8. Nguyên lý ECAP với các kênh song song: (a) biểu đồ minh họa quá trình
biến dạng với N là hướng trượt và K là khoảng cách dịch chuyển giữa 2 kênh, (b)
hình ảnh vùng biến dạng nhận được từ kết quả mô phỏng hai chiều 2-D FEM, (c)
kết cấu khuôn song song với Φ = 1000 và K = 18 mm.
P
P
Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý ECAP liên tục: (a) quy trình DCAP, (b) quy trình
Conshearing
Hình 1.10. Sơ đồ minh họa một quy trình ECAP-Conform
Hình 1.11. Chi tiết Al được gia cơng bằng quy trình ECAP-Conform: dấu mũi tên
chỉ vị trí chuyển trạng thái sang tiết diện hình vng
Hình 1.12. Sơ đồ ngun lý ECAP cố kết bột hợp kim Al: bột được nèn vào túi bọc
abcd.
-7-
Hình 1.13. Kết cấu ECAP với thành khn di chuyển được: (a) thành khuôn di
chuyển theo lối vào, (b) thành khn di chuyển theo lối ra.
Hình 1.14. Ngun lý ép trong ECAP: (a) ψ = 0 , (b) ψ= π − φ , (c) một giá trị bất
kỳ của ψ mà nằm giữa ψ = 0 và ψ= π − φ .
Hình 1.15. Sự phụ thuộc của biến dạng tương đương vào góc kênh Φ và góc lượn Ψ
sau một lần ép với Φ = 45-1800 và Ψ = 0-900
P
P
P
Hình 1.16. Cách thức quay phơi của bốn lộ trình ép trong ECAP
Hình 1.17. Hệ thống mặt trượt trong các lộ trình ép với góc kênh 900 và 1200: các số
P
P
P
P
hiệu 1, 2, 3 và 4 tương ứng với lần ép thứ nhất, thứ 2, thứ 3 và thứ 4.
Hình 1.18. Sự thay đổi hình dạng của phần tử hình hộp theo các mặt X, Y và Z, sử
dụng lộ trình A, B A , B C và C khi ép qua 1-8 lần.
R
R
R
R
Hình 1.19. Mơ hình trượt trên các mặt X, Y, Z trong lộ trình A, B A , B C và C khi ép
R
R
R
R
qua lần 1, 2, 3 và 4.
Hình 1.20. Biểu đồ mơ tả khn ECAP sử dụng các góc kênh khác nhau
Hình 1.21. Ảnh cấu trúc tế vi và SAED nhận được từ các khuôn như trong hình 1.20
khi mỗi mẫu được ép để đạt lượng biến dạng áp đặt ~4.
Hình1.22. Sơ đồ mơ tả khn ECAP có góc kênh Φ = 600
P
Hình 1.23. Đường đánh dấu trên bản đồ thể hiện các giá trị độ cứng tế vi đo trên
mặt X của mẫu Al sau 4 lần ép trong khn ECAP có Φ = 900, Ψ = 200 (a) và Ψ=00
P
P
P
P
P
P
(b), sử dụng lộ trình B C .
R
R
Hình 1.24. Kết cấu khn ECAP thể hiện các giá trị bằng nhau của bán kính lượn
ngồi và trong tại chỗ giao nhau của hai kênh.
Hình 1.25. Sự phụ thuộc của ứng suất chảy vào tốc độ ép sau ECAP thông qua 1, 2,
3 và 4 lần ép tại nhiệt độ phòng với tốc độ biến dạng 10-1 s-1.
P
P
P
P
Hình 1.26. Kích thước hạt sau ECAP của Al, hợp kim Al-3%Mg và Al-%3Mg0,2%Sc phụ thuộc vào nhiệt độ gia công.
-8-
Hình 1.27. vùng nhiệt trong lúc ép qua mặt phẳng cắt của ECAP tại nhiệt độ phòng
với tốc độ ép là 18 mm s-1 cho hai mẫu giống hệt nhau: (a)-Al sạch và (b)-hợp kim
P
P
Al-3Mg.
Hình 1.28. Các giá trị thực nghiệm cho độ tăng nhiệt độ trong Al và hợp kim Al như
một hàm của giới hạn bền, sử dụng tốc độ ép 0,18 và 18 mm s-1: đường nét liền và
P
P
nét đứt là đường dự báo lý thuyết, sử dụng để phân tích sự truyền nhiệt tập trung
Hình 1.29. Nguyên lý sử dụng áp lực ngược trong ECAP: (a)- P 1 là lực ép và P 2 là
R
R
R
R
áp lực ngược, (b)-sử dụng mơi trường dẻo nhớt tại kênh ra.
Hình 2.1. Kích thước phơi ép
Hình 2.2. Hình dạng khn ép ECAP (a)Kích thước khn ép thiết kế; (b) Hình
dạng thực khn ép
Hình2.3: Đồ thị ứng suất biến dạng của mơ hình Cu lựa chọn từ Deform
Hình2.4: Hình dạng phơi sau mỗi lần ép
Hình2.5: Phân bố ứng suất trong mỗi lần ép
Hình2.6: Đồ thị ứng suất lớn nhất sau các lần ép
Hình 2.7: Hình ảnh ứng suất chính trên các vùng khác nhau trong 4 lần ép
Hình 2.8: Đồ thị phân bố ứng suất chính lớn lần ép thứ nhất.
Hình 2.9: Phân bố biến dạng của phơi qua từng lần ép
Hình 2.10: Thay đổi mức độ biến dạng sau các lần ép
Hình 2.11: phân bố tốc độ biến dạng
Hình 2.12: Phân bố phá huỷ bên trong lịng phơi
Hình 2.13: Đặc điểm phân bố phá huỷ bên ngồi bề mặt
Hình 2.14: Định hướng chuyển động của các phần tử vật liệu Cu
Hình2.3.1: Đường cong ứng suất biến dạng của Cu xốp với độ xốp tương ứng
Hình 2.3.2: Sự thay đổi mơ đun đàn hồi phụ thuộc tỷ trọng
Hình 2.3.3: Hàm số mơ tả giá trị tiêu chuẩn Poisson phụ thuộc tỷ trọngHình 2.3.4:
Nhập tỷ trọng tương đối ban đầu
Hình 2.3.5: Phân bố tỷ trọng tương đối ban đầu của Cu xốp trên phần mềm Deform
Hình 2.4.1: Phân bố ứng suất trong vật liệu đồng xốp
-9-
Hình 2.4.2: Phân bố ứng suất chính lớn nhất
Hình.2.4.3: Phân bố biến dạng trong q trình gia cơng
Hình 2.4.4: Phân bố tốc độ biến dạng trong lịng phơi xốp
Hình2.4.5: Phân bố phá hủy trong và ngồi bền mặt phơi
Hình 2.4.6: Phân bố tỷ trọng tương đối của vật liệu Cu xốp
Hình3.1: Máy ép thủy lực
Hình3.2: Lị nung Linn
Hình3.3: Khn và chày ép sơ bộ
Hình3.4: Khn ép qua kênh gấp khúc
Hình3.5: Cân tỷ trọng
Hình 3.6. Quy trình thực nghiệm khi ép mẫu nano composite Cu – 5% Al 2 O 3 khi ép
nguội có vỏ bao
Hình 3.7. Mẫu nano composite Cu – 5% Al 2 O 3 khi ép nguội 01 lần có vỏ bao
Hình 3.8. Mẫu nano composite Cu – 5% Al 2 O 3 khi ép nguội 02 lần có vỏ bao
Hình 3.9. Mẫu nano composite Cu – 5% Al 2 O 3 khi ép nguội 03 lần có vỏ bao
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
Hình 3.10. Mẫu nano composite Cu – 5% Al 2O 3 khi ép nguội 04 lần có vỏ bao
Hình 3.11. Ảnh chụp mẫu nano composite Cu – 5% Al 2 O 3 khi ép nguội 04 lần có
vỏ bao
Hình 3.12. Quy trình thực nghiệm khi ép mẫu nano composite Cu – 5% Al 2 O 3 khi
ép nguội có vỏ bao
Hình 3.13. Mẫu nano composite Cu – 5% Al 2O 3 khi ép nguội sơ bộ
Hình 3.14. Mẫu nano composite Cu – 5% Al 2O 3 khi ép nóng khơng vỏ bao
Hình 3.15. Bộ điều khiển nhiệt khn ép ECAP
Hình 3.16. Khn ép ECAP sử dụng thanh nhiệt trở
Hình 3.17. Máy ép ép ECAP sử dụng thanh nhiệt trở ép nóng
Hình 3.18. Quy trình thực nghiệm khi ép mẫu nano composite Cu – 2% Al 2 O 3 khi
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
ép nóng có vỏ bao
Hình 3.19. Hình dạng mẫu khi ép liên tục mẫu nano composite Cu – 2% Al 2 O 3 khi
ép nóng có vỏ bao
Hình 3.20. Hình dạng mẫu 01 khi ép liên tục mẫu nano composite Cu – 2%
Al 2 O 3 khi ép nóng có vỏ bao
R
R
R
R
R
-10-
R
R
R
Hình 3.21. Hình dạng mẫu 02 khi ép liên tục mẫu nano composite Cu – 2% Al 2 O 3
R
R
R
khi ép nóng có vỏ bao
Hình 3.22. Hình dạng mẫu 03 khi ép liên tục mẫu nano composite Cu – 2% Al 2 O 3
R
R
R
R
R
khi ép nóng có vỏ bao
Hình 3.23. Ảnh chụp mẫu 02 trước khi ép liên tục mẫu nano composite Cu – 2%
Al 2 O 3 khi ép nóng có vỏ bao
R
R
R
R
Hình 3.24. Ảnh chụp mẫu 02 sau khi ép liên tục mẫu nano composite Cu – 2%
Al 2 O 3 khi ép nóng có vỏ bao
R
R
R
R
Hình 3.25. Vị trí các điểm đo độ cứng
Hình 3.26. Mẫu thử kéo sau khi ép nóng ECAP
-11-
PHẦN MỞ ĐẦU
Trong thời gian gần đây nhiều loại vật liệu mới ra đời có các tính năng kỹ
thuật vượt 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 được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành cơng nghiệp. Mặc dù có
lịch sử phát triển lâu đời nhưng ngày nay loại vật liệu kim loại và hợp kim vẫn đang
được tiếp tục nghiên cứu và 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 nâng cao cơ
lý tính đáp ứng các yêu cầu áp dụng trong thực tế. Các phương pháp chế tạo các loại
vật liệu này đang được biết đến là các phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD –
Severe Plastic Deformation) trong đó phương pháp ép chảy trong kênh gấp khúc có
tiết diện không đổi - ECAP (Equal Channel Angular Pressing) là một trong những
phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt đã chứng minh rằng, quá trình biến dạng dẻo
ở trạng thái nguội hay nóng có thể đạt được 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 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.
Đối với hệ vật liệu nanocomposites cốt hạt Al2 O 3 nền Cu là hệ vật liệu mới
chế tạo bằng phương pháp này. Chức năng của Al 2 O 3 là hóa bền phân tán trên nền
Cu mà ở đó nano Al 2 O 3 cản trở sự chuyển động của lệch cũng như hạn chế sự phát
triển của hạt ở nhiệt độ cao với một hàm lượng Al2O3 rất nhỏ mà vẫn giữ được các
tính chất ưu điểm của Cu.
Mục tiêu của cơng trình là kết hợp các phương pháp SPD bao gồm phương
pháp nghiền trộn cơ học (MA) và ECAP hứa hẹn cho một hệ vật liệu tích hợp được
các ưu điểm ứng dụng ở nhiệt độ cao.
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
Với những tiềm năng to lớn của vật liệu tổ hợp nền kim loại. Tác giả đã lựa
chọn đề tài “Cấu trúc vi mơ và tính chất cơ học của vật liệu nanocomposites cốt
hạt Al 2 O 3 phân tán trong nền Cu siêu mịn, chế tạo bằng phương pháp biến dạng
dẻo mãnh liệt” để nghiên cứu. Đây là đề tài mang tính ứng dụng cao trong thực tế
hiện nay và khá mới mẻ trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu mới. Việc nghiên cứu đề
tài này, mở ra triển vọng lớn trong nghiên cứu các loại vật liệu compozit trên cơ sở
nền Cu nói chung và vật liệu compozit Cu-Al 2 O 3 nói riêng, có khả năng ứng dụng
R
R
R
R
R
-12-
R
R
R
thực tế trong các lĩnh vực như vật liệu điện cực, vật liệu chịu mài mòn, vật liệu
dụng cụ cắt…
Bản luận văn được trình bày thành 4 chương. Chương 1, trình bày tổng quan
về sự phát triển của kỹ thuật ép qua kênh gấp khúc, những thông số ảnh hưởng và
các thơng số thực nghiệm ảnh hưởng đến q trình ECAP. Sau khi trình bày những
vấn đề về cơ sở lý thuyết trong chương 2 đề cập đến quá trình mô phỏng số đối với
2 loại vật liệu Cu đặc và Cu xốp để làm cơ sở tiền đề nghiên cứu kỹ thuật thực
nghiệm chế tạo vật liệu nanocomposite cốt hạt Al 2 O 3 phân tán trong nền Cu siêu
mịn, từ đó tìm ra được cấu trúc vi mơ và tính chất cơ học của chúng. Chương 3 đề
cập đến quá trình thực nghiệm và các kết quả thu được từ thực nghiệm được tiến
R
R
R
R
hành tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Chương 4 đưa ra các kết luận tổng thể
đối với đề tài luận văn và một số kiến nghị cho hướng đi tiếp theo của công trình
nghiên cứu.
Tác giả xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Đặng Thủy, người đã tận
tình hướng dẫn, gợi ý và cho những lời khuyên hết sức bổ ích trong việc nghiên cứu
và hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Trường Cao đẳng Cơ khí - Luyện kim, Thái
Nguyên, Viện Đào tạo Sau đại học, Khoa Khoa học và Công nghệ vật liệu, Bộ mơn
Cơ học vật liệu và Cán kim loại, phịng thí nghiệm Công nghệ vật liệu Kim loại,
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành
bản luận văn này.
Xin chân thành ghi nhớ những chân tình, sự giúp đỡ của TS Đinh Văn Hải
cùng nhóm nghiên cứu thuộc Khoa Khoa học và Công nghệ vật liệu, Trường Đại
học Bách khoa Hà Nội.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 09 năm 2011
Tác giả
Nguyễn Quang Tuấn
-13-
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ÉP TRONG KÊNH GẤP
KHÚC TIẾT DIỆN KHƠNG ĐỔI
1.1. Giới Thiệu
Mặc dù đặc tính cơ - lý của vật liệu đa tinh thể được xác định bởi nhiều yếu
tố nhưng trong đó kích cỡ hạt đặc biệt là rất quan trọng và thường có vai trò trội
hơn. Bởi vậy, độ bền của vật liệu đa tinh thể được liên hệ với kích cỡ hạt d thơng
qua phương trình Hall-Petch ở đó trạng thái ứng suất chảy s
s y =so +kd
Ở đây
-
1
2
y
được xác định bởi
(1.1)
s o: ứng suất ma sát, mô tả sự cản trở của mạng tinh thể đối với sự
R
R
chuyển động của lệch
k: hằng số dẻo, thể hiện vai trò của biên hạt tới sự hóa bền biến dạng
Từ phương trình (1.1) thấy rằng, độ bền vật liệu sẽ tăng lên khi có sự giảm
của kích cỡ hạt và điều này dẫn tới một sự quan tâm lớn trong việc sản xuất các vật
liệu với cỡ hạt nhỏ nhất có thể.
Kích cỡ hạt của hợp kim thường được điều chỉnh trong quá trình sản xuất
bằng các quy trình xử lý cơ-nhiệt đã được định trước, ở đó chúng phụ thuộc vào các
chế độ đặc biệt của nhiệt và sau đó được kiểm tra cơ tính rất chặt chẽ. Tuy nhiên,
q trình sản xuất đó khơng thể dùng để sản xuất những vật liệu có kích thước hạt
cỡ siêu mịn, bởi vì bằng cách đó khuynh hướng cỡ hạt nhỏ nhất có thể đạt được
khơng thể nhỏ hơn vài micromet (µm). Vì vậy các nghiên cứu đã hướng tới phát
triển một kỹ thuật mới có tính khác biệt mà có thể sử dụng để sản xuất vật liệu siêu
mịn với cỡ hạt trong khoảng (100-1000 nm) và nano (nhỏ hơn 100 nm).
-14-
Dựa trên các thuộc tính của vật liệu đa tinh thể, vật liệu siêu mịn thể khối
(UFG) có thể định nghĩa như các đa tinh thể có cỡ hạt rất nhỏ (nhỏ hơn 1 µm), có tổ
chức tế vi khá đẳng trục và đồng đều với đại bộ phận biên hạt có sự định hướng góc
lớn. Trong thực tế, sự có mặt của biên giới góc lớn với tỷ lệ cao là điều quan trọng
để vật liệu này đạt được những đặc tính nổi bật, độc đáo mà duy nhất ở vật liệu đó
mới có được.
Có hai cách tiếp cận cơ bản đã được phát triển trong việc tổng hợp các vật
liệu siêu mịn UFG được biết đến như là: ’’bottom-up’’ và ’’top-down’’
Trong phương thức ’’bottom-up’’, vật liệu UFG được sản xuất bằng cách tập
hợp các nguyên tử riêng biệt hoặc hợp nhất các hạt nano thể rắn lại với nhau. Các
kỹ thuật đó gồm có ngưng tụ chân khơng, mạ điện, nghiền bi và cùng với sự cố kết
sau đó, nghiền ở nhiệt độ thấp kết hợp với ép nóng đẳng tĩnh (ở đây thực chất là
nghiền cơ học trong môi trường nitơ lỏng). Trong thực tế, các kỹ thuật này thường
được giới hạn cho việc sản xuất những mẫu khá nhỏ mà có thể áp dụng trong một
số lĩnh vực như thiết bị điện nhưng nhìn chung khơng thích hợp sử dụng cho kết cấu
lớn. Hơn nữa, những sản phẩm tạo ra từ kỹ thuật này bao giờ cũng chứa nhiều lỗ
xốp và thường lẫn tạp chất trong quá trình sản xuất. Những nghiên cứu gần đây đã
chỉ ra rằng các vật liệu thể khối lớn, về cơ bản là ở trạng thái xít chặt, có thể được
tạo ra nhờ kết hợp giữa nghiền lạnh và ép nóng đẳng tĩnh cùng với ép đùn tiếp đó.
Tuy nhiên sự vận hành của phương thức kết hợp này là đắt và hiện tại nó khơng dễ
thích nghi trong việc sản xuất và tận dụng những hợp kim kết cấu cho các ứng dụng
công nghiệp ở mức độ lớn.
Cách tiếp cận ’’top-down’’ thì khác, bởi vì nó phụ thuộc vào việc sử dụng
khối kim loại đặc với cỡ hạt tương đối thô, cách thức gia công vật thể để tạo ra cấu
trúc UFG thông qua biến dạng mãnh liệt hoặc tải trọng va đập. Phương pháp này
khắc phục kích thước sản phẩm nhỏ và tránh được sự lẫn tạp chất, là thuộc tính cố
hữu của các vật liệu được sản xuất bằng phương thức ’’bottom-up’’; bên cạnh đó nó
có thêm lợi thế là có thể áp dụng trong phạm vi rộng cho các hợp kim.
-15-
Điều nhận thấy trước hết của việc sản xuất những vi cấu trúc UFG sử dụng
phương pháp ’’top-down’’ xuất hiện trong những bài báo khoa học vào những năm
90 được tiến hành cho các kim loại và hợp kim nguyên chất. Điều quan trọng nhận
được từ những ấn phẩm đó là chứng minh khả năng sử dụng sự biến dạng mãnh liệt
để sản xuất vật liệu thể khối mà có cấu trúc vi mô khá đồng đều và đẳng trục với cỡ
hạt siêu hiển vi và chủ yếu là biên giới hạt góc lớn.
Để chuyển vật rắn hạt thơ thành vật liệu với cỡ hạt siêu mịn thì cần phải áp
đặt một biến dạng cực lớn nhằm tăng mật độ lệch và để những lệch đó sau này sắp
xếp lại, hình thành những dải các biên giới hạt. Trong thực tế, các phương pháp gia
công kim loại thông thường như là cán hoặc ép vẫn bị hạn chế trong việc tạo ra các
cấu trúc UFG bởi vì hai lý do chính. Thứ nhất, có một sự giới hạn ở biến dạng tổng
mà có thể áp đặt sử dụng trong quá trình sản xuất đó, bởi quy trình kỹ thuật có kết
hợp chặt chẽ với sự biến đổi tương ứng của tiết diện chi tiết khi gia công (cùng với
sự thay đổi của tiết diện chi tiết gia cơng thì quy trình kỹ thuật và cơng nghệ cũng
cần thay đổi theo). Thứ hai, biến dạng áp đặt vào trong quá trình gia công thông
thường không đủ để tạo ra cấu trúc UFG, bởi vì khả năng gia cơng nói chung của
các hợp kim tại nhiệt độ môi trường và nhiệt độ thấp là kém. Để khắc phục những
hạn chế của phương pháp gia công truyền thống người ta đã tiến hành phát triển một
kỹ thuật thay thế mới mà điểm cơ bản của nó là dựa vào sự biến dạng mãnh liệt, ở
đây biến dạng cực lớn được tiến hành ở nhiệt độ tương đối thấp mà không làm thay
đổi tiết diện của chi tiết được gia công.
Phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) được định nghĩa là quá trình tạo
hình kim loại với một mức độ biến dạng cực lớn áp đặt lên vật rắn dạng khối và dẫn
đến những thay đổi đặc biệt quan trọng trong toàn bộ thể tích vật thể mà có thể làm
nhỏ mịn hạt trong q trình gia cơng.
Ngun tắc cơ bản tối thiểu ở đây là sử dụng biến dạng lớn trong quá trình
gia cơng kim loại nhằm mục đích sản xuất ra những kim loại và hợp kim có đặc tính
tốt hơn. Q trình này đã có một lịch sử rất lâu dài mà có thể truy nguyên thấy từ
-16-
các sản phẩm nghệ thuật làm bằng kim loại của người Trung Quốc cổ, các sản phẩm
thép cứng chất lượng cao Đamat để làm lưỡi kiếm ở Trung Đông và thép Wootz
huyền thoại của người Ấn Độ cổ đại. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của khoa
học công nghệ, kỹ thuật SPD thực sự mới được bắt đầu vào khoảng 50 năm trước
tại Mĩ, ở đó Bridman đã tiến hành với hành loạt các thí nghiệm gia cơng biến dạng
dẻo. Trong các thí nghiệm này, kim loại được áp đặt một sự biến dạng cực lớn dưới
áp lực cao nhằm cố gắng cải thiện cơ tính của vật liệu mà có tính dẻo kém. Ở đây
mẫu ở dạng đĩa được tiến hành ép dưới những áp lực cao khác nhau và kết hợp
đồng thời với biến dạng xoắn, một phương pháp luận mà bây giờ được xem như là
SPD kinh điển. Mặc dù, Britdman đã chứng tỏ khả năng biến dạng có thể đạt được
dưới áp lực cao (áp lực tác dụng lớn nhất là 0,2 Gpa) và tạo ra những vật liệu có
những đặc tính khác thường, nhưng những ngun lý cơ bản của quy trình SPD vẫn
ít nhận được sự chú ý về mặt lý thuyết hoặc nếu có cũng chỉ là một vài cố gắng để
sử dụng kỹ thuật mới này áp dụng vào trong sản xuất cơng nghiệp.
Từ những tiền đề đó, nhiều quy trình kỹ thuật SPD đã được đề xuất, phát
triển và đánh giá. Những kỹ thuật này gồm: ép trong kênh gấp khúc tiết diện không
đổi (ECAP), biến dạng xoắn dưới áp lực cao (HPT), rèn đa chiều (MDF), ép xoắn,
nén-ép theo chu trình, ép tịnh tiến qua lại, nắn thẳng-gấp nếp nhiều lần (CSP), ép
cưỡng bức theo rãnh dẫn hướng (CGP), nén trong hình trụ (CCP), q trình cán
dính tuần tự (ARB), quy trình khuấy ma sát (FSP) và quá trình khuấy trộn ma sát
toàn phần (SFSP). Toàn bộ những quá trình sản xuất này đều có khả năng biến
dạng dẻo lớn và làm nhỏ mịn cấu trúc vi mô tốt trong vật rắn tinh thể dạng khối.
Một số kỹ thuật như ECAP, HPT, MDF và ARB thực sự là những phương pháp tốt
để sản xuất vật liệu UFG, ở đây tuỳ thuộc vào cấu trúc tinh thể, quy trình hình thành
cấu trúc vi mơ có cỡ hạt điển hình nằm trong khoảng 70-500 nm.
Trong những phương pháp khác nhau kể trên, ECAP tỏ ra là một quy trình
kỹ thuật có sự thu hút đặc biệt vì một vài nguyên nhân sau. Trước hết, nó có thể áp
dụng đối với những phơi khá lớn, vì vậy mà có khả năng sản xuất những vật liệu kết
cấu. Thứ hai, đây là quá trình sản xuất tương đối đơn giản, do đó mà dễ dàng thực
-17-
hiện với nhiều hợp kim và chỉ gặp khó khăn trong việc thiết kế kết cấu khn, quy
trình ECAP sử dụng thiết bị mà rất sẵn có trong các phịng thí nhiệm. Thứ ba,
ECAP có thể được phát triển và áp dụng tới những vật liệu với cấu trúc tinh thể
khác nhau và với nhiều dải vật liệu từ hợp kim biến cứng phân tán tới kim loại trung
gian và composite. Thứ tư, độ đồng đều tương đối có thể đạt được thông qua hầu
hết các phôi được ép trước đó miễn là q trình ép được duy trì liên tục với độ biến
dạng đủ lớn. Thứ năm, quy trình có thể tiến hành với số lượng q trình ép phơi có
kích thước tương đối lớn, điều này tạo khả năng phát triển ECAP theo hướng
thương mại. Đạt được những đặc tính nổi bật khác nhau đó đã dẫn đến nhiều nghiên
cứu thực nghiệm và sự phát triển mới cho quy trình ECAP trong hơn mười năm qua.
1.2. Sự phát triển của kỹ thuật ép trong kênh gấp khúc tiết diện khơng đổi
ECAP
Q trình ECAP được giới thiệu đầu tiên bởi Segal và các cộng sự của ông
vào năm 1970, 1980 tại viện Minsk của Liên Xô trước kia. Mục tiêu cơ bản ở thời
điểm đó là phát triển quy trình tạo hình kim loại, ở đây biến dạng lớn được hình
thành trong phơi kim loại nhờ biến dạng cắt thuần thúy. Mặc dù mục tiêu đặt ra đã
đạt được thành công nhưng sự phát triển ban đầu của hoạt động ép trong kênh gấp
khúc tiết diện không đổi cũng chỉ nhận được giới hạn trong lĩnh vực nghiên cứu.
Tình trạng này đã được thay đổi vào những năm 1990 khi mà các bản báo cáo tóm
tắt bắt đầu xuất hiện trong các văn kiện khoa học, khả năng sử dụng ECAP để sản
xuất kim loại siêu hiển vi và siêu mịn với những đặc tính mới và nổi bật. Những bản
báo cáo đó ban đầu gây được sự chú ý rất mạnh, quy trình ECAP được thúc đẩy
nhanh chóng trong nghiên cứu khoa học và rồi cuối cùng được áp dụng vào trong
sản xuất công nghiệp.
1.2.1. ECAP thông thường với những mấu dạng trịn hoặc vng
Đã có một số bài báo mơ tả quy trình kim loại chảy trong ECAP và trong
thực tế, nguyên lý cơ bản của ECAP được mơ tả dưới dạng biểu đồ như hình 2.1. Ở
đó kết cấu khn thể hiện rãnh kênh bên trong rẽ ngang đột ngột một góc Φ bằng
-18-
900 và có thêm một góc Ψ bằng 00, thể hiện độ cong của cung góc lượn tại chỗ giao
P
P
P
P
nhau của các kênh. Mẫu ở dạng trịn hoặc vng được chế tạo vừa vặn phù hợp với
rãnh kênh, sau đó được ép qua khuôn bằng chày. Trạng thái tự nhiên của biến dạng
áp đặt lên là cắt thuần thúy, xuất hiện ngay khi mẫu được ép qua khuôn, giống như
sơ đồ ở hình 1.2: để đơn giản, góc khn được chọn là 900, mặt phẳng cắt lý thuyết
P
P
nằm giữa hai phân tố 1 và 2 gần kề nhau bên trong phơi, các phân tố này chuyển vị
được bởi q trình trượt tương đối với nhau giống như phần dưới của biểu đồ. Mặc
dù biến dạng mãnh liệt xảy ra ngay khi phơi được ép qua mặt phẳng cắt nhưng hình
dạng mẫu hiện ra cuối cùng từ khuôn vẫn không bị thay đổi kích thước mặt cắt
ngang. Sự minh họa quá trình ép mẫu được thể hiện như ở hình 1.1, trong đó ba mặt
phẳng trực giao riêng biệt cũng được thể hiện tương tự, ở đây mặt phẳng X nằm
vuông góc với hướng chảy, mặt phẳng Y hay mặt phẳng chảy nằm song song với
phía mặt tại điểm thốt của khuôn và mặt Z (mặt phẳng giãn dài) nằm song song với
bề mặt trên tại điểm thốt của khn. Trong q trình gia cơng bằng kỹ thuật ECAP,
mặc dù bị biến dạng mãnh liệt nhưng tiết diện phôi vẫn được duy trì giống như ban
đầu. Đây là đặc điểm quan trọng của quá trình SPD và cũng là điểm khác biệt để
phân biệt với các phương pháp gia công kim loại thông thường giống như cán, ép
chảy và kéo.
Chày ép
Mẫu
Mẫu sau khi
Kh
Hình 1.1. Mơ hình minh họa ECAP điển hình: các mặt X, Y và Z theo thứ tự tương
ứng là các mặt phẳng cắt ngang, mặt phẳng chảy và mặt phẳng giãn dài.
-19-
Mẫu
Khn
Hình 1.2. Ngun lý cắt trong ECAP: các phân tố 1 và 2 chuyển vị được nhờ sự
trượt tương đối với nhau.
Từ việc duy trì được diện tích mặt cắt ngang trong quá trình biến dạng, mẫu
với hình dạng như vậy sẽ được ép đi ép lại nhiều lần và cuối cùng tạo ra được một
lượng biến dạng tổng rất lớn. Bằng việc xoay phôi theo những cách khác nhau giữa
các lần ép, quá trình biến dạng lặp lại nhiều lần đã cung cấp cơ hội để tạo ra các hệ
thống trượt khác nhau sau mỗi lần ép kế tiếp. Trong thực tế, nhiều nghiên cứu về
ECAP được bắt nguồn từ việc sử dụng phơi dạng thanh có tiết diện vng và các
khn có rãnh kênh hình vng. Việc sử dụng những phơi đó rất thuận tiện cho việc
xoay một góc 900 quanh trục của nó giữa các lần ép liền kề nhau và hình thành nên
P
P
những lộ trình ép riêng biệt. Những lộ trình như vậy cũng dễ dàng được áp dụng
cho những mẫu thanh có tiết diện dạng hình trịn. Điều này sẽ được thảo luận chi
tiết ở mục 1.3.2, bốn lộ trình chủ yếu đã được sử dụng trong ECAP: lộ trình A mẫu
được ép đi ép lại nhiều lần mà khơng xoay, lộ trình B A mẫu được xoay luôn phiên
R
R
900 theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ giữa những lần ép liền
P
P
nhau, lộ trình B C mẫu được xoay 900 theo chiều kim đồng hồ giữa mỗi lần ép và lộ
R
R
P
P
trình C mẫu xoay 1800 sau mỗi lần ép giữa các lỗ hình.
P
P
-20-
1.2.2. Ứng dụng ECAP cho những mẫu dạng tấm
Cho một số ứng dụng cơng nghiệp, thí dụ như việc sử dụng những vật liệu
siêu mịn được sản xuất bởi ECAP trong quá trình hoạt động định hình trạng thái
siêu dẻo thì điều cần thiết là mẫu trước khi ép phải ở dạng dải mỏng. Yêu cầu này
đã thúc đẩy một sự quan tâm trong việc có thể áp dụng ECAP cho những phôi dạng
tấm, ở đây vật liệu trước khi ép có thể dễ dàng được chuẩn bị cho sự sử dụng trong
khả năng tạo hình kim loại thơng thường.
Khi ép các mẫu phôi tấm, cần thừa nhận trước hết rằng có hai hình thái q trình ép
riêng biệt. Các hình thái đó được mơ tả như trong hình 1.3, ở đây mẫu tấm được
định hướng theo phương thẳng đứng (a) và theo phương ngang (b): trục X, Y và Z
biểu thị tương ứng như trong hình 1.3 được qui ước tương tự như đã giới thiệu trong
hình 2.1.
Hình 1.3. Áp dụng ECAP cho mẫu dạng tấm: (a) mẫu đứng và (b) mẫu nằm ngang.
Phân tích kỹ hình 1.3 thấy rằng, khơng giống như mẫu thanh dạng trịn hoặc
vng, số lần mẫu tấm có thể xoay giữa các lần ép là bị hạn chế. Bởi vậy, xét về
hình dạng ở trạng thái đứng, mẫu có thể xoay được vài cách khác nhau. Cách đầu
tiên đó là xoay 1800 quanh trục X cũng giống như lộ trình C và được gọi là lộ trình
P
P
C x , ở đây C biểu thị cho sự xoay 1800 và chỉ số x phía dưới thể hiện cho quá trình
R
R
P
P
xoay quanh trục X. Cách thứ 2, xoay 1800 quanh trục Z theo lộ trình C z. Trong thực
P
P
-21-
R
R
tế, xem xét mơ hình sự cắt của hai lộ trình đó thấy rằng chúng giống hệt lộ trình C
thơng thường mà áp dụng cho thanh dạng trịn và vng. Tuy nhiên, có thêm hai
khả năng mà khơng thể áp dụng cho thanh dạng trịn và vng đó là lộ trình B AY và
R
R
B CY ở đây mẫu được xoay 900 quanh trục Y sau mỗi lần ép theo chiều khác nhau
R
R
P
P
hoặc theo chiều tương tự. Lộ trình B AY và B CY khơng dễ thực hiện trong tình hình
R
R
R
R
thực tế, bởi vì tấm bị biến dạng cắt trở thành hình bình hành tại lần ép đầu tiên và
tồn bộ các lần ép sau vì vậy gia cơng cơ khí phải được đảm bảo khơi phục lại hình
dạng tiết diện sau mỗi lần ép.
Sự định hướng theo phương ngang như hình 1.3b là thực tế hơn cả và đã
được sử dụng trong hầu hết các thí nghiệm thời gian gần đây. Sự định hướng này
cung cấp một vài lộ trình có khả năng bao gồm 1800 quanh trục X trong lộ trình C x
P
P
R
R
(tương ứng lộ trình C áp dụng cho thanh trịn và vng) và 1800 quanh trục Y trong
P
P
lộ trình C y (tương ứng với lộ trình A). Cũng có thêm hai lộ trình mà khơng thể thực
R
R
hiện được đối với phơi trịn hoặc sử dụng định hướng phơi tấm nằm thẳng đứng
giống như hình 1.3a. Những lộ trình mới đó địi hỏi phải xoay phơi 900 quanh trục Z
P
P
(cách thức B Az hoặc B Cz ), ở đây có sự xoay chuyển hướng 900 sau mỗi lần ép theo
R
R
R
R
P
P
một chiều hoặc theo chiều ngược lại. Những thí nghiệm cụ thể đối với Nhôm sạch
kỹ thuật theo lộ trình B Cz cho kết quả cơ tính rất tốt chỉ sau 4 lần ép qua khuôn.
R
R
Nguyên lý cơ bản của q trình này được mơ tả như trong hình 1.4.
Kh
Mẫu sau
Mẫu
Hình 1.4. ECAP đối với mẫu tấm nằm theo chiều ngang, sử dụng lộ trình B Cz
R
-22-
1.2.3. Các kết cấu ECAP hoàn thiện khác: phương pháp khuôn xoay, phương
pháp ép bên và phương pháp sử dụng khn có nhiều kênh
Có một sự hạn chế quan trọng đối với phương pháp ECAP thông thường,
mẫu sau khi lấy ra từ khuôn, được xoay hoặc không xoay rồi mới lại đưa vào rãnh
khuôn chuẩn bị cho lần ép kế tiếp với số lượng lớn nhằm đạt được tổ chức mong
muốn. Sự vận hành đó địi hỏi nhiều thao tác và tốn nhiều thời gian, vì vậy một vài
phương pháp sản xuất phát triển sau này đã ra đời và đã loại bỏ được những hạn chế
đó.
Một phương pháp đơn giản mà hiệu quả trong việc hạn chế được những khó
khăn trong việc hiệu chỉnh, di chuyển mẫu cho các lần ép kế tiếp đó là sử dụng
khn xoay ECAP như hình 1.5. Kết cấu khn bao gồm hai rãnh kênh tiết diện
ngang như nhau, giao nhau một góc 900 tại tâm của khuôn. Ba chày ép chiều dài
P
P
như nhau được chèn vào kênh ngang và phần dưới của kênh dọc giống như hình
1.5a. Mẫu ép được đưa vào từ phía trên theo kênh đứng, tựa vào chày dưới và chày
trên đưa vào ép mẫu nhờ một Pittơng. Q trình ép lần thứ nhất thể hiện như trong
hình 1.5b và khn sau đó được xoay một góc 900 vì thế mà mẫu có thể được ép lại
P
P
lần nữa theo sơ đồ hình 5c. Quan sát kỹ quy trình sản xuất này thấy rằng nó tương
tự như lộ trình A mà ở đó vật ép khơng có sự xoay cho lần ép tiếp theo. Tuy nhiên,
lợi thế quan trọng của phương pháp này là sự vận hành hết sức đơn giản. Ví dụ: có
thể sử dụng khn xoay ECAP rất hiệu quả cho 32 lần ép liên tục. Tuy vậy, sự bất
lợi của q trình gia cơng như ở hình 5 đó là do tỷ lệ của mẫu nhỏ, kết hợp với sự
cắt theo một chiều ở bên trong mẫu trong quá trình biến dạng vì vậy mà ảnh hưởng
cuối cùng có thể dẫn tới sự khơng đồng đều về tổ chức.
. Mẫu được đặt vào vị trí như trong hình 1.6 và được ép bởi chày A chịu tác
động áp bên bởi chày B đưa vào. Các đặc trưng quá trình ép lặp lại có thể được thực
hiện giống như khn xoay ECAP và tương đương như lộ trình A. Quy trình sản
xuất này đã sử dụng có hiệu quả cho quá trình ép lên tới 10 lần.Phương pháp lựa
chọn kế tiếp mà không yêu cầu khả năng ép phức tạp đó là sử dụng khn có nhiều
-23-
rãnh kênh (hình 1.7): ở đây khn có một kênh nhưng với năm lần bẻ góc 900. Phân
P
P
tích kỹ quy trình ép này thấy rằng nó tương tự lộ trình C nhưng lại dễ dàng cho
phép so sánh các đặc tính cấu trúc bên trong mẫu giữa các lần ép khác nhau. Ví dụ,
các vị trí số 1, 2, 3, 4 và 5 trong hình 1.7 tương tự với sự ép qua lần 1, 2, 3, 4 và 5
của ECAP. Thực nghiệm đã chứng tỏ khả năng sử dụng nhiều rãnh hình với kết cấu
khn 2 mảnh, rất thuận lợi trong việc tách rời khn để phân tích mẫu sau các lần
ép. Bên cạnh đó, sự phát triển cấu trúc vi mơ và độ cứng tế vi tại rãnh hình tương
ứng của khuôn đa kênh là giống hệt so với khi ép khuôn ECAP thông thường mà
chứa mặt phẳng cắt đơn.
Chiều
Mẫu
khn
Vách
Chày
Mâm
Hình 1.5. Quy trình ECAP sử dụng kết cấu khn xoay: (a) trạng thái ban đầu, (b)
sau một lần ép, (c) sau khi xoay khn một góc 900
P
-24-
Tốc độ
không đổi
Chày ép
Mẫu ép
Cố định
Áp lực bên
không đổi
Miếng đệm
Cố định
Hình 1.6. Mơ hình quy trình ECAP ép nhiều phía
Chày
Kh
Mẫu ép
Hình 1.7. Biểu đồ mơ tả khả năng ép một lần trong nhiều rãnh hình: các
con số thể hiện vị trí nghiên cứu mẫu tương ứng sau lần ép 1,2, 3, 4 và 5
-25-
