Nghiên cứu nâng cao độ bền hợp kim nhôm 6016 bằng phương pháp biến dạng dẻo (ecap)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------o0o----------

NGUYỄN VIỆT HÀ

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ BỀN HP KIM
NHÔM 6016 BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN DẠNG
DẺO ECAP
CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 6 NĂM 2008

0


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1:

................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2:
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................

Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . tháng . . . naêm 2008

1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp. HCM, ngày
Họ tên học viên:

Nguyễn Việt Hà

I.

năm 2008

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 3 – 2 – 1979
Chuyên ngành:

tháng

Nơi sinh: Thái Nguyên

Cơ khí chế tạo máy

MSHV: 00405056

TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu nâng cao độ bền hợp kim nhôm 6016 bằng phương pháp ECAP
II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
-

Nghiên cứu cơ sở vật lý của các quá trình biến dạng vật liệu kim loại

-

Phân tích các phương pháp chế tạo vật liệu có độ bền cao bằng biến dạng
dẻo và lựa chọn phương pháp ép ECAP.

-

Xây dựng mô hình, lập trình mô phỏng tính toán khuôn ép và mô phỏng quá
trình ép ECAP nâng cao độ bền cho hợp kim nhôm 6016.

-

Thực nghiệm và đánh giá kết quả

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Lưu Phương Minh
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua
Ngày
tháng
năm 2008
TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH

TRƯỞNG KHOA QL NGAØNH

2


LỜI CẢM ƠN
Xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến TS. Lưu Phương Minh
người Thầy đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho
tôi trong suốt thời gian làm luận văn vừa qua, Thầy đã dành nhiều
thời gian q báu của mình giúp tôi lựa chọn phương pháp nghiên
cứu đề tài, phát hiện những sai sót, những quan niệm chưa thực sự
đúng với thực tế.
Để hoàn thành luận văn này tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến các
cộng tác viên là Kỹ sư Phạm Minh Thuận và Kỹ sư Trần Quang
Trung đã đóng góp nhiều thời gian và công sức cùng tôi tiến hành
các thí nghiệm và thực hiện đề tài .
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm tạ sâu sắc đến tất cả các thầy cô
trong Khoa Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh,
những người đã tận t dạy dỗ, truyền đạt cho tôi rất nhiều những
kiến thức quý báu về khoa học cơ bản và chuyên ngành trong suốt
thời gian học tại trường.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 6 năm 2008
Học viên thực hiện
Nguyễn Việt Hà

3


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Những vật liệu có cỡ hạt nhỏ hơn 1 µm đã nhận được nhiều sự quan tâm
trong những năm qua, chúng được gọi là vật liệu siêu mịn UFG (Ultra fine grain).
Phương pháp biến dạng dẻo trượt tách (severe plastic deformation) ứng dụng

nguyên lý như công nghệ cắt vật liệu, nhưng vật liệu ở đây không bị cắt rời ra mà
các mạng phân tử bị trượt lên nhau dưới tác dụng của các lực ép, lực xoắn làm phá
vỡ cấu trúc hạt ban đầu để hình thành một tổ chức hạt mới có kích thước hạt bé
hơn ban đầu. Một số phương pháp biến dạng dẻo để tạo ra vật liệu UFG đã được
các nước tiên tiến trên thế giới nghiên cứu và phát triển như: Ép qua kênh góc có
tiết diện không đổi ECAP (equal-channel angular pressing); Ép với lực xoắn cao
HPT (high-pressure torsion); Nén ép theo chu kỳ CEC (cyclic-extrusioncompression); Uốn theo chu kỳ liên tục CCB (continuous cyclic bending); Rèn theo
đa hướng MF (Multiaxial Forging); Công nghệ cán gấp thẳng RCS (repetitive
corrugation and straightening); Ép qua rãnh cưỡng bức CGP (constrained groove
pressing)…. Nổi bật trong các phương pháp trên là phương pháp Ép qua kênh góc
có tiết diện không đổi ECAP với các ưu điểm : Thiết bị chế tạo đơn giản, tạo ra
sản phẩm có kích thước phong phú, ECAP có thể phát triển và ứng dụng cho vật
liệu có cấu trúc tinh thể khác nhau từ kim loại màu có độ cứng thấp cho đến các
hợp kim có độ cứng cao, ưu điểm quan trọng nhất ở phương pháp này là chất lượng
đồng đều sau khi ép được đảm bảo trong toàn sản phẩm.
Nội dung nghiên cứu trong luận văn này là nghiên cứu sự thay đổi tổ chức
tế vi và cơ tính vật liệu hợp kim nhôm 6016 bằng phương pháp biến dạng dẻo trượt
tách (severe plastic deformation) để nâng cao độ bền của hợp kim này trước khi
qua giai đoạn tạo hình, gia công cắt gọt tạo sản phẩm.
Các công cụ thực hiện nghiên cứu:
- Xây dựng mô hình thiết kế : AutoCAD .
- Xây dựng mô hình và mô phỏng thí nghiệm : Ansys .
- Phương pháp kiểm tra cơ lý tính .
- Phương pháp kim tương quan sát hạt tinh thể .

4


ABSTRACT
In recent years, bulk nanostructured materials which are called by ultra fine

grain material, have attracted in the world. The severe plastic deformation
methods use a principle of the material cutting but material is not apart from each
other also slip in microstructure under application of a high pressure or high tosion,
that is imposed on grains of material to produce a new material with small grains
and superior property.
Many different severe plastic deformation methods have been proposed,
developed by high tech national in the world such as: equal-channel angular
pressing (ECAP); high-pressure torsion (HPT); cyclic-extrusion-compression
(CEC); continuous cyclic bending (CCB); Multiaxial Forging (MF); repetitive
corrugation and straightening (RCS); constrained groove pressing (CGP)….Of these
various procedures, equal channel angular pressing is an especially attractive
processing technique for several reasons. It is simple procedure that is easily
performed on a wide range of alloys, it can be applied to fairly large billets so that
there is the potential for producing material that may be used in a wide range of
structural application, ECAP may be developed and applied to materials with
different cryctal structures and to many material ranging from precipitationhardened alloy to intermetallics and metal –matrix composites. The advance of the
ECAP that to procedure equal grain in all billet without changing the dimensions of
the sample.
The content of this thesis is a search and investigate the microstructure of
aluminium alloy 6016 produced by ECAP and the relationships between the
mechanical properties of commoly used metallic materials and deformation routes.

5


MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... .4
TÓM TẮT LUẬN VĂN ..................................................................................... .5
Chương I. Tổng quan ........................................................................................ .9

1.1 Đặt vấn đề ................................................................................................... .9
1.2 Các nguyên lý tạo ra vật liệu nano ............................................................. 10
1.2.1 Nguyên lý tạo hạt nano “bottom-up” .............................................. 10
1.2.2 Nguyên lý tạo hạt nano “top-down”................................................ 11
1.3 Cơ sở lý thuyết của phương pháp biến dạng dẻo trượt tách........................ 12
1.3.1 Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại ................................................... 12
1.3.2 Trượt và cơ chế biến dạng của trượt ................................................ 13
1.3.3 Song tinh và cơ chế biến dạng của song tinh .................................. 16
1.3.4 Khuyếch tán và cơ chế của khuyếch tán......................................... 19
1.4 Phân tích quá trình biến dạng dẻo trong quá trình cắt kim loại .................. 20
1.5 Phân tích một số phương pháp biến dạng dẻo và lựa chonï nghiên cứu ...... 23
1.5.1 Phương pháp ép với lực xoắn cao HPT ........................................... 23
1.5.2 Phương pháp nén ép theo chu kỳ CEC............................................ 24
1.5.3 Phương pháp rèn đa hướng MF ....................................................... 25
1.5.4 Phương pháp gấp liên tục và ép thẳng RCS.................................... 27
1.5.5 Phương pháp ép qua kênh góc có tiết diện không đổi ECAP ......... 28
1.6 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu ................................................................ 30
1.6.1 Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................... 30
1.6.2 Phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 32
Chương II. Phương pháp ép qua kênh góc có tiết diện không đổi ECAP
(equal channel angular pressing)..................................................................... 33
2.1 Nguyên lý ép qua kênh góc có tiết diện không đổi ECAP ......................... 33
6


2.2 Phân tích các yếu tố quyết định trong phương pháp ép ECAP ................... 34
2.2.1 Mức độ biến dạng dẻo khi ép bằng phương pháp ECAP ................. 35
2.2.2 Các qui trình xoay mẫu khi tiến hành ép ECAP .............................. 37
2.2.3 Ảnh hưởng của các hệ trượt hình thành từ quá trình xoay mẫu ....... 37
2.3 Các thơng số ảnh hưởng ñến chất lượng hạt trong phương pháp ECAP......... 40

2.3.1 Ảnh hưởng của góc khn ép ............................................................ 40
2.3.2 Ảnh hưởng của góc cong ψ................................................................ 41
2.3.3 Ảnh hưởng của tốc độ ép ................................................................... 43
2.3.4 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ép ................................................................ 44
2.3.5 Ảnh hưởng khi có sự tăng nhiệt cục bộ trong quá trình ép ................. 45
2.3.6 Ảnh hưởng của lực ép ngược ............................................................. 46
2.4 Những đặc trưng của kim loại khi ép bằng ECAP ...................................... 47
2.4.1 Đặc tính vi mô sau khi ép ECAP...................................................... 47
2.4.2 Sự phát triển của các cấu trúc hạt siêu mịn đơn tinh thể ................. 49
2.4.3 Sự phát triển của cấu trúc siêu mịn đa tinh thể ................................ 51
2.5 Cơ tính của vật liệu sau khi ép ECAP ......................................................... 52
2.5.1 Tính dẻo của vật liệu sau quá trình ép ECAP ..................................... 52
2.5.2 Độ cứng vật liệu sau quá trình ép ECAP ......................................... 53
2.6 Kết luận ....................................................................................................... 54
Chương III. Ứng dụng phương pháp ép ECAP để nâng cao độ bền hợp
kim nhôm 6016 ............................................................................................... 56
3.1 Giới thiệu chung về nhôm và hợp kim nhôm .............................................. 56
3.1.1 Cơ lý tính chung của nhôm ............................................................... 56
3.1.2 Tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm .......................................... 57
3.1.3 Định hướng tinh thể học biến dạng và độ lệch sau biến dạng......... 59
3.2 Tính toán thông số ép ECAP cho hợp kim nhôm 6016 ............................... 59
3.2.1 Chọn thông số khuôn ép ECAP........................................................ 59
3.2.2 Tính toán lực tác động lên thành khuôn ........................................... 61
7


3.2.3 Phân tích lựa chọn nhiệt độ ép ......................................................... 62
3.3 Ứng dụng Ansys mô phỏng tính ứng suất khuôn và quá trình ép ECAP .... 63
3.3.1 Giới thiệu phần mềm Ansys ............................................................. 63
3.3.2 Ứng dụng Ansys mô phỏng tính ứng suất khuôn ép ECAP ............. 64

3.3.3 Ứng dụng Ansys mô phỏng quá trình ép ECAP............................... 70
3.4 Kết luận .............................................................................................. ........ 74
Chương IV. Thực nghiệm và đánh giá kết quả .............................................. 75
4.1 Thực hiện Các thiết kế khuôn ECAP đã có trên thế giới ................. ........ 75
4.2 Thực hiện chế tạo khuôn ép ECAP ............................................................. 78
4.3 Chế tạomẫu, chày ép và tiến hành thực nghiệm ........................................ 79
4.3.1 Chế tạo mẫu, chày ép....................................................................... 79
4.3.2 Tiến hành thực nghiệm ép ECAP .................................................... 80
4.4 Chế tạo bộ khuôn cải tiến và tiến hành thực nghiệm ................................ 82
4.4.1 Thiết kế mới bộ khuôn có áo hình trụ tròn ...................................... 82
4.4.2 Tính toán khả năng chịu lực của áo khuôn ...................................... 84
4.4.3 Thực nghiệm và kết quả ép ECAP................................................... 84
4.5 Đánh giá kết quả thực nghiệm .................................................................... 86
4.5.1 Phân tích độ cứng ............................................................................. 86
4.5.2 Kiểm tra độ bền kéo ......................................................................... 88
4.5.3 Phân tích sự thay đổi trong tổ chức sau quá trình ép ECAP............. 88
4.6 Kết luận và hướng phát triển của đề tài ..................................................... 91
4.6.1 Kết luận ............................................................................................ 91
4.6.2 Hướng phát triển đề tài .................................................................... 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 93
PHỤ LỤC ......................................................................................................... 95

8


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN

1.1 . Đặt vấn đề
Cùng với sự phát triển không ngừng của nghành công nghệ thông tin,
công nghệ vật liệu mới, công nghệ sinh học, thì sự ra đời công nghệ nano
được xem là một bước ngoặt lớn về sự phát triển của khoa học kỹ thuật mà
trong đó vật liệu nano (nano materials) chính là đối tượng nghiên cứu của
khoa học và công nghệ nano, nó là một trong những lónh vực nghiên cứu
mạnh mẽ nhất trong thời gian gần đây.
Vật liệu nano là vật liệu được xây dựng bằng vô số các hạt tinh thể có
kích thước tính bằng nanomet (từ hàng chục đến hàng trăm nano). Tại các quy
mô đó, tính chất cơ lý tính của vật liệu cao hơn hẳn so với các quy mô lớn
hơn, điều này được Hall-Petch [7] chứng minh bằng công thức biểu diễn mối
quan hệä của độ bền vật liệu và kích thước hạt:

σ y = σ0 + ky
Với: - σ y : ứng suất bền của vật liệu
- kY: hệ số đàn hồi của vật liệu

1
d

(1.1)

- σ 0 : ứng suất ma sát
- d : đường kính của hạt vật liệu

Từ công thức (1.1) ta thấy ứng suất bền của vật liệu sẽ tăng khi kích
thước hạt càng nhỏ. Các loại vật liệu được sử dụng trong các ứng dụng đặc
biệt được chế tạo bằng các phương pháp tạo phôi tiên tiến (ví dụ đúc bằng
phương pháp bán lỏng, phương pháp nổ hạt…), nhưng chưa có phương pháp
đúc nào tạo ra vật liệu có kích thước xuống dưới micrômét. Do đó một kỹ

thuật mới được nghiên cứu để giảm kích cỡ hạt xuống dưới micrômét đạt cỡ
hạt nanomét còn gọi là nguyên lý tạo hạt UFG (ultrafine-grained materials),
đây cũng chính là nội dung mà luận văn này đề cập đến.

HVTH: NGUYỄN VIỆT HÀ

9


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

1.2 . Các phương pháp tạo ra vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu có độ hạt siêu nhỏ mịn (đường kính hạt nằm
trong khoảng 10nm đến 1000nm) có phân tử liên kết thành một chuỗi ổn định,
có vùng biên tạo nhiều góc cạnh không định hướng. Hiện nay trên thế giới
đang có 2 nguyên lý chế tạo vật liệu nano là “bottom-up” và “top-down”
1.2.1 Nguyên lý tạo hạt nano “bottom-up”
Nguyên lý “bottom-up” là nguyên lý tạo ra vật liệu bằng cách liên kết
lắp ghép nhiều phân tử vật liệu có cỡ hạt nanomét lại với nhau. Ví dụ cho các
phương pháp này là phương pháp hoá đặc khí (inert gas condensation), kết tủa
bằng điện (electrodeposition) hay phương pháp nghiền bi kết hợp kết tinh (ball
milling with subsequent consolidation)

Hình 1.1. Phương pháp hoá đặc khí (inert gas condensation) theo [15]

HVTH: NGUYỄN VIỆT HÀ

10

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Các cách tạo ra vật liệu này phải được thực hiện trong môi trường đặc
biệt như tạo áp lực cao, môi trường nitơ lỏng hay trong chân không. Ví dụ như
phương pháp hoá đặc khí (Hình 1.1) tạo ra vật liệu nano hợp kim W-Ga-In.
Qui trình tiến hành giống như ta đun một ấm nước trong một ngày lạnh
trời, các phân tử nước bay hơi sẽ đọng lại trên thành bình tạo thành những giọt
nước cất, bị tác động bởi môi trường lạnh bên ngoài làm cho hơi nước này rơi
xuống. Theo phương pháp này thì W, Ga và In được tác động bởi nguồn nhiệt
rất cao từ nguồn lazer hay chùm tia điện tử làm chúng bốc hơi trong thiết bị có
chứa khí trơ Ar, He, do bị mất nhiệt nhanh chóng nhờ thanh làm lạnh (cold
finger) là một ống hình trụ được làm lạnh bằng nitơ lỏng. Nên các nguyên tử
bị tách ra từ vật liệu ban đầu có kích thước nanomet sẽ tích tụ vào nhau trên
thanh làm lạnh sau đó rơi xuống cụm thiết bị nén (compaction unit) tạo nên
vật liệu có cỡ hạt nanomet. Đó là một phương pháp tiêu biểu cho nguyên lý
“bottom-up” Trong thực tế kỹ thuật này rất đắt tiền vì thiết bị rất phức tạp đòi
hỏi chính xác cao nên chỉ áp dụng cho những vật thể có kích thùc nhỏ, ứng
dụng trong các lónh vực điện tử tạo ra các chip mạch tích hợp cao, nơiù đòi hỏi
vật liệu có độ bền ổn định.
1.2.2 Nguyên lý tạo hạt nano “top-down”
Nguyên lý tạo hạt nano “top down“ là phương pháp biến vật liệu có
cấu trúc hạt thô trở nên nhỏ mịn. Ở một phương diện nào đó muốn chuyển đổi
cấu trúc hạt thô xuống cấu trúc nanomét đòi hỏi có nhiều lực căng lớn tác
động liên tục làm phá vỡ cấu trúc hạt ban đầu thành từng dải một. Và đó là
những lý do mà kỹ thuật biến dạng vật liệu cứng theo cách biến dạng dẻo
được đặc biệt nghiên cứu.
Phương pháp biến dạng dẻo trượt tách (severe plastic deformation) ứng
dụng nguyên lý như công nghệ cắt vật liệu nhưng vật liệu ở đây không bị cắt
rời ra mà các mạng tinh thể bị trượt lên nhau dưới tác dụng của các lực ép, lực
xoắn làm phá vỡ cấu trúc hạt ban đầu để hình thành một tổ chức hạt mới có

kích thước hạt bé hơn ban đầu. Một số kỹ thuật áp dụng phương pháp này là:
ép qua kênh góc có tiết diện không đổi ECAP (equal-channel angular

HVTH: NGUYỄN VIỆT HÀ

11


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

pressing); ép với lực xoắn cao HPT (high-pressure torsion); nén ép theo chu
kỳ CEC (cyclic-extrusion-compression); uốn theo chu kỳ liên tục CCB
(continuous cyclic bending); rèn theo đa hướng MF (Multiaxial Forging); công
nghệ cán gấp thẳng RCS (repetitive corrugation and straightening); ép qua
rãnh cưỡng bức CGP (constrained groove pressing)….

Hình 1.2. Một số kỹ thuật biến dạng dẻo theo nguyên lý “top-down”.
Phương pháp biến dạng dẻo trượt tách ở nước ta là một lónh vực hoàn
toàn mới chưa được ứng dụng trong sản xuất. Trong khi đó trên thế giới
phương pháp này đã được sử dụng phổ biến để nâng cao độ bền của vật liệu
kim loại (đặc biệt là kim loại màu) đáp ứng được các yêu cầu về độ bền của
vật liệu trong sự phát triển của kỹ thuật nano.
1.3. Cơ sở lý thuyết của phương pháp biến dạng dẻo trượt tách (severe
plastic deformation)
1.3.1 Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại
Trong kim loại, giữa các nguyên tử tồn tại lực tác dụng tương hổ, gồm
các lực đẩy và lực kéo. Tại một nhiệt độ nhất định chúng dao động quanh vị
trí cân bằng. Nhờ vậy, vật thể tồn tại với một hình dáng kích thước nhất định.
Theo quan điểm năng lượng, các nguyên tử tồn tại ở vị trí năng lượng tự do
thấp nhất, tùy thuộc cấu trúc tinh thể. Các nguyên tử ở mạng tinh thể lập

phương thể tâm (LPTT) có năng lượng tự do cao hơn, trong khi đó ở mạng lập
phương diện tâm (LPDT) năng lượng tự do thấp hơn.

HVTH: NGUYỄN VIỆT HÀ

12


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Dưới tác dụng của ngoại lực hoặc nhiệt độ, làm thay đổi thế năng của
nguyên tử, các nguyên tử rời khỏi vị trí cân bằng, do đó ta có thể nhận thấy
thông qua sự thay đổi kích thước của vật thể. Lực càng lớn, nhiệt độ càng cao,
thế năng càng tăng. Khi tăng năng lượng tự do của nguyên tử vượt qua một
giới hạn, nguyên tử kim loại chuyển dời sang một vị trí mới xa hơn và ổn định
hơn, không trở về vị trí cân bằng cũ khi thôi lực tác dụng. Tổng sự dịch
chuyển của các nguyên tử sang vị trí mới tạo nên một biến dạng dư, hay một
sự thay đổi hình dáng và kích thước vật thể gọi là biến dạng dẻo. Để tạo nên
sự dịch chuyển sang vị trí mới không gây nên sự phá hủy các mối liên kết,
phải bảo đảm trong quá trình các nguyên tử dịch chuyển, khoảng cách các
nguyên tử không được vượt quá kích thước của vùng lực tác dụng tương hỗ
kéo giữa các nguyên tử. Khi cất tải sau khi biến dạng dẻo, các nguyên tử có
xu thế chiếm vị trí cân bằng mới, thiết lập lại mối qua hệ và liên kết giữa các
nguyên tử, biến dạng dẻo không làm thay đổi thể tích của vật thể biến dạng.
Biến dạng dẻo kim loại được thực hiện bằng cách trượt hoặc song tinh,
đó là một quá trình chuyển dịch song song tương đối, không đồng thời giữa hai
phần lớp rất nhỏ của mạng tinh thể.
1.3.2 Trượt và cơ chế biến dạng của trượt
Qúa trình trượt xảy ra từ từ theo một mặt và phương nhất định và ưu
tiên cho những mặt và phương có góc định hướng với ngoại lực thuận lợi, sao

cho ứng suất tiếp lớn nhất trên mặt và phương đó lớn hơn một giá trị giới hạn

Hình 1.3 Một số dạng trượt của
tinh thể theo các phương khác nhau theo [1]
HVTH: NGUYỄN VIỆT HAØ

13


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Trượt là một quá trình chuyển động tương đối giữa hai phần tinh thể, ở
đây sự chuyển dịch tương đối bao hàm một loạt các mặt hoặc lớp mỏng tạo
thành dải trượt, ở những vùng trung gian giữa các mặt trượt không có biến
dạng. Thực nghiệm cho thấy, khoảng cách giữa các mặt trượt có giá trị
khoảng 1 µm, trong khi đó khoảng cách giữa các lớp nguyên tử khoảng 1-10
µm. Trượt xảy ra trên một vùng, tạo thành một mặt, chiều dày của mặt bằng
đường kính nguyên tử, mặt này được gọi là mặt trượt. Mặt này luôn song song
với mặt tinh thể. Trượt chỉ xảy ra trên một số mặt và phương tinh thể nhất
định. Trên phương và mặt tinh thể này thường có mật độ nguyên tử dày đặc
nhất hay ở trên đó có lực liên kết giữa các nguyên tử là lớn nhất, so với mặt
và phương khác. Trượt phải khắc phục lực tác dụng tương hỗ giữa các mặt tinh
thể (giữa các nguyên tử trên hai mặt nguyên tử), phương trượt là phương có
khoảng cách giữa các nguyên tử là nhỏ nhất.
Trượt xảy ra dưới tác dụng của ứng suất tiếp, sao cho các dãy nguyên
tử trong quá trình trượt vẫn giữ được mối liên kết. Nếu không còn mối liên kết
đó, biến dạng dẻo sẽ dẫn đến phá hủy. Bất kỳ một kiểu mạng tinh thể nào,
trượt xảy ra trên một mặt trượt và theo một phương trượt nhất định, tổng hợp
mặt trượt và phương trượt được gọi là hệ trượt.
Kết quả của trượt làm xuất hiện sự biến đổi hình dáng tinh thể, xuất

hiện các dải trượt trên bề mặt và làm thay đổi tính chất cơ lý của vật liệu.
Một hệ trượt tham gia quá trình biến dạng khi ứng suất tiếp sinh ra do ngoại
lực tác dụng trên mặt trượt và phương trượt đó vượt quá một giá trị ứng suất
tiếp giới hạn, phụ thuộc vào từng loại vật liệu. Theo Schmid [1] ứng suất tiếp
tác dụng lên phương trượt trong một mặt trượt được tính theo công thức:

τ=
Hệ trượt diễn ra khi : τ
Trong đó :

F
cos ϕ . cos λ
So

= σ cos ϕ cos λ = τ C

σ=

F
So

(1.3)
(1.4)

- ϕ góc giữa phương của lực và phương tinh thể
HVTH: NGUYỄN VIỆT HÀ

(1.2)

14

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

-

λ

góc giữa phương của lực và mặt tinh thể

- S0 diện tích mặt cắt ban đầu của mẫu
Trong trường hợp chung, hệ trượt hoạt động khi ứng suất tiếp tác động lớn hơn
giá trị ứng suất tiếp tới hạn phụ thuộc cấu trúc tinh thể, nhiệt độ và độ sạch
của vật liệu. Vật liệu có mạng tinh thể dạng lập phương diện tâm có

τ C nhỏ

hơn của vật liệu có mạng lập phương thể tâm
Bảng 1.1 Số liệu về ứng suất trượt tới hạn phụ thuộc
vào cấu trúc vật liệu, độ sạch của một số kim loại theo [1]

Trong một số nghiên cứu [1] các tác giả đã đưa ra công thức tính ứng
suất trượt giới hạn:
Trong đó :

dτ C
= k .ε n
dC

(1.5)

τ C - ứng suất trượt tới hạn, MN/m2; C- nồng độ nguyên tử
k - hằng số; ε =

da
; a – hằng số; n – hệ số thực nghiệm
a.dC

Biến dạng dẻo có thể xác định theo giá trị của véc tơ Burgers:

γ p = p.b.x

HVTH: NGUYỄN VIỆT HÀ

15

(1.6)


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

trong đó p – mật độ lệch .b. - véc tơ Burgers ; x –độ dịch chuyển trung bình
của lệch.
1.3.3 Song tinh và cơ chế biến dạng của song tinh
Song tinh được thực hiện nhờ sự trượt theo một mặt và phương tinh thể
nhất định, trong trường hợp ở nhiệt độ thấp, tốc độ biến dạng lớn. Sự trượt xảy
ra song song nhờ tịnh tiến một làn của các mặt tinh thể với khoảng trượt tỷ lệ
với khoảng cách giữa mặt tinh thể với các mặt song tinh, kết quả tinh thể biến
dạng trở nên đối xứng gương với phần tinh thể không biến dạng, qua mặt song
tinh. Đặc điểm biến dạng song tinh là dịch chuyển các nguyên tử tỷ lệ với

khoảng cách mặt song tinh, càng xa mặt song tinh, dịch chuyển càng lớn
nhưng không vượt quá khoảng cách nguyên tử.

Hình 1.4 Mô tả biến dạng vật liệu bằng song tinh theo [1]
Song tinh xảy ra với tốc độ lớn trên mặt và phương nhất định, đồng thời làm
thay đổi định hướng của tinh thể. Song tinh xảy ra khi biến dạng trượt khó
khăn. Song tinh được xác định bằng mặt song tinh, phương song tinh và tỷ suất
song tinh. Cũng như trượt, song tinh cũng tồn tại các hệ song tinh, hệ này phụ
thuộc vào cấu trúc vật liệu.

HVTH: NGUYỄN VIỆT HÀ

16


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Bảng 1.2 Tỷ suất song tinh phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu

Khi biến dạng theo cơ chế song tinh, cũng như trường hợp trượt, song
tinh xảy ra khi ứng suất tiếp đạt đến một giá trị tới hạn, ứng suất này thay đổi
theo cấu trúc tinh thể và nhiệt độ. Trong mạng lập phương thể tâm, song tinh
là kiểu biến dạng chủ yếu ở nhiệt độ thấp. Trong hệ mạng lập phương diện
tâm biến dạng theo song tinh luôn lớn hơn của trượt. Trong hệ mạng sáu mặt
xếp chặt, tỷ suất song tinh rất nhỏ

Hình 1.5. Quan hệ ứng suất tiếp và nhiệt độ
Tc nhiệt độ chuyển từ song tinh sang trượt [1]
Các mặt song tinh quan sát thấy được là những mặt đơn, các mặt cắt
nhau tại một phân giới của nền hay song tinh với bề mặt mẫu. Tại phân giới

song tinh do sự hình thành liên kết kiểu pha cộng sinh giữa các nguyên tử nền
và nguyên tử song tinh. Đặc trưng này ở phân giới song tinh dẫn đến ở đó
HVTH: NGUYỄN VIỆT HÀ

17


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

năng lượng liên kết thấp hơn so với trường hợp không cộng sinh. Vì vậy song
tinh trong kim loại mất đi rất khó khăn, phải nung đến một nhiệt độ nung cao
nhất định.
Tỷ lệ năng lượng trên đơn vị bề mặt với biên pha cộng sinh có nghóa là
song tinh với năng lượng bề mặt đơn vị đối với bề mặt thông thường không
pha cộng sinh càng nhỏ thì xác suất tạo nên song tinh càng lớn, và chúng càng
ổn định. Đối với đồng tỷ số đó là 0,05; nhôm là 0,2. Như vậy có nghóa là việc
thấy song tinh ở đồng dễ hơn ở nhôm. Cơ chế song tinh biến dạng rất hẹp vì
chúng có dạng đường mà không ở dạng dải như trượt. Trong một số kim loại
mạng lập phương thể tâm hoặc sáu mặt xếp chặt, song tinh thể hiện như
những dải rất mảnh. Với đồng, sự xuất hiện song tinh biến dạng thấy ngay khi
mài và đánh bóng trước khi tẩm thực. Trong các hợp kim dễ nóng chảy như
thiếc, kẽm, nhôm, chì,… nhiệt sinh ra trong quá trình mài và đánh bóng đủ để
tạo song tinh và đủ để làm kết tinh lại song tinh.

Hình 1.6 Sự trượt của các nguyên tử khi song tinh theo [1]
Trong trường hợp cần quan sát, nghiên cứu song tinh của các kim loại
này phải dùng phương pháp cắt, mài mẫu, đánh bóng hóa học và điện hóa.
Song tinh không bao giờ cắt qua phân giới hạt, đôi khi kết thúc bên trong hạt,
nó không đến được tới phân giới hạt. Lúc đó ứng suất tạo song tinh có thể lại
tạo ra được song tinh thứ hai bên cạnh, bắt đầu ngay ở phần phân giới đó.

HVTH: NGUYỄN VIỆT HÀ

18


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

1.3.4 Khuyếch tán và cơ chế biến dạng của khuyếch tán
Ngoài trượt và song tinh biến dạng dẻo còn tuân theo cơ chế khuyếch
tán. Cơ chế khuyếch tán bao gồm quá trình khuyếch tán và quá trình tự
khuyếch tán. Sự dịch chuyển của các nguyên tử có thể thực hiện bằng cách
dần dần thay điền vào những chỗ trống trong mạng tinh thể. Sự dịch chuyển
này có tính lựa chọn, có nghóa là dịch chuyển theo hướng có ứng suất tiếp lớn
nhất, có cường độ lớn nhất. Khi nhiệt độ tăng, do dao động nhiệt, nguyên tử
rời khỏi vị trí cân bằng ban đầu đến một vị trí mới. Sự chuyển dời các nguyên
tử có thể theo hai cơ chế:
Cơ chế xen kẽ: Các nguyên tử nhỏ, dưới tác dụng của nhiệt và ứng
suất, có thể dịch chuyển từ lỗ hổng này của mạng sang lỗ hổng khác.
Cơ chế thay thế: Đối với các nguyên tử còn lại, chúng có thể dịch
chuyển bằng cách thay thế các nguyên tử trên nút mạng. Nếu trên mạng có
nhiều nút khuyết, quá trình khuyếch tán theo cơ chế này càng thuận lợi. Khi ở
nhiệt độ cao, dưới tác dụng của trạng thái ứng suất 3 chiều không đều, các
nguyên tử sẽ dịch chuyển theo phương gradien ứng suất lớn nhất, từ vị trí cân
bằng này sang vị trí cân bằng khác ổn định hơn. Sự chuyển dời định hướng
không thuận nghịch các nguyên tử đó là sự biến dạng.
Cơ chế biến dạng khuyếch tán là cơ chế biến dạng duy nhất đối với vật
thể phi tinh thể, chất lỏng nhớt, như trong trường hợp ép kim loại bán lỏng,
khi vật liệu ở nhiệt độ nóng chảy. Đối với vật thể kết tinh, cả hai cơ chế biến
dạng cùng tồn tại và tương tác với nhau. Trong nội bộ tinh thể hợp kim dạng

dung dịch rắn xen kẽ, nguyên tử các chất tan tạo ra những trường ứng suất
quanh nó. Trường ứng suất này tác động với trường ứng suất của lệch và trạng
thái ứng suất , kết quả làm các nguyên tử chất tan tập trung lại, hoặc đẩy khỏi
trường lệch, sinh ra hiện tượng khuyếch tán và giảm số lượng lỗ khuyết trong
mạng tinh thể. Khi biến dạng dẻo, dưới tác dụng của trường ứng suất, lệch
chuyển dịch làm thay đổi nồng độ chất tan trong mạng. Trong một vi tinh thể
của kim loại, tạo nên một sự cân bằng mới. Xung quanh lệch hình thành một
nhóm nguyên tử, có thành phần khác thành phần của mạng. Khi lệch dịch

HVTH: NGUYỄN VIỆT HÀ

19


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

chuyển, nhóm nguyên từ này có xu hướng dịch chuyển theo lệch, làm các
nguyên tử chất tan khuyếch tán vào kim loại. Sự dịch chuyển này không
thuận nghịch, nên làm năng lượng bên trong mất đi. Do có các nhóm nguyên
tử này, tốc độ dịch chuyển của lệch giảm.
Lực cần để dịch chuyển lệch bị nhóm nguyên tử chất tan bao vây do
tốc độ biến dạng dẻo quyết định. Nếu tốc độ dịch chuyển của lệch nhỏ hơn
tốc độ khuyếch tán của chất tan tạo thành nhóm nguyên tử, thì sự tồn tại của
nhóm nguyên tử này không ảnh hưởng đến lực dịch chuyển của lệch, nên
cũng không ảnh hưởng đến lực tạo biến dạng. Nếu tốc độ dịch chuyển lớn hơn
tốc độ khuyếch tán của nhóm nguyên tử chất tan, do nhóm nguyên tử quanh
lệch bám theo, nên cần phải có lực lớn hơn mới làm lệch chuyển động. Trong
trường hợp mạng có nhiều lỗ hổng và bị xô lệch như trên mặt phân giới hạt,
thì quá trình khuyếch tán càng mạnh. Thường ở phân giới các khối và các hạt,
có nhiều các lỗ hổng, nên ở đây rất khó tạo nên lệch để chuyển động. Do

vậy, chỉ có thể do khuyếch tán dịch chuyển nguyên tử tạo nên biến dạng dẻo.
Mặt khác, cơ chế khuyếch tán biến dạng dẻo chỉ có thể sinh ra ở phân giới
hạt có tác dụng của ứng suất trượt. Nói chung, do ảnh hưởng của dao động
nhiệt, nguyên tử khuyếch tán có thể theo một phương bất kỳ. Nhưng dưới tác
dụng của ứng suất, sự khuyếch tán của các nguyên tử có tính định hướng.
Trong kim loại công nghiệp, hình dáng của hạt tinh thể không theo một quy
tắc chung nào. Do sự ảnh hưởng của mặt ghồ ghề của hạt bên cạnh làm ngưng
quá trình khuyếch tán. Nhưng sau khi thôi biến dạng trượt, bề mặt ghồ ghề bị
giảm bớt, dưới tác dụng của ứng suất dư, có thể làm khôi phục lại quá trình
biến dạng dẻo khuyếch tán
1.4. Phân tích quá trình biến dẻo trong quá trình cắt kim loại
Sự xuất hiện và phát triển biến dạng dẻo là một quá trình phức tạp,
kèm theo các hiện tượng vật lý, hoá học, hiện tượng tạo thành lệch mạng,
song tinh, trượt giữa các phần mạng. Biến dạng dẻo là quá trình phụ thuộc
vào thuộc tính và trạng thái của vật liệu. Lý thuyết biến dạng dẻo vật lý

HVTH: NGUYỄN VIỆT HÀ

20


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

nghiên cứu các tác động của các yếu tố cơ, nhiệt, tác động của thành phần tổ
chức vật liệu, nhiệt độ và tốc độ biến dạng đến các thuộc tính cơ học vật liệu
Lý thuyết biến dạng dẻo trượt tách (severe plastic deformation) được
xây dựng từ lý thuyết biến dạng dẻo trong quá trình cắt vật liệu. Để có thể cắt
được ra phoi, lực tác dụng vào dao cần phải đủ lớn để tạo ra trong lớp kim loại
bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu gia công. Khi cắt, do tác dụng
của lực P, dao bắt đầu nén vật liệu gia công theo mặt trước. Khi dao tiếp tục

chuyển động trong vật liệu gia công phát sinh biến dạng đàn hồi, biến dạng
này nhanh chóng chuyển sang biến dạng dẻo và một lớp phoi có chiều dày af
được hình thành từ lớp kim loại bị cắt có chiều dày a0 di chuyển dọc theo mặt
trước của dao.
Việc nghiên cứu kim tương khu vực tạo phoi chứng tỏ rằng trước khi
biến dạng thành phoi, lớp kim loại bị cắt đã trải qua một giai đoạn biến dạng
nhất định, nghóa là giữa lớp kim loại bị cắt và phoi có một khu vực biến dạng
gọi là miền tạo phoi. Miền tạo phoi phụ thuộc vào tính chất của vật liệu, tốc
độ cắt, góc ăn dao, ở tốc độ cắt lớn miền tạo phoi co hẹp đến mức mà chiều
rộng của nó chỉ còn vài micromet, trong trường hợp đó sự biến dạng dẻo của
vật liệu gia công có thể xem như nằm lân cận mặt OF, mặt OF được gọi là
mặt trượt qui ước, nó tạo với phương chuyển động của dao một góc baống ỵ goùi
laứ goực trửụùt laứ thoõng soỏ ủaởc trửng cho hướng và giá trị của biến dạng dẻo
trong miền tạo phôi

Hình 1.7 Qúa trình cắt kim loại theo [8]

HVTH: NGUYỄN VIỆT HÀ

21


LUAN VAấN TOT NGHIEP

-Gớa trũ cuỷa ỵ ủửụùc M.Ravi Shankar và R.Verma [3] phân tích và đưa ra
công thức tính :
ao
cos
af
Tag ỵ =

a
1 o sin
af

(1.7)

- ệng suaỏt cắt tác động đến phoi:
γ =

cos α
sin φ . cos(φ − α )

(1.8)

Nghiên cứu thực nghiệm từ quá trình cắt thì sự biến dạng dẻo của lớp
kim loại bị cắt được thể hiện ở chỗ chiều dài của lớp phoi cắt ra ngắn hơn
quảng đường mà dao phải đi dọc theo bề mặt gia công, còn chiều dày của phoi
lớn hơn chiều dày cắt . Tỷ số của sự thay đổi này được gọi là hệ số co rút phoi.
Hệ số co rút:

K=

af
ao

1.9)

Hệ số co rút phoi có thể đặc trưng cho biến dạng dẻo nhưng trong một
khoảng giá trị nào đó nó sẽ không chính xác vì khi hệ số này bằng 1 thì vẫn có
biến dạng dẻo. Do đó để đặc trưng cho biến dạng dẻo về mặt số lượng người ta

thường dùng hệ số trượt tương đối ( ε ) khi xem quá trình cắt như là quá trình
trượt lần lượt của các lớp kim loại, đó cũng chính là cơ sở cho phương pháp
biến dạng dẻo trượt tách
Hệ số trượt tương đối : ε =

K 2 − 2 K sin α + 1
K cos α

Hình 1.8. Quá trình cắt như là quá trình
trượt lần lượt các lớp kim loại [8]
HVTH: NGUYỄN VIỆT HÀ

22

(1.10)


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Hình 1.9. Mô tả quá trình biến dạng dẻo tại mặt phẳng trượt [8]
1.5 Phân tích các phương pháp biến dạng dẻo và lựa chọn nghiên cứu.
1.5.1 Phương pháp ép với lực xoắn cao HPT (high-pressure torsion)
Phương pháp này được thực hiện đầu tiên bởi các nhà nghiên cứu vật
liệu của Nga vào năm 1984 sau đó được Valiev phát triển thêm năm 1997 [9] .
Thiết bị thực hiện gồm một trục ép có áp lực lớn khoảng vài GPa và một bàn
khuôn có đường kính lỗ phù hợp với đường kính trục ép. Lực xoắn được hình
thành khi có chuyển động quay tương đối giữa trục ép và bàn khuôn, chuyển
động quay này có thể thực hiện trên trục ép hoặc trên bàn khuôn.

Hình 1.10 Phương pháp biến dạng dẻo HPT [9]

Do cấu trúc hình học riêng biệt của vật mẫu, toàn thể tích vật liệu bị
kéo căng trong điều kiện bị ép như trong trạng thái thủy tỉnh, các lớp tinh thể

HVTH: NGUYỄN VIỆT HÀ

23


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

của vật mẫu bị trượt xoắn lên nhau. Kết quả là vật mẫu đạt được một giá trị lớn
về sức căng nhưng không bị phá hủy.
Có nhiều thông số khác nhau được dùng để tính giá trị sức căng bằng
phương pháp HPT nhưng theo Valiev [9] thì công thức tính sức căng này được
tính bằng :

γ =

2πRN
l

(1.11)

Trong đó: - N là số vòng quay; - l là độ dầy vật liệu mẫu
-R là khoảng cách từ tâm đến lớp vật liệu xét
Theo công thức trên, ta nhận thấy cường độ biến dạng dẻo của các phân
tử của vật mẫu tăng dần từ tâm ra đến vùng biên, tỷ lệ với độ tăng của R. Để
tính giá trị ứng suất cắt tương đương cho cả khối vật liệu, Valiev [9] đã đưa ra
công thức tính :

ε=

γ
3

(1.12)

Nhận xét phương pháp biến dạng dẻo bằng phương pháp HPT, mặc dù
thiết bị đơn giản dễ thực hiện nhưng hiệu quả không cao vì có nhiều nhược
điểm: Không tạo nên sự đồng đều trong các lớp vật liệu mẫu thử (lớp bên
ngoài thành luôn chịu ứng suất xoắn cao hơn); Kích thước vật có giới hạn
(chiều dầy quá lớn quá trình biến dạng dẻo chỉ diễn ra trên bề mặt tiếp xúc
giữa trục ép và vật mẫu); Độ cứng của thiết bị yêu cầu rất cao và khó có thể
thực hiện cho các vật liệu có độ cứng cao.
1.5.2 Phương pháp nén ép theo chu kỳ CEC (cyclic-extrusion-compression)
Phương pháp nén ép theo chu kỳ CEC được tiến hành bởi các nhà khoa
học M. Richert, Zasadzinki, Korbel vào năm 1979 [9]. Thiết bị gồm hai trục ép
có cùng đường kính và áp lực nén có thể thay đổi, một bộ khuôn có tiết diện
rãnh tròn thông nhau và bị co hẹp và mở rộng ở giữa. Phôi dạng hình trụ có
đường kính D phù hợp với khuôn được đưa vào khuôn, sau đó trục ép phía trên

HVTH: NGUYỄN VIỆT HÀ

24