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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN ĐĂNG KHOA

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BIẾN DẠNG DẺO MÃNH LIỆT
LÀM BIẾN ĐỔI CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT
CỦA VẬT LIỆU KIM LOẠI

Mã số chuyên ngảnh:

62 52 04 05

Chuyên ngành:

Công nghệ tạo hình vật liệu

Phản biện độc lập 1:

PGS. TS. Đinh Văn Chiến

Phản biện độc lập 2:

PGS. TS. Nguyễn Việt Hùng

Phản biện 1:

PGS. TS. Nguyễn Đắc Trung

Phản biện 2:

PGS. TS. Đặng Vũ Ngoạn

Phản biện 3:

PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS. Đào Minh Ngừng
2. TS. Lưu Phương Minh


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết
quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao
chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các
nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham
khảo đúng quy định.
Tác giả luận án

Nguyễn Đăng Khoa

i


TĨM TẮT LUẬN ÁN
Luận án gồm có 5 chương, nội dung tóm tắt như sau:
Chương 1: Giới thiệu về cơng nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt (Severe Plastic
Deformation – SPD) và các kỹ thuật được nghiên cứu phát triển nhằm mục đích
tạo ra kim loại dạng khối có tổ chức hạt mịn, siêu mịn và na nơ, trong đó nghiên
cứu sâu về kỹ thuật tiêu biểu của loại hình cơng nghệ này, đó là ép trong kênh

gấp khúc có thiết diện không đổi (Equal Channel Angular Pressing – ECAP).
Những vấn đề cịn tồn tại cần giải quyết để hồn thiện cơ sở lý thuyết và công
nghệ này được nhấn mạnh, trên cơ sở đó xác định hướng nghiên cứu của luận án
là quá trình biến dạng dưới áp lực cao ngăn ngừa phá hủy dẻo trong những điều
kiện áp lực thủy tĩnh khác nhau và giải pháp thiết kế công nghệ nhằm duy trì và
kiểm sốt được đối áp trong quá trình ép.
Chương 2: Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng trong vùng dẻo và ảnh
hưởng của các yếu tố ma sát và góc ép đến thơng số chính của q trình là hệ số
trạng thái ứng suất để duy trì quá trình biến dạng dẻo dưới áp lực thủy tĩnh cao,
ngăn ngừa phá hủy dẻo. Kỹ thuật SPD, trong đó cơng nghệ ECAP là một q
trình tiêu biểu, luôn tạo áp lực thủy tĩnh trong vùng biến dạng.
Luận án sử dụng phương pháp giải phương trình vi phân gần đúng để xem xét sự
phân bố ứng suất trên bề mặt khuôn và kim loại, cũng như áp dụng phương pháp
tốc độ gián đoạn đề phân tích bản chất q trình chảy dẻo trong vùng biến dạng,
qua đó tính được các thơng số cơ bản như hệ số trạng thái ứng suất và mức độ
biến dạng và sự ảnh hưởng của các yếu tố hệ số ma sát và góc kênh ép.
Phương pháp tốc độ gián đoạn thực chất là phương pháp định trị trên được áp
dụng rộng rãi trong lĩnh vực tạo hình vật liệu, nhưng ở đây số lượng các khối
cứng được tăng đến vô cùng để đạt được lời giải có độ chính xác cao hơn. Điều
kiện quá trình ép được đề xuất với các mơ hình ma sát khác nhau: a) quy luật
Zibel; b) quy luật Coulomb và mơ hình ma sát lai ghép, làm phong phú thêm cơ
sở lý thuyết tạo hình vật liệu.

ii


Phá hủy dẻo của kim loại trong quá trình tạo hình và các yếu tố ảnh hưởng đến
quá trình làm mịn hạt cũng được nghiên cứu dựa vào các mô hình của
Kolmogorov và Y. Beigelzimer.
Chương 3: Nghiên cứu mơ hình hóa và mơ phỏng số ECAP bằng phương pháp

phần tử hữu hạn trên phần mềm DEFORM đã đưa ra sự biến đổi của trường ứng
suất và biến dạng trong vùng dẻo cũng như trên bề mặt tiếp xúc giữa phôi và
khuôn cho phép đánh giá và nhận định về mức độ ảnh hưởng các yếu tố đến các
thông số công nghệ cũng như khả năng biến dạng của phôi.
Kết quả nhận được làm sáng tỏ cho những nghiên cứu lý thuyết và làm cơ sở cho
việc thiết kế hệ thống khuôn chày, đồ gá, … và thiết lập các điều kiện cơng nghệ
để thực hiện được q trình tạo hình.
Chương 4 và 5 trình bày kết quả nghiên cứu về thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị
thí nghiệm và thực nghiệm. Thiết bị nghiên cứu bao gồm máy ép thuỷ lực và hệ
thống khuôn ghép, đồ gá đã được thiết kế và chế tạo có đủ tính năng thực hiện
quá trình biến dạng các loại vật liệu khác nhau dưới áp lực cao. Các thí nghiệm
với vật liệu đồng sạch, nhơm Al7075 và titan kỹ thuật, phơi có thiết diện trịn và
vng đã được thực hiện, các thơng số công nghệ đo được phù hợp với kết quả
nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng. Trong luận án sử dụng các thiết bị kính hiển
vi quang học, kính hiển vi điện tử quét, kính hiển vi điện tử truyền qua và thiết
bị đo độ cứng, máy kéo vạn năng để đánh giá tổ chức và cơ tính các mẫu thu
được sau ép.
Kết quả đạt được của luận án, những điểm mới và hướng nghiên cứu tiếp theo
được trình bày trong phần kết luận chung.

iii


ABSTRACT
The PhD thesis is concerned with the investigation on severe plastic deformation
(SPD) as unconventional forming method to get metals and alloys with the
grains that are at least smaller than 1 m, which have special mechanical and
physical properties. The objective of the thesis is gaining understanding of
influence of friction factor, hydropressure and strain on technogical parameters
in the scientific field of metalworking as well as laboratory equipment

development. Process of grain refinement and mechanical property change in
SPD is evaluated by different excellence techniques as OM, SEM, TEM… in the
view of the workpiece quality obtained after processing. This PhD thesis
consists of literature survey, theoretical and experimental investigations.
The chapter 1 surveys literature on fine grain, ultrafine - grain and
nanostructured materials which have been formed during severe plastic
deformation. Systematic analysis of severe plastic deformation process reveals
difference of mathematical formulae published elsewhere for determination
technological parameters. Various methods and modifications of techniques are
analysed to determine the interested concerns.
Chapter 2 and chapter 3 are theoretical study and simulation of ECAP (equal
channel angular pressing) process to find technological parameters for
equipment design and materials processing implement. Stress strain state of
workpiece during ECAP, including them stress in contact surface between metal
and tool is important for determination of technological parameters, possibility
of metal to deform continuously, production quality, the wear and strength of
dies. Method of discrete velocities based on rigid block model of plastic
deformation zone, where number of blocks increases infinitely, is a modified
upper - bound and method allows analyze stress strain state and determine
degree of plastic deformation, hydrostatic stress, punch pressure and dependence
of

parameters

on

modified

technological

conditions.

Application

of

mathematical models and finite element method to solve metalworking problems
iv


is an effective method. The analyse stress strain state and technological
parameters obtained by modeling and simulation in software DEFORM analyzed
and compared the results with theoretical calculations.
The charpter 4 and charpter 5 describe obtained experimental results and
discussions. It presents the research and outcomes on property and structure
change of f.c.c Cu99.9 and alloy Al7075 which are severe plastic deformed
throughout the conventional equal channel angular pressing. Ultrafine - grained
structure of materials has been received which leads to significant enhance of
mechanical

properties

that

create

opportunity

for

production

quality

improvement in metalworking. Research results showed evidence that to obtain
finer microstructure of heterogeneous alloy as Al7075 it needs high hydrostatic
pressure to deform without ductile fracture that is impossible for conventional
metal forming method. Equipment for cold and warm plastic deformation of
hard - to - deform metal and alloys as well as for die was designed and
machined, which allows increase punch dimension enhancing its resistance in
pressing. Treated measured data of technological processing parameters in insert
die as function depending on stroke are illustrated graphically.

v


LỜI CÁM ƠN
Tôi xin trân trọng cám ơn: Bộ môn Thiết bị và cơng nghệ vật liệu cơ khí, Khoa
Cơ khí; Bộ mơn Kim loại và hợp kim, Khoa Cơng nghệ vật liệu, Trường Đại học
Bách khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh; Bộ mơn Cơ học vật liệu và cán
kim loại, Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà nội
cũng như các phịng thí nghiệm, viện nghiên cứu trong và ngồi nước đã giúp tôi
thực hiện luận án tiến sĩ này.
Tôi xin chân thành cám ơn các thầy hướng dẫn khoa học PGS TS Đào Minh
Ngừng và TS Lưu Phương Minh đã tận tình chỉ dẫn tơi về chun mơn để tơi có
thể hồn thành được luận án.
Tơi cũng xin gửi lời cám ơn đến các thầy cô phản biện, các thầy cô trong hội
đồng chấm luận án các cấp đã có những góp ý giá trị cho luận án của tôi. Đặc
biệt tôi xin cám ơn GS TS Đỗ Minh Nghiệp giúp đỡ về định hướng nghiên cứu
và cũng như góp ý hồn thiện luận án.

Xin bày tỏ lịng biết ơn đến ba mẹ, tồn thể gia đình, các đồng nghiệp và bạn bè
đã hỗ trợ, động viên tôi trong thời gian qua.

vi


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
TÓM TẮT LUẬN ÁN ............................................................................................... ii
ABSTRACT.............................................................................................................. iv
LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................... vi
MỤC LỤC ............................................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... x
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... xiv
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................... xv
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1
1. Lý do lựa chọn đề tài ...........................................................................................1
2. Mục đích của luận án ...........................................................................................1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................2
3.1. Đối tượng nghiên cứu ...................................................................................2
3.2. Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .............................................................................3
5.1. Ý nghĩa khoa học ..........................................................................................3
5.2. Ý nghĩa thực tiễn ..........................................................................................3
6. Kết quả đạt được và các đóng góp mới của luận án..............................................3
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN .................................................................................. 5

1.1. Giới thiệu về cơng nghệ tạo hình biến dạng dẻo mãnh liệt ................................5
1.2. Tổ chức đa tinh thể kim loại và sự thay đổi trong quá trình SPD .......................6
1.3. Các ứng dụng của vật liệu sau SPD.................................................................10
1.4. Phát triển kỹ thuật thực hiện quá trình SPD ....................................................12
1.4.1. Các kỹ thuật biến dạng dẻo mãnh liệt .......................................................12
1.4.2. Đặc điểm chung của kỹ thuật biến dạng dẻo mãnh liệt .............................18
1.5. Khả năng ứng dụng thực tế của công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt................19
vii


1.6. Kết luận chương 1 ..........................................................................................21
CHƯƠNG 2
ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT VÀ ÁP LỰC THỦY TĨNH
ĐẾN QUÁ TRÌNH ÉP ............................................................................. 23
2.1. Trạng thái ứng suất và biến dạng của quá trình ECAP ....................................23
2.1.1. Đặc điểm vùng biến dạng dẻo ..................................................................23
2.1.2. Trạng thái biến dạng ................................................................................25
2.2. Ảnh hưởng của ma sát và áp lực thủy tĩnh đến quá trình ép ............................26
2.3. Sự phân bố ứng suất tiếp xúc giữa kim loại và đáy khn tại vùng biến
dạng ......................................................................................................................28
2.4. Tính lực ép và mức độ biến dạng bằng phương pháp tốc độ gián đoạn............32
2.5. Ảnh hưởng của góc gấp khúc và ma sát đến mức độ biến dạng .......................35
2.6. Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất đến tính dẻo .............................................37
2.6.1. Ảnh hưởng của áp lực thủy tĩnh đến giới hạn biến dạng khi phá hủy........38
2.6.2. Ảnh hưởng của mức độ biến dạng đến độ xốp vật liệu .............................41
2.7. Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất biến dạng đến quá trình làm mịn hạt
trong SPD ..............................................................................................................43
2.7.1. Áp dụng mơ hình tốn cho q trình làm mịn hạt .....................................44
2.7.2. Ảnh hưởng của các thơng số tạo hình đến cường độ làm mịn hạt .............46

2.8. Kết luận chương 2 ..........................................................................................49
CHƯƠNG 3

MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH ECAP .......... 51

3.1. Yêu cầu về mơ hình hóa và mơ phỏng số q trình ECAP ..............................51
3.2. Xây dựng mơ hình khn hai nửa ...................................................................53
3.3. Xây dựng mơ hình khn ghép .......................................................................56
3.4. Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn, vật liệu và điều kiện biên .......................58
3.5. Một số kết quả mô phỏng số và bàn luận ........................................................61
3.5.1. Các thông số công nghệ cơ bản của quá trình ép ......................................61
3.5.2. Trạng thái ứng suất và biến dạng của phôi ...............................................66
3.6. Kết luận chương 3 ..........................................................................................70
CHƯƠNG 4

THỰC NGHIỆM .......................................................................... 71

4.1. Lựa chọn vật liệu phôi ban đầu .......................................................................72
4.2. Thiết kế, chế tạo khuôn và đồ gá công nghệ ....................................................74
viii


4.2.1. Tóm tắt nội dung thực nghiệm .....................................................................74
4.2.2. Khn hai nửa và đồ gá ...........................................................................74
4.2.3. Khuôn ghép phức hợp với cơ cấu đối áp ..................................................76
4.3. Thiết bị tạo hình vật liệu .................................................................................81
4.3.1. Quy trình lắp ráp và vận hành thực nghiệm cơng nghệ tạo hình ...............82
4.3.2. Sự cố cơng nghệ, khuyết tật sản phẩm và biện pháp khắc phục ................85
4.4.Thiết bị nghiên cứu tổ chức và tính chất vật liệu ..............................................86
4.4.1. Thiết bị tạo mẫu .......................................................................................86

4.4.2. Thiết bị đánh giá tổ chức và tính chất vật liệu ..........................................88
4.5. Kết luận chương 4 ..........................................................................................91
CHƯƠNG 5

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN ....................... 92

5.1. Kết quả nghiên cứu công nghệ thiết bị tạo hình ..............................................92
5.1.1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết ......................................................................92
5.1.2. Thiết kế thiết bị, khuôn và đồ gá thực nghiệm cơng nghệ ECAP ..............94
5.1.3. Kết quả nghiên cứu q trình tạo hình bằng ECAP ..................................96
5.2. Đánh giá mẫu sau ECAP .............................................................................. 100
5.2.1. Khảo sát chất lượng bề mặt mẫu, khuyết tật và cách khắc phục.............. 100
5.2.2. Kết quả khảo sát tổ chức và tính chất mẫu ............................................. 102
5.3. Kết luận chương 5 ........................................................................................ 108
KẾT LUẬN............................................................................................................ 110
6.1. Kết quả đạt được của luận án ........................................................................ 110
6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo .......................................................................... 111
NHỮNG CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ ............................................................... 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 114
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 123

ix


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Mối quan hệ giữa giới hạn chảy của thép và kích thước hạt tinh thể. .......... 5
Hình 1.2. Tổ chức hạt na nơ mét của đồng khảo sát bằng TEM (a) nhãn trường
sáng, (b) nhãn trường tối, (c) phân bố kích thước hạt.................................. 7
Hình 1.3. Tổ chức của thép cacbon cao 1,2 %C: (a) trạng thái tổ chức ban đầu; (b)
sau SPD ở nhiệt độ phịng. ......................................................................... 8

Hình 1.4. Tổ chức na nơ mét, tạo ra bởi biến dạng xoắn mãnh liệt trong Si: (a)
nhãn trường sáng, (b) nhãn trường tối, (c) phân bố kích thước hạt .............. 8
Hình 1.5. Đặc trưng tổ chức tế vi của hỗn hợp Al6001 + 10 % Al203 sau khi biến
dạng xoắn mãnh liệt ................................................................................... 9
Hình 1.6. Mơ hình biến đổi của tổ chức khuyết tật ở những giai đoạn khác nhau
trong quá trình SPD .................................................................................. 10
Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý của quá trình biến dạng xoắn dưới áp lực cao ................. 13
Hình 1.8. Kỹ thuật rèn khn kín tuần hồn ............................................................. 15
Hình 1.9. Ngun lý của rèn đa phương: (a), (b), (c) - sự bố trí và tác động quay
dọc theo trục thứ nhất; (d), (e), (f) - sự bố trí và tác động quay dọc theo
trục thứ hai; (g), (h), (i) - sự bố trí và tác động quay dọc theo trục thứ
ba. ............................................................................................................ 15
Hình 1.10. Sơ đồ tiêu biểu của kỹ thuật ECAP ......................................................... 16
Hình 1.11. Kỹ thuật cán dính tích luỹ ...................................................................... 17
Hình 1.12. Lưu đồ xây dựng quy trình cơng nghệ gia cơng áp lực phi truyền thống.. 20
Hình 2.1. Sơ đồ minh họa q trình ECAP: 1- chày ép; 2- khn ép; 3- phôi kim
loại; 4- kênh ra; 5- kênh vào; a) sơ đồ ép; b) biểu đồ tốc độ và c) phân
tố biến dạng trước và sau ép. .................................................................... 23
Hình 2.2. Sơ đồ trạng thái ứng suất trong vùng biến dạng......................................... 24
Hình 2.3. Các sơ đồ vùng biến dạng và biểu đồ tốc độ (tốc đồ - hodograph) ............. 26
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. ...................................................... 27
Hình 2.5. Sơ đồ ép chảy ngang: a) tiết diện không đổi; b) tiết diện thay đổi.............. 29
Hình 2.6. Sự phân bố áp lực trên bề mặt giữa kim loại và đáy khuôn tại vùng biến
dạng, tính theo cơng thức (2.12). .............................................................. 31
Hình 2.7. Sơ đồ xác định áp lực kim loại lên khuôn.................................................. 32
x


Hình 2.8. Sự phụ thuộc của độ xốp vào số lần ép: 1- / = - 3 và 2- / = - 2,65

tính cho trường hợp 2α = 900;  = 200; m = 1;  = 10-3; a = 0,05; 0 =
10-3; i = N.1,51. ....................................................................................... 42
Hình 2.9. Quá trình phân nhỏ hạt (a) và mơ hình (b), biên hạt cản trở lệch khi kích
thước hạt lớn và làm tăng tính dẻo khi kích thước hạt nhỏ. ....................... 44
Hình 2.10. Sơ đồ biểu thị thay đổi của tổng chiều dài biên hạt (a) và đường kính
trung bình của hạt (b) được tính cho trường hợp C4 = 2,5, C3 = 5, v =
0,005, dc = 0,1; đường cong s1, d1 ứng với  = 0,05; s2, d2 ứng với  =
0,1. ........................................................................................................... 47
Hình 2.11. Ảnh hưởng của áp lực thủy tĩnh đến tổng chiều dài đường biên hạt (a)
và đường kính trung bình của hạt (b), tính cho trường hợp C4 = 2,5, v =
0,005, dc = 0,1,  = 0,, trong đó, đường cong s1, d1 ứng với hệ số áp lực
thủy tĩnh C3 = 2 và s2, d2 ứng với C3 = 10 ................................................. 48
Hình 2.12. Ảnh hưởng của khả năng tạo mầm biên hạt góc lớn của vật liệu đến
tổng chiều dài biên hạt (a) và đường kính trung bình của hạt (b), với C4
= 2,5 cho đường cong s1 và d1 và C4 = 5 cho s2 và d2; với các thông số v
= 0,005, dc = 0,1,  = 0,1. ......................................................................... 49
Hình 3.1. Sơ đồ ép ECAP (a) và sơ đồ biến dạng lưới của phôi (b): 1- phôi ép; 2chày; 3- khuôn trên; 4- khuôn dưới; 5- mạng lưới trong phôi trước và
sau biến dạng. .......................................................................................... 52
Hình 3.2. Mơ hình khn nhằm xác định lực ma sát và ứng suất thủy tĩnh khi ép
cho phơi trịn (a) và phơi vng (b). ......................................................... 54
Hình 3.3. Mơ hình khn ghép có mặt phân khn đứng. ......................................... 55
Hình 3.4. Mơ hình khn ghép hai kênh với phơi vng. ......................................... 56
Hình 3.5. Ảnh minh họa kết cấu khuôn ghép: a- các miếng ghép; b- sơ đồ lắp ráp... 58
Hình 3.6. Vị trí các điểm được khảo sát trạng thái ứng suất - biến dạng.................... 58
Hình 3.7. Sự phụ thuộc vào hành trình ép của các lực tác dụng lên khuôn hai nửa:
1- lực tác dụng lên chày; 2- lực ma sát kênh vào; 3- lực biến dạng của
phơi Ti. .................................................................................................... 61
Hình 3.8. Sự phụ thuộc vào hành trình ép của thành phần lực ma sát tại kênh ra
(Px) khi ép nguội titan trong khuôn hai nửa. ............................................. 62
Hình 3.9. Sự thay đổi của lực tác dụng lên khuôn ghép: 1- lực chày ép; 2- lực tấm

đáy cố định, trong trường hợp ép nguội titan, m = 0,2. ............................. 63
Hình 3.10. Lực tác dụng lên tấm trượt đứng (1) và tấm cố định sau (2), trường
hợp ép nguội Ti trong khuôn ghép, m = 0,2, v = 2 mm/s .......................... 64
xi


Hình 3.11. Sự thay đổi của lực tác dụng lên chày ép (1, 3) và tấm đáy (2, 4) trong
đó: 1 và 2 là trường hợp m = 0,2; 3 và 4 khi m = 0,4. ............................... 64
Hình 3.12. Sự thay đổi của lực tác dụng lên các thành phần của khuôn ghép: 1chày; 2- tấm đáy; 3, 4 - tấm trượt đứng trái, phải; 5, 6- tấm cố định
trước, sau trong trường hợp ép nguội Ti và điều kiện ma sát Amontons Coulomb f = 0,1. ...................................................................................... 65
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. .............................................................................. 65
Hình 3.14. Sự phân bố ứng suất trung bình trên bề mặt giữa khn và phơi. ............ 67
Hình 3.15. Sự phân bố ứng suất của bảy điểm trên mặt biên tiếp xúc giữa kim loại
và tấm đáy khuôn: 1- ứng suất pháp tuyến σz; 2- ứng suất trung bình σtb . 68
Hình 3.16. Sự phân bố ứng suất pháp tuyến của bảy điểm trên mặt biên tiếp xúc
giữa kim loại và tấm đứng sau: 1- σx; 2- σy; 3- σtb .................................... 69
Hình 3.17. Biểu đồ phân bố ứng suất trung bình trên bề mặt tiếp xúc giữa phơi và
tấm đáy. ................................................................................................... 69
Hình 3.18. Một số khuyết tật trong ECAP ................................................................ 70
Hình 4.1. Hình ảnh và kích thước phơi trịn. ............................................................. 72
Hình 4.2. Hình ảnh và kích thước phơi vng. ......................................................... 72
Hình 4.3. Ảnh tổ chức tế vi của: a) đồng Cu99,9 và b) hợp kim nhơm Al7075. ........ 73
Hình 4.4. Sơ đồ thiết kế (a), mơ hình 3D (b) và ảnh (c) khn hai nửa. .................... 75
Hình 4.5. Mơ hình 3D bộ khn ghép có cơ cấu đối áp ............................................ 77
Hình 4.6. Bản vẽ 3D mơ tả các chi tiết chính của khn ghép. ................................. 77
Hình 4.7. Trường hợp lắp bộ khn ghép 90 độ khơng có góc nghiêng. ................... 80
Hình 4.8. Trường hợp lắp bộ khn ghép 90 độ có góc nghiêng ............................... 80
Hình 4.9. Trường hợp lắp bộ khn ghép 105 độ...................................................... 81

Hình 4.10. Máy ép thủy lực 60 tấn dùng trong thực nghiệm. .................................... 82
Hình 4.11. Thiết bị đo lực lắp đặt trên máy ép. ......................................................... 82
Hình 4.12. Sự thay đổi của lực ép Cu99,9, phụ thuộc vào hành trình trong các
điều kiện: a) khơng có đối áp; b) đối áp q = 500 kG; c) đối áp q =
1.000kG. .................................................................................................. 84
Hình 4.13. Tủ sấy mẫu, máy mài và máy đánh bóng điện phân để làm mẫu TEM .... 86
Hình 4.14. Tạo mẫu thử kéo ..................................................................................... 87
xii


Hình 4.15. Mẫu soi tổ chức kim tương. .................................................................... 87
Hình 4.16. Kính hiển vi điện tử truyền qua (a), hiển vi điện tử quét JSM 740F(b)
và máy kéo nén vạn năng Shimadzu. ........................................................ 88
Hình 4.17. Đường cong thử kéo của các mẫu đồng Cu99,9 (a) và hợp kim Al7075
(b) sau các lần ép...................................................................................... 89
Hình 5.1. Sự phụ thuộc của hệ số trạng thái ứng suất vào ma sát và góc gấp lịng
khn. ...................................................................................................... 93
Hình 5.2. Hình ảnh thực tế bộ khn ghép có cơ cấu đối áp. .................................... 95
Hình 5.3. Sự thay đổi của lực ép, phụ thuộc vào hành trình ECAP đối với đồng
Cu99,9: a) đối áp q=1 tấn; b) đối áp q = 0,5 tấn; c) khơng có đối áp. ....... 97
Hình 5.4. Sự phụ thuộc của lực ép lớn nhất vào mức độ biến dạng. .......................... 98
Hình 5.5. Sự phụ thuộc của lực ép vào hành trình cho lần ép thứ nhất khi đối áp
thay đổi. ................................................................................................... 99
Hình 5.6. Hình ảnh phơi Cu99,9 và Al7075 sau các lần ép ..................................... 101
Hình 5.7. Hình ảnh một số dạng sai hỏng. .............................................................. 101
Hình 5.8. Ảnh hưởng của đối áp đến chất lượng của phôi ép: a) ép không đối áp và
b) ép có đối áp. ....................................................................................... 102
Hình 5.9. Ảnh hiển vi mẫu đồng Cu99,9 đã ủ, x200 và x500. ................................. 102
Hình 5.10. Ảnh hiển vi Cu99,9 đã ép 2 lần, x500 và x1000. ................................... 103
Hình 5.11. Ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược mẫu đồng Cu99,9 ép 4 lần. ............. 103

Hình 5.12. Ảnh TEM mẫu đồng Cu99,9 sau ép 4 lần. ............................................. 104
Hình 5.13. Mơ hình hình thành tổ chức siêu hạt và các đường biên phân hạt. ......... 105
Hình 5.14. Sơ đồ mơ tả lệch nêm được tạo bởi hiệu ứng của tập hợp lệch. ............. 106
Hình 5.15. Mặt phá hủy của Cu 99,99 đã ép 4 lần................................................... 106
Hình 5.16. Độ cứng của Cu99,9 và Al7075 sau các lần ép...................................... 107
Hình 5.17. Giới hạn chảy và giới hạn bền sau các lần ép Cu99,9 ............................ 107
Hình 5.18. Giới hạn chảy và giới hạn bền sau các lần ép Al7075............................ 108

xiii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. Thông số của vật liệu đồng, hợp kim nhôm và titan .................................. 59
Bảng 4.1. Thành phần hóa học hợp kim nhơm Al7075 (% khối lượng)..................... 72
Bảng 4.2. Thành phần hóa học đồng sạch Cu99,9 (% khối lượng) ............................ 73
Bảng 4.3. Độ cứng phôi Al7075 và đồng sau ủ. ........................................................ 73
Bảng 4.4. Lực ép (P, KN) phụ thuộc hành trình, khơng có đối áp ............................. 83
Bảng 4.5. Lực ép (P, KN) phụ thuộc hành trình, đối áp 5KN .................................... 83
Bảng 4.6. Lực ép (P, KN) phụ thuộc hành trình, đối áp 10 KN ................................. 84
Bảng 4.7. Mẫu thử kéo Cu 99,9 sau các lần ép ECAP khác nhau. ............................. 88
Bảng 4.8. Mẫu thử kéo hợp kim Al7075 khi đã qua số lần ép ECAP khác nhau. ...... 88
Bảng 4.9. Kết quả thử kéo mẫu đồng Cu99,9 sau ép ................................................. 89
Bảng 4.10. Kết quả thử kéo mẫu hợp kim nhôm Al7075 sau ép................................ 90
Bảng 4.11. Độ cứng mẫu đồng Cu99,9 ..................................................................... 91
Bảng 4.12. Độ cứng mẫu hợp kim nhôm Al7075 ...................................................... 91
Bảng 5.1. Sự phụ thuộc của giới hạn chảy vào hệ số trạng thái ứng suất. .................. 94
Bảng 5.2. So sánh áp lực ép tính tốn, mơ phỏng và thực nghiệm........................... 100

xiv

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị

Ứng suất pháp

MPa

x, y, z

Ứng suất pháp theo các phương x, y, z

MPa

1, 2, 3

Ứng suất chính

MPa

Ứng suất tiếp

MPa

Ứng suất tiếp theo các mặt

MPa




xy, yz, zx

Biến dạng dài

-

Biến dạng dài theo các phương x, y, z

-



Biến dạng góc

-

p

Áp lực kim loại lên dụng cụ

MPa



Thành phần ứng suất thủy tĩnh

MPa


x, y, z

Tσ, Ts, Dσ

.

Ten xơ ứng suất, Ten xơ cầu, Ten xơ lệch

-

Biến dạng tương đương

s-1



Tốc độ biến dạng tương đương

nσ

Hệ số trạng thái ứng suất

-

n

Chỉ số hóa bền biến dạng

-

K

Mơ đun hóa bền

-

k

Trở lực biến dạng cắt

MPa

f

Hệ số ma sát Coulomb

-

m

Hệ số ma sát Zibel

-

Ψ

Góc mở vùng biến dạng

rad

lptm

Lập phương tâm mặt

-

lptk

Lập phương tâm khối

-

spxc

Sáu phương xếp chặt

-

xv


Chữ viết tắt
ARB

Viết đầy đủ
Kỹ thuật cán dính tích luỹ / Accumulative Roll Bonding

BDD

Biến dạng dẻo

CCDF

Kỹ thuật rèn khn kín lặp lại / Cyclic Closed-Die Forging

CEC
CFAE

Kỹ thuật ép tuần hoàn / Cyclic Extrusion Compression
Kỹ thuật đùn ép liên tục bằng ma sát /
Continuous Frictional Angular Extrustion

CG
ECAE

Hạt thô / Coase Grain
Kỹ thuật đùn trong kênh gấp khúc tiết diện không đổi /
Equal Channel Angular Extrusion / Pressing

ECAP

Kỹ thuật ép trong kênh gấp khúc tiết diện không đổi /
Equal Channel Angular Pressing

ECAR

Kỹ thuật cán trong kênh gấp khúc thiết diện không đổi /
Equal Channel Angular Rolling

HPT

Kỹ thuật xoắn dưới áp lực cao / High Pressure Torsion

LFS

Kỹ thuật chẻ dòng dọc / Linear Flow Splitting

LXVM

Lỗ xốp tế vi

MDF

Kỹ thuật rèn đa phương / Multi Directional Forging

PTHH

Phần tử hữu hạn

RCS

Kỹ thuật gấp và làm thẳng lặp lại /
Repetitive Corrugating and Straightening

SPD
SE

Biến dạng dẻo mãnh liệt / Severe Plastic Deformation
Kỹ thuật đùn xoắn quanh trục / Spin Extrusion

SEM

Kính hiển vi điện tử quét / Scanning Electron Microscope

SPTS

Biến dạng dẻo xoắn mãnh liệt dưới áp lực /
Severe Plastic Torsion Straining

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua /
Transmission Electron Microscope

VBD

Vùng biến dạng

VTT

Vùng tích tụ (ứng suất dư)

UFG

Hạt siêu mịn / Ultra-fine grain

xvi


MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Hiện nay, sự xuất hiện của nhiều loại vật liệu có độ bền cao nhưng vẫn đủ dẻo đảm
bảo tính gia cơng tốt đang đáp ứng nhu cầu phát triển các ngành công nghiệp cơ khí
chế tạo hiện đại. Trong q trình sản xuất ra nhiều loại vật liệu tiên tiến có đặc tính cơ
lý cao hơn, các phương pháp gia cơng, xử lý nhằm thay đổi tổ chức tế vi theo hướng
nâng cao tính chất cơ học, cải thiện đặc tính gia cơng cũng như tính năng sử dụng của
vật liệu mang đã lại hiệu quả kinh tế rất cao.
Trong số các phương pháp chế tạo và gia công vật liệu tiên tiến đã được nghiên cứu
phát triển thì cơng nghệ tạo hình biến dạng vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn và na nơ
mét để nâng cao các tính chất cơ học là một trong những hướng mũi nhọn.
Biến dạng dẻo ở trạng thái nguội thơng thường có thể làm nhỏ hạt, tuy nhiên biến
dạng dẻo mãnh liệt (SPD) kim loại và hợp kim với cường độ biến dạng cao và mức độ
biến dạng lớn đạt được tổ chức hạt tinh thể mịn, siêu mịn và nanômét thể khối là loại
cơng nghệ đặc thù địi hỏi những điều kiện cơng nghệ phức tạp cần được nghiên cứu.
Cho tới nay đã có nhiều cơng trình cơng bố về kết quả nghiên cứu quan hệ mật thiết
giữa cấu trúc siêu mịn và na nơ mét với các tính chất cơ - lý điển hình có được sau q
trình SPD.
Cùng với nhiều kỹ thuật SPD đã được quan tâm ứng dụng, đa số các cơng trình cơng
bố tập trung đề cập đến các hiện tượng đạt được về tính chất, tổ chức vật liệu. Trong
phạm vi kỹ thuật tạo hình, các vấn đề về thiết bị, cơng nghệ địi hỏi những nghiên cứu
lý thuyết và thực nghiệm chuyên sâu để nghiên cứu mức độ biến dạng lớn, áp lực thủy
tĩnh cao và ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng sản phẩm thu được, nhằm tiến tới
áp dụng vào sản xuất.
2. Mục đích của luận án
 Nghiên cứu q trình ứng dụng phương pháp cơ học để chế tạo vật liệu khối có
cấu trúc siêu mịn và na nơ.

1


 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tạo hình trong công nghệ SPD; xem xét ảnh hưởng của
các yếu tố cơng 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 của công nghệ SPD để
làm các thí nghiệm trong luận án, có thể ép nhiều loại vật liệu với kích thước khác
nhau.
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 nghiên cứu công nghệ ECAP-SPD.
 Sự thay đổi tổ chức tế vi và tính chất cơ học vật liệu có cấu trúc lập phương tâm
mặt, cụ thể là một số kim loại và hợp kim thông dụng như Cu99,9; Al7075 v.v.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
 Cơ sở lý thuyết tạo hình ứng dụng cho kỹ thuật ECAP.
 Thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị khuôn và đồ gá phục vụ thực nghiệm.
 Khảo sát chất lượng mẫu ép sau tạo hình, tổ chức tế vi, tính chất cơ học và nguy cơ
phá hủy.
4. Phương pháp nghiên cứu
 Nghiên cứu lý thuyết công nghệ SPD, bổ sung và làm sáng tỏ quá trình tạo hình
vật liệu khi tiến hành SPD.
 Tiến hành mô phỏng và thực nghiệm quá trình ECAP đối với mẫu ép là kim loại
và hợp kim thơng dụng.
 Trên cơ sở tính tốn thiết kế và mơ phỏng để đưa ra các phương án kết cấu và giải
pháp chế tạo hệ thống thiết bị khuôn ép và đồ gá phù hợp nhằm kiểm soát được

2


các thơng số của q trình cơng nghệ. Xây dựng quy trình cơng nghệ, vận hành và
hồn thiện hệ thống thiết bị thực nghiệm đã chế tạo.
 Ứng dụng các thiết bị tạo mẫu, đo kiểm như máy đo độ cứng tế vi, máy kéo nén
vạn năng, kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử để đánh giá tổ chức thu
được sau ECAP.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
5.1. Ý nghĩa khoa học
 Hệ thống hóa và làm rõ cơng thức tính các thơng số cơng nghệ cho từng trường
hợp ECAP cụ thể.
 Ứng dụng các mô hình có sẵn về q trình phân hạt để so sánh kết quẩ nghiên cứu
lý thuyết và thực nghiệm trong cơng nghệ tạo hình.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
 Hệ thống thiết bị khuôn và đồ gá đã thực nghiệm thành cơng có thể phục vụ cho
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 phục
vụ cho đào tạo lý thuyết và thực hành đại học và sau đại học.
 Nội dung khoa học của luận án có thể tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu 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 nơ mét.
6. Kết quả đạt được và các đóng góp mới của luận án
1. Đưa ra và làm rõ công thức lý thuyết và xây dựng các công thức thực nghiệm để so
sánh, tính tốn các thơng số tạo hình vật liệu.
Áp dụng kỹ thuật cắt khn, ghép khn khác nhau trong thiết kế chế tạo và trong
nghiên cứu mơ hình hóa và mơ phỏng số q trình bằng phương pháp PTHH, cho
phép phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của phôi và xác định các thành phần
lực tác dụng lên các vùng tùy ý của khuôn.

3


2. Hệ thống thiết bị và khn có kết cấu hợp lý, đáp ứng yêu cầu công nghệ ECAP.
Hệ thống khuôn ghép được chế tạo để nghiên cứu thực nghiệm có độ cứng vững
cao thực hiện được các chức năng công nghệ đặc thù: cơ cấu điều chỉnh lực đối áp;
cơ cấu quy chuyển lực ma sát từ tiêu cực thành tích cực, tăng khả năng chịu lực
của chày… Khn ghép có thể ép được các vật liệu cứng, khó biến dạng. Hệ thống
khn được nhóm tác giả dự kiến đăng ký bản quyền giải pháp hữu ích.
3. Bước đầu làm rõ thêm bản chất biến dạng mãnh liệt và những yêu cầu tạo ra vật
liệu siêu mịn và na nơ mét trong q trình tạo hình SPD, mở ra khả năng xây dựng
biểu đồ tính dẻo và áp dụng mơ hình tốn, mơ hình vật lý cho q trình phân hạt và
thay đổi cơ tính trong phạm vi mức độ biến dạng lớn và điều kiện áp lực thủy tĩnh
cao.
Q trình chảy dẻo trong ECAP được phân tích bằng phương pháp nghiệm tốc độ
gián đoạn và phương pháp giải phương trình vi phân gần đúng. Bằng hai phương
pháp này các cơng thức tính chỉ số trạng thái ứng suất, trở lực biến dạng và mức độ
biến dạng được xác định. Kết hợp và so sánh với các phương pháp đường trượt,
phương pháp định trị cho thấy các công thức được thiết lập dựa trên cơ sở lý luận
đúng đắn và có độ chính xác cao làm phong phú cơ sở lý thuyết, đảm bảo độ tin
cậy cho tính tốn thiết kế thiết bị, khuôn và đồ gá công nghệ.

4


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

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

Cơng nghệ tạo hình biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) có mục đích chế tạo vật liệu kim
loại và hợp kim kết cấu dạng khối có tổ chức tinh thể hạt mịn với đường kính trung
bình, dtb = (1  10) µm, siêu mịn (UFG) với dtb < 1 µm hoặc nanơmet với dtb < 50 nm.
Với tổ chức như vậy, các vật liệu này có những tính chất ưu việt, cụ thể là giới hạn
bền, giới hạn chảy và độ dai phá hủy cao. Kích thước hạt càng nhỏ thì cơ tính của nó
càng tăng, đặc biệt với kích thước hạt na nơ mét cơ tính vật liệu thay đổi đột biến [1].
Sự phụ thuộc của giới hạn chảy vào đường kính hạt tinh thể của một số mác thép được
trình bày trong hình 1.1, [17].

Hình 1.1. Mối quan hệ giữa giới hạn chảy của thép
và kích thước hạt tinh thể.
Các nghiên cứu đã khẳng định rằng q trình biến dạng nói chung và biến dạng ở
nhiệt độ thấp làm cho kích thước hạt trung bình của vật liệu kim loại giảm xuống đáng
kể và như vậy làm cho tính chất của chúng thay đổi. Q trình tăng biến dạng ln
làm cho hạt nhỏ, tuy nhiên đối với kim loại và hợp kim thông thường chỉ biến dạng

5


được (70÷80) %. Nếu biến dạng tiếp sẽ xuất hiện các vết rạn và nứt tế vi dẫn đến phá
hủy vật liệu.
Các phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) nhờ có đặc thù riêng của q trình
biến dạng trong điều kiện áp lực thủy tĩnh cao nên khắc phục được vấn đề trên, mức
độ biến dạng có thể tới (800  900) %. Cũng theo [1], nhiều nghiên cứu sâu trong thời
gian qua đã chứng tỏ phương pháp SPD là một trong những phương pháp hữu hiệu để
tạo ra vật liệu khối có cỡ hạt siêu mịn. SPD được định nghĩa là quá trình tạo hình kim
loại với mức độ biến dạng rất lớn, đối với vật rắn dạng khối và có thể làm nhỏ hạt
trong q trình gia cơng [8, 9]. Muốn vậy, q trình biến dạng phải thực hiện ở nhiệt
độ dưới điểm kết tinh lại.
Trong các phương pháp tạo hình kim loại truyền thống như cán, rèn, ép chảy… ở

trạng thái nguội thì mức độ biến dạng dẻo (BDD) nói chung nhỏ hơn 200% và phải
thực hiện các khâu ủ trung gian để biến dạng tiếp. Mặt khác khi thực hiện nhiều lần
(cán, kéo và ép chảy…) để mức độ BDD lớn hơn 200% thì chiều dày và đường kính
sản phẩm thay đổi, trở nên rất nhỏ và khơng thích hợp làm các chi tiết kết cấu. Yêu
cầu đối với SPD một mặt phải tạo ra được mức độ biến dạng rất lớn với kim loại và
hợp kim ở dạng khối nhưng không làm thay đổi kích thước và hình dạng [1].
1.2. Tổ chức đa tinh thể kim loại và sự thay đổi trong quá trình SPD
Phương pháp SPD có thể làm thay đổi và tạo nên tổ chức na nô hạt tinh thể trong
những vật liệu khác nhau. Tuy nhiên kích thước hạt đạt được và đặc tính của sự hình
thành tổ chức na nơ phụ thuộc vào việc áp dụng những kỹ thuật SPD, chế độ biến
dạng, cấu trúc pha và tổ chức tế vi ban đầu của vật liệu. Trong khoa học và kỹ thuật
vật liệu, ba vấn đề tổ chức, tính chất và cơng nghệ chế tạo có quan hệ mật thiết với
nhau. Dưới đây sẽ phân tích các đặc trưng tổ chức, tính chất và thảo luận các bước
cơng nghệ để đạt được kích thước hạt nhỏ nhất đối với vật liệu khác nhau khi chế tạo
bằng phương pháp SPD và coi công nghệ chế tạo là vấn đề then chốt tạo ra sự phát
triển tổ chức tế vi trong quá trình biến dạng mãnh liệt. Ngày nay, vật liệu có tổ chức
siêu mịn và na nô mét đã được tạo ra đối với một số kim loại, hợp kim nhờ việc ứng
dụng các kỹ thuật SPD khác nhau.
6


Trong công nghệ SPD bằng kỹ thuật ép xoắn (SPTS), đối với vật liệu kim loại sạch kỹ
thuật có thể tạo ra tổ chức hạt siêu mịn với kích thước trung bình trong phạm vi (100 
300) nm. Trên hình 1.2, tương phản nhãn trường sáng và tối quan sát được bằng kính
hiển vi điện tử truyền qua (TEM), thể hiện tổ chức na nô mét tiêu biểu của đồng
99,98%, tạo ra bằng q trình SPTS ở nhiệt độ phịng, với biến dạng thực ε = 700% và
áp lực đặt p = 7 GPa, [10, 11].

Hình 1.2. Tổ chức hạt na nô mét của đồng khảo sát bằng TEM
(a) nhãn trường sáng, (b) nhãn trường tối, (c) phân bố kích thước hạt

Hình 1.2 cho thấy biên hạt rất dễ nhận dạng, như là những đường cong hoặc vân gợn
sóng. Song cũng có những hạt với những đường biên khơng được rõ nét ảnh vi nhiễu
xạ thường nhòa do tồn tại ứng suất dư khá lớn bên trong khi đó sự biến dạng đàn hồi
của mạng tinh thể, có thể liên quan đến sự chuyển dịch bên trong hạt và tại biên hạt,
nhờ đó mà vật liệu có tổ chức na nô mét và không bị phá hủy.
Trong những hợp kim chịu SPD, tổ chức cuối cùng được quyết định không chỉ bởi lộ
trình ép mà cịn bởi tổ chức tế vi ban đầu. Sự hình thành tổ chức na nơ mét trong dung
dịch rắn một pha xảy ra giống như ở những kim loại sạch, sự khác biệt chỉ là kích
thước hạt.
Q trình SPD của thép cacbon cao (1,2 %C) cũng là một ví dụ về sự hình thành tổ
chức na nơ mét với những tính chất cơ học siêu bền. Ở trạng thái bình thường (hình
1.3a) thép có tổ chức peclit với một lượng dư xementit [12]. Quá trình SPTS (ε = 7 và
p = 6 GPa) đã dẫn đến hình thành tổ chức phân tán mạnh với kích thước hạt 20 nm

7


(hình 1.3b) và sự hồ tan hết xementit. Tổ chức na nô mét xuất hiện trong dung dịch
rắn quá bão hồ cácbon của pha .

Hình 1.3. Tổ chức của thép cacbon cao 1,2 %C:
(a) trạng thái tổ chức ban đầu; (b) sau SPD ở nhiệt độ phòng.
Trong những chất bán dẫn, như Ge và Si, có mạng tinh thể kiểu kim cương, áp dụng
quá trình SPTS cũng dẫn đến hình thành tổ chức phân tán ở mức độ cao (hình 1.4)
[13, 14]. Trong hình, Si có tổ chức na nơ mét tạo ra bởi biến dạng xoắn mãnh liệt,
khảo sát bằng TEM.

Hình 1.4. Tổ chức na nơ mét, tạo ra bởi biến dạng xoắn mãnh liệt trong Si:
(a) nhãn trường sáng, (b) nhãn trường tối, (c) phân bố kích thước hạt

Phân tích ảnh nhãn trường tối cho thấy tổ chức na nô mét của Ge và Si được mô tả
phân bố kích thước hạt trung bình tương ứng là 24 và 17 nm. Ngồi ra, sự biến đổi đa
hình được phát hiện ở Ge và Si với tổ chức na nô mét chế tạo bằng biến dạng xoắn
mãnh liệt dưới áp lực 7 GPa.
Trong vật liệu tổ hợp nền kim loại việc áp dụng phương pháp SPD cũng dẫn tới tạo
thành tổ chức na nô mét. Đặc biệt, một trong những phương pháp chế tạo na nô
8