Luận án TS Nguyễn Đăng Khoa: Công nghệ SPD biến đổi cấu trúc, tính chất 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 &KX\rQQJjQK Công nghệ tạo hình vật liệu 0mVӕFhuyên ngành:  /8Ұ1È17,ӂ16Ƭ. HỒ CHÍ MINH NĂM 2018 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 &KX\rQQJjQK Công nghệ tạo hình vật liệu 0mVӕFhuyên ngành:  Phản biện độc lập 1: PGS.

Đinh Văn Chiến Phản biện độc lập 2: PGS. Nguyễn Việt Hùng Phản biện 1: PGS. Nguyễn Đắc Trung Phản biện 2: PGS. Đặng Vũ Ngoạn Phản biện 3: PGS.

Nguyễn Ngọc Hà NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. Đào Minh Ngừng 2. 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 TÓM TẮT LUẬN ÁN Luận án gồm có 5 chương, nội dung tóm tắt như sau: Chương 1: Giới thiệu về công 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 nô, trong đó nghiên cứu sâu về kỹ thuật tiêu biểu của loại hình công nghệ này, đó là ép trong kênh gấp khúc có thiết diện không đổi (Equal Channel Angular Pressing – ECAP). Những vấn đề còn tồn tại cần giải quyết để hoàn 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 soát 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 thông số chính của quá 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 công nghệ ECAP là một quá 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 quá trình chảy dẻo trong vùng biến dạng, qua đó tính được các thông 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 mô hình ma sát khác nhau: a) quy luật Zibel; b) quy luật Coulomb và mô 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. Chương 3: Nghiên cứu mô hình hóa và mô 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 công nghệ để thực hiện được quá 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, nhôm Al7075 và titan kỹ thuật, phôi có thiết diện tròn và vuông đã được thực hiện, các thông 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.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 công nghệ vật liệu cơ khí, Khoa Cơ khí; Bộ môn Kim loại và hợp kim, Khoa Công nghệ vật liệu, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh; Bộ môn 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 phòng thí nghiệm, viện nghiên cứu trong và ngoài 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 tôi về chuyên môn để tôi có thể hoàn thành được luận án. Tôi 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 hoàn thiện luận án. Xin bày tỏ lòng biết ơn đến ba mẹ, toàn 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. vi MỤC LỤC. vii DANH MỤC HÌNH ẢNH. x DANH MỤC BẢNG.

xiv DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. xv MỞ ĐẦU. Lý do lựa chọn đề tài. Mục đích của luận án.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Ý nghĩa khoa học. Ý nghĩa thực tiễn. Kết quả đạt được và các đóng góp mới của luận án.3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN.

Giới thiệu về công nghệ tạo hình biến dạng dẻo mãnh liệt. Tổ chức đa tinh thể kim loại và sự thay đổi trong quá trình SPD. Các ứng dụng của vật liệu sau SPD. Phát triển kỹ thuật thực hiện quá trình SPD.

Các kỹ thuật biến dạng dẻo mãnh liệt. Đặc điểm chung của kỹ thuật biến dạng dẻo mãnh liệt. Khả năng ứng dụng thực tế của công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt. Kết luận chương 1 .21 CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT VÀ ÁP LỰC THỦY TĨNH ĐẾN QUÁ TRÌNH ÉP.

Trạng thái ứng suất và biến dạng của quá trình ECAP. Đặc điểm vùng biến dạng dẻo. Trạng thái biến dạng. Ảnh hưởng của ma sát và áp lực thủy tĩnh đến quá trình ép.

Sự phân bố ứng suất tiếp xúc giữa kim loại và đáy khuôn tại vùng biến dạng .