Luận án: Tạo cấu trúc siêu mịn cho vật liệu AZ31 bằng kỹ thuật ép cưỡng bức trong khuôn rãnh chu kỳ - TS. Phạm Thị Thủy

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong các công trình nghiên cứu nào. Hà Nội, ngày tháng năm TẬP THỂ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Nghiên cứu sinh Phạm Thị Thủy i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Phạm Quang và PGS.

Đào Minh Ngừng là những người Thầy đã hướng dẫn và giúp tôi định hướng trong nghiên cứu khoa học trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể cán bộ bộ môn Kỹ thuật cơ khí, Khoa Cơ Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Lãnh đạo bộ môn và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện về mặt thời gian và trang thiết bị để tôi thực hiện trong suốt quá trình làm luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn chủ nhiệm đề tài cấp bộ B2016-BKA-26, TS.

Đặng Thị Hồng Huế, Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hỗ trợ kinh phí và tài liệu cho các nội dung nghiên cứu thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô của 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, những kiến thức mà tôi được tiếp thu, tích lũy trong suốt thời gian học tập tại đây từ khi là sinh viên đại học là nền tảng không thể thiếu để tôi có đủ khả năng tiếp thu, trau dồi kiến thức mới phục vụ cho các nghiên cứu trong luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô của phòng Đào tạo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ và hướng dẫn tận tình cho tôi các mẫu giấy tờ văn bản trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận án. Để hoàn thành luận án này không thể không nhắc tới sự hỗ trợ và khuyến khích về tinh thần của những người thân trong gia đình và bạn bè.

Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm Nghiên cứu sinh Phạm Thị Thủy ii MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT. vi DANH MỤC CÁC BẢNG. x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. xi MỞ ĐẦU.

Lý do 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 tế. Kết quả đạt được và các đóng góp mới của luận án. 4 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP BIẾN DẠNG DẺO. 4 MÃNH LIỆT KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MAGIÊ.

Phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt. Kỹ thuật ép trong kênh gấp khúc. Kỹ thuật xoắn áp lực cao. Kỹ thuật cán dính.

Kỹ thuật ép xoắn. Kỹ thuật gấp – duỗi chu kỳ. Kỹ thuật ép cưỡng bức trong khuôn rãnh chu kỳ. Magiê và hợp kim magiê.

Đặc điểm của magiê và hợp kim magiê. Khả năng biến dạng của hợp kim magiê AZ31. Các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng dẻo của hợp kim AZ31. Nhiệt độ biến dạng.

Tốc độ biến dạng. Ảnh hưởng của kích thước hạt đến khả năng biến dạng dẻo. Các yếu tố ảnh hưởng đến phá hủy và quá trình phân hạt vật liệu. Kỹ thuật CGP đối với AZ31 dạng tấm.

Kết luận chương 1. 29 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TẠO HÌNH ÉP CƯỠNG BỨC TRONG KHUÔN RÃNH CHU KỲ. Các thông số công nghệ của kỹ thuật ép cưỡng bức trong khuôn rãnh chu kỳ (CGP). Trạng thái ứng suất biến dạng của quá trình CGP.

Xác định lực ép trong CGP. Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng và nhiệt độ đến quá trình biến dạng. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân nhỏ hạt. Kết luận chương 2.

47 MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH ÉP CƯỠNG BỨC TRONG KHUÔN RÃNH CHU KỲ. Các điều kiện công nghệ CGP áp dụng cho mô phỏng số. Mô hình hình học của phôi và khuôn. Mô hình hành vi cơ nhiệt của vật liệu.

Mô hình chia lưới phần tử hữu hạn và các điều kiện biên. Kết quả mô phỏng số quá trình biến dạng CGP. Trạng thái ứng suất – biến dạng trong vùng dẻo. Ứng suất thủy tĩnh và khả năng biến dạng của phôi.

Ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình CGP. Lực biến dạng trong CGP. Kết luận chương 3. 81 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ÉP CƯỠNG BỨC TRONG KHUÔN RÃNH CHU KỲ.

Hệ thống thiết bị thực nghiệm, kiểm tra và phân tích. Kỹ thuật chuẩn bị mẫu. Thiết kế chế tạo hệ thống khuôn và đồ gá. Điều kiện làm việc và vật liệu làm khuôn.

Thiết kế chế tạo hệ thống khuôn và đồ gá. Quá trình thực nghiệm công nghệ CGP. Sơ đồ quá trình thực nghiệm. Chuẩn bị và xử lý phôi ban đầu.

Lộ trình ép. Kết quả thực nghiệm và bàn luận. Kết quả nghiên cứu về công nghệ và thiết bị. Sự biến đổi cơ tính hợp kim AZ31 sau CGP.

Sự biến đổi tổ chức cấu trúc AZ31. Kết luận chương 4.104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO.107 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 1 v DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị y Giới hạn chảy dẻo của vật liệu MPa b Giới hạn bền kéo MPa xx, yy, Ứng suất pháp trong hệ tọa độ Oxyz MPa zz 1, 2, 3 Ứng suất pháp trong hệ tọa độ trục chính O123 MPa xy, zx, Ứng suất tiếp trong hệ tọa độ Oxyz MPa zy T Ten-xơ ứng suất - D Ten-xơ ứng suất lệch - I Ten-xơ đơn vị bậc 2 - ik, ik Thành phần ten-xơ ứng suất, biến dạng - 0 Ứng suất thủy tĩnh MPa JI, JII Bất biến 1, 2 của ten-xơ ứng suất -  Góc nghiêng tiếp tuyến đường trượt rad  Góc nghiêng hệ tọa độ trục chính O123 rad 12, 23, Ứng suất tiếp cực trị của trạng thái ứng suất MPa 31 k Hằng số dẻo của vật liệu MPa  Mức độ biến dạng -  Biến dạng cắt - vi ɛeff Biến dạng hữu hiệu - ε̇ Tốc độ biến dạng s-1 mz Hệ số ma sát Zibel - f Hệ số ma sát Coulomb - m Hệ số nhạy cảm của ứng suất với tốc độ biến - dạng n Chỉ số hóa bền biến dạng -  Hệ số ảnh hưởng của nhiệt độ - K Hệ số hóa bền - E Mô đun đàn hồi MPa ’ E Mô đun dẻo MPa G Mô đun trượt MPa  Hệ số Poisson - ⃗ Véc tơ Burgers - dtb Đường kính trung bình của hạt tinh thể µm  Góc nghiêng rãnh khuôn Độ v Tốc độ chuyển động m/s S Hành trình của khuôn mm Ký hiệu Tiếng việt Tiếng Anh UFG Cấu trúc hạt siêu mịn Ultrafine - grained vii SPD Biến dạng dẻo mãnh liệt Severe plastic deformation CGP Kỹ thuật ép cưỡng bức trong khuôn rãnh chu Constrained kỳ groove pressing ECAP Kỹ thuật ép trong kênh gấp khúc Equal channel angular pressing HTP Kỹ thuật ép xoắn áp lực cao High-pressure torsion ARB Kỹ thuật cán dính tích lũy Accumulative roll-bonding TE Kỹ thuật ép xoắn Twist extrusion FSP Kỹ thuật ép khuấy ma sát Friction stir processing RCS Kỹ thuật rèn đa chiều Repetitive corrugation and straightening CAD Phần mềm thiết kế trên máy tính Computer aided design ASTM Hệ tiêu chuẩn vật liệu của Mỹ American society for testing and materials viii CAE Phần mềm kỹ thuật thiết kế trên máy tính Computer aided engineering HCP Lục giác xếp chặt Hexagonal close package BCC Lập phương tâm khối Body centered cubic FCC Lập phương tâm mặt Face centered cubic SEM Hiển vi điện tử quét - TEM Hiển vi điện tử truyền qua - ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.

Tính chất cơ lý của magiê [54]. Thành phần hóa học của hợp kim magiê AZ31. Các đặc trưng cơ - lý của AZ31. Ứng suất chảy dẻo phụ thuộc vào , ̇và T [78].

Thông số quá trình ép và thông số vật liệu. Thông số vật liệu. Giá trị ứng suất chảy theo công thức (3. Giá trị ứng suất chảy theo (3.2) khi tốc độ biến dạng là 0,001 s.

Thành phần hóa học của thép khuôn SKD61. Tính chất của thép SKD61. So sánh mức độ biến dạng theo góc nghiêng của rãnh trên khuôn. Bảng thành phần hóa học của AZ31.

89 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật ép ECAP. Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật HPT. Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật cán dính ARB.

Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật TE. Sơ đồ kỹ thuật gấp - duỗi chu kỳ. Các bước ép trên rãnh chu kỳ CGP. Cơ chế biến dạng của HCP tinh thể Mg: a) trượt; b) song tinh.

So sánh cường độ chịu lực riêng của các loại vật liệu. Ứng dụng của hợp kim magiê trong các thiết bị điện tử cầm tay và các phương tiện vận tải. Giản đồ pha hệ Mg - Al. Quá trình ép CGP.

Thông số cơ bản của khuôn trên (1), khuôn dưới (3). Sơ đồ phân tách ten-xơ ứng suất trong trạng thái biến dạng phẳng. Ba giai đoạn ép CGP: a) uốn; b) kéo; c) nén. Sơ đồ ứng suất của phôi: a) uốn; b) uốn và kéo; c) nén.

Trường đường trượt và hệ tọa độ trục chính. Sơ đồ biến dạng với sự ảnh hưởng của mô men uốn và lực ép. Ảnh hưởng của chiều dày phôi đến mô men uốn dẻo. Ảnh hưởng của góc nghiêng rãnh khuôn và chiều dày phôi đến lực ép.

Mô hình phân chia hạt do chuyển động của lệch [74]. Mô hình giải thích lệch chêm do hiệu ứng tác dụng của tập hợp lệch. So sánh khuyết tật đường (a) & chuyển động:. Sơ đồ lắp ghép khuôn: (1) nửa khuôn trên, (2) phôi,.

Sự phụ thuộc của ứng suất chảy dẻo vào  và ̇ở 200 C [78].3 Mối quan hệ tuyến tính hóa giữa ln() với ln() và ln(̇) khi nhiệt độ: a) 0 0 0 150 C; a) 200 C và a) 250 C [78]. Sự phụ thuộc ứng suất chảy vào mức độ biến dạng khi: a) T = 250 C, ̇= 0,001 s-1; b) T = 2500C, ̇= 0,01 s-1; c) T = 1500C, ̇= 0,01 s-1; d) T = 2000C và ̇= 0 -1 0,001 s. Sự phụ thuộc cuả ứng suất chảy vào mức độ biến dạng. Sự phụ thuộc của ứng suất chảy vào mức độ biến dạng và nhiệt độ.

Mô hình chia lưới phần tử hữu hạn của khuôn và phôi. So sánh lực tác dụng ở phần cuối hành trình: (a) S = 2,81 mm và (b) S = 3 mm, với T = 150 C và ̇= 0,01 s. Sơ đồ khảo sát các thông số của 20 điểm vật chất ở vùng biến dạng. So sánh biến dạng trên bề mặt tiếp xúc.