Luận án: Tối ưu hóa biến dạng siêu dẻo hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V chế tạo vũ khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ LÊ MẠNH HÙNG NGHIÊN CỨU TỐI ƢU HÓA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHI BIẾN DẠNG SIÊU DẺO HỢP KIM Ti-5Al-3Mo-1,5V SỬ DỤNG TRONG CHẾ TẠO VŨ KHÍ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ HÀ NỘI - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ LÊ MẠNH HÙNG NGHIÊN CỨU TỐI ƢU HÓA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHI BIẾN DẠNG SIÊU DẺO HỢP KIM Ti-5Al-3Mo-1,5V SỬ DỤNG TRONG CHẾ TẠO VŨ KHÍ Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9 52 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS Đinh Văn Phong 2. TS Nguyễn Trƣờng An HÀ NỘI - 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong Luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ một công trình nào dƣới dạng một Luận án.

Tác giả Luận án Lê Mạnh Hùng ii LỜI CẢM ƠN Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ngƣời hƣớng dẫn khoa học PGS. Đinh Văn Phong và PGS.TS Nguyễn Trƣờng An đã tận tình giúp đỡ, đã định hƣớng những vấn đề khoa học cho nội dung Luận án và chỉ đạo sát sao về mặt lý thuyết cũng nhƣ thực nghiệm, giúp tôi hoàn thành Luận án này. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Bộ môn GCAL/Khoa Cơ khí, Phòng Sau đại học, HVKTQS, các đồng nghiệp trong và ngoài Quân đội đã tạo điều kiện và giúp đỡ về mọi mặt để Tác giả hoàn thành đƣợc Luận án. Cuối cùng Tác giả cũng bày tỏ lòng biết ơn đến những ngƣời thân trong gia đình, các đồng nghiệp đang làm việc tại Viện Công nghệ, Tổng cục CNQP, đã động viên, tận tình giúp đỡ tôi trong thực hiện các thí nghiệm để tôi hoàn thành Luận án.

Tác giả Luận án Lê Mạnh Hùng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT. vii DANH MỤC BẢNG.

ix DANH MỤC HÌNH ĐỒ THỊ. 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. Titan và hợp kim titan. Kim loại titan.

Các nguyên tố trong hợp kim titan. Phân loại hợp kim titan. Cơ tính của hợp kim titan. Tính công nghệ của hợp kim titan.

Hiệu ứng siêu dẻo của hợp kim titan. Khái niệm và phân loại siêu dẻo. Biến dạng siêu dẻo của hợp kim titan. Những vấn đề nghiên cứu đặt ra.

Kết luận chƣơng 1.24 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT SIÊU DẺO. Phƣơng trình biểu diễn trạng thái siêu dẻo của vật liệu. Các yếu tố ảnh hƣởng đến siêu dẻo. Ảnh hưởng của tổ chức hạt.

Ảnh hưởng của tốc độ và nhiệt độ biến dạng tới siêu dẻo. Xác định độ nhạy cảm của ứng suất với tốc độ biến dạng. Các thuyết về cơ chế biến dạng siêu dẻo. Thuyết trượt của lệch (biến dạng trong hạt).

Thuyết giả ổn định pha. Thuyết kết tinh lại động. Thuyết trượt trên biên giới hạt. Kết luận chƣơng 2.46 Chƣơng 3: THỰC NGHIỆM CHUẨN BỊ TỔ CHỨC HẠT NHỎ CHO VẬT LIỆU.

Các phƣơng pháp tạo tổ chức hạt nhỏ. Ép vật liệu qua kênh gấp khúc tiết diện không đổi. Phương pháp xoắn dưới áp lực cao. Phương pháp ép chu kỳ trong khuôn kín.

Phương pháp cán dính tích lũy. Phương pháp ép chảy xoắn. Ép đùn qua lại. Phương pháp uốn - duỗi liên tục.

Phương pháp tách dòng tuyến tính. Lựa chọn phƣơng án tạo tổ chức và tính toán biến dạng cho vật liệu nghiên cứu. Phân tích lựa chọn phương án tạo tổ chức. Các bước công nghệ ép chu kỳ trong khuôn kín.

Xác định kích thước phôi, mức độ biến dạng khi ép. Mô phỏng quá trình biến dạng CCDF. Mô phỏng quá trình CCDF bằng phần tử hữu hạn. Mục đích của mô phỏng.

Mô hình mô phỏng. Kết quả mô phỏng. Chuẩn bị nội dung thực nghiệm. Mục đích và vật liệu thực nghiệm.

Nội dung thực nghiệm. Phương pháp sử dụng để nghiên cứu. Thực nghiệm xác định chế độ làm nhỏ hạt vật liệu. Lựa chọn các thông số nghiên cứu.

Lựa chọn các thiết bị, phương tiện nghiên cứu. Kết quả thực nghiệm. Ảnh hưởng các thông số cơ nhiệt đến tổ chức hợp kim titan. Khảo sát cơ tính của mẫu sau ép chu kỳ trong khuôn kín.

Thực nghiệm kiểm chứng hàm tối ưu về kích thước hạt. Kết luận chƣơng 3.77 Chƣơng 4: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ BIẾN DẠNG SIÊU DẺO HỢP KIM Ti-5Al-3Mo-1,5V. Mục đích, yêu cầu và nội dung thực nghiệm. Nội dung thực nghiệm.

Mẫu, thiết bị và dụng cụ thực nghiệm. Thực nghiệm xác định chế độ siêu dẻo hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V. Xây dựng bài toán thực nghiệm. Tiến hành thực nghiệm.

Kết quả thực nghiệm. Ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đến ứng suất chảy và độ giãn dài tƣơng đối hợp kim nghiên cứu. Xây dựng các phương trình hồi quy. Xét ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới ứng suất chảy.

Xét ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới độ giãn dài tương đối. Tối ưu hóa các thông số công nghệ. Thực nghiệm kiểm chứng tối ưu về độ giãn dài tương đối. Bàn luận kết quả.

Ảnh hƣởng biến dạng siêu dẻo đến tổ chức và độ cứng của mẫu. Kết luận chƣơng 4.95 KẾT LUẬN CHUNG. 96 vi DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO .106 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1.

Danh mục chữ viết tắt Chữ viết Nguồn gốc Dịch nghĩa tắt SPD Sever Plastic Deformation Biến dạng dẻo mãnh liệt UFG UltraFine Grained Hạt siêu mịn SPF Superplastic forming Biến dạng siêu dẻo GBS Grain Boundary Sliding Trƣợt biên giới hạt Ép qua kênh gấp khúc tiết ECAP Equal Channel Angular Pressing diện không đổi HPT High Pressure Torsion Xoắn dƣới áp lực cao CCDF Cyclic Closed Die Forging Ép chu kỳ trong khuôn kín ARB Accumulative Roll Bonding Cán dính tích lũy TE Twist Extrusion Ép chảy xoắn CEC Cyclic Extrusion Compression Ép đùn qua lại Cyclic Repetitive Corrugating and RCS Uốn - duỗi liên tục Straightening BDD Biến dạng dẻo GCAL Gia công áp lực SD Siêu dẻo METL Máy ép thủy lực QHTN Quy hoạch thực nghiệm PTHH Phƣơng pháp phần tử hữu hạn HVKTQS Học viện Kỹ thuật Quân sự TCCNQP Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng PKTT Phòng không tầm thấp viii 2. Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa b, Rm MPa Giới hạn bền , A % Độ giãn dài tƣơng đối , Z % Độ co thắt tƣơng đối 0,2, Rp0,2 MPa Giới hạn chảy s MPa Ứng suất chảy aK N.m/cm2 Độ dai va đập F N Lực M N.m Mô men  Mức độ biến dạng logarit ̇ s-1 Tốc độ biến dạng  g/cm3 Khối lƣợng riêng o T C Nhiệt độ o Tnc C Nhiệt độ nóng chảy o Tbd C Nhiệt độ biến dạng T o C/s Độ quá nguội/ quá nung m Hệ số nhạy cảm của ứng suất chảy với tốc độ biến dạng d m Kích thƣớc hạt trung bình ̅ mm2 Diện tích trung bình của hạt G Chỉ số kích thƣớc hạt l0 mm Chiều dài ban đầu của mẫu H mm Chiều cao mẫu W mm Chiều dày mẫu Phƣơng sai tái sinh của hàm Sres2 Phƣơng sai dƣ của hàm N Số lƣợng thí nghiệm F Chuẩn số Fischer ix DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Một số mác hợp kim titan alpha. Một số mác hợp kim titan (α+β).

Một số mác hợp kim titan Beta. Cơ tính của hợp kim titan. Mức độ biến dạng qua các chu kỳ ép. Giá trị ζmax của các trƣờng hợp khác nhau.

Giá trị lực ép lớn nhất ở mỗi lần ép. Thành phần hóa học của hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V. Ma trận thực nghiệm. Kế hoạch thực nghiệm.

Quan hệ giữa số hạt đếm đƣợc với các thông số khác. Kết quả kích thƣớc hạt của các mẫu thí nghiệm. Ma trận thực nghiệm và kết quả. Giá trị kích thƣớc hạt theo thực nghiệm và tính toán.

Giá trị giới hạn bền của các mẫu thử. Ma trận thực nghiệm kéo trong điều kiện siêu dẻo. Kết quả thực nghiệm kéo trong điều kiện siêu dẻo. Đƣờng kính hạt trung bình của các mẫu sau khi kéo siêu dẻo.

Độ cứng mẫu ban đầu và sau khi kéo siêu dẻo. 94 x DANH MỤC HÌNH ĐỒ THỊ Hình 1. Ảnh hƣởng của các nguyên tố tới nhiệt độ chuyển biến thù hình của titan. Sự phụ thuộc của giới hạn chảy hợp kim titan.

Mối quan hệ giữa δ và nhiệt độ của các hợp kim titan. Ảnh hƣởng của tốc độ cắt đến nhiệt độ của dao. Động cơ tên lửa nhiên liệu rắn chế tạo từ hợp kim BT20. Cốc các đăng (a); Thân con quay (b); Đáy động cơ hành trình (c) và Ống lồng nguồn mặt đất (d) trong tên lửa PKTT.

Sự phụ thuộc của tốc độ thay đổi tiết diện vào độ lớn của nó. Biểu đồ đƣờng cong siêu dẻo của các kim loại. Sự phụ thuộc của ứng suất chảy của hợp kim Д19 vào tốc độ biến dạng và kích thƣớc hạt ở nhiệt độ T = 490 oC. Mối quan hệ giữa lực kéo và thời gian khi thay đổi tốc độ kéo.

Hình dạng của hạt trƣớc (đƣờng đứt nét) và sau khi xảy ra hiện tƣợng dão - khuếch tán. Biến dạng dão – khuyếch tán của một đơn tinh thể. Sự tạo thành một nút trống (hình vuông tô đậm) do một nguyên tử thoát ra trên bề mặt tinh thể. Phân vùng biến dạng theo tốc độ biến dạng.

Sự thay thế liền kề khi biến dạng siêu dẻo. Mô hình sắp xếp của Lee. Mô hình sắp xếp Ashby - Verrall. Mô hình thêm hạt Gifkins.

Sự trƣợt của hai tinh thể trên bề mặt không phẳng. Thích ứng theo sơ đồ đàn hồi. Thích ứng theo sơ đồ khuếch tán. Thích ứng theo sơ đồ biến dạng dẻo nhỏ.

Đóng góp của các cơ chế trong quá trình biến dạng siêu dẻo của hợp kim MA8 (a) và AM6 (b) trong vùng tốc độ khác nhau (I-III). Một số sơ đồ ép qua kênh gấp khúc. Sơ đồ nguyên lý xoắn dƣới áp lực cao. Ép chu kỳ trong khuôn kín.

Phƣơng pháp cán tính lũy. Sơ đồ nguyên lý phƣơng pháp ép chảy xoắn. Sơ đồ nguyên lý ép đùn qua lại. Phƣơng pháp RCS.

Sơ đồ nguyên tắc tách dòng. Kết cấu khuôn ép. Các bƣớc trong một chu kỳ ép. Bản vẽ phôi ban đầu.

Mô hình hình học (a) và mô hình vật liệu (b) .