Luận văn Nghiên cứu công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt bằng phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục của rulo (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt bằng phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục của rulo (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BIẾN DẠNG DẺO MÃNH LIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP CÁN TÍCH HỢP DAO ĐỘNG DỌCS K C 0 0 3 9 5 9 TRỤC CỦA RULO MÃ SỐ: T2014-30TĐ S KC 0 0 4 8 1 3 Tp. Hồ Chí Minh, 2014
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BIẾN DẠNG DẺO MÃNH LIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP CÁN TÍCH HỢP DAO ĐỘNG DỌC TRỤC CỦA RULO Mã số: T2014-30TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS. Phạm Huy Tuân Thành viên đề tài: ThS. Trần Quốc Cường TP. HCM, 11/2014
3. MỤC LỤC Trang Mục lục I Danh sách các chữ viết tắt III Danh mục các hình IV Danh mục các bảng VI Thông tin kết quả nghiên cứu VII PHẦN A. TỔNG QUAN 1 1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1 2 Tính cấp thiết 9 3 Mục tiêu 9 4 Cách tiếp cận 9 5 Phương pháp nghiên cứu 9 6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10 PHẦN B. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 11 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 1.1 Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn 11 1.2 Phương trình Hall-Petch 13 1.3 Các hiện tượng và các yếu tố ảnh hưởng đến độ hạt của kim loại khi gia công 14 biến dạng dẻo 14 1.4 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS 18 CHƯƠNG 2. CÁC MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ THÔNG SỐ TRONG QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG TWVR BẰNG FEM 24 2.1 Các mô hình nghiên cứu 24 2.1.1 Mô hình hình học 24 2.1.2 Mô hình vật liệu 24 2.1.3 Mô hình nhiệt độ 25 2.2 Các thông số trong quá trình mô phỏng TWVR 28 2.2.1 Các thông số về hình học và chuyển động 28 2.2.2 Các thông số vật liệu phôi Al 5052 28 Trang i
4. 2.2.3 Các thông số nhiệt và các thông số khác 29 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG FEM CHO BƯỚC CÁN ĐẦU TIÊN 31 3.1 Thiết kế bản vẽ 2D 31 3.2 Xây dựng mô hình 3D và chia lưới cho phôi 31 3.3 Xây dựng mô hình 3D hoàn chỉnh 33 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN QUA BƯỚC CÁN ĐẦU TIÊN 34 4.1 Sự phân bố biến dạng dẻo tương đương (PEEQ) 34 4.2 Sự giãn rộng của phôi 41 4.3 Nhiệt độ của phôi 42 CHƯƠNG 5. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG FEM VÀ KẾT QUẢ THẢO LUẬN QUA BỐN BƯỚC CÁN 47 5.1 Xây dựng mô hình mô phỏng qua bốn bước cán 47 5.2 Kết quả và thảo luận qua bốn bước cán 49 5.2.1 Sự giãn rộng của phôi 49 5.2.2 Nhiệt độ của phôi 50 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 52 6.1 Kết luận 52 6.1.1 Qua bước cán đầu tiên 52 6.1.2 Qua bốn bước cán 52 6.1.3 Tổng kết 53 6.2 Kiến nghị 53 6.2.1 Các vấn đề còn tồn tại 53 6.2.2 Hướng phát triển của đề tài 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC 1. Ví dụ về “mô phỏng cán 2D” với Abaqus/Explicit 60 PHỤ LỤC 2. Hướng dẫn cao học 63 PHỤ LỤC 3. Bài báo tham dự hội nghị, tạp chí trong và ngoài nước 64 PHỤ LỤC 4. Bản sao thuyết minh đề tài đã được phê duyệt 65 Trang ii
5. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT SPD : Severe Plastic Deformation ECAP : Equal Channel Angular Pressing HTP : High-pressure torsion ARB : Accumulative Roll-Bonding RCS : Repetitive Corrugation and Straightening ECAR : Equal Channel Angular Rolling ECAP-Comform: Equal Channel Angular Pressing-Conform HRDSR : High-Ratio Differental Speed Rolling TWVR : Through-Width Vibration Rolling FEM : Finite Element Method CAE : Computer Aided Engineering CAD : Computer Aided Design ASTM : American Society for Testing and Materials Trang iii
6. DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp gia công áp lực truyền thống 2 Hình 2 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD nhóm thứ nhất (a) ECAP; (b) HPT 3 Hình 3 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD trong nhóm hai 4 Hình 4 Quá trình cán tích hợp dao động ngang của trục cán (TWVR) 7 Hình 5 Quá trình thực nghiệm TWVR 8 Hình 6 Sự biến thiên độ bền trong phương pháp TWVR 8 Hình 1. 1 Ảnh hưởng của lệch trong các hạt có kích thước khác nhau đến độ bền của vật liệu 13 Hình 1. 2 Sai lệch điểm trong mạng tinh thể 14 Hình 1. 3 Lệch trong mạng tinh thể 15 Hình 1. 4 Sai lệch mặt trong mạng tinh thể 16 Hình 1. 5 Giao diện làm việc của Abaqus 6.10 (2010) 21 Hình 1. 6 Sơ đồ khối thông tin yêu cầu của phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus 22 Hình 2. 1 Mô hình hình học của TWVR 24 Hình 2. 2 Sơ đồ mô hình nhiệt và điều kiện biên nhiệt của quá trình TWVR. 26 Hình 2. 3 Các đường cong ứng suất-biến dạng của Al 5052 trong TWVR 29 Hình 3. 1 Bản vẽ 2D cho bước cán đầu tiên 31 Hình 3. 2 Phôi được chia (a) 1800 phần tử; (b) 5120 phần tử; (c) 19200 phần tử 32 Hình 3. 3 Mô hình 3D hoàn chỉnh ở bước cán đầu tiên 33 Hình 4. 1 Sự phân bố biến dạng dẻo tương đương 35 Hình 4. 2 Biến dạng dẻo tương đương của thớ phôi nằm giữa phôi khi cán qua bước đầu tiên 39 Hình 4. 3 Đồ thị PEEQ max qua bước cán đầu tiên 40 Trang iv
7. Hình 4. 4 Đồ thị kết quả sự giãn rộng của phôi cán qua bước cán đầu tiên 41 Hình 4. 5 Nhiệt độ phôi khi cán qua bước đầu tiên ứng với các biên độ dao động 45 Hình 4. 6 Kết quả nhiệt độ qua bước cán đầu tiên 46 Hình 5. 1 Bản vẽ 2D cho bốn bước cán 47 Hình 5. 2 Mô hình 3D hoàn chỉnh qua bốn bước cán 48 Hình 5. 3 Đồ thị kết quả sự giãn rộng của phôi cán qua bốn bước cán 49 Hình 5. 4 Kết quả nhiệt độ phôi qua bốn bước cán 50 Hình 6. 1 Kết quả biến dạng dẻo tương đương trường hợp biên độ dao động trục cán dưới là 1,5 mm: (a) phương pháp TWVR; (b) phương pháp mới 54 Hình 6. 2 Kết quả nhiệt độ của phôi trường hợp biên độ dao động trục cán dưới 55 Trang v
8. DANH MỤC CÁC BẢNG BẢNG Trang Bảng 2. 1 Mô đun đàn hồi E, hệ số Poisson ν của Al 5052 29 Bảng 2. 2 Các thông số nhiệt và các thông số khác của Al 5052 30 Trang vi
9. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ MÁY Tp. HCM, ngày 7 tháng 11 năm 2014 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt bằng phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục của rulo - Mã số: T2014-30TĐ - Chủ nhiệm: TS. Phạm Huy Tuân - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: 12 tháng (từ tháng 11/2013 đến tháng 11/2014) 2. Mục tiêu: — Nghiên cứu phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để kiểm chứng với thực nghiệm nhằm tìm hiểu các tác động cơ-nhiệt đã xảy ra trên phôi. — Mục tiêu của đề tài nhằm giải thích hiện tượng biến thiên độ bền của vật liệu theo sự gia tăng biên độ dao động của trục cán. Từ đó đưa ra các đề nghị cải tiến công nghệ bao gồm cả về mặt thiết bị cũng như các thông số gia công cho công nghệ gia công biến dạng dẻo mãnh liệt TWVR. 1. Tính mới và sáng tạo: — Công nghệ gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) với mục đích tạo ra kim loại có hạt siêu mịn nhằm làm tăng độ bền nhưng không làm giảm độ dai va đập đang nhận được rất nhiều sự quan tâm từ các nhà công nghiệp. Một trong những công nghệ SPD vừa mới được nghiên cứu là công nghệ cán có tích hợp dao động dọc trục của rulo (TWVR). Những thực nghiệm ban đầu của công nghệ này chứng minh rằng độ bền kéo của kim loại có thể tăng 18,5% so với phương pháp cán truyền thống. Đây là một con số rất đáng quan tâm để có thể đầu tư thêm công sức nhằm nghiên cứu hoàn thiện công nghệ gia công kim loại này hướng đến mục tiêu chuyển giao công nghệ cho các nhà máy. 2. Kết quả nghiên cứu: Trang vii
10. — Đề tài đã nghiên cứu phân tích kỹ mô hình lý thuyết kết hợp mô phỏng giúp giải thích hiện tượng biến thiên độ bền khi các thông số gia công thay đổi. — Kết quả nghiên cứu giúp cho việc chọn lựa các thông số công nghệ tối ưu hơn khi gia công với các loại vật liệu khác nhau cũng như đã đề xuất thêm những phương pháp gia công SPD mới có thể tiến hành trong tương lai. 3. Sản phẩm: 3.1 Sản phẩm khoa học [1]. Huy-Tuan Pham, Quoc-Cuong Tran, Dung-An Wang, Numerical Analysis of the Through-Width Vibration Rolling Process, The 3rd International Conference on Sustainable Energy, Ho Chi Minh University of Technology, pp. 102-107, 2013. [2]. Pham H.T., Tran Q.C, Wang D.A., Numerical Analysis of the Through-Width Vibration Rolling Process, International Journal of Advanced Transport Phenomena, Vol. 02, No. 01, Jan-Dec 2013, pp. 21-24. [3]. Pham H.T., Tran Q.C., Recent Development for Industrial-Scale Plastic Deformation Processes, The 2nd International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD2014), HCM city University of Technology and Education, Oct. 30th – 31st, HCM city, Vietnam, pp. 151- 156, 2014. [4]. Phạm Huy Tuân, Trần Quốc Cường, Wang Dung An, Nghiên Cứu Quá Trình Biến Dạng Và Trao Đổi Nhiệt Của Công Nghệ Cán Tích Hợp Dao Động Dọc Trục Của Trục Cán, Tạp chí Khoa học & Công nghệ các trường ĐHKT. (Submitted) 3.2 Sản phẩm đào tạo: Hướng dẫn thành công 1 học viên cao học — Tên học viên: Trần Quốc Cường — Ngành : Kỹ thuật cơ khí Khóa: 2012-2014(B) — Tên đề tài : “Nghiên cứu công nghệ SPD sử dụng phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán bằng FEM” — Điểm : 8.8 (Tám tám) 3.3 Sản phẩm ứng dụng — Sản phẩm ứng dụng là bộ code mô phỏng quá trình cán có tích hợp dao động doc trục của rulo bằng phần mềm ABAQUS. 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Trang viii
11. — Đề tài là kết quả hợp tác giữa hai nhóm nghiên cứu của trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM và nhóm nghiên cứu của Giáo sư Wang Dung-An trường National Chung Hsing University, Đài Loan. Mô hình máy thí nghiệm và các kết quả thực nghiệm được tiến hành tại Đài Loan. — Trong tương lai để có thể chủ động hơn trong việc chuyển giao công nghệ, cần tìm kiếm thêm nguồn quỹ nghiên cứu để lắp đặt một hệ thống máy cán theo công nghệ TWVR tại Việt Nam. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) TS. Phạm Huy Tuân Trang ix
12. INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Numerical Analysis of the Through-Width Vibration Rolling Process Code number: T2014-30TĐ Coordinator: Pham Huy Tuan (Ph.D.) Implementing institution: HCMC University of Technology and Education Duration: from November 2013 to November 2014 2. Objective(s): — The through-width vibration rolling (TWVR) process, a novel severe plastic deformation (SPD) technique, is numerically analyzed to verify the experimental results from previous published papers. — The aim of the research is to understand the thermal-deformation interaction occurring inside the sample. This result is then used to explain the nonlinear variation of the tensile strength when the processing parameters are changed. The result of the research could be used as an orientation method to optimize the TWVR processing parameters. 3. Creativeness and innovativeness: — Severe plastic deformation is a technology that can introduce ultrafine-grains (UFG) in materials. UFG is an approach to produce high strength metal alloys which is sufficient in improving mechanical properties of many metallic alloys. The early experimental results of the most recently studied through-width vibration rolling have shown that the tensile strength could be improved 18,5% compared with the conventional rolling process. This interesting improvement is worth to invest more time and effort on this process before it could be transferred to industrial manufacturers. 4. Research results: — The correlation among the plastic deformation, heat generation and dissipation and mechanical properties of Al 5052 alloys processed by a multi-pass TWVR was studied by the coupled thermal-deformation analysis. Trang x
13. — The results of this research offer a virtual manufacturing tool to investigate all the nonlinear properties of TWVR. It is supposed to reduce the cost of tooling, eliminate the need for multiple physical prototypes, and reduce material waste. 5. Products: 5.1 Science product [1]. Huy-Tuan Pham, Quoc-Cuong Tran, Dung-An Wang, Numerical Analysis of the Through-Width Vibration Rolling Process, The 3rd International Conference on Sustainable Energy, Ho Chi Minh University of Technology, pp. 102-107, 2013. [2]. Pham H.T., Tran Q.C, Wang D.A., Numerical Analysis of the Through- Width Vibration Rolling Process, International Journal of Advanced Transport Phenomena, Vol. 02, No. 01, Jan-Dec 2013, pp. 21-24. [3]. Pham H.T., Tran Q.C., Recent Development for Industrial-Scale Plastic Deformation Processes, The 2014 International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD2014), HCM city University of Technology and Education, Oct. 30th – 31st, HCM city, Vietnam, pp. 151-156, 2014. [4]. Phạm Huy Tuân, Trần Quốc Cường, Wang Dung An, Nghiên Cứu Quá Trình Biến Dạng Và Trao Đổi Nhiệt Của Công Nghệ Cán Tích Hợp Dao Động Dọc Trục Của Trục Cán, Tạp chí Khoa học & Công nghệ các trường ĐHKT. (Submitted) 5.2 Education product: — Successfully advise for a graduate student 5.3 Application product: — A computer programming code for the simulation of the through-width vibration rolling process in ABAQUS. 6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability: — The research is a co-operation between two research groups from HCMC University of Technology and Education and National Chung Hsing University, Taiwan. The experiment prototype and machine is installed in Taiwan. — In the future, it is expected that this machine can be built in Vietnam in order to investigate some more processing parameters to perfect this technology. Trang xi
14. PHẦN A. TỔNG QUAN 1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1.1 Các phương pháp gia công áp lực truyền thống Gia công kim loại bằng áp lực thực chất là lợi dụng tính dẻo của kim loại để làm thay đổi hình dạng, kích thước của kim loại dưới tác dụng của ngoại lực. So với phương pháp đúc, gia công biến dạng kim loại tạo ra sản phẩm có độ bền cao hơn, chịu lực tốt hơn, độ chính xác, độ nhẵn bóng bề mặt cao hơn, tiết kiệm kim loại và năng suất lao động cao hơn (Nguyễn Văn Thái, 2006). Trong năm 2012, sản phẩm thép chưa qua gia công toàn cầu đạt 1,54 tỷ tấn ( Điều này kéo theo việc sử dụng một số lượng lớn các phương pháp gia công cho các loại vật liệu nói chung và thép nói riêng. Các phương pháp gia công này bao gồm đúc, rèn, hàn Tuy nhiên, có thể thấy rằng hơn 70% các sản phẩm kim loại được sản xuất bởi công nghệ cán ở dạng này hoặc dạng khác. Vì vậy, có thể thấy tầm quan trọng đặc biệt của các công nghệ cán sử dụng cho việc tạo hình kim loại (Hailiang et al., 2013). Sơ đồ nguyên lý các phương pháp gia công áp lực truyền thống được thể hiện trong Hình 1. (a) (b) (c) 1
15. (d) (e) (f) Hình 1 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp gia công áp lực truyền thống (a) cán; (b) kéo; (c) ép trực tiếp và gián tiếp; (d) rèn khuôn; (e) dập; (f) chồn Nguồn: (Nguyễn Văn Thái, 2006; Võ Trần Khúc Nhã (biên dịch), 2007) Sau khi qua các phương pháp gia công áp lực truyền thống để tạo hình và phôi thì kim loại có xu hướng biến cứng, hóa bền nhưng độ dẻo và độ dai bị giảm hay có xu hướng biến giòn (Nghiêm Hùng, 2010). Vì vậy, hiện nay trên thế giới cũng như ở nước ta đã và đang nghiên cứu công nghệ mới để tạo ra vật liệu có độ bền cao nhưng không làm giảm độ dai của vật liệu. Đó là công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt. 1.2 Các phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (severe plastic deformation – SPD) Các phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) được định nghĩa là các quá trình gia công kim loại với biến dạng dẻo rất lớn để tạo ra kim loại có hạt siêu mịn (kích thước hạt trung bình nhỏ hơn 1 μm). Mục đích của các phương pháp SPD cho việc tạo ra kim loại có hạt siêu mịn là sản xuất ra các chi tiết có khối lượng nhẹ hơn do đặc tính độ bền cao của nó và sự thân thiện với môi trường. Các hạt có kích thước nhỏ làm cho độ bền kéo tăng lên mà không làm giảm độ dai va đập của kim loại, điều này khác so với các phương pháp hóa bền như là xử lý nhiệt (Azushima et al., 2008). Các quá trình gia công SPD có thể được chia thành hai nhóm chính. Nhóm thứ nhất bao gồm các phương pháp SPD cho quá trình gia công các kim loại khối không liên tục như: ép kim loại qua qua góc kênh không đổi (Equal Channel Angular Pressing, ECAP) được đưa ra đầu tiên bởi Segal (1977) và sau đó Valiev, Krasilnikov và Tsenev (1991) đề xuất phương pháp xoắn kim loại dưới áp lực cao (High-pressure torsion, HTP). Nhóm thứ hai bao gồm các phương pháp SPD cho việc gia công liên 2
16. tục kim loại tấm như là: cán dính tích lũy (Accumulative Roll-Bonding, ARB) được nghiên cứu bởi Saito et al. (1998), quá trình lặp lại gấp nếp và nắn thẳng kim loại (Repetitive Corrugation and Straightening, RCS) được khám phá bởi Huang et al. (2001), cán kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Channel Angular Rolling, ECAR) của Lee et al. (2003), quá trình tương ứng ép kim loại qua góc kênh không đổi (Equal Channel Angular Pressing-Conform, ECAP-Comform) của Raab et al. (2004), cán kim loại với vận tốc hai trục cán khác nhau với tỷ lệ cao (High-Ratio Differental Speed Rolling, HRDSR) của Kim et al. (2006) và phương pháp gần đây nhất là cán kim loại với sự tích hợp dao động dọc trục của trục cán (Through-Width Vibration Rolling, TWVR) của Hsieh et al. (2009, 2012). (a) (b) Hình 2 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD nhóm thứ nhất (a) ECAP; (b) HPT Nguồn: (Segal, 1977; Valiev, Krasilnikov và Tsenev, 1991) Nguyên lý gia công của hai phương pháp trong nhóm thứ nhất được thể hiện trong Hình 2. ECAP (Hình 2(a)) là phương pháp đầu tiên của SPD được đưa ra để sản xuất các vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn và đã thu hút được sự nghiên cứu của các nhà khoa học trong những năm gần đây (Valiev et al., 2000; Kim et al., 2004; P.Quang et al., 2009). Trong quá trình ECAP, kim loại được ép qua hai kênh có tiết diện mặt cắt không đổi và giao nhau với một góc Φ. Kim loại bị biến dạng mãnh liệt do bị biến dạng cắt tại khu vực giao nhau của hai kênh (khu vực ABC với góc khuôn Ψ). Trong phương pháp HPT (Hình 2b), kim loại bị nén với áp lực cao đến vài GPa và đồng thời bị biến dạng xoắn. Có thể thấy rằng hai phương pháp này có thể tạo ra được vật liệu 3
17. (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình 3 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp SPD trong nhóm hai (a) ARB; (b) RCS; (c) ECAR; (d) ECAP-Conform; (e) HRDSR; (f) TWVR 4
18. Nguồn: (Saito 1998; Huang 2001; Lee 2003; Raab 2004; Kim 2006; Hsieh, 2009, 2012) với hạt siêu mịn nhưng cả hai đều chưa thể được đưa và sản xuất với quy mô lớn do các nhược điểm như: năng suất thấp và kích cỡ phôi nhỏ. Vì vậy, các phương pháp trong nhóm thứ hai sau đây có thể khắc phục được những nhược điểm trên và có tiềm năng rất lớn cho việc sản xuất các vật liệu có hạt siêu mịn với quy mô lớn. Nhóm thứ hai bao gồm các phương pháp SPD cho việc sản xuất vật liệu có hạt siêu mịn với kim loại tấm phù hợp với quy mô công nghiệp như: ARB, RCS, ECAR, ECAP-Conform, HRDSR và TWVR. Nguyên lý gia công phổ biến của các phương pháp trong nhóm hai chủ yếu dựa vào sự kết hợp của phương pháp cán truyền thống và SPD để phù hợp cho việc sản xuất với quy mô lớn kim loại có hạt siêu mịn và chúng được thể hiện lần lượt trong Hình 3. Các phương pháp như: ARB (Hình 3(a)), RCS (Hình 3(b)), ECAR (Hình 3(c)) và ECAP-Conform (Hình 3(d)) đã được phát triển để tạo ra kim loại có hạt siêu mịn. Tuy nhiên, khả năng ứng dụng của các phương pháp này trong quy mô công nghiệp thấp do quá trình gia công phức tạp, chất lượng bề mặt vật liệu xấu, kích cỡ phôi nhỏ và kim loại bị hạn chế về độ lớn biến dạng. Một phương pháp mới đã được chứng minh là có thể sản xuất các tấm kim loại với bề mặt lớn có cấu trúc hạt siêu mịn là HRDSR, được nghiên cứu bởi Kim et al. (2006). Nguyên lý của phương pháp này được thể hiện trong Hình 3(e). Phương pháp HRDSR là phương pháp cán truyền thống nhưng vận tốc của hai trục cán là khác nhau. Phôi được cán qua duy nhất một bước cán với chiều dày giảm 70%. Phôi bị biến dạng cắt rất lớn và biến dạng khá đồng đều dọc theo hướng chiều dày. Có thể thấy rằng phương pháp HRDSR có tiềm năng rất lớn trong việc gia công hợp kim có độ bền cao như là hợp kim nhôm. Hơn nữa, HRDSR là quá trình gia công liên tục và chỉ yêu cầu qua duy nhất một bước cán để tạo ra cấu trúc hạt siêu mịn bên trong vật liệu. Phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn các phương pháp trước. Tuy nhiên dù chỉ yêu cầu phôi qua một bước cán nhưng chiều dày giảm khá lớn (70%) và trong quá trình gia công thì phôi bị biến dạng cắt chưa đạt hiệu quả cao. Các vấn đề này có thể được khắc phục trong phương pháp được phát triển gần đây nhất là TWVR (Hình 3(f)) sẽ được giới thiệu và nghiên cứu kỹ trong các phần tiếp theo. 5
19. Ngoài các phương pháp trên thì phương pháp cán lạnh (cryorolling) đã được sử dụng gần đây để kết hợp với các phương pháp SPD tạo ra vật liệu có hạt siêu mịn. Cán lạnh là một quá trình xử lý đơn giản ở nhiệt độ thấp mà yêu cầu lực tác dụng tương đối nhỏ để gây ra biến dạng mãnh liệt nhằm tạo ra các đặc tính cấu trúc con vi kết tinh trong các loại vật liệu. Phương pháp sử dụng kỹ thuật cán phôi có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nitơ lỏng được sử dụng rộng rãi để cải thiện các tính chất của các vật liệu. Cán lạnh có thể đáp ứng tốt cho các ứng dụng công nghiệp quy mô lớn của các vật liệu có cấu trúc nanô. Cán lạnh được xác định như là một trong số các con đường tiềm năng để sản xuất các hợp kim nhôm có hạt siêu mịn dạng khối. Độ bền kéo và độ dai của vật liệu được cải thiện do sự loại bỏ quá trình hồi phục của vật liệu trong suốt quá trình cán lạnh. Hơn nữa, cán lạnh có nhiều thuận lợi như việc yêu cầu biến dạng dẻo thấp hơn, quy trình sản xuất đơn giản và khả năng sản xuất vật liệu một cách liên tục (Hailiang et al., 2012). Hiện nay ở nước ta, cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực SPD mà đi đầu và có nhiều công trình nghiên cứu công bố trong nước là Viện Khoa Học Và Kỹ Thuật Vật Liệu thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Những đóng góp trong việc phát triển phương pháp này ở Việt Nam là các nhà khoa học thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội như: GS TS. Nguyễn Trọng Giảng, GS TS. Đỗ Minh Nghiệp, PGS TS. Đào Minh Ngừng, TS. Phạm Quang. Phương pháp SPD được nghiên cứu chủ yếu trong nước là ép kim loại qua góc kênh không đổi (ECAP) vì phương pháp này khá đơn giản và phù hợp với điều kiện nghiên cứu ở nước ta. Các công trình đã được công bố trong nước chủ yếu theo hướng mô hình hóa và mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Phạm Quang, Đào Minh Ngừng và Đỗ Minh Nghiệp, 2010). Một số ít các công trình theo hướng thực nghiệm như: nghiên cứu chế tạo một số hợp kim hệ Ti và Al cấu trúc mịn, siêu mịn và nano bằng phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt đang được thực hiện bởi PGS TS. Đào Minh Ngừng (hướng dẫn) và Nguyễn Đăng Khoa thực hiện từ năm 2011. 1.3 Nhận xét chung và hướng nghiên cứu của đề tài Các phương pháp SPD như: ECAP, HTP, ARB, RCS, ECAR, ECAP-Conform đã tạo ra vật liệu kim loại có hạt siêu mịn với cơ tính tốt nhưng lĩnh vực áp dụng bị giới 6
20. hạn do kích thước có thể của phôi nhỏ (Azushima et al., 2008). Hầu như các quá trình này biến dạng do trượt chưa đủ (HRDSR), chất lượng bề mặt xấu và sự phức tạp trong quá trình gia công (Hsieh et al., 2009, 2012). Một phương pháp SPD mới làm cho độ bền vật liệu cao hơn hẳn các phương pháp trước đã được các nhà khoa học Đài Loan nghiên cứu là phương pháp cán tích hợp dao động ngang của trục cán (Through-Width Vibration Rolling – TWVR, 2009) (Hsieh et al., 2009, 2012). Phương pháp mới này có thể cải thiện đặc tính cơ học của vật liệu do tạo ra thêm được ứng suất cắt tác dụng lên phôi do ma sát giữa phôi và các trục cán khi trục cán dưới dao động dọc theo hướng vuông góc với hướng cán (xem Hình 4). Hai trục cán (rollers) quay ngược nhau và được điều khiển bằng động cơ thủy lực (hydraulic motors). Bên cạnh quay, trục cán dưới đồng thời dao động ngang dọc trục và cũng được điều khiển bởi động cơ thủy lực. Cả hai trục cán đều có đường kính 150 mm và được điều khiển quay với vận tốc không đổi 2 vòng/phút. Trục cán dưới dao động ngang với tần số không đổi 5 Hz và biên độ dao động được thay đổi từ 0 đến 3 mm. Phôi cán có kích thước 100x20x5 mm3. Quá trình này được tiến hành qua 4 bước cán với mỗi bước cán thì chiều dày phôi giảm 40%. Do đó, chiều dày cuối cùng của phôi cán khoảng 0,65 mm. Vật liệu phôi được tiến hành là hợp kim nhôm Al5052. Hình 4 Quá trình cán tích hợp dao động ngang của trục cán (TWVR) Nguồn: (Hsieh et al., 2009, 2012) Một số hình ảnh về quá trình thực nghiệm (xem Hình 5) 7
21. (a) (b) (c) Hình 5 Quá trình thực nghiệm TWVR (a) Máy móc, (b) Gia công, (c) Kết quả bề rộng Nguồn: (Hsieh, 2009) Nhưng kết quả thực nghiệm về sự biến thiên độ bền của vật liệu theo sự gia tăng biên độ dao động của trục cán vẫn chưa được giải thích (xem Hình 6). Hình 6 Sự biến thiên độ bền trong phương pháp TWVR Nguồn: (Hsieh, 2009) Việc nghiên cứu công nghệ này bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM) là rất cần thiết cho việc giải thích vấn đề trên và định hướng để tối ưu các thông số thực nghiệm. Các kết quả của FEM được dùng như là một phương pháp định hướng cho các quá trình thực nghiệm khi phôi được thay đổi về 8
22. S K L 0 0 2 1 5 4