Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
kích thước hạt WC-Co.[1],tr21

kích thước hạt WC-Co.[1],tr21

Tải bản đầy đủ - 0trang

chỉ có thể tạo nên độ biến dạng 80 – 90%, nếu ta tiếp tục cho gia tăng biến dạng sẽ gây

ra các vết rạn nứt tế vi bên trong vật liệu và dẫn đến phá hủy vật liệu. Mặt khác khi ta

thực hiện nhiều lần cán, kéo, ép… để gia tăng biến dạng thì kích thước tiết diện sản

phẩm trở nên rất nhỏ do đó khơng phù hợp để sử dụng trong các chi tiết kết cấu.

Để khắc phục vấn đề trên, các nhà khoa học trên Thế Giới đã nghiên cứu ra một

phương pháp làm nhỏ hạt mới đó là Severe Plastic Deformation (SPD). Nhờ có đặc

thù riêng của quá trình biến dạng trong điều kiện áp lực thủy tĩnh mà phương pháp

SPD có thể tạo nên một độ biến dạng lên đến 800 – 900% mà không gây phá hủy vật

liệu. Và phương pháp SPD vẫn có thể tạo nên một lượng biến dạng cực lớn mà khơng

làm thay đổi tiết diện sản phẩm.

Kích thước hạt của vật liệu sau khi được chế tạo bằng phương pháp SPD thông thường

nhỏ hơn 1 μm, tuỳ thuộc vào việc sử dụng các kỹ thuật khác nhau sẽ cho các kích

thước hạt khác nhau.

Kim loại có hạt siêu mịn tạo bởi phương pháp SPD thể hiện độ bền cao, tới mức có thể

được dùng như là kim loại có độ bền cực cao cùng khả năng tương thích với mơi

trường tốt.

Việc nghiên cứu về vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn được chế tạo bằng kỹ thuật biến

dạng dẽo mãnh liệt SPD đang phát triển với một tốc độ ngày càng tăng. Trọng tâm của

các nghiên cứu hiện nay là tìm hiểu các tính chất của mẫu vật liệu dạng khối lớn của

các kim loại và các hợp kim thông dụng. Hướng sản xuất quy mô lớn đang phát triển,

mặc dù chậm hơn, nhưng rất cần được quan tâm.

3. Ứng dụng của vật liệu UFG sau khi tiến hành SPD:

Mục đích của phương pháp SPD là tạo ra các sản phẩm, chi tiết bằng kim loại có khối

lượng nhẹ, độ bền cao và tương thích với mơi trường. So với phương pháp luyện kim

bột, phương pháp SPD cho phép tạo ra vật liệu nano có độ sạch cao hơn và có thể ứng

dụng cho qui mơ cơng nghiệp.

Các loại bu lơng làm từ hợp kim titan qua q trình ECAP được sử dụng rộng rãi trong

công nghệ chế tạo ôtô và máy bay. Các loại đai ốc siêu nhỏ chế tạo từ thép cacbon

UFG sau khi ECAP

Một số hình ảnh về sản phẩm sử dụng vật liệu UFG sau khi qua SPD:



2



Hình 2: Bu lơng đai ốc độ bền cao bằng hợp kim Ti[4],tr45



Hình 3: Hình dáng bên ngồi và mặt cắt của bu lông siêu nhỏ làm từ thép cacbon

UFG.[5],tr31



Hình 4: Bề ngồi của chi tiết kiểu “Piston” sản xuất từ vật liệu nano Al1420.[6],tr7



Hình 5 : Tấm implants làm từ vật liệu Ti nano.[4],tr23.

3



4. Các phương pháp SPD:

Phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) được định nghĩa là quá trình tạo hình

kim loại với mức độ biến dạng dẻo lớn được đặt vào trong kim loại dạng khối để tạo

ra kim loại có kích thước hạt siêu mịn. Mục đích chính của phương pháp SPD là tạo

chi tiết có độ bền và nhẹ tương thích với môi trường. So với phương pháp luyện kim

bột, phương pháp SPD cho phép tạo ra vật liệu nano có độ sạch cao hơn và có thể ứng

dụng cho qui mơ công nghiệp.

Trong phương pháp SPD, kim loại và hợp kim được biến dạng dẻo mãnh liệt bằng

nhiều kỹ thuật khác nhau. Các kỹ thuật thường dùng là kỹ thuật ép qua kênh có tiết

diện khơng đổi (ECAP); kỹ thuật xoắn dưới áp lực cao (HPT); kỹ thuật cán dính tích

lũy (ARB); kỹ thuật rèn đa chiều (MF); kỹ thuật kéo nén chu kì (CEC)…

4.1 Các kỹ thuật chính trong phương pháp SPD:

a) Kỹ thuật ép trong kênh gấp khúc tiết diện không đổi (ECAP):

Phương pháp ECAP được biết đến lần đầu tiên vào năm 1977, phương pháp này được

nghiên cứu bởi nhà khoa học người Nga Segal. ECAP là một trong những kỹ thuật

thích hợp cho phép tạo được vật liệu nano để nâng cao cơ tính cho kim loại giòn và

kém bền như Titan có kích thước hạt siêu mịn và có thể phát triển ở quy mơ cơng

nghiệp.

Ưu điểm lớn nhất của kỹ thuật ECAP là cho phép chế tạo mẫu với kích thước lớn, tính

kinh tế và công nghệ cao – dễ thực hiện. Trong phương pháp này, biến dạng được tạo

thành bằng cách lặp đi lặp lại quá trình ép vật liệu trong kênh gấp khúc. Vì tiết diện

kênh khơng đổi nên tiết diện phơi ban đầu cũng khơng thay đổi do đó sản phẩm cuối

cùng có cấu trúc tương đối đồng nhất và khơng có hiện tượng rỗ xốp.



Hình 6: Sơ đồ minh họa kỹ thuật ECAP.[3],tr15

4



Một số kỹ thuật ECAP thông thường được sử dụng như kỹ thuật đùn mặt. Trong kỹ

thuật đùn mặt, q trình gia cơng với biến dạng trượt thuần túy có thể lặp lại trong vật

liệu, vì thế cường độ biến dạng dẻo lớn được sinh ra bên trong vật liệu mà khơng làm

thay đổi kích thước mặt cắt ngang của phơi. Những kỹ thuật này còn có tên là ECAE –

đùn trong kênh gấp khúc có tiết diện khơng đổi hoặc ECAP.

Kỹ thuật ECAP sử dụng khn có thiết kế với hai thơng số hình học đặc trưng là góc

kênh



và góc lượn



, trong đó góc kênh



là góc giao nhau giữa hai kênh và góc



lượn



là góc biểu thị phần cung ngoài nối giữa hai rãnh giao nhau của kênh kép



trong khuôn.

Độ biến dạng tương đương εN sau N lần ép được xác định bởi công thức:



ε=



1 

φ ψ 

 φ ψ 

2

cot

+

+

ψ

cos

ec





÷

 + ÷

2

2

3





 2 2 



Trong đó ε là tổng biến dạng, Ψ là góc lượn ngồi của kênh, Φ là góc kênh.



Hình 7: Sơ đồ minh họa kỹ thuật ECAE.[3],tr55

Kỹ thuật ECAP cũng tương tự kỹ thuật đùn mặt nhưng ở đây mẫu được ép một phía

(từ trên xuống) qua 2 kênh có tiết diện khơng đổi

Kênh bị uốn cong qua một góc 90 o, mẫu đưa vào trong kênh và được ép qua khuôn

bằng một chày ép. Trong kỹ thuật này mẫu được ép nhiều lần theo những lộ trình khác

nhau. Ở đây có bốn lộ trình cơ bản trong kỹ thuật ECAP. Trong lộ trình A, mẫu được

ép mà khơng xoay; trong lộ trình B A mẫu bị xoay 90o qua lại giữa các lần ép liên tiếp;

trong lộ trình BC mẫu bị xoay 90o theo chiều kim đồng hồ sau mỗi lần ép; trong lộ

trình C mẫu bị xoay 180o sau mỗi lần ép.

5



Hình 8: Các lộ trình ép cơ bản trong ECAP.[4],tr22

Hiện tại phương pháp ECAP được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu cải tiến

thành nhiều dạng như: ECAD, ECAR, ECAE, I-ECAP…

Dựa trên kỹ thuật ECAP thông thường, các cải tiến nhằm đạt được cấu trúc nano tốt

hơn được nghiên cứu. Cải tiến đầu tiên là sử dụng áp suất ngược (back – pressure)

trong khuôn ECAP để tạo biến dạng trượt lớn, ngăn sự hư hỏng của phôi và tăng lượng

tổng biến dạng lên sau từng lần ép.

Với cùng nguyên lý hoạt động như kỹ thuật ECAP, người ta cải tiến bằng cách giảm số

lần lặp lại việc ép mẫu trong khuôn bằng việc tăng số lần gấp khúc của kênh trong

khn (hình 1.5). Sử dụng kênh gấp khúc hai lần, biến dạng trong một lần ép đạt được

gấp đôi và năng suất của kỹ thuật ECAP tăng lên. Ép theo hai hướng khác nhau với

năng lượng của chày ép bằng nhau có thể được sử dụng cho các q trình lặp lại.

Trong quá trình này, tổng biến dạng tăng 2, 3 lần sau một lần ép.



Hình 9: Mơ tả sơ đồ kỹ thuật ECAP với

áp suất ngược.[4],tr23



6



Hình 10: Sơ đồ mơ tả kỹ thuật

ECAP với kênh được gấp khúc 2

lần.[4],tr26



Ngồi ra còn có thể sử dụng khn xoay (rotary – die) để loại bỏ những hạn chế trong

kỹ thuật ECAP thông thường (như mẫu phải được đẩy ra khỏi khuôn và được chèn lại

sau mỗi giai đoạn). Khuôn bao gồm hai kênh với cùng tiết diện, tại tâm chỗ giao nhau

sử dụng góc phù hợp. Ở lần đầu tiên, mẫu được đưa vào khn bằng một chày dập như

hình 11(a), và sau khi ép mẫu như trong hình 11(b), khn được xoay 90 o, và mẫu

được ép lại lần nữa như hình 11(c). Bằng cách sử dụng dụng cụ ECAP này, mẫu có thể

được ép bằng chày A với áp suất ngược từ chày B, tương tự như việc sử dụng áp suất

ngược.



Hình 11: Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật ECAP sử dụng khuôn xoay.[4],tr33

b) Kỹ thuật xoắn ép áp lực cao (HPT):

Kỹ thuật HPT được phát minh bởi Valiev vào năm 1989, trong phương pháp này, một

đĩa rất mỏng bị ép trong khn kín bởi áp suất cực cao, lực xoắn từ chày ép tác động

vào bởi ma sát tiếp xúc tại bề mặt giữa chày và đĩa.



Hình 12: Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật HPT.[4],tr45

7



Nguyên lý của kỹ thuật HPT được thể hiện trong hình 12. Mẫu dùng để thử nghiệm có

đường kính 10 mm, bề dày 0,8 mm và kích thước hạt ban đầu khoảng 50 μm. Dụng cụ

gồm 2 phần gồm đe trên và đe dưới được làm bằng thép dụng cụ có độ bền cao với bề

mặt rãnh hình trụ (có đường kính 10 mm và sâu 0,25 mm) được nitrat hóa và gia cơng

cẩn thận ở trung tâm mỗi đe. Mẫu được đặt trong rãnh này và được bôi trơn bằng

MoS2. Khi áp tải vào, mẫu thí nghiệm có sự thay đổi nhỏ về chiều dày (khoảng 0,78

mm). Quá trình sản xuất bằng kỹ thuật HPT được tiến hành ở nhiệt độ phòng bằng

cách xoay đe dưới với tốc độ 1 vòng/phút so với đe trên, và dưới tải đặt vào 470 kN

tương ứng với áp lực đưa vào P = 6,0 GPa.

Đối với hợp kim Al – Mg – Sc, một vài mẫu bị biến dạng xoay 5 lần và những mẫu

khác được biến dạng xoay 1 lần theo hướng tiến về phía trước và 2 lần xoay ngược

chiều. Đối với Cu nguyên chất, tất cả các mẫu được biến dạng xoay 5 lần theo cùng

một hướng.

Nhược điểm của phương pháp này là mẫu ép ở dạng đĩa nhỏ và khơng thích hợp sản

xuất các vật liệu lớn dạng khối

Biến dạng khi xoắn được tính theo cơng thức:



ε=

Trong đó



y (r )

2π r

, y (r ) = n

t

3



r: khoảng cách từ trục của mẫu.

n: tốc độ quay.

t: độ dầy của mẫu.



Dựa trên kết quả của các nghiên cứu trước đây, các nghiên cứu hiện tại về HPT đã chú

trọng vào hai chủ đề đặc biệt là sự ảnh hưởng của hướng biến dạng xoắn đến sự hình

thành cấu trúc micro và tiềm năng sử dụng kỹ thuật HPT trong phương pháp SPD.

c) Kỹ thuật cán dính tích lũy (ARB):

Kỹ thuật ARB được Saito và công sự phát minh vào năm 1998. Nguyên lý của quá

trình này là lặp đi lặp lại quá trình cán dính truyền thống các tấm kim loại được chồng

lên nhau. Cụ thể là ta đặt hai tấm kim loại đã được xử lý sạch bề mặt lên nhau, sau khi

qua q trình cán thơng thường hai tấm sẽ dính chặt vào nhau. Tiếp theo tấm kim loại

sẽ được cắt làm đôi theo chiều dài, đem đi xử lý sạch bề mặt, đặt chồng lên nhau và

cán tiếp lần nữa. Việc làm trên sẽ được lặp đi lặp lại nhiều lần không giới hạn và sẽ đat

được lượng biến dạng rất lớn.



8



Hình 13: Sơ

cán dính tích

[4],tr47



đồ ngun lý

lũy ARB.



Biến dạng của q trình ARB sau n chu kỳ có thể được tính như sau:



ε=



3

t

1

ln(r ).r = 1 − = 1 − n

2

t0

2



Trong đó



to: bề dày ban đầu của các tấm kim loại đặt lên nhau.

t: bề dày của tấm kim loại sau khi cán dính.

r: độ giảm bề dày sau mỗi lần cán.

Mục đích của các nghiên cứu hiện tại về kỹ thuật ARB là để tạo ra tấm thép dạng khối

có cấu trúc hạt siêu mịn. Vì những tấm thép này hầu hết là vật liệu kết cấu đòi hỏi phải

có hạt cực mịn để làm tăng độ bền của thép, đồng thời giảm trọng lượng trong các

cơng trình xây dựng mà không cần phải thêm các nguyên tố hợp kim. Đây là một ưu

điểm giúp cho việc tái chế thép phế liệu tốt hơn.

Ngồi 3 kỹ thuật chính trên, các nhà khoa học còn phát minh ra nhiều kỹ thuật khác

như:



Kỹ thuật gấp và làm thẳng lập lại



ε = 4 ln



[(r + t ) / (r + 0.5t )]

3

9



Kỹ thuật rèn ép liên tục trong khn kín (CCDF).



ε =2



ln ( H / W )

3



Kỹ thuật đùn nén liên tục (CEC)



D

ε = 4π ln  ÷

d



Kỹ thuật rèn đa chiều (MDF)…

4.2 Tính chất của vật liệu sau khi thực hiện SPD:

Kim loại sau khi thực hiện quá trình SPD thường có cấu trúc hạt siêu mịn mà các

phương pháp xử lý cơ nhiệt truyền thống không thể nào đạt được. Và như vậy, vật liệu

kim loại SPD thể hiện các tính chất độc đáo và tuyệt vời như có độ bền rất cao so vật

liệu truyền thống với kích thước hạt thơ, và khả năng tương thích với mơi trường tốt.



Hình 14: Hình ảnh SEM bề mặt của Al 7075 qua 4 lần ép.[1],tr25



10



Hình 15: Hình ảnh SEM bề mặt của Al 7075 qua 8 lần ép.[1],tr26

Từ các ảnh chụp vi cấu trúc bằng TEM, các nhà khoa học mong rằng độ cứng và độ

bền kéo của vật liệu kim loại với cấu trúc hạt siêu mịn sẽ cao hơn. Rất nhiều nghiên

cứu khoa học tập trung vào độ bền và độ dẻo của nhiều loại vật liệu kim loại qua nhiều

kỹ thuật SPD. Vật liệu đã qua SPD nói chung là sẽ có độ bền cao so với các vật liệu

truyền thống. Độ bền của vật liệu liên tục tăng khi bị biến dạng và sau đó dần dần bão

hòa. Mặt khác, độ dẻo giảm mạnh khi biến dạng tương đối nhỏ, sau đó giữ nguyên giá

trị hay giảm nhẹ khi biến dạng tăng.



TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Yonghao Zhao, Structures and Mechanical Properties of ECAP Processed 7075 A1

Alloy upon Natural Aging and T651 Treatment, Materials Science & Technology

Division (2004).

[2] Y.H. Zhao, Microstructures & mechanic properties of UFG 7075 Al alloy

processed by ECAP & their evolutions during annealing, Acta Materialia, 2004.

11



[3] Dong Hyuk Shin, Grain elongation in a super plastic 7075 Al alloy, Scripta

Materialia, 1999.

[4] Terry C. Lowe, Outlook for Manufacturing Materials by Severe Plastic

Deformation, Materials Science Forum Vols. 503-504 (2006) pp 355-362.

[5] A. Azushima, R. Kopp, A. Korhonen, D.Y. Yang, F. Micari, G.D. Lahoti, P. Groche,

J. Yanagimoto, N. Tsuji, A. Rosochowski, A. Yanagida (2008), Severe plastic

deformation (SPD) processes for metals, CIRP Annals - Manufacturing

Technology 57 (2008) 716–735.

[6] Phạm Quang, Phùng Trí Điểm, Nguyễn Thị Huyền, Nguyễn Thị Hồng Oanh, Đỗ

Minh Nghiệp và Yong Jin Kim, Mô phỏng số 3D quá trình biến dạng dẻo khi ép

Titan trong kênh gấp khúc không đổi (ECAP), Kỷ yếu Hội nghị Khoa học và Công

nghệ lần thứ 11, HCMUT – 21-23/10/2009.

[7] Saito Y, Tsuji N, Utsunomiya H, Sakai T, Hong RG (1998), Ultra-fine Grained

Bulk Aluminum Produced by Accumulative Roll-bonding (ARB) Process, Scripta

Materialia 39 (9):1221–1227.

[8] Horita Z, Langdon TG, Microstructures and Microhardness of an Aluminum Alloy

and Pure Copper After Processing by HPT, Materials Science and Engineering A

410–411 (2005) 422–425.

[9] Chakkingal U, Suriadi AB, Thomson PF (1998), Microstructure Development

During Equal Channel Angular Drawing of Al at Room Temperature, Scripta

Materialia 39(6):677–684.

[10] Yoon S.C, Phạm Quang, Die design for homogeneous plastic deformation during

ECAP, Journal of Material Processing Technology 187–188 (2007) 46–50.



12



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

kích thước hạt WC-Co.[1],tr21

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×