LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu Hà Nội, ngày tháng TẬP THỂ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Nghiên cứu sinh Phạm Thị Thủy i năm LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Phạm Quang PGS.TS Đào Minh Ngừng người Thầy hướng dẫn giúp định hướng nghiên cứu khoa học suốt thời gian thực luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể cán bộ mơn Kỹ thuật khí, Khoa Cơ Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Lãnh đạo môn đồng nghiệp tạo điều kiện mặt thời gian trang thiết bị để thực suốt q trình làm luận án Tơi xin gửi lời cảm ơn chủ nhiệm đề tài cấp B2016-BKA-26, TS Đặng Thị Hồng Huế, Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội hỗ trợ kinh phí tài liệu cho nội dung nghiên cứu thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Cô Bộ môn Cơ học vật liệu Cán kim loại, Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, kiến thức mà tiếp thu, tích lũy suốt thời gian học tập từ sinh viên đại học tảng khơng thể thiếu để tơi có đủ khả tiếp thu, trau dồi kiến thức phục vụ cho nghiên cứu luận án Tôi xin chân thành cảm ơn thầy phịng Đào tạo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ hướng dẫn tận tình cho tơi mẫu giấy tờ văn suốt q trình học tập hồn thành luận án Để hồn thành luận án khơng thể khơng nhắc tới hỗ trợ khuyến khích tinh thần người thân gia đình bạn bè Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng Nghiên cứu sinh Phạm Thị Thủy ii năm MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xi MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích luận án Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn 5.1 Ý nghĩa khoa học 5.2 Ý nghĩa thực tế Kết đạt đóng góp luận án Chương TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP BIẾN DẠNG DẺO MÃNH LIỆT KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MAGIÊ 1.1 Phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt 1.1.1 Kỹ thuật ép kênh gấp khúc 1.1.2 Kỹ thuật xoắn áp lực cao 1.1.3 Kỹ thuật cán dính 1.1.4 Kỹ thuật ép xoắn 1.1.5 Kỹ thuật gấp – duỗi chu kỳ 10 1.1.6 Kỹ thuật ép cưỡng khuôn rãnh chu kỳ 10 1.2 Magiê hợp kim magiê 14 1.2.1 Đặc điểm magiê hợp kim magiê 14 1.2.2 Khả biến dạng hợp kim magiê AZ31 18 iii 1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng dẻo hợp kim AZ31 19 1.2.3.1 Nhiệt độ biến dạng 20 1.2.3.2 Tốc độ biến dạng 20 1.2.3.3 Ảnh hưởng kích thước hạt đến khả biến dạng dẻo 21 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến phá hủy trình phân hạt vật liệu 23 1.4 Kỹ thuật CGP AZ31 dạng 26 1.5 Kết luận chương 27 Chương 29 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TẠO HÌNH ÉP CƯỠNG BỨC TRONG KHUÔN RÃNH CHU KỲ 29 2.1 Các thông số công nghệ kỹ thuật ép cưỡng khuôn rãnh chu kỳ (CGP) 29 2.2 Trạng thái ứng suất biến dạng trình CGP 33 2.3 Xác định lực ép CGP 37 2.4 Ảnh hưởng tốc độ biến dạng nhiệt độ đến trình biến dạng 39 2.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới trình phân nhỏ hạt 41 2.6 Kết luận chương 45 Chương 47 MƠ PHỎNG SỐ Q TRÌNH ÉP CƯỠNG BỨC TRONG KHUÔN RÃNH CHU KỲ 47 3.1 Các điều kiện công nghệ CGP áp dụng cho mô số 47 3.2 Mơ hình hình học phơi khn 47 3.3 Mô hình hành vi nhiệt vật liệu 48 3.4 Mơ hình chia lưới phần tử hữu hạn điều kiện biên 55 3.5 Kết mô số trình biến dạng CGP 56 3.5.1 Trạng thái ứng suất – biến dạng vùng dẻo 58 3.5.2 Ứng suất thủy tĩnh khả biến dạng phôi 68 3.5.3 Ảnh hưởng yếu tố đến trình CGP 74 3.5.4 Lực biến dạng CGP 76 iv 3.6 Kết luận chương 80 Chương 81 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ÉP CƯỠNG BỨC TRONG KHUÔN RÃNH CHU KỲ 81 4.1 Hệ thống thiết bị thực nghiệm, kiểm tra phân tích 81 4.2 Kỹ thuật chuẩn bị mẫu 83 4.3 Thiết kế chế tạo hệ thống khuôn đồ gá 84 4.3.1 Điều kiện làm việc vật liệu làm khuôn 84 4.3.2 Thiết kế chế tạo hệ thống khuôn đồ gá 85 4.4 Q trình thực nghiệm cơng nghệ CGP 87 4.4.1 Sơ đồ trình thực nghiệm 87 4.4.2 Chuẩn bị xử lý phôi ban đầu 88 4.4.3 Lộ trình ép 89 4.5 Kết thực nghiệm bàn luận 91 4.5.1 Kết nghiên cứu công nghệ thiết bị 91 4.5.2 Sự biến đổi tính hợp kim AZ31 sau CGP 93 4.5.3 Sự biến đổi tổ chức cấu trúc AZ31 96 4.6 Kết luận chương 104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 114 Phụ lục v DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ý nghĩa Ký hiệu Đơn vị y Giới hạn chảy dẻo vật liệu MPa b Giới hạn bền kéo MPa Ứng suất pháp hệ tọa độ Oxyz MPa 1, 2, 3 Ứng suất pháp hệ tọa độ trục O123 MPa xx, yy, zz xy, zx, Ứng suất tiếp hệ tọa độ Oxyz MPa zy T Ten-xơ ứng suất - D Ten-xơ ứng suất lệch - I Ten-xơ đơn vị bậc - Thành phần ten-xơ ứng suất, biến dạng - ik, ik 0 JI, JII Ứng suất thủy tĩnh MPa Bất biến 1, ten-xơ ứng suất -  Góc nghiêng tiếp tuyến đường trượt rad  Góc nghiêng hệ tọa độ trục O123 rad 12, 23, Ứng suất tiếp cực trị trạng thái ứng suất MPa k Hằng số dẻo vật liệu MPa  Mức độ biến dạng -  Biến dạng cắt - 31 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 ứng suất với tốc độ biến - dạng n Chỉ số hóa bền biến dạng -  Hệ số ảnh hưởng nhiệt độ - K Hệ số hóa bền - E Mơ đun đàn hồi MPa E’ Mô đun dẻo MPa G Mô đun trượt MPa  Hệ số Poisson - 𝑏⃗ Véc tơ Burgers - dtb Đường kính trung bình hạt tinh thể µm  Góc nghiêng rãnh khn Độ v Tốc độ chuyển động m/s S Hành trình khn mm Ký hiệu UFG Tiếng việt Cấu trúc hạt siêu mịn Tiếng Anh Ultrafine grained vii SPD Biến dạng dẻo mãnh liệt Severe plastic deformation CGP Kỹ thuật ép cưỡng khuôn rãnh chu Constrained kỳ groove pressing Kỹ thuật ép kênh gấp khúc Equal channel ECAP 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 máy tính Computer aided design ASTM Hệ tiêu chuẩn vật liệu Mỹ American society for testing and materials viii CAE Phần mềm kỹ thuật thiết kế 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 1.1 Tính chất lý magiê [54] 14 Bảng 1.2 Thành phần hóa học hợp kim magiê AZ31 18 Bảng 3.1 Các đặc trưng - lý AZ31 49 Bảng 3.2 Ứng suất chảy dẻo phụ thuộc vào , 𝜀̇ T [78] 50 Bảng 3.3 Thơng số q trình ép thông số vật liệu 52 Bảng 3.4 Thông số vật liệu 53 Bảng 3.5 Giá trị ứng suất chảy theo công thức (3.2) T= 2000C 53 Bảng 3.6 Giá trị ứng suất chảy theo (3.2) tốc độ biến dạng 0,001 s-1 54 Bảng 4.1 Thành phần hóa học thép khn SKD61 84 Bảng 4.2 Tính chất thép SKD61 84 Bảng 4.3 So sánh mức độ biến dạng theo góc nghiêng rãnh khn 86 Bảng 4.4 Bảng thành phần hóa học AZ31 89 x FiXi FiYi FiZi -12.934 -22.088 0.00826 -10.032 -22.289 0.00833 -8.3132 -22.418 0.00838 -7.0526 -22.418 0.00838 -12.934 -12.147 0.00826 -10.09 -12.328 0.00838 -8.4724 -12.564 0.00854 -7.4117 -12.956 0.00881 -6.4251 -13.039 0.00886 -14.081 -2.4011 0.00899 -11.118 -2.4664 0.00923 -9.2633 -2.4943 0.00934 -8.0097 -2.5422 0.00952 -6.9462 -2.5596 0.00958 -6.1104 -2.5925 0.0097 -13.942 -23.81 0.00984 -11.08 -24.619 0.01017 -9.2343 -24.902 0.01029 -7.809 -24.823 0.01026 -6.7155 -24.783 0.01024 -14.464 -13.584 0.01021 -11.295 -13.801 0.01037 -9.5058 -14.097 0.01059 -8.1171 -14.189 0.01066 -7.0094 -14.225 0.01069 -15.011 -2.5596 0.01059 -11.892 -2.6383 0.01092 -9.8517 -2.6527 0.01098 -8.4018 -2.6667 0.01104 -7.345 -2.7065 0.0112 -6.391 -2.7116 0.01122 -5.5882 -2.7191 0.01125 -15.204 -25.965 0.012 -11.892 -26.423 0.01221 -9.8411 -26.539 0.01226 -8.3577 -26.567 0.01228 -15.296 -14.365 0.01207 -12.142 -14.835 0.01247 -10.189 -15.11 0.0127 -8.7169 -15.238 0.0128 -7.5388 -15.3 0.01286 -6.5732 -15.36 0.01291 -15.872 -2.7065 0.01253 -12.522 -2.7779 0.01286 -10.475 -2.8205 0.01305 -8.9496 -2.8405 0.01315 -7.7611 -2.8598 0.01324 -6.7624 -2.8692 0.01328 -470.94 -591.37 0.51571 Phụ lục Quy trình cơng nghệ chế tạo khn CGP 1/ Quy trình cơng nghệ chế tạo nửa nửa khuôn ép rãnh định hướng Bước 1: Phay mặt đáy Bước 2: Định vị vào mặt đáy, phay hai vai Bước 3: Định vị vào mặt đáy, khoan khoét, doa hai lỗ vuông góc với mặt đáy, khoan hai lỗ cịn lại Bước 4: Định vị vào mặt đáy hai lỗ, phay mặt rãnh chu kỳ Bước 5: Khoan hai lỗ dẫn hướng Bước 6: Khoan ba lỗ lắp gia nhiệt Bước 7: Tôi Bước 8: Ram Bước 9: Kiểm tra độ cứng sau ram Bước 10: Mài đạt Rz = 1,25 2/ Quy trình cơng nghệ chế tạo nửa nửa khuôn ép phẳng Bước 1: Phay mặt đáy Bước 2: Định vị vào mặt đáy, phay hai vai Bước 3: Định vị vào mặt đáy, khoan kht, doa hai lỗ vng góc với mặt đáy, khoan hai lỗ lại Bước 4: Định vị vào mặt đáy hai lỗ, phay mặt mặt phẳng khuôn Bước 5: Khoan hai lỗ dẫn hướng Bước 6: Khoan ba lỗ lắp gia nhiệt Bước 7: Khoan, taro bốn lỗ lắp vít giữ chặn Bước 8: Tôi Bước 9: Ram Bước 10: Kiểm tra độ cứng sau tôi, ram Bước 11: Mài đạt Rz = 1,25 Lắp ráp gá khuôn máy giai đoạn cuối q trình chế tạo khn Đặc điểm trình lắp ráp, kiểm tra gá khuôn máy chia làm nhiều giai đoạn khác chung nhiệm vụ mục đích liên kết phận khn thành khn hồn chỉnh Những sai sót q trình lắp ráp dẫn đến hư hỏng khuôn nên người ta phải thực yêu cầu khuôn Tất chi tiết khuôn kiểm tra trước lắp ráp như: kích thước, dung sai phải đảm bảo nằm miền cho phép, kích thước vị trí tương quan, độ bóng, độ nhám với vẽ chế tạo Sau lắp ráp khn xong phải tiến hành kiểm tra tồn kết cấu kích thước khn để phát sai sót q trình lắp ráp Tiến hành ép thử vài sản phẩm để thông qua đánh giá chất lượng lắp ráp, hình dáng, kích thước yêu cầu khác sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật chất lượng lắp ráp khuôn tốt Phụ lục Bản vẽ thiết kế chi tiết khuôn CGP Khuôn ép chế tạo với kích thước vùng làm việc lịng khn vẽ chi tiết từ hình 0.1 đến hình 0.4 Hình 3.1 Bản vẽ chi tiết khn ép rãnh Hình 3.2 Bản vẽ chi tiết khn ép rãnh Hình 3.3 Bản vẽ chi tiết khn ép phẳng Hình 3.4 Bản vẽ chi tiết khn ép phẳng b) a) c) Hình 3.5 Bộ khn CGP trước nhiệt luyện a) Khuôn ép rãnh trước nhiệt luyện b) Khuôn ép phẳng trước nhiệt luyện c) Bộ khuôn lắp ráp trước nhiệt luyện 10 Phụ lục Tính tốn nhiệt cơng suất đốt hệ thống gia nhiệt khuôn Bộ gia nhiệt làm điện trở (dây điện trở), nhiệt tỏa từ bề mặt dây xác định theo cơng thức [83] Q =I2Rt, đó: I cường độ dòng điện, A; R – điện trở dây, Ω t – thời gian, s Một yếu tố quan trọng xác định điều kiện dây nung thông số nhiệt độ, định tuổi thọ làm việc dây Nhiệt độ cực đại cho phép dây phụ thuộc vào chất lượng vật liệu chế tạo dây nên dây cần đảm bảo độ bền nhiệt, tính chịu nóng, khơng thay đổi kích thước theo thời gian Các vật liệu chế tạo cần có tính học, dễ gia cơng chế tạo dây Vật liệu chế tạo cần có đủ điện trở để kích thước dây, dây khơng lớn, dễ bố trí khn đồng thời hệ số nhiệt độ làm thay đổi điện trở phải nhỏ Đa phần vật liệu chế tạo dây nung hợp kim chúng có giá trị nhỏ hệ số nhiệt độ, làm tăng điện trở so với kim loại [26] Khn ban đầu có nhiệt độ nhiệt độ phịng khoảng 250C, làm việc khn cần gia nhiệt giữ ổn định khoảng nhiệt độ 250 ÷ 1500C, tùy theo nhiệt độ phôi cần ép Năng lượng nhiệt cần thiết để đưa khuôn từ 250C lên 2500C là: Q = m.C.t, m khối lượng khuôn, kg; C - nhiệt dung riêng kim loại làm khuôn, J/Kg.K; t - độ chênh nhiệt độ, K Với kích thước khn theo vẽ khn có khối lượng khoảng 10,5 kg, nhiệt dung riêng thép SKD61 = 460 J/Kg.K, độ chênh nhiệt độ t = 250 - 25 = 2250C  Q= 10,5.460.225 = 1086750 J Tính đến thất nhiệt khoảng 10% nên nhiệt lượng thực tế cần khoảng QT = Q + 0,1.Q = 1195425 J Mặt khác, nhiệt lượng sinh có mối quan hệ với điện trở, cường độ dòng điện thời gian gia nhiệt Nếu yêu cầu làm việc khoảng 35 phút =2100 s khuôn đạt 2500C Công suất cần đạt P xác định sau:  P = I2.R = QT /t = 1195425/ 2100 = 569,25 W 11 Phụ lục Bảng qui đổi cấp độ hạt, ký hiệu mẫu ảnh tổ chức tế vi AZ31 Bảng 5.1 Qui đổi cấp độ hạt 12 Bảng 5.2 Ký hiệu mẫu soi tổ chức tế vi AZ31 Mẫu Chu kỳ Nhiệt độ ép M1 M2 M3 M4 Không đổi, 250 0C M5 2,5 M6 M6.1 M7 Chu kỳ 1và 2500C, chu kỳ 2300C Chu kỳ 1và 2500C → chu kỳ 2300C Chu kỳ 2500C → Chu kỳ 2200C → chu kỳ 2000C → chu kỳ 1700C Chu kỳ 250 C → Chu kỳ 2200C → chu kỳ 2000C → chu kỳ 1700C → chu kỳ 1500C 13 Lộ trình ép A B Mẫu (X1000) Mẫu (X600) 14 Mẫu (X1000) Mẫu (X600) 15 Mẫu (X500) Mẫu 5.1 (X2000) 16 Mẫu (X300) Mẫu 6.1 (X600) 17 Mẫu (X2400) Mẫu 7.1 (X420) 18 ... với hiệu cao Vì vậy, luận án lựa chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu tạo cấu trúc siêu mịn cho vật liệu AZ31 kỹ thuật ép cưỡng khuôn rãnh chu kỳ” cho phép tăng cường đặc trưng học vật liệu magie đồng thời... tạo thành công cấu trúc siêu mịn cho vật liệu AZ31 dạng Luận án khẳng định tính khả thi việc tạo cấu trúc siêu mịn cho vật liệu AZ31 dạng kỹ thuật ép cưỡng khuôn rãnh chu kỳ điều kiện xảy trình... đánh giá qui luật thay đổi cấu trúc vật liệu AZ31 dạng ép cưỡng theo kỹ thuật CGP 5.2 Ý nghĩa thực tế Áp dụng kỹ thuật CGP, tạo cấu trúc siêu mịn cho vật liệu kim loại màu AZ31 thuộc hệ Mg – Al -