Trong báo cáo cũng đã đưa ra sự phân bố và biến thiên tốc độ biến dạng, sự chênh lệch biến dạng giữa đỉnh và đáy mẫu để đánh giá mức độ đồng đều trong kỹ thuật CFAE.
Mô hình hóa biến dạng góc trong quá trình ép liên tục bằng ma sát bề mặt qua kênh gấp khúc có tiết diện không đổi (CFAE) bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)
Modeling shear deformation during continuous priftional angular pressing by finite element method
Phạm Quang, Đào Minh Ngừng và Đỗ Minh Nghiệp
Khoa Khoa học và công nghệ vật liệu
Trường ĐHBK Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt Hà Nội
Tóm tắt
Đề tài sử dụng phần mềm DEFORMTM 2D trên cơ sở thuật toán phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM) để mô phỏng số quá trình ép liên tục bằng ma sát bề mặt trong kênh gấp khúc tiết diện không đổi (Continuous Frictional Angular Pressing, CFAE) nhằm tạo cấu trúc siêu mịn cho vật liệu nhớ hình hệ Ti-Ni. Kết quả mô phỏng đã cho biết độ lớn của góc nghiêng trên mô hình phân tố biến dạng là 56° (phần đỉnh mẫu) và 32° (phần đáy mẫu) sau một lần ép. Trong báo cáo cũng đã đưa ra sự phân bố và biến thiên tốc độ biến dạng, sự chênh lệch biến dạng giữa đỉnh và đáy mẫu để đánh giá mức độ đồng đều trong kỹ thuật CFAE.
Từ khóa: SPD, ECAP, C2S2, CFAE, FEM, UFG, Nitinol, TiNi.
Abstract
The DEFORM TM 2D commercial software package using finite element method (FEM) to simulate te continuous frictional angular pressing (CFAP) process was applied to bulk ultra – fine grained (UFG) Nitinol alloy system (Ji-Ni). The silation refults indicated the shear strain angles on the modeling deformation element at top (56°) and bottom (32°) of work piece. This report also discussed the distribution and evolution of effective strain rate, the strain difference in the cross section of work piece during CFAP process.
1. Mở đầu
Sự thay đổi tổ chức hạt của vật liệu kim loại trong quá trình biến dạng dẻo được nghiên cứu rộng rãi từ vài thập kỷ trước [1-2]. Đã khẳng định rằng biến dạng ở trạng thái nguội làm cho kích thước hạt trung bình của vật liệu kim loại giảm xuống đáng kể. Do đó, phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt (Severe Plastic Deformation, SPD) được phát triển từ những năm 1970 bởi các nhà khoa học Nga là một trong những phương pháp hữu hiệu để tạo ra vật liệu khối có cỡ hạt siêu mịn (Ultrafine Grained, UFG).
Hình 1. Sơ đồ một số phương pháp SPD
Phương pháp biến dạng dẻo mãnh liệt được định nghĩa là quá trình tạo hình kim loại với mức độ biến dạng rất lớn, áp đặt lên vật rắn dạng khối và có thể làm nhỏ hạt trong quá trình gia công. Kích thước hạt của vật liệu sau khi được chế tạo bằng phương pháp này thông thường nhỏ hơn 1 μm, tuỳ thuộc vào việc sử dụng kỹ thuật nào của SPD (hình 1). Các kỹ thuật này khá đa dạng, ví dụ: kỹ thuật ép trong kênh gấp khúc tiết diện không đổi (Equal Channel Angular Pressing, ECAP) [3-6], kỹ thuật xoắn dưới áp lực cao (High-Pressure Torsion, HPT) [7], kỹ thuật cán dính tích luỹ (Accumulative Roll-Bonding, ARB) [8], kỹ thuật rèn đa chiều (Multi-Directional Forging, MDF) [9], (equal channel multi-angular pressing, ECMAP) [10], kỹ thuật ép đùn xoắn (Twist Extrusion, TE) [11], v.v… đã được phát triển để chế tạo vật liệu khối siêu mịn.
1.1. Kỹ thuật ECAP và CFAE
Trong các phương pháp SPD, kỹ thuật ECAP là phương pháp phổ biến và có nhiều ưu việt. Nguyên lý biến dạng của kỹ thuật ECAP dựa vào cơ chế trượt của biến dạng dẻo, quá trình cắt, trượt đơn này xảy ra trên đường giao giữa hai kênh. Kỹ thuật ECAP có nhiều ưu điểm nổi bật như: (i) biến dạng lớn đạt được bằng cách lặp lại quá trình ép mà không thay đổi hình dạng phôi ban đầu và được phân bố đều trên toàn bộ tiết diện, (ii) Cấu trúc nhận được là đồng nhất, không có hiện tượng rỗ xốp, (iii) có thể áp dụng với nhiều loại vật liệu cấu trúc khác nhau (kim loại, hợp kim biến cứng phân tán, liên kim, composite,…) [12-15] với hình dạng phôi đủ lớn khác nhau và cuối cùng là (iv) với yêu cầu lực ép gia công thấp.
Kỹ thuật ECAP sử dụng khuôn có thiết kế với hai thông số hình học đặc trưng là góc kênh Φ và góc lượn ψ [16]:
trong đó góc kênh (Φ) là góc giao nhau giữa hai kênh và góc lượn (ψ) là góc biểu thị phần cung ngoài nối giữa hai rãnh giao nhau của kênh kép trong khuôn. Trong quá trình ECAP, phôi có thể được ép nhiều lần, trong trường hợp ép vật liệu khó biến dạng, quá trình ECAP được điều chỉnh ở nhiệt độ thích hợp để quá trình biến dạng của phôi được dễ dàng hơn. Trong vài năm trở lại đây, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nghiên cứu các đề tài về kỹ thuật ECAP để chế tạo vật liệu có cấu trúc siêu mịn (Ti và Al) trong chương trình hợp tác nghiên cứu quốc tế giữa TTNC Vật liệu học với Viện KIMS của Hàn Quốc (Korea Institute of Materials Science) và đã có những kết quả công bố trên các tạp chí khoa học trong nước và quốc tế [19].
Tuy nhiên do hạn chế về kích thước mẫu, thao tác thủ công không liên tục nên chỉ thích hợp phục vụ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Một kỹ thuật mới ra đời nhằm đáp ứng được quy mô sản xuất lớn, ứng dụng trong công nghiệp đó là kỹ thuật ép liên tục trên bề mặt (Continuous Confined Strip Shearing, C2S2) [20]. Kỹ thuật này là sự kết hợp của ECAP với biện pháp ép liên tục bằng các phương pháp khác nhau, do đó khắc phục được hạn chế về kích thước và chiều dài của mẫu dùng trong kỹ thuật ECAP. Quá trình thực hiện bằng cách phối hợp rất nhiều quy trình lại với nhau như ép trong kênh không đồng dạng (Dissimilar Channel Angular Pressing, DCAP) [21], cán trong kênh tiết diện không đổi (Equal Channel Angular Rolling, ECAR) [22].
Ngoài ra, kỹ thuật đùn ép liên tục bằng ma sát bề mặt (Continuous Frictional Angular Pressing, CFAE) [23] đã và đang được phát triển nhằm tạo ra vật liệu cấu trúc siêu mịn với hiệu suất cao. Kỹ thuật CFAE là sự kết hợp của ECAP với quá trình đùn ép liên tục vật liệu bằng cách sử dụng ma sát của trục cán qua lực ép lên bề mặt mẫu là đối tượng nghiên cứu trong báo cáo này.
Đề tài sử dụng phần mềm DEFORMTM 2D trên cơ sở thuật toán phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM) để mô phỏng số quá trình ép liên tục bằng ma sát bề mặt trong kênh gấp khúc tiết diện không đổi (CFAE) nhằm tạo cấu trúc siêu mịn cho vật liệu nhớ hình hệ Ti-Ni. Bước đầu nghiên cứu thiết lập mô hình công nghệ ép hợp kim Nitinol bằng phương pháp CFAE tại nhiệt độ 25°C. Mô hình hóa phân tố biến dạng và cấu trúc để thấy được quá trình trượt của các mặt tinh thể thông qua góc nghiêng biến dạng cũng như cơ chế làm giảm kích thước hạt khi mẫu qua góc kênh.
Trong nghiên cứu cũng sẽ đưa ra sự phân bố và biến thiên tốc độ biến dạng và sự chênh lệch biến dạng giữa đỉnh và đáy mẫu để đánh giá mức độ đồng đều trong kỹ thuật CFAE.
