Mô hình hóa biến dạng góc trong quá trình ép liên tục bằng ma sát bề mặt qua kênh gấp khúc…

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Góc nghiêng biến dạng

    Để xác định góc nghiêng biến dạng của mẫu trong quá trình ép ECAP, J. C. Lee [27] đã tiến hành làm thực nghiệm và xác định được góc nghiêng biến dạng là 43,7°. Trong nghiên cứu này đã mô hình hóa phân tố biến dạng để xác định góc nghiêng của các dải biến dạng bằng phương pháp mô phỏng số. Với thiết lập ban đầu là các phân tố hình vuông trên toàn bộ diện tích của mẫu. Góc nghiêng các dải biến dạng trong kỹ thuật ECAP hay CFAE chính là góc hợp bởi phương trượt với mặt cắt ngang của mẫu.

Hình 4. Góc nghiêng biến dạng khi mẫu đi qua các góc kênh sau một lần ép

    Trên hình 4 (a), (b) và (c) là kết quả mô phỏng quá trình chuyển dịch và biến dạng các phân tố hình vuông ban đầu. Ta thấy khi mẫu qua góc kênh 150° (hình 4a), phân tố hình vuông bị biến dạng và nghiêng đi một góc α₁ = 19,7°. Tiếp đó, mẫu qua góc kênh 120° (hình 4b) góc nghiêng này xác định được là α₂ = 56°. Khi mẫu được ép qua góc kênh trong kỹ thuật ECAP các phân tố hình vuông đã bị chuyển hướng đột ngột dẫn tới các cạnh bị xô lệch, có xu hướng kéo dài theo phương trượt và nén lại theo hướng chuyển động của mẫu thành các hình bình hành.

    Theo lý thuyết biến dạng dẻo khi các phân tố bị kéo hoặc nén làm các các mặt tinh thể trong các phân tố trượt lên nhau theo các mặt và phương thuận lợi nhất, gây ra sự chuyển dịch tương đối giữa các mặt nguyên tử tạo thành một dải các mặt trượt khi đi qua góc kênh. Quá trình chuyển dịch này được định hướng và phụ thuộc vào yếu tố hình học (góc kênh, Φ) trong kỹ thuật ECAP. Góc nghiêng thể hiện cho mức độ chuyển dịch này càng lớn thì mức biến dạng càng cao.

    Ngoài ra, kết quả mô phỏng còn cho thấy, góc nghiêng biến dạng vùng đáy mẫu (hình 4c) α₃ (32°) < α₂ (56°), điều đó chứng tỏ vùng đáy mẫu biến dạng ít hơn vùng tâm và phía trên của mẫu. Nguyên nhân là do ảnh hưởng của ma sát giữa mẫu và khuôn làm cho biến dạng tại vùng đáy mẫu nhỏ hơn so với vùng phía trên của mẫu.

    Kết quả mô phỏng này là góc nghiêng của các dải biến dạng của mẫu sau một lần ép. Nếu tiếp tục ép, các mặt tinh thể trong mẫu chịu các lực cắt, uốn hoặc kéo dài tùy thuộc vào các lộ trình ép khác nhau. Quá trình này tiếp tục tạo ra các dải trượt mới với góc nghiêng biến dạng lớn hơn sau mỗi lần ép.

3.2. Phân bố tốc độ biến dạng

Hình 5. Phân bố và biến thiên tốc độ biến dạng

    Hình 5 (a) là phân bố tốc độ biến dạng của mẫu sau khi ép, độ lớn của tốc độ biến dạng được thể hiện bằng màu sắc trên thang đo. Nhận thấy rằng tốc độ biến dạng của mẫu đạt mức cao nhất tại vùng góc kênh 150° (1) và góc kênh 120° (2), nơi xảy ra quá trình trượt mãnh liệt của các mặt tinh thể trong vật liệu và giảm mạnh khi đi qua hai vùng góc kênh này. Để thấy rõ hơn được sự biến thiên của tốc độ biến dạng của mẫu trong quá trình ép đã khảo sát tốc độ biến dạng tại 5 điểm dọc theo chiều dài của mẫu (thể hiện bằng đồ thị trong hình 5 (b)).

    Kết quả nhận thấy rằng mỗi điểm (đặc biệt điểm 2 và 3) đều có 3 đỉnh cao nhất ứng với 3 vùng mẫu chịu tác động mạnh nhất, đó là vùng 1 khi trục cán tịnh tiến xuống mẫu. Tại vùng này, giá trị của tốc độ biến dạng đạt được tương đối nhỏ (< 0,2 s^-1), vùng 2 là vùng mẫu đi qua góc kênh 150°, tốc độ biến dạng đạt giá trị cao nhất ở vùng này ≈ 0,3 s^-1. Tốc độ biến dạng tăng đột ngột và đạt giá trị cực đại ≈ 1,2 s^-1 khi mẫu đi qua góc kênh 120° và sau đó giảm mạnh.

3.3. Đánh giá độ đồng đều của mẫu

    Độ đồng đều của mẫu sau khi ép qua kênh gấp khúc tiết diện không đổi là một yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu quả biến dạng mẫu sau quá trình ép. Mức độ đồng đều có thể xác định bằng sự phân bố biến dạng theo tiết diện mẫu tại các mặt cắt ngang (AB, CD và EF) dọc theo chiều dài mẫu (hình 6).

Hình 6. Phân bố biến dạng trên xuống đáy của mẫu tai kênh ra trên 3 mặt cắt AB, CD, EF

    Hình 6 mô tả phân bố biến dạng tính từ phía trên của mẫu tại 3 mặt cắt ở các vùng khác nhau của kênh ra. Sự biến dạng của mẫu trên ba mặt cắt AB, CD và EF cao nhất lần lượt là ? 1; 15; 1,05 và 0,95. Trong khoảng 7,5 mm tính từ phía trên của mẫu là khá đồng đều sau đó giảm dần ở phía đáy mẫu. Cũng trên hình 6, nhận thấy ở cả 3 mặt ứng với 3 vùng khác nhau trong mẫu, giá trị biến dạng là khá gần nhau. Như vậy biến dạng của vật liệu trong kỹ thuật CFAE là tương đối đồng đều.

4. Kết luận

    Đã xây dựng thành công mô hình 2D kỹ thuật CFAE tương đối cơ bản. Kết quả mô phỏng đã cho thấy góc kênh (Φ) là yếu tố quyết định đến độ lớn của góc nghiêng trên mô hình phân tố biến dạng, góc kênh càng nhỏ thì giá trị góc nghiêng càng lớn. Giá trị góc nghiêng phía trên của mẫu là 56° và phía đáy mẫu là 32° sau một lần ép. Kết quả mô phỏng về phân bố và biến thiên tốc độ biến dạng của mẫu trong quá trình ép, đặc biệt phân tích độ biến dạng qua các mặt cắt ngang AB, CD và EF đã cho thấy biến dạng đồng đều trên mẫu trong kỹ thuật CFAE.

[symple_box color=”red” text_align=”left” width=”100%” float=”none”]

LỜI CẢM ƠN

    Bài toán mô phỏng thực hiện bởi N.T. Minh và Đ.T.H. Yến tại PTN Công nghệ vật liệu kim loại, Trường ĐHBK Hà Nội. Phần mềm DEFORM^TM 2D Ver.9.1 được tài trợ bởi PTN Vật liệu nano (Structural Nano Material Processing Lab.), Trường ĐH POSTECH, Hàn Quốc.
[/symple_box][symple_clear_floats][symple_box color=”yellow” text_align=”left” width=”100%” float=”none”]

Tài liệu tham khảo và trích dẫn

1. J. G. Servilano, P. V. Houtte and A. Aernoudt, Prog. Mater. Sci. 25 (1980) 69-134.
2. E. Nes: Prog. Mater. Sci. 41 (1998) 129-193.
3. V. M. Segal: Mater. Sci. Eng. A197 (1995) 157-164.
4. R. Z. Valiev: Metal Mater. Inter. 7 (2001) 413-420.
5. I. V. Alexandrov: Metal Mater. Inter. 7 (2001) 565-571.
6. Y. Fukuda, K. Oh-ishi, Z. Horita and T. G. Langdon, Acta Mater. 50 (2002) 1359-1368.
7. H. S. Kim, Y. S. Lee, S. I. Hong, A. A. Tarakanova and I. V. Alexandrov, J. Mater. Proc. Technol. 142 (2003) 334-337.
8. Y. Saito, H. Utsunimiya, N. Tsuji and T. Sakai, Acta Mater. 47 (1999) 579-583.
9. A. Belyakov, T. Sakai, H. Miura and R. Kaibyshev: Phil. Mag. Lett. 80 (2000) 711-718.
10. H. S. Kim: Mater. Sci. Eng. A, 32-8 (2002) 317-323.
11. Y. Beygelzimer, V. Varyukhin, D. Orlov, S. Synkov, A. Spuskanyuk, Y. Pashinska, M. J. Zehetbauer, R. Z. Valiev, Germany, Wiley–VCH Verlag (2004) 511.
12. S. C. Yoon, S. J. Hong, M. H. Seo, P. Quang and H. S. Kim, Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, 11(2) (2004) 87-94.
13. P. Quang, Y. G. Jeong, S. H. Hong and H. S. Kim, Key Eng. Materials Vols. 326-328 (2006) 325-328.
14. P. Quang, Y. G. Jeong, S. C. Yoon, S. I. Hong, S. H. Hong and H. S. Kim, Materials Science Forum Vols. 534-536 (2007) 245-248.
15. P. Quang, Y. G. Jeong, S. C. Yoon, S. H. Hong and H. S. Kim, Journal of Materials Processing Tech., Vols. 187-188 (2007) 46-50
16. Y. Iwahashi, J. Wang, Z. Horita, M. Nemoto and T. G. Langdon, Scripta Mater. 35 (1996) 143-146.
17. Phạm Quang, Phùng Trí Điểm, Nguyễn Thị Huyền, Nguyễn Thị Hoàng Oanh, Đỗ Minh Nghiệp và Yong Jin Kim, Kỷ yếu Hội nghị khoa học và công nghệ lần thứ 11- HCMHUT, vol. 0701(2009) 2217-2223.
18. D. V. Hai, D. M. Ngung, D. M. Nghiep and N.T. Giang, Proceeding: Advanced Technologies for Materials Production and Processing, Viện HLKH Belarus (2010) 41-46.
19. P. Quang, D. M. Nghiep and Y. J. Kim, Proceeding: Advanced Technologies for Materials Production and Processing, Viện HLKH Belarus (2010) 28-35.
20. G. J. Raab, R. Z. Valiev, T. C. Lowe, Y. T. Zhu, Mater. Sci.Eng. A382(200 4)30.
21. J. W. Park, J. W. Kim and Y. H. Chung, Scripta Mater. 51 (2004) 181.
22. J. Y. Suh, J. H. Han, K. H. Oh and J. C. Lee, Scripta Mater. 49 (2003) 185.
23. Y. Huang and P. B. Prangnell, Scripta Mater. 56 (2007) 333-336.
24. DEFORM^TM 2D V9.1 Software, Scientific Forming Technologies Corporation.
25. E. A. Brandes, Smithells metals reference book, Butterworths, 1983.
26. DEFORM^TM 2D V9.1 User manual, Scientific Forming Tech. Corporation, Columbus, Ohio, 43220.
27. J. C. Lee, H. K. Seok and J. Y. Sub, Acta Mater. 50 (2002) 4005-4019.

[/symple_box][symple_clear_floats]