BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUỐC CƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SPD SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP CÁN TÍCH HỢP DAO ĐỘNG DỌC TRỤC CỦA TRỤC CÁN BẰNG FEM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 S K C0 3 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUỐC CƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SPD SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP CÁN TÍCH HỢP DAO ĐỘNG DỌC TRỤC CỦA TRỤC CÁN BẰNG FEM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUỐC CƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SPD SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP CÁN TÍCH HỢP DAO ĐỘNG DỌC TRỤC CỦA TRỤC CÁN BẰNG FEM NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ– 60520103 Hướng dẫn khoa học: TS PHẠM HUY TUÂN Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Trần Quốc Cường Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/10/1987 Nơi sinh: Ninh Thuận Quê quán: Ninh Thuận Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: trường THPT Tôn Đức Thắng – Ninh Thuận Điện thoại: 0975847492 E-mail: quoccuongspkt@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: quy Thời gian đào tạo: năm 2005 - 2010 Nơi học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Kỹ thuật công nghiệp Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: “ Nghiên cứu, thiết kế chế tạo vali thí nghiệm trang bị điện” Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: bảo vệ đồ án tốt nghiệp vào năm 2010 khoa khí chế tạo máy Người hướng dẫn: ThS Đặng Quang Khoa III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 11/2010 đến Nơi công tác Trường THPT Tôn Đức Thắng, Ninh Thuận i Công việc đảm nhiệm Giáo viên IV CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI: (tính tới thời điểm bảo vệ luận văn) [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, 2013 (đã xuất bản) [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 (đã đăng) [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 Technical Education, Oct 30th – 31th, HCM city, Vietnam (đã chấp nhận đăng) [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 trường ĐHKT, 2014 (đã nhận chờ duyệt đăng) ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201… (Ký tên ghi rõ họ tên) iii LỜI CẢM TẠ Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến người Thầy hướng dẫn TS PHẠM HUY TUÂN Thầy cho lời khuyên quý báu động viên giúp đỡ vật chất lẫn tinh thần để hoàn thành luận văn Tôi xin cảm ơn quý Thầy Cô tận tâm giảng dạy suốt trình học trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Xin cảm ơn Ban Giám Hiệu Thầy Cô quản lý chương trình cao học tạo điều kiện tốt trình học Xin cảm ơn tác giả tài liệu mà sử dụng suốt trình làm luận văn cao học Tôi xin cảm ơn bạn bè lớp CKM12B tạo môi trường học tập nghiên cứu bổ ích chia kinh nghiệm quý báu sống kiến thức cho Cuối xin biết ơn gia đình dõi theo bước chân suốt trình học tập làm việc Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201… Trần Quốc Cường iv TÓM TẮT Quá trình cán tích hợp dao động dọc trục trục cán (Through-Width Vibration Rolling, TWVR), phương pháp công nghệ biến dạng dẻo mãnh liệt (Severe Plastic Deformation, SPD), nghiên cứu luận văn Quá trình SPD chứng minh thực nghiệm tạo hợp kim nhôm có độ bền cao mà gia công kim loại cách liên tục Cấu tạo vi cấu trúc hạt siêu mịn tạo trình TWVR mang lại hiệu việc cải thiện đặc tính học hợp kim Các đặc tính biến dạng truyền nhiệt trục cán phôi nghiên cứu phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, FEM) Các kết so sánh với thực nghiệm để giải thích vấn đề độ bền vật liệu sử dụng phương pháp định hướng để tối ưu hóa thông số trình TWVR Từ khóa: biến dạng dẻo mãnh liệt, phương pháp phần tử hữu hạn, cán tích hợp dao động dọc trục trục cán, phân tích kép cơ-nhiệt v ABSTRACT The through-width vibration rolling (TWVR) process, a novel severe plastic deformation (SPD) method, is numerically analyzed in this thesis This SPD process was experimentally proven to create not only high-strength aluminum alloy but also an appropriate continuous metal sheet processing The formation of ultrafine-grained microstructure by TWVR is efficient at improving mechanical properties of the alloys Deformation characteristics of the workpiece and the heat transfer among the rollers and the sample are investigated by means of a rigid-plastic finite element method (FEM) The predicted results are verified by the experiments to explain problem about strength of material and could be used as an orientation method to optimize the TWVR processing parameters Keywords: severe plastic deformation, rigid-plastic finite element mothod, through-width vibration rolling, coupled thermal-deformation analysis vi Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân Equal Channel Angular Pressing of Al and Steel." Materials Transactions, vol 50(2009), pp 40-43 [7] A.R Muniz, Non-linear finite element method simulation and modeling of the cold and hot rolling processes, Master thesis, Faculty of Mechanical Engineering, Virginia Polytechnic Institute and State University, January 2007 HVTH : Trần Quốc Cường 70 Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân RECENT DEVELOPMENT FOR INDUSTRIAL-SCALE SEVERE PLASTIC DEFORMATION PROCESSES Pham Huy Tuan1,a, Tran Quoc Cuong1,b University of Technical Education Ho Chi Minh a phtuan@hcmute.edu.vn ; bquoccuongspkt@gmail.com ABSTRACT The ultra-fine grained (UFG) metals with high strength and toughness in order to enhance the safety and reliability for mechanical parts are always the main objective in the production of metallic materials In recent years, severe plastic deformation (SPD) process has attracted much attention and developed as a new method of manufacturing UFG microstructure metals with environmental harmony In this paper, recent SPD processes are reviewed and categorized The advantages and disadvantages of these processes are also discussed Finally, potential researches of SPD processes for large-scale industrial applications of UFG metals are presented Keywords: severe plastic deformation, ultra-large plastic strain, Hall-Petch equation, TWVR, HRDSR INTRODUCTION The purpose of severe plastic deformation (SPD) processes is the production of ultrafine grained (UFG) metals to improve their strength and toughness [1] To achieve this goal, metals are fabricated with an ultra-large plastic strain in order to create UFG microstructure This is an advantage of SPD methods as compared to other conventional methods such as rolling, forging and extrusion In the early 1950s, Hall and Petch independently found out the relationship between the yield stress of polycrystalline metallic materials σY and the grain diameter d This is expressed in the Hall-Petch equation [2,3] given by  Y    Ad 1/2 (1) where σ0 is the friction stress and A is a constant According to Eq (1), with smaller grain size, metals have higher tensile strength without HVTH : Trần Quốc Cường reducing the toughness This property of SPD processes is more advanced than other strengthening methods such as heat treatment [1] This explains why UFG metals are always the main objective in the production of metallic materials SPD processes could be divided into two main groups The first category includes SPD methods for discontinuous processing of bulk metal such as equal channel angular pressing (ECAP) [4], high pressure torsion (HPT) [5, 6] and the others The other group is SPD methods for continuous fabrication of metal sheet such as accumulative roll-bonding (ARB) [7], repetitive corrugation and straightening (RCS) [8], equal channel angular rolling (ECAR) [9], ECAP- Conform [10], high-ratio differential speed rolling (HRDSR) [11] and through-width vibration rolling (TWVR) [12, 13] The structure of this paper would come as following, the fabrication principle, pros and cons of each SPD method are described in Section This paper then proposes some 71 Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân potential researches of SPD processes for large-scale industrial production of UFG metals in Section Finally some remarks for the future development of SPD is concluded SPD METHODS 2.1 Discontinuous SPD processes Distinct representatives of bulk metal discontinuous SPD processing could be accounted for ECAP and HTP process Their operational principle is shown in Fig (a) and Fig 1(b), respectively ECAP was first proposed by Segal [4] in 1977 as a new method in order to create UFG materials and gains more attention from other scholars in recent years [5, 14-15] In ECAP process, massive billets are pressed via two channels which have equal cross-section intersect at a channel angel Φ During ECAP pure shear deformation can be repeatedly imposed on billet within the localized zone in the intersecting region of the two channels (area ABC and the die corner angle Ψ) Therefore, an intense plastic strain is introduced into materials where the cross section area of billet doesn’t change [4] (a) (b) Fig Schematic illustration of ECAP and HPT processes The ECAP process shows a number of advantages in comparison with other methods HVTH : Trần Quốc Cường through powder processing in order to create UFG materials [14] The principle of this method is simple and easy to carry out UFG microstructures are produced due to pure shear deformation can be repeated several times using the same specimen to impose large plastic strain [15] This helps to reduce cost of tolling, time for fabrication However, this method hasn’t been put into large-scale production because of its low productivity and small billet size [1] Recently, a more promising method in this group, HPT, was developed by Valiev et al [5], (Fig 1(b)) The specimen is held and compressed by a very high pressure (P) of several GPa in a closed die Besides the compression, the sample is simultaneously strained in torsion by rotation motion of a plunger Contact friction force at the interface between the plunger and the sample deforms the material by shear [5] In the above production, grain sizes are finer than the earlier method However, application of this method is limited because it uses a thin disk sample with a thickness less than mm The problem was solved by Sakai and coworkers [16] They improved HPT method for the use of bulk sample Although this method creates UFG materials with bulk sample, both HPT and bulk-HPT processes are only suitable for small samples and discontinuous production similarly to ECAP process [17] It can be seen that the methods in the first group create UFG metals but they haven’t been put into large-scale production because of their disadvantages such as low productivity and small billet size The processes in the latter group introduced in the next section could overcome those disadvantages and have potential to fabricate UFG materials with large-scale production 2.2 Continuous SPD processes 72 Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân The second group includes industrial-scale oriented SPD methods for the fabrication of metal sheet such as ARB, RCS, ECAR, ECAP-Conform, HRDSR and TWVR The common fabrication principle of these methods relies on the combination of rolling and SPD to make them suitable for massive production of UFG metals The methods such as ARB, RCS, ECAR and ECAP-Comform have been developed to make nanostructured metals and continuous fabrication However, the application ability of these methods in industrial-scale is low due to their process complexity, worse surface quality, small sample and insufficient shear strain A newly competitive SPD method, high-ratio different speed rolling (HRDSR) developed by Kim et al [18], is proved to produce large surface metal sheets with ultrafine grain size The principle of this technique is shown in Fig 2(a) This process is almost conventional rolling method except the different speed of the two rolls The samples will only go through a single pass and their thickness is reduced 70% A large shear deformation can be homogenously imposed into the material along the thickness direction [11] (a) HVTH : Trần Quốc Cường (b) Fig The principle of the HRDSR and TWVR processes It is seen that the HRDSR technique has a great potential for the fabrication of ultrahigh strength alloy such as aluminum alloy The fabrication and tools of the HRDSR process is simple Furthermore it is a continuous process and only requires a single rolling pass in order to achieve the UFG structures inside the materials [11] This method is much more favourable than previous SPD processes Although the HRDSR process requires only a single rolling pass, reduction per pass is relatively large (70%) This problem can be solved by a following novel SPD method The new technique has been mentioned as through-width vibration rolling (TWVR) process and explored by Chen et al [12] The principle of the TWVR process is represented systematically in Fig 2(b) In this process, two rollers are rotated in different directions (action A) and controlled at a constant speed Besides the rotation motion, the bottom roller is simultaneously vibrated along its axis (action B) at a constant frequency of Hz and the vibration amplitude is changed from to mm The samples will go through passes where their thickness is reduced 40% 73 Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân per pass In the TWVR process, the samples are not only deformed by rolling but also by shear strain due to friction between the roll and the samples when the bottom roller vibrates along the direction perpendicular to rolling direction Therefore, the spread width of processed samples is larger than the conventional rolling The yield strength of TWVR sample increases with the increasing of amplitude from to 1.5 mm However this value decreases when the amplitude of TWVR keeps increasing from 1.5 to 2.5 mm This phenomenon has been thoroughly analyzed in the recent research [13] and cryorolling to fabricate nanostructural aluminum sheets This novel method is called as asymmetric cryorolling and has been successfully creating UFG materials In this method, grain size decreases drastically compared with HRDSR It can be seen that this new research has large prospect to produce sheet materials with higher strength, ductility and productivity The shear deformation in TWVR is more effective than HRDSR process Therefore, TWVR and cryorolling can also be integrated to make an interesting material processing method Rolling is one of the most popular metal producing methods used in industry due to its continuous fabrication and high productivity Therefore, the SPD methods in the latter group integrate rolling process in their principle in order to increase productivity for large-scale UFG metal production However, the processed samples in these methods are deformed mainly along the length direction In the TWVR process, the shear deformation is more effective than other methods due to shear stress along the width direction [12] This distinction of TWVR would be beneficial for industrial manufacturers Nevertheless it is expected that mechanical properties of materials can be further improved by new combinations mentioned in the next section We have carried out a simulation for a new method for Al 5052 by a rigid-plastic finite element method (FEM) The TWVR is combined with the HRDSR process to make this method The FEM model is built as plotted in Fig by a commercial software ABAQUS 6.10 Both rollers have the same diameters of 150 mm and the samples have the dimension of 100x20x5 mm3 The bottom roller is vibrated at a frequency of Hz and the vibration amplitude is 1.5 mm The rotation speed ratio between the upper and lower roller is set to A three-dimensional deformation simulation is required since the TWVR has another vibration motion that is perpendicular to the rolling direction The two rollers are modeled as rigid parts A Cartesian coordinate system is also included in the figure The rotation motion of both rollers is around z axis and the vibration motion of the bottom roller is along this axis as well The rolling direction is along the x axis POTENTIAL RESEARCHES SPD PROCESSES OF 3.1 The combination of SPD methods and cryorolling 3.2 Combination of SPD methods As mentioned above, HRDSR and TWVR have great potential in large-scale production of UFG metal These methods can be referred to as asymmetric rolling In recent years, cryorolling has been widely used to improve the materials properties in industrial-scale In 2012, Hailiang et al [19] combined HRDSR HVTH : Trần Quốc Cường 74 Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân seen that the strain of sample in the combination is higher than that of HRDSR and TWVR method This Fig FEM model with rollers and sample The equivalent strain of samples with this combination is compared to those of the HRDSR and TWVR process when the sample is rolled to the middle position during the first pass Thickness of sample is reduced 40% Hence the thickness through the first pass is around 1.2 mm Fig is equivalent strain distribution of the whole sample (a) (b) Fig Equivalent strain distribution of the whole sample Fig illustrates the through thickness equivalent strain distribution of a partial section Fig 5(a), (b), (c) shows processing sections of HRDSR, TWVR and the combination method, respectively It can be HVTH : Trần Quốc Cường ( c) 75 Luận văn cao học Fig Equivalent strain distribution of a section in the middle of HRDSR (a), TWVR (b) and combination method (c) proves that the deformation of the sample in the combination is largest Larger deformation goes along with smaller grain size could be obtained and mechanical properties would be further improved However this combination method also produces more experiment parameters to play around before one could come with an optimal processing solution Therefore an elaborate numerical analysis should be performed in order to save resources for the last physical prototype GVHD : TS Phạm Huy Tuân discussed Potential researches of SPD processes for large-scale industrial applications of UFG metals are recommended such as the combination of SPD methods and cryorolling These combinations would further improve the mechanical properties of the processing materials ACKNOWLEDGEMENTS The authors are thankful for the financial support from the Research Management and International Relations Office of University of Technical Education Ho Chi Minh City for this research CONCLUSION This paper has summarized recent SPD development for the production of UFG materials with environmental harmony These methods are categorized into two groups: continuous and discontinuous fabrication Their advantages and disadvantages are also REFERENCES [1] A Azushima, et al., “Severe Plastic Deformation for Metals”, CIRP Annals – Manufacturing Technology 57(2008), pp 716-735 [2] E.O Hall, “The Deformation and Aging of Mild Steel”, Proc Phys Soc London B (1951), pp 64-747 [3] N.J Petch, “The cleavage Strength of Polycrystals”, J Iron Steel Inst (1953), pp 25-174 [4] VM Segal, “Material processing by simple shear”, Materials Science and Engineering A, vol 197 (1995), pp 157–164 [5] R.Z Valiev, et al, “Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation”, Progress in Materials Science 45 (2000), pp 103-189 [6] G Sakai, et al., “Application of High Pressure Torsion to Bulk Samples”, Materials Science Forum 503-504 (2005), pp 391-396 [7] Y Saito, et al., “Ultra-fine Grained Bulk Aluminum Produced by Accumulative Rollbonding (ARB) Process”, Scipta Materialia 39(9), 1998, pp 1221-1227 [8] J.Y Huang, et al., “Microstructures and Dislocation Configurations in Nanostructured Cu Procesed by Repetitive Corrugation and Strainghtening”, Acta Materialia 49(9), 2001, pp 14971505 HVTH : Trần Quốc Cường 76 Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân [9] J.C Lee, et al., “Effect of Precipitates on Micro-Structural Evolution of 7050 Al Alloy Sheet During Equal Channel Angular Rolling”, Materials Science and Engineering A 347 (1-2), 2003, pp 253-257 [10] G.J Raab, et al., “Continuous Processing of Ultrafine Grained Al by ECAP-Conform”, Materials Science and Engineering A 382(1-2), 2004, pp 30-34 [11] W.J Kim, et al., “Synthesis of ultra-high strength Al-Mg-Si alloy sheets by differential speed rolling”, Materials Science and Engineering A, vol 520 (2009), pp 23–28 [12] Y.T Chen, et al., “Tensile strength and deformation microstructure of Al–Mg–Si alloy sheet by through-width vibration rolling process." Materials Science and Engineering A, vol 551 (2012), pp 296 – 300 [13] H.T Pham, et al., “Numerical Analysis of the Through-Width Vibration Rolling Process,” International Journal of Advanced Transport Phenomena, vol (2013), pp 21-24 [14] H.S Kim, et al., “Process Modelling of Equal Channel Angular Pressing for Ultrafine Grained Materials”, Materials Transactions, vol 45 (2004), pp 2172-2176 [15] P Quang, et al., "Coupled Analysis of Heat Transfer and Deformation in Equal Channel Angular Pressing of Al and Steel." Materials Transactions, vol 50(2009), pp 40-43 [16] G Sakai, et al., “Application of High Pressure Torsion to Bulk Samples”, Materials Science Forum 503-504 (2005), pp 391-396 [17] Y.U Hailiang, L.U Cheng, A Kiet Tieu, Ajit Godbole, “Recent Developments in Flat Rolling Technologies”, The 8th Pacific Rim International Congress on Advanced Materials and Processing, TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), 2013, pp 2139-2146 [18] W.J Kim, et al., “The Effect of Differential Speed Rolling on Microstructure and Machenical Properties of an AZ31 Alloy Sheet”, Solid State Phenomena, Vols 116-117 (2006), pp 235-238 [19] Y.U Hailiang, et al., “Asymmetric cryorolling for fabrication of nanostructural aluminum sheets”, Scientific Reports, 2012, 2:772 HVTH : Trần Quốc Cường 77 Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân Nghiên Cứu Quá Trình Biến Dạng Trao Đổi Nhiệt Công Nghệ Cán Tích Hợp Dao Động Dọc Trục Trục Cán Coupled Themal – Deformation Analysis of the Through – Width Vibration Rolling Process Phạm Huy Tuân1,*, Trần Quốc Cường1, Wang Dung An2 Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, Việt Nam Trường Đại học Quốc Gia Chung Hsing, Đài Loan Tóm tắt Công nghệ cán tích hợp dao động dọc trục trục cán (Through-Width Vibration Rolling – TWVR) chứng minh thực nghiệm có khả tạo kim loại có cấu trúc hạt siêu mịn cách sử dụng biến dạng dẻo mãnh liệt để cải thiện độ bền độ dai vật liệu Trong báo này, đặc tính biến dạng nhiệt độ phôi trình TWVR nghiên cứu phương pháp mô số Các kết tính toán so sánh với thực nghiệm để làm rõ chất biến dạng trao đổi nhiệt bên vật liệu Mục đích nhằm giải thích biến thiên độ bền kéo phôi gia công phương pháp TWVR Sự phân tích công nghệ sử dụng phương pháp định hướng để tối ưu hóa thông số đưa vào sản xuất thực tế với quy mô lớn Từ khóa: biến dạng dẻo mãnh liệt, phương pháp phần tử hữu hạn, cán tích hợp dao động ngang, phân tích biến dạng nhiệt độ Abstract A novel SPD process, the through-width vibration rolling (TWVR), was experimentally proven to creat ultra-fine grained metals by imposing severe plastic deformation It helps to improve the materials strength and toughness In this paper, the deformation and temperature characteristics inside the workpiece processed by TWVR are investigated by means of a rigid-plastic finite element method The predicted results are verified by the experiments to explore the intrinisic deformation and heat transfer occurred inside the material The numerial analysis is aimed to explain the nonlinear phenomenon of the tensile strength variation This analysis could be used as an orientation method to optimize the TWVR processing paramaters for an industrial perspective Keywords: severe plastic deformation, rigid-plastic finite element method, through-width vibration rolling, coupled themal-deformation analysis Đặt vấn đề 1.1 Giới thiệu Sự phát triển ngành công nghiệp chế tạo gắn liền với nhu cầu tìm phương pháp gia công nhằm sản xuất loại vật liệu có độ bền cao Trước nhu cầu to lớn đó, phương pháp gia công biến dạng dẻo mãnh liệt (Severe Plastic Deformation – SPD) nhận nhiều quan tâm từ nhà nghiên cứu Các phương pháp gia công chứng minh có khả tạo loại hợp kim có độ bền cao có khả kiến tạo cấu trúc hạt siêu HVTH : Trần Quốc Cường mịn (Ultrafine Grained – UFG) bên vật liệu [1] Các phương pháp gia công biến dạng SPD phân loại theo hai nhóm chính: gia công SPD liên lục không liên tục Cả hai nhóm tạo vật liệu có cấu trúc hạt siêu mịn nhiên nhóm thứ hai có nhiều tiềm ứng dụng quy mô công nghiệp [2] Gia công SPD liên tục kết hợp cán truyền thống SPD để tạo phương pháp gia công biến dạng dẻo tiên tiến nghiên cứu như: kỹ thuật cán gấp nếp nắn thẳng liên tục (RCS) [3], kỹ thuật cán với tỷ số vận tốc trục cán khác cao (HRDSR) [4] kỹ thuật nghiên cứu gần cán với tích hợp dao động dọc trục trục cán (TWVR) 78 Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân Các công trình nghiên cứu trước kỹ thuật TWVR tạo cấu trúc hạt siêu mịn có nhiều ưu điểm kỹ thuật khác [5] Tuy nhiên chất bên kỹ thuật chưa làm rõ Bài báo tập trung nghiên cứu công nghệ gia công TWVR phương pháp mô số để hiểu rõ giải thích kết thực nghiệm tiến hành 1.2 Nguyên lý, thông số hình học kết thực nghiệm công nghệ TWVR Hình mô tả trình TWVR điều khiển máy tính động thủy lực Hai trục cán quay ngược chiều (chuyển động A) trục cán đồng thời dao động ngang dọc trục (chuyển động B) Cả hai trục cán có đường kính 150 mm điều khiển quay với vận tốc không đổi vòng/phút Trục cán dao động dọc trục với tần số không đổi Hz biên độ dao động thay đổi từ đến mm Phôi cán có kích thước (100x20x5) mm3 Quá trình tiến hành qua bước cán với bước cán chiều dày phôi giảm 40% Do đó, chiều dày cuối phôi cán khoảng 0,65 mm Số liệu cung cấp Hsieh (2009) [6] Hình Sơ đồ nguyên lý (a) mô hình thực nghiệm (b) công nghệ TWVR [5,6] (a) (b) Hình Kết thực nghiệm mẫu (a) biến thiên độ bền mẫu gia công TWVR (b) [5,6] Chen [5] cộng tiến hành thực nghiệm công nghệ TWVR đạt số kết định Hình 2(a) cho thấy bề rộng mẫu HVTH : Trần Quốc Cường 79 Luận văn cao học gia công TWVR tăng dần biên độ dao động trục cán tăng từ đến mm Khi biên độ tăng kim loại bị biến dạng mãnh liệt Hình 2(b) độ bền kéo mẫu gia tăng biên độ tăng Tuy nhiên mẫu gia công trường hợp biên độ A > mm độ bền kéo có xu hướng giảm xuống Kết chưa giải thích rõ ràng nên việc phân tích lại thực nghiệm cần thiết để giải thích tượng tiến tới việc tối ưu hóa thông số thực nghiệm cho công nghệ TWVR GVHD : TS Phạm Huy Tuân khác hợp kim Al 5052 Các mẫu thử đo thí nghiệm kéo – nén có kích thước theo tiêu chuẩn ASTM với chiều dài phần khảo sát 30 mm Các kết thể Hình khoảng nhiệt độ từ 25oC đến 250oC Phân tích công nghệ TWVR phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) 2.1 Mô hình FEM Hình Biểu đồ biến dạng vật liệu Al 5052 Thông số mô đun đàn hồi (E) hệ số Poisson (ν) Al 5052 nhiệt độ khác xác định thông qua đồ thị kéo nén ghi lại Bảng Bảng Mô đun đàn hồi E hệ số Poisson ν Al 5052 sử dụng mô Hình Mô hình FEM Mô hình 3D TWVR Hình xây dựng phần mềm mô số ABAQUS 6.10 (2010) với Abaqus/Explicit cung cấp module mô kép biến dạng – truyền nhiệt Các thông số hình học mô hình FEM lấy theo trình thực nghiệm Quá trình TWVR có thêm dao động dọc trục trục cán nên mô hình 3D phải sử dụng Hai trục cán xem bề mặt cứng tuyệt đối Một hệ tọa độ Đề-Các biểu diễn giúp mô tả cụ thể chuyển động trình gia công Chuyển động quay hai trục cán quanh trục z dao động trục cán dọc theo trục Hướng cán hướng theo trục x 2.2 Các thông số tính toán mô Một thông số trình mô đồ thị ứng suất – biến dạng nhiệt độ HVTH : Trần Quốc Cường Nhiệt độ T, o C Mô đun đàn hồi (E), GPa Hệ số Poisson (ν) 25 69.85 0.33 100 67.02 0.33 150 65.14 0.33 200 63.26 0.33 250 61.38 0.33 Ngoài thông số vật liệu tham số liên quan đến trình TWVR tạm thời giữ cố định thay đổi biên độ dao động trục cán Các trục cán gia nhiệt giữ nguyên 100 o C qua bước cán Phôi gia nhiệt 200 oC trước bước cán Nhiệt sinh ma sát giả định phân chia đến bề mặt trục cán phôi, hệ số ma sát bề mặt hai trục cán phôi µ = 0,25 Các thông số nhiệt khác Al 5052 cho Bảng 80 Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân Bảng Thông số nhiệt thông số khác Al 5052 Đặc tính Giá trị o Nhiệt dung riêng (J/kg C) o biên độ tăng phôi bị biến dạng dẻo mạnh thêm giải thích xuất trình trượt bề mặt phôi trục cán 963 Hệ số dẫn nhiệt (W/m C) 144 Hệ số truyền nhiệt đối lưu trung bình (W/m2.oC) 45 Khối lượng riêng (kg/m3) 2690 Nhiệt độ (oC) Hệ số giãn nở nhiệt (oC-1) 100 2.38x10-5 200 2.48x10-5 300 2.63x10-5 Kết mô thảo luận 3.1 Sự phân bố biến dạng dẻo tương đương (PEEQ) Hình Phân bố biến dạng dẻo tương đương Mức độ biến dạng dẻo nguyên nhân làm thay đổi đặc tính học vật liệu sau trình TWVR Một thớ vật liệu phôi khảo sát Hình phôi cán đến đoạn trường hợp gia công Hình 6(a) kết phương pháp cán truyền thống (A = mm), phân bố biến dạng dẻo tương đương hoàn toàn đối xứng hai nửa vật liệu Nhưng hình lại (Hình 6(b) – 6(d)) phương pháp TWVR thể phân bố bất đối xứng PEEQ Trong trường hợp TWVR PEEQ mặt thớ phôi cao mặt PEEQmax Hình tăng dần theo biên độ biên độ lớn (A > mm) mức độ gia tăng PEEQ có xu hướng giảm Điều cho thấy HVTH : Trần Quốc Cường Hình Các thớ phôi với trường hợp biên độ dao động (a) mm; (b) mm; (c) mm (d) mm 81 Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân Hình PEEQmax qua bước cán 3.2 Độ giãn rộng phôi Để so sánh khác cán truyền thống TWVR độ giãn rộng phôi cán nghiên cứu Ở Hình 8, thực nghiệm cho thấy độ giãn rộng phôi TWVR lớn so với cán truyền thống Sự xuất biến dạng cắt lực ma sát trục cán dao động ngang làm cho bề rộng tăng lên Bề rộng gia tăng với việc biên độ tăng xung quanh biên độ A = 1,5 mm độ giãn rộng thể ổn định Kết FEM thể xu hướng thực nghiệm Khi phôi chia lưới mịn kết FEM hội tụ Tuy nhiên có khác biệt định mô thực nghiệm Điều giải thích không ổn định máy móc thí nghiệm trình mô hoàn toàn lý tưởng Số lượng phần tử chia lưới mô bị hạn chế điều kiện tài nguyên máy tính lý khách quan dẫn tới sai lệch nêu Hình Sơ đồ mô hình nhiệt trình TWVR Để tìm hiểu kỹ ta theo dõi số liệu qua đồ thị Hình 10 Ở Hình 10(a), thực nghiệm qua bước cán đầu tiên, nhiệt độ phôi tăng từ 107 oC lên 173 oC biên độ tăng từ mm đến mm Kết FEM thể Ở biên độ lớn, nhiệt độ tăng đặn dù bề rộng phôi thể khuynh hướng ổn định kết bề rộng Điều biên độ lớn xảy trượt bề mặt nên không làm tăng biến dạng ngang mà sinh thêm nhiệt ma sát trượt Hình 10(b) kết FEM qua bốn bước gia công Nhiệt độ phôi tăng đặn từ biên độ mm đến mm tăng cao đột ngột đến 235 oC A = 2,5 mm Nhiệt độ cao nhiệt độ hồi phục đạt tới mức làm cho kích cỡ hạt phát triển [7] Điều làm cản trở việc phát triển cấu trúc hạt siêu mịn giảm độ bền kéo vật liệu kết thực nghiệm Hình Hình Độ giãn rộng phôi theo biên độ dao động sau bước cán 3.3 Kết nhiệt độ Sự phát triển vi cấu trúc đặc tính vật lý vật liệu gia công TWVR liên quan mật thiết với nhiệt độ mẫu Nhiệt độ ảnh hưởng tới trình hồi phục kết tinh lại vật liệu từ hình thành kích thước hạt [7] Sơ đồ mô hình nhiệt điều kiện biên nhiệt trình TWVR thể Hình HVTH : Trần Quốc Cường 82 Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân [2] Pham H.T., Tran Q.C.; Recent Development for Industrial-Scale Severe Plastic Deformation Processes; The 2014 International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD2014), HCM city University of Technical Education, Oct 30th – 31st, HCM city, Vietnam [3] Huang J.Y., et al.; Microstructures and Dislocation Configurations in Nanostructured Cu Processed by Repetitive Corrugation and Straightening; Acta Materialia, vol 49 (2001), pp 1497-1505 [4] Kim W.J., et al.; Synthesis of Ultra High Strength AlMg-Si Alloy Sheets by Differential Speed Rolling; Materials Science and Engineering A, vol 520 (2009), pp 23-28 [5] Chen Y.T., et al.; Tensile Strength and Deformation Microstructure of Al-Mg-Si Alloy Sheet by ThroughWidth Vibration Rolling Process; Materials Science and Engineering A; vol 551 (2012), pp 296-300 [6] Hsieh T.H.; Effect of Through-Width Vibration Shear Rolling Process on Microstructure and Mechanical Properties of 5052 Al-Mg Alloy Sheet; Master Thesis, Department of Material Sciences Engineering, National Chung Hsing University, July 2009 [7] Pham Quang, et al.; Coupled Analysis of Heat Transfer and Deformation in Equal Channel Angular Pressing of Al and Steel; Materials Transactions, vol 50 (2009), pp 40-43 [8] Gang U.G., et al.; The Evolution of Microstructure and Mechanical Properties of a 5052 Aluminium Alloy by the Application of Cryogenic Rolling and Warm Rolling; Materials Transaction, Vol 50, No (2009), pp 82-86 [9] Singh D., et al.; Effect of Deformation Temperture on Mechanical Properties of Ultrafine Grained Al-Mg Alloys Processed by Rolling; Materials and Design 50 (2013), pp 646-655 Hình 10 Nhiệt độ phôi TWVR ứng với biên độ dao động sau bước cán (a) sau bước cán (b) Các nghiên cứu gần ảnh hưởng nhiệt độ biến dạng đến đặc tính học hợp kim nhôm Gang [8] Singh [9] có kết chung nhiệt độ biến dạng t = 175 oC hợp kim nhôm có độ bền kéo cao Nếu t > 175 oC độ bền kéo bị giảm xuống đóng góp trình hồi phục làm giảm mật độ lệch Kết làm giảm mầm sinh kết tinh lại làm tăng tốc độ lớn lên hạt kết tinh Do nhiệt độ kết thúc gia công cao hạt sinh lớn làm giảm độ bền độ dai vật liệu Trong TWVR biên độ 2,5 mm, nhiệt độ phôi 235 oC (lớn nhiều so với 175 oC) độ bền kéo bị giảm xuống Kết hoàn toàn tương thích với hai nghiên cứu Vì vậy, TWVR kết FEM đề nghị vào nhiệt độ phôi sau gia công nằm khoảng 175 oC để chọn thông số biên độ dao động trục cán phù hợp áp dụng TWVR vào sản xuất Kết luận Các đặc tính biến dạng truyền nhiệt hợp kim Al 5052 gia công kỹ thuật TWVR nghiên cứu FEM Các kết thực nghiệm độ giãn rộng nhiệt độ phôi so sánh với FEM, khuynh hướng chung FEM phù hợp với thực nghiệm Kết FEM đưa thông số tối ưu nhiệt độ phôi sau gia công biên độ dao động trục cán Bài báo đưa phương pháp dự đoán, định hướng góp phần giảm chi phí vật liệu thời gian áp dụng kỹ thuật TWVR vào sản xuất thực tế Tài liệu tham khảo [1] Azushima A., et al., “Severe Plastic Deformation for Metals”, CIRP Annals – Manufacturing Technology 57(2008), pp 716-735 HVTH : Trần Quốc Cường 83 [...]... plastic deformation – SPD) 1.1.3 Nhận xét chung và hướng nghiên cứu của đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu của đề tài 1.2.1 Mục đích nghiên cứu của đề tài 2 7 9 9 1.2.2 Khách thể và đối tượng nghiên cứu của đề tài 1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài 10 10 1.3.1 Nhiệm vụ nghiên cứu 10 1.3.2 Giới hạn của đề tài 10 1.4 Phương pháp nghiên cứu 10 Chƣơng 2 CƠ SỞ... Kết quả của trường hợp 1,5 mm 48 Hình 6.3: Đồ thị kết quả sự giãn rộng của phôi cán qua bốn bước cán 49 Hình 6.4: Kết quả nhiệt độ phôi qua bốn bước cán 50 Hình 7.1: 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 7.2: Kết quả nhiệt độ của phôi trường hợp biên độ dao động trục cán dưới là 1,5 mm: (a) phương pháp TWVR;... nghiên cứu của đề tài Quá trình cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài 1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài - Xây dựng lại mô hình thực nghiệm bằng phần mềm về phương pháp phần tử hữu hạn là phần mềm mô phỏng số ABAQUS 6.10 (2010) với Abaqus/Explicit - Phân tích các tác động cơ-nhiệt trên phôi để kiểm chứng với các kết quả thực nghiệm - Từ các kết quả phân tích. .. tài Nghiên cứu phương pháp cán tích hợp dao động dọc trục của trục cán bằng FEM để kiểm chứng với thực nghiệm nhằm tìm hiểu các tác động cơ-nhiệt đã xảy ra trên phôi để giải thích vấn đề sự biến thiên độ bền của vật liệu theo sự gia tăng biên độ dao HVTH : Trần Quốc Cường 9 Luận văn cao học GVHD : TS Phạm Huy Tuân động của trục cán và được sử dụng như là một phương pháp định hướng để tối ưu hóa các thông... dụng bị giới 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. .. 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... thiên độ bền của vật liệu theo sự gia tăng biên độ dao động của trục cán vẫn chưa được giải thích (xem Hình 1.6) Hình 1.6 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... một phương pháp định hướng cho các quá trình thực nghiệm khi phôi được thay đổi về kích thước và vật liệu Điều này sẽ giúp tiết kiệm thời gian, giảm chi phí về dụng cụ, các mẫu thí nghiệm và sự lãng phí về vật liệu trong quá trình thí nghiệm cũng như sản xuất thực tế 1.2 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu của đề tài 1.2.1 Mục đích nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu phương pháp cán tích. .. 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 1.4) Hai trục cán (rollers) quay ngược nhau và được điều khiển bằng động cơ thủy... (http://www.worldsteel.org) 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