Luận văn: Mô phỏng số quá trình ép titan tạo cấu trúc nanô bằng kênh gấp khúc

Luận văn mô phỏng số quá trình ép titan trong kênh gấp khúc nhằm tạo cấu trúc nanô. Phân tích biến dạng dẻo, ứng suất và các yếu tố ảnh hưởng.

• Tác giả: Phạm Thành Sơn
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Trọng Giảng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Cơ Khí
• Đề tài: Mô Phỏng Số Quá Trình Ép Titan Trong Kênh Gấp Khúc Có Tiết Diện Không Đổi Nhằm Tạo Cấu Trúc Nanô
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về mô phỏng ép Titan trong kênh gấp khúc

Mô phỏng ép Titan trong kênh gấp khúc là một phương pháp tiên tiến để tạo ra cấu trúc nano với tính chất cơ học vượt trội. Quá trình này sử dụng kỹ thuật ECAP (Equal Channel Angular Pressing) - ép trong kênh gấp khúc có tiết diện không đổi. Titan là vật liệu công nghiệp quan trọng nhờ khả năng chịu tải cao, độ nhẹ và khả năng chống ăn mòn xuất sắc. Thông qua mô phỏng số, các nhà khoa học có thể dự đoán được hành vi vật liệu, phân bố ứng suất, và độ biến dạng trong quá trình ép. Phương pháp này kết hợp giữa biến dạng dẻo khốc liệt (SPD) và công nghệ mô phỏng máy tính để tối ưu hóa quy trình sản xuất. Nghiên cứu này mở ra cơ hội phát triển những vật liệu nanostructured với các ứng dụng trong y tế, hàng không vũ trụ và công nghiệp.

1.1. Khái niệm kênh gấp khúc và ứng dụng

Kênh gấp khúc là một thiết bị có hình dạng đặc biệt với hai ống được kết nối ở một góc 90 độ. Vật liệu được ép qua thiết bị này trải qua biến dạng dẻo khốc liệt mà không giảm tiết diện. Phương pháp ECAP cho phép tạo ra cấu trúc hạt nano với kích thước hạt giảm xuống còn vài nanometer. Ứng dụng của kỹ thuật này bao gồm sản xuất những vật liệu có độ cứng cao, độ dẻo tốt, và tính năng cấu trúc vô cùng đặc biệt cho các ngành công nghiệp tiên tiến.

1.2. Vai trò của mô phỏng số trong nghiên cứu

Mô phỏng số sử dụng phần mềm ANSYS để phân tích các quá trình biến dạng lớn. Mô phỏng giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ sự phân bố ứng suất, độ biến dạng và nhiệt độ trong quá trình ép Titan. Thông qua mô phỏng 3D chi tiết, có thể tối ưu hóa các thông số kỹ thuật như tốc độ ép, nhiệt độ, và số lần lặp lại để đạt được cấu trúc nano mong muốn với hiệu suất cao nhất.

II. Phương pháp biến dạng dẻo khốc liệt SPD

Phương pháp SPD (Severe Plastic Deformation) là kỹ thuật áp dụng biến dạng dẻo khốc liệt để tạo ra những vật liệu nanostructured. Quá trình này liên quan đến việc tạo ra các khuyết tật trong cấu trúc tinh thể, bao gồm ranh giới hạt, rối loạn nguyên tử, và các lỗi xếp chồng. Titan được ép qua kênh gấp khúc nhiều lần để tích lũy độ biến dạng lên tới giá trị rất lớn (thường trên 4 lần). Phương pháp SPD không chỉ thay đổi kích thước hạt mà còn tạo ra các cấu trúc nano với các đặc tính vật lý, cơ học và điện từ hoàn toàn mới. Kỹ thuật này được công nhận rộng rãi trong ngành công nghiệp vật liệu hiện đại vì khả năng tạo ra những sản phẩm có hiệu suất cao mà giữ được độ bền vực cơ học.

2.1. Cơ chế hình thành cấu trúc nano

Trong quá trình ép Titan trong kênh gấp khúc, các tinh thể ban đầu bị phân chia thành những hạt nano nhỏ hơn. Điều này xảy ra thông qua sự tích lũy các khuyết tật tuyến (dislocation) và hình thành những ranh giới hạt mới. Cấu trúc nano được tạo ra có kích thước hạt điển hình là 100-300 nanometer. Sự hình thành này phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm nhiệt độ ép, tốc độ ép, số lần ép lại, và thành phần hóa học của vật liệu Titan.

2.2. Đặc trưng và lợi ích của SPD

Vật liệu SPD có những đặc trưng nổi bật: độ cứng tăng cao (lên tới 2-3 lần), cấu trúc nano ổn định, và khả năng chịu mệt cao. Lợi ích chính bao gồm tính năng cơ học vượt trội, khả năng gia công tốt, và tính chất vật lý được cải thiện. Nhật Bản, Hàn Quốc và Nga đã thành công trong ứng dụng phương pháp SPD để sản xuất các bộ phận công nghiệp cao cấp.

III. Ứng dụng phần mềm ANSYS trong mô phỏng

Phần mềm ANSYS là một công cụ mô phỏng số mạnh mẽ được sử dụng rộng rãi để phân tích các quá trình biến dạng lớn và ép Titan trong kênh gấp khúc. ANSYS cung cấp khả năng mô phỏng 3D chi tiết, tính toán ứng suất, biến dạng, nhiệt độ, và các đại lượng vật lý khác trong quá trình ép. Phần mềm này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để chia nhỏ vật thể thành hàng triệu phần tử nhỏ và giải các phương trình vi phân. Kết quả mô phỏng được visualize dưới dạng bản đồ màu, cho phép các nhà nghiên cứu quan sát rõ ràng sự phân bố của các đại lượng vật lý. Sử dụng ANSYS giúp tiết kiệm thời gian, chi phí thử nghiệm và cải thiện độ chính xác của quy trình sản xuất.

3.1. Các tính năng chính của ANSYS

ANSYS cung cấp các tính năng mô phỏng số toàn diện bao gồm: phân tích cơ học (tuyến tính và phi tuyến), mô phỏng nhiệt động lực, tính toán tiếp xúc giữa phôi và khuôn, và khả năng mô hình 3D phức tạp. Phần mềm hỗ trợ nhiều loại phần tử hữu hạn như SOLID 186 và SOLID 187 cho mô phỏng Titan, cung cấp độ chính xác cao trong tính toán và phân tích.

3.2. Quy trình mô phỏng ép Titan

Quy trình mô phỏng gồm các bước: xây dựng mô hình hình học 3D của khuôn ép và phôi Titan, chia lưới phần tử hữu hạn chi tiết, định nghĩa vật liệu và điều kiện biên, thiết lập điều kiện tiếp xúc giữa các bề mặt, và chạy mô phỏng với các thông số ép khác nhau. Kết quả cho phép tối ưu hóa quy trình để đạt cấu trúc nano tốt nhất.

IV. Kết quả và ứng dụng thực tế của mô phỏng ép Titan

Nghiên cứu mô phỏng ép Titan trong kênh gấp khúc đã cho thấy những kết quả rất khả quan. Thông qua mô phỏng số chi tiết, các nhà khoa học đã xác định được các thông số tối ưu để tạo ra cấu trúc nano ổn định với kích thước hạt điều khiển được. Vật liệu Titan sau ép có độ cứng tăng 2-3 lần so với vật liệu ban đầu, đồng thời giữ được độ dẻo tốt. Ứng dụng thực tế của vật liệu nanostructured từ Titan bao gồm: sản xuất implant y tế có độ tương thích sinh học cao, linh kiện máy bay và tàu vũ trụ, thiết bị công nghiệp chịu tải cao, và các bộ phận máy có tuổi thọ kéo dài. Các nước như Nhật Bản, Hoa Kỳ và Đức đã đưa công nghệ này vào sản xuất hàng loạt, tạo ra những sản phẩm có giá trị thương mại cao.

4.1. Kết quả mô phỏng và xác thực thực nghiệm

Các kết quả mô phỏng ép Titan được xác thực thông qua những thí nghiệm thực tế bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát cấu trúc nano. Độ phóng đại 50,000 lần cho phép nhận biết rõ những hạt nano với kích thước chỉ vài chục nanometer. Sự phù hợp giữa dự đoán từ mô phỏng và kết quả thực nghiệm chứng minh tính chính xác của phương pháp ANSYS, mở đường cho ứng dụng công nghiệp rộng rãi.

4.2. Triển vọng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, mô phỏng ép Titan sẽ được kết hợp với công nghệ AI để tự động tối ưu hóa quy trình. Các vật liệu nanostructured từ Titan sẽ được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ y tế hiện đại, ngành hàng không vũ trụ, và sản xuất năng lượng tái tạo. Việc phát triển thêm những kỹ thuật SPD mới như torsion straining sẽ giúp tạo ra những cấu trúc nano còn tinh tế hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

NOS HNVHL WVHd BO GIÁO DỤC VÀ ĐẢO TẠO TRUONG DAI IOC BACH KIIOA ITA NOI LUAN VAN THAC SI KHOA HOC NGÀNH : CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ Q 2 @ a 2 MO PHONG S6 QUA TRINH EP TITAN mw +? ^ a “4 4 at ^ = TRONG KÊNH GẤP KHÚC CÓ TIẾT DIỆN Ö_ | KHÔNG ĐỔI NHẰM TẠO CẤU TRÚC NANÔ THA PHAM THANH SƠN 9007 - 700Z Tà Nội 2006 HÀ NỘI — 2006 BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOL LUAN VAN THAC Si KHOA HOC MO PHONG 86 QUA TRINH EP TITAN TRONG KÊNH GẤP KHÚC CÓ TIẾT DIỆN KHÔNG ĐỔI NHẰM TẠO CẤU TRÚC NANÔ 'NGÀNH: CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ PHAM ‘HANH SON Người hướng dẫn khoa học: GS. NGUYÊN TRỌNG GIẢNG HÀ NỘI - 2006 LOI CAM DOAN Sau quá trình lăn v nghiêm túc tác giả đã hoàn thành bản luận văn với đề lài: “M2 phỏng số quá trình ép Titan trong kênh gấp khúc có tiết điện không đổi nhằm tạo cấu trúc nan”. Tác giả xin cam đoan rằng toàn bộ những kết quả được tình bầy trang luận văn này là công tình do chính tác giả thực hiện và chưa được công bố trên bất kỳ một tạp trí nào. Nếu không đứng như vậy.

tác giả xin hoan toan chịu trách nhiệm. -IV- DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TÁT bee (Bulk-centered cubic): Lập phương tâm khối CAP (Hqual Channel Angular Pressing): Ép trong kênh gấp khúc có tiết diện không đổi fcc (Face-centered cubic): Lap phương tâm mat hep (Hexagonal closc-paokcd): Sáu phương xếp chặt. MF (Multiple Forging): Rèn đa chiều NSM (Nanostructured Materials): Vat ligu cấu trúc nanô. SPD (Severe Plastic Deformation): Bién dang déo khéc liét.

SPTS (Scvere Plastic Torsion Straining): Bign dang déo xoiin khide ligt TEM (Transmission Flectron Microscopy): Hiém vi dign tit truyén qua. -Il- MUC LUC Trang Lời cam đoan Mục lục II Danh mục các chữ viết lất IV Danh mục các hình vẽ Vv Ti mở dầu IX Chương l: PHƯƠNG PHAP CH AO VẬT LIỆU CẤU TRÚC NANO BANG BIEN DANG DEO KHOC LIST SPD OL 1. Tổng quan về phương pháp biến dạng dẻo khốc liệt - SPD 1. Phương pháp SPID và sự hình thành những cấu trúc nanô 1.

Kỹ thuật và những chế độ SPD 03 1. Đặc trmg cấu trúc nanô và sự hình thành của chúng 12 1. Kết luận 24 Chương 2 PHAN MEM ANSYS ỨNG DUNG TRONG MO PHONG SỐ CÁC QUA TRÌNH BIẾN DẠNG LỚN 26 1. Giới thiệu chung về ANSYS 26 22.

Kết cấu của phần mễm ANSYS 37 2. Giải bài toán (solution) 49 2.2, ANSYS trong mô phỏng số các quá trình biến dạng lớn 51 2. Kết luận 52 Chuong 3: MO PHONG QUA TRINH EP TITAN TRONG KENH GẤP KIÚC CÓ TIẾT DIỆN KHÔNG DỔI.1, Tổng quan chung vé Titan 53 3. Giới thiệu chung về Titan 33 3,1,2.

Tinh chat vat ly cia Titan 54 -VI- Hình 1. Mô hình biến đổi của cấu trúc khuyết tật ở những giai đoạn khác nhau trong quá trình biến dựng dẻo khốc liệt - SPD Tĩnh 2. Mô hình vật liệu biến cứng đẳng hướng nhiều đoạn tuyến tính Hinh 2.2: “Pree meshs” va “Mapped meshs” Hình 2. Chia lưới theo kiểu tự do và kiểu bản đồ Hình 2.

Dạng phần tử là hình khối hộp Tĩnh 2.c: Ví dụ minh hoạ về chia lưới ïheo kiếu “bán để” Hình 2. Chia lưới theo block trong ANSYS Hình 2. Chia lạt lưới với phân tử tứ giác Hình 2. Chia lại lưới với phần tử tam giác Hình 2.

Phân chia cấp 4 đối với phần tử tứ giác Hình 2. Phần tử trong bài toán tiếp xúc Hình 3. Ảnh chụp cấu trúc tế vi của mẫu Titan với những mặt cắt khác nhau (độ phóng đại là 500) 53 Tũnh 3. Mô hình hình học của bài toán ECAP_ 90% Hình 3.

Mô hình 3D của bài toán ép Ti trong khuôn CAP 57 Hinh 3. Phan tir SOLID 186 58 Hinh 3.3, Phan tt SOLID 187 59 Hình 3. Mô hình chia lưới phần tử hữu han. Cặp tiếp xúc giữa phôi và khuôn trong bài toán ép THan trong quá trình RCAP él Hình 3.

Các dạng của phần tử TARGET 170 62 Hình 3. Phần tứ CONTA 174 63 -VI- Hình 1. Mô hình biến đổi của cấu trúc khuyết tật ở những giai đoạn khác nhau trong quá trình biến dựng dẻo khốc liệt - SPD Tĩnh 2. Mô hình vật liệu biến cứng đẳng hướng nhiều đoạn tuyến tính Hinh 2.2: “Pree meshs” va “Mapped meshs” Hình 2.

Chia lưới theo kiểu tự do và kiểu bản đồ Hình 2. Dạng phần tử là hình khối hộp Tĩnh 2.c: Ví dụ minh hoạ về chia lưới ïheo kiếu “bán để” Hình 2. Chia lưới theo block trong ANSYS Hình 2. Chia lạt lưới với phân tử tứ giác Hình 2.

Chia lại lưới với phần tử tam giác Hình 2. Phân chia cấp 4 đối với phần tử tứ giác Hình 2. Phần tử trong bài toán tiếp xúc Hình 3. Ảnh chụp cấu trúc tế vi của mẫu Titan với những mặt cắt khác nhau (độ phóng đại là 500) 53 Tũnh 3.

Mô hình hình học của bài toán ECAP_ 90% Hình 3. Mô hình 3D của bài toán ép Ti trong khuôn CAP 57 Hinh 3. Phan tir SOLID 186 58 Hinh 3.3, Phan tt SOLID 187 59 Hình 3. Mô hình chia lưới phần tử hữu han.

Cặp tiếp xúc giữa phôi và khuôn trong bài toán ép THan trong quá trình RCAP él Hình 3. Các dạng của phần tử TARGET 170 62 Hình 3. Phần tứ CONTA 174 63 -Il- MUC LUC Trang Lời cam đoan Mục lục II Danh mục các chữ viết lất IV Danh mục các hình vẽ Vv Ti mở dầu IX Chương l: PHƯƠNG PHAP CH AO VẬT LIỆU CẤU TRÚC NANO BANG BIEN DANG DEO KHOC LIST SPD OL 1. Tổng quan về phương pháp biến dạng dẻo khốc liệt - SPD 1.

Phương pháp SPID và sự hình thành những cấu trúc nanô 1. Kỹ thuật và những chế độ SPD 03 1. Đặc trmg cấu trúc nanô và sự hình thành của chúng 12 1. Kết luận 24 Chương 2 PHAN MEM ANSYS ỨNG DUNG TRONG MO PHONG SỐ CÁC QUA TRÌNH BIẾN DẠNG LỚN 26 1.

Giới thiệu chung về ANSYS 26 22. Kết cấu của phần mễm ANSYS 37 2. Giải bài toán (solution) 49 2.2, ANSYS trong mô phỏng số các quá trình biến dạng lớn 51 2. Kết luận 52 Chuong 3: MO PHONG QUA TRINH EP TITAN TRONG KENH GẤP KIÚC CÓ TIẾT DIỆN KHÔNG DỔI.1, Tổng quan chung vé Titan 53 3.

Giới thiệu chung về Titan 33 3,1,2. Tinh chat vat ly cia Titan 54 -Il- 3. Mang tinh thé cia Titan 3. Đặc điểm của chuyển biển pha trong Tỉ 3,1.

Ứng dụng của Titan Xây dựng bài toán ép phôi tian bằng phương pháp HCAP 3. Xây đựng mô tình 3. Xác định kiểu phần tử và thuộc tính vật liệu 3. Chia lưới phần tử hữu hạn 3.

Xác định cặp liếp xúc và phần tử tiếp xúc 3. Đặt tải và giải bài toán 3.3 Kết quả tính toán và phân tích 65 3. Kết quả mô phỏng quá trình ECAP 9Œ 3. Kết quả mô phông quá trình ECAP 120 72 3.

Phân tích kết quả mỡ phỏng quá trình BCAP 80 3. Thí nghiệm ép Titan trong kênh gấp khúc 120% 83 3. Các thiết bị thí nghiệm 83 3. Các bước tiến hành thí nghiệm 86 3.

Kết quả thí nghiệm và phần tích 87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 9L DANH MỤC CÁC HINH VE VA BO THI ‘Trang Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của quá trình biến dạng xoắn dưới áp lực cao Hình 1. Sơ đồ mô tả qué trinh ECAP Hình 1. Nguyên lý của RCAP 08 Hình 1.

Các cách tiến hành của quá trình RCAP. Cơ chế dịch chuyến mẫu trong quá trình BCAP Hình 1. Những hướng địch chu yến trong quá trình ECAP theo lộ trình 10 Hình 1. Nguyên lý của rèn đa chiêu 11 llnh 1.

Đặc trưng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM của đồng (Cu) cấu trúc nanô, chế tạo bằng biến dạng xoắn khốc liệt 13 llnh 1. Đặc trưng phép khảo sát bằng kính hiểm vì TEM của đồng (Cu) cấu trúc nanô chế tạo bởi quá trình BCAP 15 Hình 1. Cau tric hai pha của hợp kim Zn-22% AI chịu su bién dang xoắn khốc liệt ở nhiệt độ phòng l6 Hình 1,11. Cấu trúc của thép cacbon cao (1,2%) 17 Hình 1.

Cấu trúc vi mô của hợp km AI-7,5%11 18 Hình 1. Đặc trưng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM của Silicon cấu trúc nanô, tạo ra bởi biến dạng xoắn khốc liệt Hình 1. Đặc trưng cấu trúc vỉ mô của hỗn hợp Al6001 + 10%AI›0:, sau khi biển dạng xoắn khốc liệt 2I Hình 1. Đặc trưng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM đối với Ammeo-Fe cấu trúc nanõ chịu biến dạng xoắn khốc liệt - VI0D- Hình 3.

Biến đạng theo phương X (ma sát p= 0. Biến dạng theo phương X (ma sát ¿ = 0. Cường dộ biến dạng ¢; (ma sat 1 = 0. Cường độ biến dạng & (ana sil pp = 0.

Áp lực thuỷ tinh (ma sắt = 0. Áp lực thuỷ tỉnh (ma sát u = 0. Đồ thị mô tả chuyển vị của phối trong quá trình BCAP ở những trường hợp khác nhau 82 Hình 3. Đồ thị mô tả chuyển vị của phôi trong vùng biến dạng ở quá trình ZCAP đối với những trường hợp khác nhau 82 Hình 3.

Ban vé chị tiết khuôn ép có kênh gấp khúc 120° 84 Hình 3. Khuôn ECAP 1209, đề gá dược chế tạo tại trường ĐHBK Hà Nội 84 Hình 3. Máy ép thuỷ lực 100 tấn (STBNHØ1-100) 85 Tlnh 3. Lồ nung liên tục IIK 40.24 với hệ thống điều khiển SH-40Li 86 Hình 3.

Phôi ép Litan trước khi biến dạng 86 Hình 3. Giản đồ tiến trình nung phôi và khuôn trong lò 87 Tĩnh 3. Ép phôi Titan trên máy ép thuỷ lực chuyên dụng 109 tấn 87 Hình 3. Phối được ép trong khuôn ECAP_120° 88 Hình 3.

Mẫu phôi Tian ép lần thứ nhất (a) và lần thứ hai (b) trong kênh gấp khúc 120? 88 DANH MỤC CÁC HINH VE VA BO THI ‘Trang Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của quá trình biến dạng xoắn dưới áp lực cao Hình 1. Sơ đồ mô tả qué trinh ECAP Hình 1. Nguyên lý của RCAP 08 Hình 1.

Các cách tiến hành của quá trình RCAP. Cơ chế dịch chuyến mẫu trong quá trình BCAP Hình 1. Những hướng địch chu yến trong quá trình ECAP theo lộ trình 10 Hình 1. Nguyên lý của rèn đa chiêu 11 llnh 1.

Đặc trưng phép khảo sát bằng kính hiểm vi TEM của đồng (Cu) cấu trúc nanô, chế tạo bằng biến dạng xoắn khốc liệt 13 llnh 1. Đặc trưng phép khảo sát bằng kính hiểm vì TEM của đồng (Cu) cấu trúc nanô chế tạo bởi quá trình BCAP 15 Hình 1. Cau tric hai pha của hợp kim Zn-22% AI chịu su bién dang xoắn khốc liệt ở nhiệt độ phòng l6 Hình 1,11. Cấu trúc của thép cacbon cao (1,2%) 17 Hình 1.

Cấu trúc vi mô của hợp km AI-7,5%11 18 Hình 1.