Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu cơ chế phá hủy phôi trong quá trình cán nêm ngang" của nghiên cứu sinh Đặng Thị Hồng Huế, thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đào Minh Ngừng và GS.TS Nguyễn Trọng Giảng, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu (mã số: 62520309), bảo vệ năm 2014. Công trình tập trung giải quyết bài toán cơ học biến dạng và phá hủy vật liệu trong công nghệ cán nêm ngang (CNN) – một phương pháp gia công kim loại bằng áp lực nhằm chế tạo các chi tiết cơ khí dạng trục tròn xoay.

Quá trình cán nêm ngang có năng suất cao, tiết kiệm kim loại và dễ tự động hóa, tuy nhiên thường xuất hiện ba dạng phế phẩm cơ học: khuyết tật hình dạng (méo mó, vặn xoắn, chùn đầu), khuyết tật bề mặt (ba via, rãnh xoắn, nứt bề mặt, thắt) và khuyết tật rỗng tâm (hình thành lỗ xốp, vết nứt chữ thập và rỗng dọc trục). Trong đó, khuyết tật hình dạng và bề mặt có thể phát hiện và loại bỏ dễ dàng bằng quan sát ngoại quan hoặc dụng cụ đo thông thường. Ngược lại, khuyết tật rỗng tâm nằm ẩn sâu trong lõi chi tiết, chỉ có thể phát hiện khi cắt mẫu kiểm tra tế vi hoặc sử dụng thiết bị dò khuyết tật hiện đại (như siêu âm, kính hiển vi điện tử). Khuyết tật này làm suy giảm nghiêm trọng độ bền của chi tiết khi đưa vào làm việc. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: trạng thái ứng suất – biến dạng trong cán nêm ngang diễn biến đa trục rất phức tạp (nén theo phương $z$, kéo theo phương $x$ và $y$); các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam chưa làm rõ cơ chế hình thành khuyết tật rỗng tâm dưới tác động đồng thời của các biến số công nghệ (nhiệt độ, tốc độ biến dạng, ma sát, hình học nêm) và chưa có mô hình phá hủy cơ học được nhận dạng thực nghiệm cho thép C45 trong điều kiện biến dạng nóng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm:

  1. Nghiên cứu nguyên nhân và cơ chế phá hủy phôi nhằm khắc phục, loại trừ khuyết tật cơ học hình thành trong quá trình cán nêm ngang, đặc biệt là khuyết tật rỗng tâm.
  2. Xây dựng phương pháp nhận dạng và xác định đầy đủ các hệ số của mô hình thuộc tính và mô hình phá hủy Johnson – Cook cho vật liệu thép C45 trong điều kiện nhiệt độ cao.
  3. Ứng dụng mô phỏng số để phân tích trạng thái ứng suất – biến dạng, sự hình thành biến phá hủy và xác định miền thông số công nghệ tối ưu cho quá trình cán.
  4. Kiểm chứng mô hình và miền thông số công nghệ thông qua thực nghiệm chế tạo chi tiết vít ren côn trên máy cán nêm ngang.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Chi tiết cơ khí dạng trục tròn xoay, cụ thể là chi tiết vít ren côn (vít ren sử dụng cho tàu điện).
  • Vật liệu nghiên cứu: Thép carbon kết cấu C45.
  • Phạm vi công nghệ: Quá trình cán nêm ngang sử dụng bàn nêm phẳng (nêm dưới cố định, nêm trên chuyển động tịnh tiến); dải nhiệt độ nung cán từ $1030^\circ\text{C}$ đến $1150^\circ\text{C}$; tốc độ cán từ $150\text{ mm/s}$ đến $270\text{ mm/s}$; hệ số ma sát giữa khuôn và phôi từ $0{,}48$ đến $0{,}56$.
  • Phạm vi phương pháp: Kết hợp lý thuyết dẻo và cơ học phá hủy môi trường liên tục, phương pháp nhận dạng thực nghiệm cơ tính trên máy thử kéo nén MTS, phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm ABAQUS, và thực nghiệm kiểm chứng trên máy cán công nghiệp.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu của luận án hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước xoay quanh động học quá trình cán nêm ngang và cơ chế hình thành khuyết tật:

  • Cơ chế phá hủy rỗng tâm (hiệu ứng Mannesmann): Năm 1885, Mannesmann phát hiện sự hình thành các lỗ trống và vết nứt tế vi khi rèn và cán các chi tiết hình trụ, chỉ ra rằng biến dạng dẻo phức tạp kết hợp giữa nén hướng kính, kéo giãn hướng trục và nén hướng ngang là nguồn gốc tạo mầm phá hủy. Tselikov A.I. (1970) cho rằng phá hủy tâm là do sự tích lũy ứng suất kéo trong quá trình phôi quay tròn, đồng thời đề xuất giải bài toán gần đúng bằng lý thuyết biến dạng phẳng. Ngược lại, Siminov nhận định ứng suất tiếp đóng vai trò chủ đạo, còn ứng suất kéo chỉ là thứ yếu dưới tác dụng của tải trọng chu kỳ. Teterin P.K. và Liuzin J.F. quy khuyết tật rỗng tâm về hiện tượng biến dạng dẻo mãnh liệt tại vùng tâm phôi. Danno A. và Awano T. khẳng định lỗ trống phát triển do sự kết hợp của ứng suất kéo hướng tâm và biến dạng trượt sau mỗi vòng quay phôi.
  • Lý thuyết trường đường trượt và mỏi chu kỳ thấp: Hill, Schukin V.Y., Hayama H., Jain và Kobayashi đã sử dụng phương pháp trường đường trượt để tính toán ứng suất và sự giảm đường kính phôi cán. Tuy nhiên, các phân tích này giả thiết biến dạng phẳng, bỏ qua biến dạng dọc trục nên kết quả chỉ mang tính định tính. Menson và Schukin V.Y. đưa ra khái niệm phá hủy do mỏi chu kỳ thấp trong vùng biến dạng dưới tải trọng chu kỳ lặp lại khi phôi quay. Fu X.P. và Dean T.A. tổng kết khuyết tật tâm hình thành do chu kỳ ứng suất tự nhiên kiểu Mannesmann, sự tích lũy hư hỏng vi mô, sự chênh lệch vận tốc dòng kim loại và tạp chất phi kim tồn tại từ phôi đúc.
  • Nghiên cứu về khuyết tật hình dạng và bề mặt: Dong Y. tổng kết ba bài toán lớn của công nghệ cán nêm ngang: trượt ban đầu ngăn cản quay phôi gây sai lệch hình dạng; phá hủy tâm phôi; và khuyết tật bề mặt. Qiang Li (2004) chỉ ra hiện tượng trượt trơn ở vùng cắt và vùng dẫn gây sai lệch kích thước; khi hệ số biến dạng tổng vượt quá $0{,}6$ thì khuyết tật rỗng tâm bắt đầu xuất hiện, và khi vượt quá $0{,}7$ sẽ phát sinh hiện tượng thắt phôi. Hu Z.H. và cộng sự kết luận sự phân bố ứng suất không đồng đều trên các mặt cắt và sự giãn nở nhiệt cục bộ là nguyên nhân gây ra khuyết tật rãnh xoắn. Pater Z. nghiên cứu hiện tượng rãnh xoắn hình thành khi ma sát quá lớn, trong khi Thompson và Hawkyard đề xuất giải pháp tạo răng cưa trên bề mặt nêm để tăng độ bám ma sát, đảm bảo điều kiện quay ổn định cho phôi.
  • Ứng dụng mô phỏng số (FEM): Pater Z. sử dụng phần mềm MARC/Autoform mô phỏng cán thép hợp kim 20MnCr5 ở điều kiện đẳng nhiệt ($1050^\circ\text{C}$, tốc độ $0{,}1\text{ m/s}$) và phần mềm SuperForm 2004 để khảo sát trường biến dạng. Dong Y., Lovell M.R., Tagavi K.A. mô phỏng sự trượt giữa phôi và nêm trong vùng cắt và vùng dẫn. Zhao J. sử dụng phần mềm ANSYS/LS-DYNA mô phỏng sự phát triển lỗ xốp và kết luận biến dạng tương đương hữu hiệu là chỉ số quan trọng để dự báo phá hủy tâm. Bartnicki J. và cộng sự ứng dụng FEM kết hợp thực nghiệm để nghiên cứu cán chi tiết trục rỗng.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết: Hầu hết các công trình trước đây giải quyết bài toán cán nêm ngang ở trạng thái biến dạng phẳng đơn giản hóa hoặc áp dụng các tiêu chí phá hủy dẻo chưa gắn liền với chỉ số trạng thái ứng suất đa trục, vận tốc biến dạng và nhiệt độ. Tại Việt Nam, công nghệ cán nêm ngang chưa được nghiên cứu hệ thống về cơ chế phá hủy dẻo của thép C45 trong điều kiện cán nóng. Luận án chọn giải quyết bài toán nhận dạng đầy đủ mô hình thuộc tính và mô hình phá hủy Johnson – Cook cho thép C45, từ đó mô phỏng 3D quá trình tạo hình chi tiết vít ren côn phức tạp và tối ưu hóa miền thông số công nghệ nhằm triệt tiêu khuyết tật rỗng tâm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng trên nền tảng lý thuyết biến dạng dẻo kim loại và cơ học phá hủy môi trường liên tục (Continuum Damage Mechanics). Quá trình phá hủy dẻo được chia làm ba giai đoạn liên tiếp:

  1. Sự hình thành và xuất hiện lỗ xốp tế vi (nucleation) tại các vị trí lệch mạng, ranh giới hạt hoặc pha tạp chất phi kim.
  2. Sự phát triển kích thước của lỗ xốp (growth) dưới tác động của ứng suất kéo thủy tĩnh.
  3. Sự hợp nhất của các lỗ xốp (coalescence) dưới tác động của biến dạng trượt và ứng suất tiếp tạo thành các vết nứt vĩ mô dọc theo trục phôi.

Để mô tả trạng thái ứng suất đa trục, luận án sử dụng chỉ số trạng thái ứng suất $\sigma^$: $$\sigma^ = \frac{\sigma_H}{\sigma_{eq}}$$ Trong đó:

  • $\sigma_H$ là ứng suất thủy tĩnh: $\sigma_H = \frac{\sigma_1 + \sigma_2 + \sigma_3}{3}$
  • $\sigma_{eq}$ là ứng suất tương đương Von Mises: $$\sigma_{eq} = \frac{1}{\sqrt{2}} \sqrt{(\sigma_1 - \sigma_2)^2 + (\sigma_2 - \sigma_3)^2 + (\sigma_3 - \sigma_1)^2}$$

Theo nghiên cứu của Wierzbicki, khi chỉ số trạng thái ứng suất $\sigma^* < -1/3$, trạng thái nén chiếm ưu thế và vật liệu hầu như không bị phá hủy dẻo; khi $\sigma^*$ mang giá trị dương lớn, tốc độ phát triển và hợp nhất lỗ xốp tăng vọt dẫn đến phá hủy tâm phôi.

Mô hình thuộc tính vật liệu: Luận án lựa chọn mô hình chảy dẻo Johnson – Cook có dạng: $$\bar{\sigma} = \left[ A + B(\bar{\varepsilon})^n \right] \left[ 1 + C \ln \left( \frac{\dot{\varepsilon}}{\dot{\varepsilon}0} \right) \right] \left[ 1 - (T^)^m \right]$$ Trong đó: $A$ là giới hạn chảy ban đầu; $B$ là hệ số hóa bền; $n$ là số mũ hóa bền; $C$ là hệ số nhạy cảm với tốc độ biến dạng; $m$ là hệ số hóa mềm nhiệt; $T^$ là tỉ số nhiệt độ không thứ nguyên: $$T^* = \frac{T - T{room}}{T_{melt} - T_{room}}$$ ($T_{room}$ là nhiệt độ môi trường/phòng, $T_{melt}$ là nhiệt độ nóng chảy của kim loại).

Mô hình phá hủy dẻo: Luận án sử dụng mô hình phá hủy tích lũy Johnson – Cook. Tiêu chuẩn phá hủy được xác định thông qua biến phá hủy vô hướng $D$: $$D = \sum \frac{\Delta \bar{\varepsilon}^p}{\bar{\varepsilon}_f} = \int_0^{\bar{\varepsilon}_c} \frac{d\bar{\varepsilon}^p}{\bar{\varepsilon}_f} \ge 1$$ Khi $D \ge 1$ (hoặc đạt ngưỡng tới hạn $D_c$), phần tử vật liệu bị coi là phá hủy hoàn toàn và bị loại bỏ khỏi lưới tính toán. Độ biến dạng dẻo tương đương tại thời điểm phá hủy $\bar{\varepsilon}_f$ phụ thuộc vào trạng thái ứng suất, tốc độ biến dạng và nhiệt độ: $$\bar{\varepsilon}_f = \left[ D_1 + D_2 \exp(D_3 \sigma^) \right] \left[ 1 + D_4 \ln \left( \frac{\dot{\varepsilon}}{\dot{\varepsilon}_0} \right) \right] \left[ 1 + D_5 T^ \right]$$ Trong đó $D_1, D_2, D_3, D_4, D_5$ là 5 hệ số phá hủy của vật liệu.

Phương pháp thực nghiệm nhận dạng:

  • Thiết bị: Máy thử nghiệm kéo nén vạn năng MTS có tích hợp lò nung cao tần cho phép thử nghiệm ở nhiệt độ cao.
  • Mẫu thử: Chế tạo từ thép C45 theo các hình dạng: mẫu kéo hình trụ trơn tiêu chuẩn; mẫu kéo có rãnh khía tạo bán kính lượn $R$ khác nhau ở giữa nhằm thay đổi chỉ số trạng thái ứng suất $\sigma^*$ theo mô hình Bridgman; và mẫu thử xoắn thuần túy.
  • Các cấp nhiệt độ thử nghiệm: Thử nghiệm nguội tại nhiệt độ phòng ($20^\circ\text{C}$) và thử nghiệm nóng ở các mức $900^\circ\text{C}$, $1000^\circ\text{C}$, $1100^\circ\text{C}$ và $1200^\circ\text{C}$.
  • Phương pháp xử lý số liệu: Tác giả phát triển phương pháp lập tỉ số giữa các đường cong ứng suất – biến dạng tại các tốc độ biến dạng khác nhau trên cùng một nền nhiệt độ để cô lập và xác định trực tiếp hệ số $C$ và $D_4$, loại trừ sự phụ thuộc phức tạp vào nhiệt độ tham chiếu. Các hệ số $D_1, D_2, D_3$ được xác định dựa trên hiệu chỉnh Bridgman đối với vết thắt của mẫu tạo rãnh: $$\sigma^* = \frac{1}{3} + \ln \left( 1 + \frac{a}{2R} \right)$$ (với $a$ là bán kính nhỏ nhất tại cổ thắt, $R$ là bán kính góc lượn).

Phương pháp mô phỏng số:

  • Luận án ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trên phần mềm ABAQUS/Explicit để mô phỏng bài toán biến dạng phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu.
  • Xây dựng mô hình 2D phân tích trạng thái ứng suất – biến dạng phẳng tại tiết diện ngang của phôi tròn và mô hình 3D cho quá trình cán nêm ngang chi tiết vít ren côn.
  • Nêm cán được mô hình hóa là vật thể biến dạng đàn hồi hoặc vật rắn tuyệt đối; phôi cán là vật thể đàn - dẻo gán mô hình thuộc tính và tiêu chí phá hủy Johnson – Cook; quan hệ tiếp xúc giữa phôi và khuôn là tiếp xúc mặt tới mặt (surface-to-surface) có ma sát theo định luật ma sát Coulomb.

Phương pháp thực nghiệm công nghệ:

  • Sử dụng máy cán nêm ngang hai bàn nêm phẳng lắp đặt tại phòng thí nghiệm/xưởng sản xuất.
  • Khuôn nêm phẳng được gia công các rãnh ren âm định hình profile vít ren côn tàu điện; máy dập đầu mũ chuyên dụng; hệ thống nung phôi cảm ứng.
  • Đánh giá chất lượng sau cán bằng quan sát ngoại quan và cắt bổ phôi theo mặt cắt dọc và mặt cắt ngang để kiểm tra vết nứt rỗng tâm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày nguyên lý cán nêm ngang, đặc điểm kết cấu dụng cụ, các thông số động lực học và bản chất các dạng khuyết tật.

  • Nguyên lý và hình học nêm cán: Chiều dài nêm cán trên bàn nêm phẳng được phân thành 4 vùng làm việc kế tiếp nhau: vùng cắt ($L_1$) đảm bảo điều kiện ăn phôi; vùng dẫn ($L_2$) tạo lượng ép nhỏ ban đầu và duy trì sự quay ổn định với chiều dài tối thiểu bằng chu vi phôi; vùng tạo hình ($L_3$) diễn ra biến dạng thể tích chủ yếu tạo profile chi tiết; và vùng định kích thước ($L_4$) ổn định kích thước chi tiết và bố trí dao cắt phoi thừa. Ba góc hình học cơ bản của nêm là: góc tạo hình $\beta$ (xác định tốc độ dịch chuyển của vùng biến dạng dọc trục), góc ép $\alpha$ (quyết định diện tích tiếp xúc giữa phôi và khuôn), và góc nâng $\gamma$ liên hệ qua biểu thức: $$\tan \gamma = \tan \alpha \cdot \tan \beta$$
  • Độ biến dạng: Hệ số biến dạng diện tích $\delta = 1 - (d/D_0)^2$ và mức độ biến dạng $\varepsilon = D_0/d$ (với $D_0, d$ là đường kính phôi trước và sau cán; lượng ép tuyệt đối $r = D_0 - d$).
  • Điều kiện quay phôi: Dựa trên phân tích cân bằng mô men giữa lực ma sát tiếp tuyến $F$ và lực pháp tuyến $N$ tại vùng tiếp xúc ($M_F \ge M_N$), tác giả thiết lập bất đẳng thức giới hạn ăn phôi và chống trượt: $$\mu \ge \frac{b}{a} \implies \mu \ge \frac{\tan \gamma}{2}$$ Đồng thời, mức giảm bán kính giới hạn và hệ số biến dạng giới hạn được biểu diễn qua hệ số ma sát $\mu$: $$\left( \frac{\Delta r}{r_0} \right){max} \le \frac{8\mu^2}{1 + 4\mu^2}$$ $$\left( \frac{S_0}{S} \right){max} = \frac{16\mu^2}{(1 + 4\mu^2)^2}$$
  • Động lực học và lực cán: Lực tổng hợp được phân tách thành ba thành phần: lực đẩy nằm ngang $P_x$, lực dọc trục $P_y$, và lực ép thẳng đứng hướng tâm $P_z$. Lực đẩy toàn phần tác động lên nêm: $$\vec{P}_C = \vec{P}_x + \mu \vec{P}_z$$ Dụng cụ nêm phẳng có độ bền cao (đạt tới 500.000 sản phẩm mới phải thay thế) và độ chính xác phôi đạt $\pm 0{,}01 \dots \pm 0{,}5\text{ mm}$.
  • Đặc điểm khuyết tật cơ học:
    • Khuyết tật hình dạng: Do lực ma sát không đủ lớn gây trượt tương đối giữa phôi và nêm trong vùng cắt và vùng dẫn, phôi bị nén dẹt mà không quay tròn, dẫn đến méo mó và vặn xoắn.
    • Khuyết tật bề mặt: Gồm nứt, rãnh xoắn (phát sinh khi hệ số ma sát quá lớn hoặc biến dạng dọc trục quá mức), khuyết tật thắt (xuất hiện khi hệ số biến dạng tổng vượt quá $0{,}7$ do ứng suất kéo dọc trục vượt giới hạn bền), ba via (do cạnh nêm sắc nhọn và góc $\beta$ nhỏ), và khuyết tật chùn đầu (khi phôi biến dạng đạt $70%$ do biến dạng dọc trục mãnh liệt).
    • Khuyết tật rỗng tâm: Hình thành do chu kỳ kéo - nén đan xen liên tục khi phôi quay tròn dưới tác dụng của lực ép nêm. Lõi phôi chịu trạng thái ứng suất nén theo phương thẳng đứng kết hợp ứng suất kéo theo phương ngang, làm xuất hiện ứng suất kéo thủy tĩnh và các vết nứt tế vi định hướng chữ thập, sau đó liên kết thành lỗ hổng dọc trục.

Chương 2: Mô hình thuộc tính và phá hủy vật liệu

Chương 2 tập trung phân tích lý thuyết cơ học phá hủy dẻo và cơ sở lựa chọn mô hình toán học phù hợp cho bài toán cán nêm ngang.

  • Cơ chế vi mô của phá hủy dẻo: Phân tích quá trình tập trung ứng suất tại các pha hạt cứng phân tán và ranh giới tinh thể, dẫn đến sự xuất hiện lỗ xốp tế vi. Dưới tác động của ứng suất kéo thủy tĩnh, các lỗ xốp này giãn nở thể tích. Khi phôi tiếp tục quay, ứng suất tiếp cực đại nghiêng góc $45^\circ$ so với trục ứng suất chính thúc đẩy sự trượt giữa các mặt tinh thể, kéo dài các lỗ xốp và làm chúng hợp nhất lại thành khe nứt vĩ mô.
  • So sánh các mô hình thuộc tính: Tác giả điểm lại mô hình Holloman ($\sigma = K\varepsilon^n$), mô hình Ludwik ($\sigma = \sigma_0 + K\varepsilon^n$) chỉ áp dụng cho biến dạng nguội; mô hình El-Magd-Troost xét đến tốc độ biến dạng nhưng chỉ thích hợp cho trạng thái dẻo nhớt ở nhiệt độ thường; mô hình Zerilli-Armstrong có xét đến nhiệt độ nhưng cấu trúc hàm phi tuyến rất khó nhận dạng. Mô hình Johnson – Cook tích hợp đầy đủ ba hiệu ứng: hóa bền biến dạng, độ nhạy tốc độ biến dạng và hóa mềm nhiệt độ dưới dạng phương trình nhân tử đơn giản, rất thuận tiện cho việc cài đặt thuật toán phần tử hữu hạn.
  • So sánh các mô hình phá hủy dẻo:
    • Mô hình môi trường liên tục: Mô hình McClintock khảo sát sự phát triển của lỗ hổng hình trụ dưới ứng suất kéo; mô hình Rice & Tracey khảo sát sự phát triển thể tích của lỗ hổng hình cầu dưới tác động của ứng suất thủy tĩnh $3\sigma_H / (2\sigma_{eq})$; mô hình Hancock & MacKenzie chứng minh tốc độ phát triển lỗ hổng phụ thuộc phi tuyến vào chỉ số trạng thái ứng suất $\sigma^*$; mô hình Johnson – Cook mở rộng bằng việc bổ sung thêm ảnh hưởng của tốc độ biến dạng và nhiệt độ vào biểu thức biến dạng phá hủy $\bar{\varepsilon}_f$.
    • Mô hình hiện tượng luận: Các mô hình của Lemaitre, Chaboche, Xue và Wierzbicki đưa biến hư hại vào ten xơ ứng suất hữu hiệu nhưng đòi hỏi khối lượng thí nghiệm phức tạp.
  • Lý do lựa chọn: Mô hình thuộc tính và mô hình phá hủy Johnson – Cook được lựa chọn vì: bao quát được các điều kiện biến dạng lớn, tốc độ cao và nhiệt độ cao; phụ thuộc trực tiếp vào chỉ số trạng thái ứng suất $\sigma^*$; các tham số hoàn toàn có thể nhận dạng được bằng hệ thống thiết bị thực nghiệm hiện có tại Việt Nam; và mô hình đã được tích hợp sẵn trong thư viện phần mềm ABAQUS.

Chương 3: Nhận dạng mô hình Johnson-Cook

Chương 3 trình bày quy trình thực nghiệm và phương pháp tính toán để xác định bộ tham số của mô hình thuộc tính và mô hình phá hủy Johnson – Cook đối với thép C45.

  • Quy trình nhận dạng mô hình thuộc tính:
    • Nhận dạng $A, B, n$: Thực hiện thử nghiệm kéo nguội tại nhiệt độ phòng ($T^* = 0$) với tốc độ biến dạng chuẩn $\dot{\varepsilon}_0 = 1\text{ s}^{-1}$ ($\ln(\dot{\varepsilon}^*) = 0$). Từ đường cong ứng suất – biến dạng thực nghiệm, xác định giới hạn chảy $A$. Quy hoạch đường cong $\bar{\sigma} - A = B(\bar{\varepsilon}^p)^n$ bằng phương pháp bình phương cực tiểu thu được $B$ và $n$.
    • Nhận dạng $C$: Thử nghiệm kéo ở các tốc độ biến dạng khác nhau ($\dot{\varepsilon}_1, \dot{\varepsilon}_2, \dot{\varepsilon}3$) tại cùng các mức nhiệt độ ($900^\circ\text{C}, 1000^\circ\text{C}, 1100^\circ\text{C}$). Tác giả áp dụng phương pháp lập tỉ số ứng suất giữa các trạng thái biến dạng để loại bỏ ảnh hưởng của hàm nhiệt độ và hóa bền, tính toán các giá trị $C{ij}$ và lấy giá trị trung bình.
    • Nhận dạng $m$: Thực hiện thí nghiệm ở các mức nhiệt độ cao với cùng một tốc độ biến dạng, biến đổi phương trình về dạng tuyến tính: $$Y = \ln \left( 1 - \frac{\bar{\sigma}}{P} \right) = m \cdot \ln(T^*)$$ Hệ số góc của đường thẳng hồi quy chính là giá trị $m$.
  • Quy trình nhận dạng mô hình phá hủy:
    • Nhận dạng $D_1, D_2, D_3$: Thử nghiệm kéo các mẫu có bán kính rãnh lượn $R$ khác nhau ở nhiệt độ phòng. Sự thay đổi bán kính $R$ làm thay đổi chỉ số trạng thái ứng suất $\sigma^*$ tại tâm mẫu theo công thức Bridgman. Đo đạc độ thắt tiết diện tại thời điểm đứt để tính biến dạng phá hủy dẻo tương đương $\bar{\varepsilon}_f$, sau đó khớp hàm số mũ để tìm $D_1, D_2, D_3$.
    • Nhận dạng $D_4$ và $D_5$: Sử dụng các thí nghiệm kéo và xoắn ở dải tốc độ biến dạng và nhiệt độ cao ($900^\circ\text{C} - 1200^\circ\text{C}$) để xác định độ suy giảm độ dẻo phá hủy theo tốc độ và sự tăng độ dẻo theo nhiệt độ.
  • Kết quả nhận dạng đối với thép C45:
Mô hình Tham số Ký hiệu Giá trị xác định Ý nghĩa vật lý
Thuộc tính Johnson – Cook Giới hạn chảy $A$ $510\text{ MPa}$ Ứng suất chảy ban đầu tại nhiệt độ phòng
Hệ số hóa bền $B$ $722\text{ MPa}$ Mức độ gia tăng ứng suất khi biến dạng dẻo
Số mũ hóa bền $n$ $0{,}36$ Độ nhạy hóa bền biến dạng dẻo
Hệ số tốc độ $C$ $0{,}097$ Độ nhạy cảm với tốc độ biến dạng
Số mũ nhiệt độ $m$ $0{,}432$ Mức độ hóa mềm do nhiệt độ
Phá hủy Johnson – Cook Hệ số phá hủy 1 $D_1$ $0{,}009$ Biến dạng phá hủy nền ban đầu
Hệ số phá hủy 2 $D_2$ $1{,}48$ Hệ số biên độ ảnh hưởng trạng thái ứng suất
Hệ số phá hủy 3 $D_3$ $-2{,}66$ Số mũ đặc trưng độ suy giảm độ dẻo khi $\sigma^*$ tăng
Hệ số phá hủy 4 $D_4$ $0{,}164$ Độ nhạy của độ dẻo phá hủy theo tốc độ biến dạng
Hệ số phá hủy 5 $D_5$ $0{,}623$ Mức độ gia tăng độ dẻo phá hủy theo nhiệt độ
  • Kiểm chứng mô hình nhận dạng: Tác giả xây dựng mô hình phần tử hữu hạn mô phỏng lại bài toán thử kéo mẫu trơn và mẫu tạo rãnh trên ABAQUS với bộ thông số vừa tìm được. Đường cong quan hệ lực – chuyển vị và đồ thị biến dạng phá hủy $\bar{\varepsilon}_f - \sigma^*$ giữa mô phỏng và thực nghiệm có sự trùng khớp cao, khẳng định độ tin cậy của bộ thông số vật liệu.

Chương 4: Mô phỏng số quá trình cán nêm ngang

Chương 4 áp dụng bộ thông số vật liệu đã nhận dạng vào mô phỏng số quá trình cán nêm ngang chi tiết trục và chi tiết vít ren côn bằng phần mềm ABAQUS.

  • Mô phỏng 2D quá trình cán ngang: Khảo sát phân bố trạng thái ứng suất và biến dạng dẻo ở vùng tâm phôi tròn. Kết quả chỉ ra khi hai bề mặt nêm ép vào phôi, tại tâm xuất hiện ứng suất kéo dọc trục và ứng suất nén hướng kính cực đại. Khi phôi quay liên tục, dấu ứng suất đảo chiều tuần hoàn, tạo nên chỉ số trạng thái ứng suất $\sigma^*$ dương lớn. Khi biến phá hủy tích lũy $D$ đạt giá trị tới hạn ($D \ge 1$), các phần tử lưới tại tâm bị xóa (element deletion), mô phỏng trực quan sự hình thành lỗ rỗng tâm.
  • Mô phỏng 3D bài toán cán vít ren côn tàu điện:
    • Thiết lập mô hình: Phôi ban đầu có đường kính bậc, nêm cán được mô hình hóa đầy đủ profile ren côn âm với các thông số góc $\alpha, \beta, \gamma$. Thiết lập điều kiện biên truyền nhiệt và ma sát tiếp xúc.
    • Phân bố ứng suất: Ứng suất kéo thủy tĩnh $\sigma_H$ tập trung cao nhất tại đường tâm hình học của chi tiết ren côn. Các thành phần ứng suất pháp chính $\sigma_1, \sigma_2$ đều mang dấu dương tại vùng lõi.
    • Phân bố biến dạng và nhiệt độ: Biến dạng dẻo tương đương tập trung lớn nhất ở lớp kim loại bề mặt do dòng chảy điền đầy các rãnh ren, trong khi vùng tâm biến dạng dẻo tích lũy chậm hơn nhưng chịu trạng thái ứng suất kéo khắc nghiệt. Nhiệt độ phôi phân bố không đều: bề mặt bị giảm nhiệt do tiếp xúc với khuôn, trong khi tâm phôi duy trì nhiệt độ cao kết hợp nhiệt sinh ra do biến dạng dẻo.
    • Biến phá hủy vô hướng Johnson – Cook ($D$): Tại các vùng có chỉ số $\sigma^*$ lớn, biến $D$ tăng nhanh vượt bậc. Nếu thông số công nghệ không tối ưu, $D$ đạt ngưỡng phá hủy dọc theo đường tâm trước khi kết thúc hành trình cán, tạo ra khuyết tật rỗng tâm hình chữ thập hoặc dạng ống rỗng. Luận án cũng ghi nhận hiện tượng lõm đầu chi tiết vít ren côn sau khi tạo hình.
    • Tải trọng cán: Phân tích lực cán $P_x, P_y, P_z$ trên các phương cho phép xác định phản lực tác dụng lên bàn nêm và cơ cấu truyền động, làm căn cứ kiểm tra độ bền khuôn và công suất máy cán.
  • Xác lập miền thông số công nghệ tối ưu: Qua khảo sát đa thông số bằng mô phỏng số, luận án xác định được miền thông số công nghệ an toàn để chi tiết vít ren côn không bị phá hủy rỗng tâm:
Thông số công nghệ Ký hiệu Miền thông số an toàn Miền gây khuyết tật / phá hủy
Hệ số ma sát $\mu$ $0{,}48 - 0{,}56$ $< 0{,}48$ (trượt phôi, méo) hoặc $> 0{,}56$ (rãnh xoắn)
Tốc độ cán $v$ $150 - 270\text{ mm/s}$ $< 150\text{ mm/s}$ hoặc $> 270\text{ mm/s}$
Nhiệt độ nung phôi cán $T$ $1030^\circ\text{C} - 1150^\circ\text{C}$ $< 1030^\circ\text{C}$ (dễ rỗng tâm) hoặc $> 1150^\circ\text{C}$ (cháy hạt)

Chương 5: Thực nghiệm quá trình cán nêm ngang

Chương 5 trình bày toàn bộ quá trình kiểm chứng thực nghiệm trên thiết bị công nghiệp nhằm khẳng định tính chính xác của mô hình lý thuyết và kết quả mô phỏng.

  • Thiết bị và khuôn cán: Thí nghiệm tiến hành trên máy cán nêm ngang bàn phẳng. Kết cấu máy gồm cơ cấu dẫn động tịnh tiến nêm trên, cơ cấu nâng trượt, bộ phận gá lắp nêm cố định phía dưới và cảm biến đo áp lực. Bộ khuôn nêm được gia công bằng thép hợp kim có độ cứng bề mặt cao, biên dạng nêm mang profile ren âm của vít ren côn.
  • Quy trình công nghệ thực nghiệm:
    1. Phôi thép C45 được cắt đoạn theo kích thước tính toán từ mô phỏng.
    2. Nung phôi đến nhiệt độ công nghệ trên thiết bị nung cảm ứng điện từ.
    3. Dập đầu mũ tạo hình phần đầu côn trước khi đưa vào cán ren.
    4. Đưa phôi vào bàn nêm dưới; nêm trên chuyển động tịnh tiến thực hiện quá trình cán ép và lăn ren định hình vít ren côn.
  • Kiểm tra khuyết tật sản phẩm:
    • Đối với các mẫu cán thử nghiệm ở chế độ ngoài miền an toàn (nhiệt độ thấp hơn $1030^\circ\text{C}$ hoặc tốc độ cán ngoài khoảng $150 - 270\text{ mm/s}$): sản phẩm sau cán xuất hiện khuyết tật rỗng tâm; cắt lát mẫu theo mặt cắt ngang và dọc trục cho thấy vết nứt và lỗ rỗng phát triển định hướng dọc tâm phôi, bề mặt có dấu hiệu rãnh xoắn và lõm đầu.
    • Đối với các mẫu cán trong miền thông số công nghệ an toàn ($\mu = 0{,}48 - 0{,}56$; $v = 150 - 270\text{ mm/s}$; $T = 1030^\circ\text{C} - 1150^\circ\text{C}$): chi tiết vít ren côn có hình dáng hình học chính xác, profile ren đầy đặn, không có khuyết tật ba via hay rãnh xoắn bề mặt. Cắt bổ dọc và ngang thân vít kiểm tra tổ chức tế vi không phát hiện lỗ rỗng tế vi hay vết nứt dọc tâm.
  • So sánh mô phỏng và thực nghiệm: Dạng hình học, mức độ lõm đầu chi tiết, vị trí xuất hiện khuyết tật bề mặt và khuyết tật rỗng tâm trong thực nghiệm hoàn toàn trùng khớp với dự báo của mô hình phần tử hữu hạn ABAQUS, chứng minh phương pháp mô hình hóa và các hệ số nhận dạng đạt độ chính xác cao.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự công bố các kết quả và đóng góp mới về mặt khoa học lý luận và thực tiễn công nghệ bao gồm:

  1. Đóng góp về mặt lý luận:
    • Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về biến dạng dẻo và cơ học phá hủy dẻo đa trục trong quá trình cán nêm ngang.
    • Xây dựng thành công phương pháp nhận dạng các hệ số nhạy cảm tốc độ biến dạng ($C, D_4$) của mô hình Johnson – Cook bằng kỹ thuật lập tỉ số ứng suất thực nghiệm, giúp loại bỏ sự phụ thuộc vào nhiệt độ tham chiếu và không cần thiết bị truyền sóng đo biến dạng siêu cao tần.
    • Ứng dụng mô hình cổ thắt Bridgman để xác định mối quan hệ định lượng giữa chỉ số trạng thái ứng suất $\sigma^*$ và độ biến dạng phá hủy dẻo tương đương $\bar{\varepsilon}_f$, từ đó tính toán chính xác các hệ số phá hủy $D_1, D_2, D_3$ cho thép C45 trong điều kiện biến dạng nóng.
    • Làm sáng tỏ bản chất cơ chế phá hủy rỗng tâm trong cán nêm ngang: do sự biến dạng không đồng đều giữa các lớp kim loại bề mặt và lõi; sự chênh lệch nhiệt độ tạo ứng suất dư bên trong vật liệu; và đặc biệt là chỉ số trạng thái ứng suất dương lớn ($\sigma^* > 0$) tập trung tại vùng tâm thúc đẩy quá trình tạo mầm, phát triển và sáp nhập các lỗ xốp vi mô thành vết nứt chữ thập dưới tải trọng kéo - nén chu kỳ.
  2. Đóng góp về mặt thực tiễn:
    • Xác định bộ 10 thông số chuẩn của mô hình Johnson – Cook cho vật liệu thép C45: $A = 510\text{ MPa}$, $B = 722\text{ MPa}$, $n = 0{,}36$, $C = 0{,}097$, $m = 0{,}432$ và $D_1 = 0{,}009$, $D_2 = 1{,}48$, $D_3 = -2{,}66$, $D_4 = 0{,}164$, $D_5 = 0{,}623$.
    • Xác lập miền thông số công nghệ tối ưu cho quá trình cán nêm ngang chi tiết vít ren côn bằng thép C45: hệ số ma sát $\mu = 0{,}48 - 0{,}56$; tốc độ cán $v = 150 - 270\text{ mm/s}$; nhiệt độ nung cán $T = 1030^\circ\text{C} - 1150^\circ\text{C}$.
    • Chế tạo thành công chi tiết vít ren côn sử dụng trong ngành đường sắt/tàu điện đảm bảo độ chính xác hình học và không chứa khuyết tật rỗng tâm trên máy cán nêm ngang tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ theo nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong luận án:

  • Hạn chế:
    • Đối tượng nghiên cứu mới chỉ tập trung vào một mác thép carbon kết cấu thông dụng là thép C45; chưa khảo sát các dòng thép hợp kim cao, thép không gỉ hoặc kim loại màu.
    • Dạng sản phẩm thực nghiệm tập trung vào chi tiết trục đối xứng và chi tiết vít ren côn; chưa mở rộng cho các chi tiết có độ bất đối xứng lớn hoặc tỷ lệ bậc biến dạng phức tạp hơn.
    • Trong mô hình mô phỏng số, hệ số ma sát giữa phôi và nêm được coi là hằng số trên toàn bộ hành trình cán, chưa xét đến sự biến thiên liên tục của ma sát theo nhiệt độ và lớp vảy oxy hóa bề mặt.
    • Quá trình làm nguội sau cán và sự chuyển pha tổ chức tế vi chưa được tích hợp hoàn toàn trong mô hình bài toán nhiệt - cơ liên kết.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng nhận dạng mô hình thuộc tính và phá hủy Johnson – Cook cho các mác thép hợp kim làm việc trong điều kiện khắc nghiệt (như thép chịu nhiệt, thép làm trục chịu tải lớn).
    • Nghiên cứu tối ưu hóa biên dạng nêm cán đa bước nhằm giảm thiểu phản lực cán $P_z$ và hạn chế hiện tượng lõm đầu chi tiết.
    • Khảo sát sâu hơn về ảnh hưởng của cấu trúc vi mô, sự hồi phục và kết tinh lại động đến cơ tính và độ bền mỏi của sản phẩm sau cán.

Giá trị tham khảo

Bản luận án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn rõ nét cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu, Cơ học biến dạng và Gia công áp lực: Tài liệu hữu ích về phương pháp luận kết hợp Lý thuyết – Nhận dạng thực nghiệm – Mô phỏng số (FEM) – Thực nghiệm kiểm chứng; đặc biệt là phương pháp lập tỉ số thực nghiệm để nhận dạng tham số mô hình Johnson – Cook khi điều kiện thiết bị hạn chế.
  • Kỹ sư cơ khí, kỹ sư công nghệ và thiết kế khuôn cán: Tham khảo trực tiếp công thức giải tích điều kiện quay phôi, cách tính toán góc nêm ($\alpha, \beta, \gamma$), lực cán động lực học và bộ thông số công nghệ an toàn ($\mu, v, T$) để ứng dụng vào thiết kế quy trình sản xuất các chi tiết dạng trục tròn xoay, bulông, vít ren côn không bị khuyết tật rỗng tâm.
  • Các cơ sở nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất cơ khí: Cung cấp cơ sở khoa học để mạnh dạn đầu tư chuyển đổi từ công nghệ rèn/cắt gọt truyền thống sang công nghệ cán nêm ngang bàn phẳng nhằm nâng cao năng suất và hiệu quả sử dụng vật liệu.

Câu hỏi thường gặp

1. Điều kiện giới hạn để phôi có thể quay ổn định mà không bị trượt trong quá trình cán nêm ngang được xác định như thế nào?

Để phôi có thể quay và đi vào biến dạng mà không bị trượt trơn giữa hai bàn nêm, mô men ma sát $M_F$ phải lớn hơn hoặc bằng mô men của lực pháp tuyến $M_N$. Tác giả chứng minh điều kiện quay phôi phụ thuộc trực tiếp vào hệ số ma sát $\mu$ và góc nâng $\gamma$ thông qua bất đẳng thức: $$\mu \ge \frac{\tan \gamma}{2}$$ Từ tương quan hình học, lượng giảm bán kính giới hạn của phôi được xác định bởi: $$\left( \frac{\Delta r}{r_0} \right)_{max} \le \frac{8\mu^2}{1 + 4\mu^2}$$ Nếu hệ số ma sát nhỏ hơn ngưỡng này, hiện tượng trượt cục bộ hoặc toàn phần sẽ xảy ra, làm biến dạng phôi không đều và gây ra khuyết tật hình dạng.

2. Nguyên nhân và cơ chế cốt lõi gây ra khuyết tật rỗng tâm (hiệu ứng Mannesmann) trong phôi cán nêm ngang là gì?

Cơ chế cốt lõi gây rỗng tâm là sự kết hợp giữa biến dạng đa trục phức tạp và tải trọng chu kỳ khi phôi quay tròn liên tục giữa hai nêm cán. Tại vùng tâm phôi, kim loại đồng thời chịu ứng suất nén theo phương thẳng đứng và ứng suất kéo theo phương ngang, tạo ra chỉ số trạng thái ứng suất thủy tĩnh dương rất lớn ($\sigma^* > 0$). Chỉ số ứng suất dương này kích thích sự tạo mầm và phát triển nhanh chóng của các lỗ xốp vi mô. Dưới tác động tiếp tục của ứng suất tiếp cực đại nghiêng $45^\circ$, các lỗ xốp bị trượt và liên kết hợp nhất với nhau, tạo thành các vết nứt chữ thập định hướng dọc trục và hình thành lỗ rỗng tâm vĩ mô.

3. Bộ thông số của mô hình thuộc tính và mô hình phá hủy Johnson – Cook cho thép C45 trong luận án có giá trị bao nhiêu?

Qua thử nghiệm kéo nén trên máy MTS kết hợp xử lý số liệu bằng phương pháp lập tỉ lệ và hiệu chỉnh Bridgman, luận án đã xác định được bộ tham số chuẩn cho thép C45:

  • 5 hệ số mô hình thuộc tính: $A = 510\text{ MPa}$, $B = 722\text{ MPa}$, $n = 0{,}36$, $C = 0{,}097$, $m = 0{,}432$.
  • 5 hệ số mô hình phá hủy: $D_1 = 0{,}009$, $D_2 = 1{,}48$, $D_3 = -2{,}66$, $D_4 = 0{,}164$, $D_5 = 0{,}623$.

4. Luận án đề xuất miền thông số công nghệ nào để cán an toàn chi tiết vít ren côn không bị khuyết tật?

Kết quả phân tích mô phỏng số và kiểm chứng thực nghiệm trên máy cán nêm ngang bàn phẳng xác lập miền thông số công nghệ an toàn để chi tiết không bị nứt bề mặt và không rỗng tâm là:

  • Hệ số ma sát tiếp xúc $\mu$: từ $0{,}48$ đến $0{,}56$.
  • Tốc độ chuyển động của nêm cán $v$: từ $150\text{ mm/s}$ đến $270\text{ mm/s}$.
  • Nhiệt độ nung phôi trước khi cán $T$: từ $1030^\circ\text{C}$ đến $1150^\circ\text{C}$.

5. Ưu điểm nổi bật của máy cán nêm ngang sử dụng bàn nêm phẳng so với máy cán sử dụng hai trục tròn là gì?

Theo luận án, bàn nêm phẳng có chi phí chế tạo thấp hơn, dễ gia công bằng các máy phay và mài thông thường, không đòi hỏi hệ thống dẫn hướng lắp ghép phức tạp như máy cán trục tròn. Độ bền khuôn nêm phẳng đạt khoảng 500.000 sản phẩm mới phải thay thế và độ chính xác chi tiết cán đạt $\pm 0{,}01 \dots \pm 0{,}5\text{ mm}$. Ngoài ra, trong cán trục tròn, thứ tự vùng trễ và vùng vượt ngược lại so với cán dọc làm xuất hiện ứng suất kéo bề mặt gây nứt vỏ ngoài, trong khi bàn nêm phẳng khắc phục được hiện tượng này, giúp phôi chuyển động quay ổn định và ít khuyết tật bề mặt hơn.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Đặng Thị Hồng Huế là công trình nghiên cứu hệ thống về cơ chế phá hủy dẻo và khuyết tật rỗng tâm trong quá trình cán nêm ngang thép C45. Bằng cách kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết cơ học môi trường liên tục, phương pháp lập tỉ số thực nghiệm để nhận dạng trọn vẹn bộ tham số mô hình Johnson – Cook và mô phỏng số phần tử hữu hạn 3D trên phần mềm ABAQUS, luận án đã làm sáng tỏ bản chất tích lũy ứng suất kéo thủy tĩnh gây phá hủy lõi phôi. Kết quả nghiên cứu đã xác lập thành công miền thông số công nghệ tối ưu ($\mu = 0{,}48 - 0{,}56$; $v = 150 - 270\text{ mm/s}$; $T = 1030^\circ\text{C} - 1150^\circ\text{C}$) và được kiểm chứng thành công trên thực nghiệm chế tạo chi tiết vít ren côn công nghiệp, đóng góp giá trị khoa học và kỹ thuật rõ rệt cho lĩnh vực gia công áp lực tại Việt Nam.