Trường đại học

Southampton
Trường khoa học kỹ thuật

Biểu hiện mòn của hợp kim Al 10-50 khi
trải qua phương pháp ép kim loại qua
kênh dẫn không đổi
ChuanTing Wang

Trung tâm nghiên cứu quốc gia Ma sát học đại học Southamton ( nCATS)
Người hướng dẫn: Nong Gao, Robert J K Wood, Terence G Langdon


Trường đại học

Southampton
BIẾN DẠNG DẺO MÃNH LIỆT ( SPD )

Trường khoa học kỹ thuật

Mơ hình Valiev

Ứng suất lớn

Ép kim loại qua góc kênh khơng đổi

Các vết nứt tăng lên

Ép liên tục trên bề mặt

Các vết nứt di
chuyển và sắp
xếp lại

Xoắn kim loại dưới áp lực cao

Vùng tinh
giới hạt

Cán dính tích lũy


Trường đại học

Southampton

Trường khoa học kỹ thuật
Ép kim loại qua kênh góc khơng đổi (ECAP)
Siêu dẻo

Độ bền cao

Trục bánh răng micro hợp kim AZ 31 được ép ra bằng phương pháp ECAP
Kim, W.J. et al. Scripta Mater. 54 (2006) 1391

Vít cấy naonotitanium được chế tạo bằng phương pháp ECAP
V. Latysh, et al., Current Applied Physics 6 (2006) 262

Khả năng tạo hình tốt


Hợp kim ma-giê ZK60 được kéo dãn 3050% sau khi trải qua phương pháp ECAP
Figueiredo RB, Langdon TG; Adv Eng Mater 10 (2008) 37

Dập siêu dẻo hợp kim Al-3% Mg-0.2% Sc bằng phương pháp ECAP
Horita, Z. et al., Acta Mater. 48 (2000) 2633

Tầm quan trọng của phương pháp ECAP

Dập tấm kim loại AA1050 cho hệ thống cơ điện Micro
X.G. Qiao


Trường đại học

Southampton

Trường khoa học kỹ thuật
Phương pháp SPD có làm cho tăng khả năng chống mài mòn của vật liệu?

Điều đó có khả thi

Cơng thức mài mịn
của Archard

Thể tích bị mòn
Khoảng cách trượt
Tải đặt lên bề mặt
Độ cứng của bề mặt mềm hơn
Hằng số



Trường đại học

Southampton

Trường khoa học kỹ thuật
Mài mòn là yếu tố quan trọng trong các ứng dụng có sự trượt giữa các bề mặt
Vật liệu

Phương pháp SPD

Bộ phận bị mòn

Điều kiện bôi trơn

Ảnh hưởng của SPD lên hệ
số ma sát

Ảnh hưởng của SPD lên khả
năng chống mài mòn

Thép cacbon thấp

SMAT

Bộ phận đo trượt tịnh tiến

Không bôi trơn

Giảm


Cải thiện

Ti

ECAP

Không bôi trơn

Giảm

Cải thiện

Ti

ECAP

Bộ phận đo dao động

Không bôi trơn

Không ảnh hưởng

Cải thiện

Ti

HE

Đầu dị trên đĩa


Điểu kiện thay đổi

N/A

Giảm

Ti

ECAP

Đầu dị trên đĩa

Khơng bơi trơn

N/A

Khơng ảnh hưởng

Hợp kim AZ61 Mg

ECAP

Đầu dị trên đĩa

Khơng bơi trơn

N/A

Khơng ảnh hưởng


Al 6061

ARB

Đầu dị trên đĩa

Khơng bơi trơn

N/A

Giảm

Cu-4% Al-10% Fe

ECAP

Vịng trên khối

Khơng bơi trơn

Giảm

Cải thiện

TiNi

ECAP

Vịng trên khối


Khơng bơi trơn

N/A

Cải thiện

Al-Al3Ti

ECAP

Khối trên đĩa

N/A

N/A

Không ảnh hưởng

Bôi trơn MS20

Giảm

Cải thiện

Bibbit B83

ECAP + SFT

Đầu dị trên đĩa

Khơng bơi trơn

N/A

Giảm

Khơng bơi trơn

N/A

Giảm

Al-12Si

ECAP

Đầu dị trên đĩa

Bảng tham khảo tính mài mịn của một số vật liệu đã trải qua phương pháp SPD


Trường đại học

Thực nghiệm

Southampton

Trường khoa học kỹ thuật
• Vật liệu : Al-1050 (99.5%Al+Si,Fe)
- Vật liệu tinh khiết FCC

- Một pha, tính mài mịn khơng ảnh hưởng bởi pha thứ 2
• ECAP : Phương pháp Bc, đến 8 lần, tốc độ 0,5 mm/s, nhiệt độ phịng
• Kiểm tra độ mịn
+ Trượt khô, không chịu ảnh hưởng của bôi trơn
+ Bề mặt đồng, tránh lớp hỗn hợp nhôm thép
+ Tiếp xúc giữa 2 bề mặt phẳng

Mẫu ban đầu

Khối lượng hao hụt

Độ cứng
Kiểm tra độ
mịn
Độ nhám bề
mặt

Hình dáng bề mặt


Trường đại học

Southampton

Trường khoa học kỹ thuật

Độ cứng, Hv

Cấu trúc tế vi và độ cứng sau khi ECAP


Hinh ảnh chụp bàng phương pháp nhiễu xạ điện tử

Độ cứng của mẫu tương ứng với mỗi lần trải
qua phương pháp ECAP


Trường đại học

Một số đặc điểm của sự mài mòn

Southampton

Trường khoa học kỹ thuật

Hệ số ma sát tương ứng với từng mẫu được kiểm tra độ mịn

Khối lượng thất thốt /mg

Hệ số ma sát

Tốc độ trượt =17.9±0.1mm/s, thời gian trượt =1500s

Khối lượng thất thoát tương ứng với từng mẫu được
kiểm tra độ mòn


Trường đại học

Southampton


Trường khoa học kỹ thuật

Bề mặt bị mòn khi chịu tải 25N

Mẫu ban đầu

1 lần ép

8 lần ép

Rãnh và thớ vật liệu được quan sát trên bề mặt bị mịn, nó là kết quả của việc bám dính mãnh liệt


Trường đại học

Southampton

Debris khi chịu tải 25N

Trường khoa học kỹ thuật

Kích thước Wear Debris của mẫu ban đầu (a) lớn hơn so với mẫu trải qua phương pháp ECAP 8 lần
(b). Điều đó cho thấy trong q trình trượt , vật liệu trải qua phương pháp ECAP dễ bị tách ra


Trường đại học

Southampton

Debris khi chịu tải 5N


Trường khoa học kỹ thuật


Trường đại học
Bề mặt đối diện của mẫu 8p sau khi mịn khi
chịu tải 5N

-Vật liệu dính vào được quan sát sau khi kiểm tra mài mịn
-Khơng có lớp hỗn hợp do cơ học hình thành trên bề mặt

Southampton

Trường khoa học kỹ thuật


Trường đại học

Southampton

Bề mặt mòn của mẫu 8p khi chịu tải 5N

Trường khoa học kỹ thuật

- Bề mặt mòn được hình thành bởi các rãnh và các mặt cao hơn

- Độ cứng của mặt thường cao hơn 100 Hv. Trong khi đó độ cứng của các rãnh thấp hơn,
trong khoảng 40 đến 70 Hv
- Khe hở giữa mặt cao và rãnh vài chục micro bằng với chiều dày của hạt flake



Trường đại học

Southampton

Độ dãn dài tới hạn (%)

Trường khoa học kỹ thuật

Ứng suất tương ứng
ECAP làm giảm tính dẻo của nhôm


Trường đại học

Southampton

Trường khoa học kỹ thuật

Tổng kết
- ECAP làm tăng độ bền vì nó cải thiện lại cấu trúc tế vi
- Mẫu sau khi trải qua phương pháp ECAP có hệ số ma sát tương tự như
mẫu ban đầu. Phương pháp ECAP làm giảm khả năng chống mài mòn
của Al-1050
- Khi chịu tải 23N, vật liệu bị mòn nhiều bởi sự mịn dính cơ học học
mãnh liệt
- Khi chịu tải 5N, sự mịn cơ học khá phức tạp, có thể quan sát được sự
chuyển pha từ từ. Trong quá trình bắt đầu chuyển đổi trạng thái, vật liệu
bị mịn do sự phân lớp, kèm theo sự bám dính. Khối lượng bị hao hụt là
do sinh ra các hạt Flake, ECAP làm giảm tính dẻo của vật liệu cho nên dễ

bị gãy.
- Bởi vì sự chuyển trạng thái gây ra sự phá hủy mãnh liệt giữa bề mặt
tiếp xúc nên thực tế áp suất giữa 2 bề mặt lớn hơn so với lý thuyết, do
đó, sự mịn xảy ra mãnh liệt hơn dự đoán


Trường đại học
Chưa hết

Southampton

Trường khoa học kỹ thuật

Sự kết hợp đặc biệt giữa tính bền cao và tính dẻo cao giữa nanoTi và nanoCu thực hiện bằng phương pháp SPD



Trường đại học
Biểu đồ mòn

Southampton

Trường khoa học kỹ thuật

Áp suất chuẩn hóa

Diện tích tiếp xúc danh nghĩa (𝑚2 )
Độ cứng ờ nhiệt độ phịng (𝑁/𝑚2)
Vận tốc trượt (m/s)
Lực (N)

Góc tiếp xúc
Hệ số tản nhiệt

Biểu đồ mịn của Nhơm

Vận tốc chuẩn hóa