Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

VŠB - TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA, FAKULTA STROJNÍ, KATEDRA MECHANICKÉ TECHNOLOGIE Využití vícenásobné plastické deformace pro dosažení velmi jemnozrnné.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "VŠB - TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA, FAKULTA STROJNÍ, KATEDRA MECHANICKÉ TECHNOLOGIE Využití vícenásobné plastické deformace pro dosažení velmi jemnozrnné."— Transkript prezentace:

1 VŠB - TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA, FAKULTA STROJNÍ, KATEDRA MECHANICKÉ TECHNOLOGIE Využití vícenásobné plastické deformace pro dosažení velmi jemnozrnné struktury ( inaugurační přednáška) doc. Ing. Stanislav Rusz, CSc. Vědecké spisy Fakulty strojní Edice: Habilitační a inaugurační spisy sv

2 OSNOVA PŘEDNÁŠKY Úvod do problematiky Fyzikální modely vzniku nanostrukturních materiálů Základní typy technologií výroby velmi jemnozrnných materiálů Podstata procesu ECAP Experimentální ověření zjemňování zrna u slitiny AlCu4Mg2 Vyhodnocení dosažených výsledků, výhled dalšího vývoje dané technologie Návrh nového konstrukčního řešení geometrie kanálu nástroje ECAP

3 Vývoj materiálů s ultrajemnou strukturou neboli nanostrukturních materiálů patří v současné době k předním oblastem výzkumu materiálů a tvářecích technologií na celém světě Technologie výroby polotovarů (pásů plechu, kruhových tyčí a profilů) s velmi jemnozrnnou strukturou – je intenzívně vyvíjená zejména v Koreji, USA a Japonsku

4 VELMI JEMNOZRNNÉ MATERIÁLY – ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKA průměrná velikost zrna (50 – 200) nm velmi vysoká pevnost při zachování velmi dobrých tvářecích vlastností zvýšení zatížení přenášeného konstrukčními prvky vyráběnými z těchto materiálů a zároveň zvýšení bezpečnosti konstrukcí uplatnění - ve strojírenství, hutnictví, automobilovém, vojenském a kosmickém průmyslu

5 TEORETICKÉ MODELY VZNIKU NANOSTRUKTŮRNÍCH MATERIÁLŮ Masumurův teoretický model Carsleyho teoretický model Kimův teoretický model Ovidkův teoretický model Chokshiho teoretický model

6 DEFINICE – PODSTATA Modely velmi jemnozrnných (nanokrystalických) materiálů jsou definovány jako dvoufázové kompozity popisující jejich mechanické vlastnosti pomocí tzv. pravidla směsi. Modely velmi jemnozrnných (nanokrystalických) materiálů jsou definovány jako dvoufázové kompozity popisující jejich mechanické vlastnosti pomocí tzv. pravidla směsi. Mez kluzu u těchto materiálů je definována jako poměr meze kluzu fáze vnitřku zrna a fáze jeho okrajů, který silně závisí na objemovém lomu fáze hranice zrna. Mez kluzu fáze hranice zrna se předpokládá nižší než u fáze vnitřku zrna.

7 Posuzované teoretické modely jsou charakteristické procesem deformačních mechanismů, popisem těchto mechanismů a dislokačními pohyby mřížky - posun hranic zrn, difúzní hromadné přemístění Obr. 1 Hranice zrn (a) hrají roli překážek pro dislokační pohyb mřížky v primárních polykrystalech a (b) působí na změkčení stavebních prvků, které nesou plastický tok v těchto velmi jemnozrnných materiálech

8 Masumurův teoretický model Masumura vycházel z dat v Hall-Petchově diagramu - meze kluzu a velikosti zrna – vyjádřeného vztahem (1) do doby, než je dosaženo velmi jemného zrna. Jedná se o vývoj defektů a přeměny struktury hranice zrna. τ = τ 0 + k.d -1/2 (1)

9 a)b) Obr. 2 Závislost mikrotvrdosti na velikosti zrna při rozdílných atomových hustotách hranic nanokrystalů: (a) Cu a (b) Fe. Rovná přerušovaná čára byla vytvořena dle dosažených experim. hodnot.

10 Ovidkův teoretický model Daný teoretický model popisuje skluz hranic zrn jako převládající deformační mechanismus plastického toku v nanokrystalických materiálech v elementárních, nano-měřítkových úrovních. Plastická deformace se chová jako obecné vady krystalů.

11 ZÁKLADNÍ TECHNOLOGIE VÝROBY NANOSTRUKTURNÍCH MATERIÁLŮ ECAP - Protlačování rovnostranným pravoúhlým kanálem DCAP – Dissimilar Channel Angular Pressing (kombinované válcování spojené s protlačováním nerovnostranným kanálem) HPT – High Pressure Torsion (kombinace krutového namáhání spojeného s namáháním vysokým tlakem) CCDC – Cyclic Channel Die Compression (cyklické pěchování v kanále) CEC – Cyclic Extrusion Compression (cyklické protlačování spojené s pěchováním) CONFORM – Continuous Extrusion Forming (kontinuální vytlačování otvorem) ARB – Accumulative Roll Bonding (kumulalativní spojování válcováním) CGP – Constrained Groove Pressing (lisování do drážek)

12 PRINCIP PROTLAČOVÁNÍ ROVNOSTRANNÝM PRAVOÚHLÝM KANÁLEM (ECAP)

13 GEOMETRIE PROTLAČOVACÍHO KANÁLU

14 VARIANTY PRŮCHODU KANÁLEM ECAP

15 VÝSKYT STŘIŽNÝCH ROVIN U JEDNOTLIVÝCH TYPŮ PRŮCHODŮ KANÁLEM ECAP

16 EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘENÍ TECHNOLOGIE ECAP

17 HYDRALICKÝ LIS DP 1600 kN S NÁSTROJEM ECAP

18 EXPERIMENTÁLNÍ PRACOVIŠTĚ (celkový pohled)

19 OVĚŘOVANÝ MATERIÁL – SLITINA AlCu4Mg2 Vstupní údaje výchozí přůměrná velikost zrna  m základní mechanické vlastnosti : pevnost Rm = 220 MPa, tažnost A 5 = 15 % a tvrdost HB (2,5/62/30) ~ 70 čtvercový průřez výchozích vzorků 8 x 8 mm. vzorky byly protlačovány při teplotě 20 ° C typ průchou B C střední velikost deformační rychlosti έ = 5x10 -2 s -1

20 DOSAŽENÉ VÝSLEDKY Po jednotlivých průchodech docházelo ke kumulaci deformačního zpevnění Hodnota počátečního přetvárného odporu se pohybovala v oblasti  max = 650 MPa a postupně narůstala tak, že při čtvrtém protlačení dosahovala velikosti  ma = 1050 MPa Velikost deformace i přetvárného odporu byla ovlivňována především vnějším poloměrem zaoblení přechodu kanálu R 1 a použitým mazivem

21 STRUKTURNÍ ANALÝZA Místa odběru pro TEM

22 Vstupní struktura vzorku pčed protlačováním, slitina ALCu4Mg2 (výchozí stav)

23 Struktura vzorku po prvním průchodu nástrojem ECAP u slitiny ALCu4Mg2 (střed vzorku)

24 Struktura vzorku po čtvrtém průchodu nástrojem ECAP u slitiny ALCu4Mg2 (1 mm od okraje vzorku)

25 HODNOCENÍ MIKROSTRUKTURY Mikrostrukturní pozorování definitivně prokázala, že úspěšné využití technologie ECAP vyžaduje provedení kanálu s hodnotou úhlu  blížící se 90 . Mikrostrukturní pozorování definitivně prokázala, že úspěšné využití technologie ECAP vyžaduje provedení kanálu s hodnotou úhlu  blížící se 90 . Problémy asociované s protlačováním poměrně tvrdých materiálů, nemohou být nahrazeny snahou dosažení vysokého celkového stupně přetvoření malými přírůstky deformace metodou opakovaného protlačování kanálem s vyšší hodnotou úhlu .

26 ZÁKLADNÍ CÍL NOVÉHO KONSTRUKČNÍHO ŘEŠENÍ ZVÝŠENÍ STUPNĚ DEFORMACE V PRVNÍM PRŮCHODU KANÁLEM NÁSTROJE ECAP ZVÝŠENÍ STUPNĚ DEFORMACE V PRVNÍM PRŮCHODU KANÁLEM NÁSTROJE ECAP SNÍŽENÍ POČTU PRŮCHODŮ NÁSTROJEM ECAP OPROTI KLASICKÉMU ŘEŠENÍ - PŘI DOCÍLENÍ STEJNÉ FINÁLNÍ STŘEDNÍ VELIKOSTI ZRNA

27 NÁVRH NOVÉHO KONSTRUKČNÍHO ŘEŠENÍ GEOMETRIE KANÁLU NÁSTROJE ECAP

28 TVARY PŘECHODŮ PRŮŘEZŮ KANALU

29 ČTVERCOVÝ PRŮŘEZ PŘECHÁZEJÍCÍ DO ŠROUBOVICE

30 NÁVRH ZCELA NOVÉ KONCEPCE NÁSTROJE ECAP

31 KONSTRUKČNÍ NÁVRH NÁSTROJE PRO POLOPROVOZNÍ ZKOUŠKY

32 Schéma přidržovacího válečku upevněného na segmentovém dopravníku

33 Matematická simulace procesu vícenásobné plastické deformace Program FORMFEM - software pro počítačovou simulaci procesů objemového tváření. Simuluje za tepla i za studena procesy lisování, volného kování, zápustkového kování, tažení, protlačování, ohýbání, válcování plochých vývalků a protahování za podmínek rotační symetrie nebo rovinné deformace, Základní konstitutivní rovnice je vyjádřena vztahem: a podmínka nestlačitelnosti vztahem: a podmínka nestlačitelnosti vztahem: ε v = ε 1 +ε 2 +ε 3 = 0

34 Okrajové podmínky materiál polotovaru AlCu4Mg2 teplota polotovaru Tp = 20  C teplota nástrojů Tn = 20  C materiál matrice

35 CELKOVÁ SESTAVA průtlačník spodní část kanálu nástroje horní část kanálu nástroje tvářený polotovar

36 PRŮBĚHY DEFORMACERASTRŮ S POLOMĚRY KANÁLU R1 = 2,4 mm, R2 =0, 2mm A ÚHLY KANÁLU  = 90 ° A  = 90° PRŮBĚHY DEFORMACE RASTRŮ S POLOMĚRY KANÁLU R1 = 2,4 mm, R2 =0, 2mm A ÚHLY KANÁLU  = 90 ° A  = 90°

37 HODNOTY TVÁŘECÍCH PARAMETRŮ PŘI POLOMĚRECH A STEJNÝCH ÚHLECH  = 90 °,  = 90° HODNOTY TVÁŘECÍCH PARAMETRŮ PŘI POLOMĚRECH R 1 = 2,4 mm, R 2 =0,2mm A STEJNÝCH ÚHLECH  = 90 °,  = 90°

38 HODNOTY TVÁŘECÍCH PARAMETRŮ  = 90 °,  = 90° HODNOTY TVÁŘECÍCH PARAMETRŮ PŘI POLOMĚRECH R 1 = 5,5 mm, R 2 =0,2mm a STEJNÝCH ÚHLECH  = 90 °,  = 90°

39 HODNOTY TVÁŘECÍCH PARAMETRŮ PŘI POLOMĚRECH R 1 = 1,85 mm, R 2 =0,2mm A RŮZNÝCH ÚHLECH  = 90 °,  = 60°

40 HODNOTY TVÁŘECÍCH PARAMETRŮ PŘI POLOMĚRECH R 1 =1,85 mm, R 2 =0,2mm A RŮZNÝCH ÚHLECH  = 105 °,  = 60°

41 TVÁŘECÍ PARAMETRY DOSAŽENÉ MATEMATICKÝM MODELOVÁNÍM Bod označený 1. R1 = 2,4 mm, R2 = 0,2 mm,  = 90 ° a  = 90 ° Bod označený 2. R1 = 5,5 mm, R2 = 0,2 mm,  = 90 ° a  = 90 ° Bod označený 3. R1 = 1,85 mm, R2 = 0,2 mm,  = 105 ° a  = 60° Bod označený 4. R1 = 1,85 mm, R2 = 0,2 mm,  = 90° a  = 60° Hodnoty kanálu matrice Velikost vektoru rychlosti [mm.s -1 ] Intenzita deformace [ - ] Velikost intenzity napětí [ MPa ] Velikost změřenéh poloměrů R 1 [mm] 1 5,021 1,293352,3 2,4 2 28,98 1, ,7 5,5 3 52,19 1, ,7 1,85 4 7,310 1, ,51,85

42 CELKOVÉ HODNOCENÍ Při vlastních experimentech bylo dosaženo maximální velikosti protlačovací síly řádově F = ( ) kN U matematického modelovaní bylo dosaženo velikosti síly rozmezí F = ( ) kN Velikost intenzity deformace u experimentů velikosti  i = 0,9~1,1 U matematického modelovaní intenzita deformace dosahovala hodnot  i = 0,9~1,3 Intenzita napětí dosahovala maximálních hodnot  i = 340 MPa, což je v relaci s teoretickými předpoklady.

43 NOVÉ POZNATKY Zcela novým poznatkem v dané problematice je určení optimální hodnoty úhlu „  “ (úhel vnějšího poloměru zaoblení kanálu), který podstatně ovlivňuje velikost dosažené deformace. U ověřované slitiny optimální hodnota velikosti daného úhlu byla stanovena na  = 60°. Metoda ECAP je efektivním nástrojem pro zjemnění zrna u polykrystalických kovů. U slitiny AlCu4Mg2 bylo dosaženo střední velikosti zrna v rozsahu 150 – 250 nm, při její vstupní velikosti 100 – 150  m.

44 MATEMATICKÁ SIMULACE VLIVU POČTU PRŮCHODŮ NA VELIKOST DEFORMAČNĚ- NAPĚŤOVÉHO STAVU U SLITINY AlCu 4 Mg 2 Ti 1,5 Parametry kanálu - poloměry R 1, 2 = 2,4 mm, úhly kanálu  = 90°,  = 90° Parametry kanálu - poloměry R 1, 2 = 1,85 mm, úhly kanálu  = 105°,  = 60° Parametry kanálu - poloměry R 1, 2 = 1,85 mm, úhly kanálu  = 90°,  = 60°

45 INTENZITA NAPĚTÍ

46 INTENZITA DEFORMACE

47 DOSAŽENÉ VELIKOSTI (max. hodnoty) INTENZITY DEFORMACE A INTENZITY NAPĚTÍ PO 4. PRŮCHODU KANÁLEM ECAP Hodnoty úhlu Ф [deg.] Hodnoty úhlu ψ [deg.] Hodnota rádia R 1 [mm] Hodnota rádia R 2 [mm] Slitina (označení)Intenzit a napětí [MPa] Intenzita deformace [-] 90 2,4 AlCu4Mg2404,65, ,4 AlCu4Mg2Ti1,5415,35, ,85 AlCu4Mg2390,24, ,85 AlCu4Mg2Ti1,5401,14, ,85 AlCu4Mg24195, ,85 AlCu4Mg2Ti1,5421,35,758

48 DOSAŽENÉ POZNATKY Z dosažených výsledků vyplývá: 1.U výše uvedené slitiny dochází k daleko významnějšímu nárůstu intenzity deformace s počtem průchodů. 2.Optimální velikost potřebné deformace byla dosažená při 4. průchodů vzorku kanálem nástroje ECAP. 3.V dalších výzkumných pracích bude nutno se zaměřit na snižování počtu průchodu nástrojem ECAP a tím dosažení potřebného stupně přetvoření umožňujicího docílení u dané slitiny vysokého rozdrobení struktury už při 2. příp. 3. průchodu nástrojem ECAP

49 CURRICULUM VITAE Jméno a příjmení: Stanislav Rusz Narozen: Funkce, pracoviště: docent na katedře mechanické technologie, Fakulty strojní VŠB - TU Ostrava Vzdělání: Ing. – Vysoká škola báňská v Ostravě, Fakulta strojní a elektrotechnická, obor „Strojírenská technologie" aspirantura na VŠB Ostrava, obor strojírenská technologie, udělení titulu CSc Postgraduální studium vysokoškolské pedagogiky na Filozofické fakultě Univerzity Palackého v Olomouci, ukončení studia vysvědčením 1997jmenování docentem pro obor „Strojírenská technologie“, habilitační práce na téma „Tvařitelnost středně a vysokouhlíkových ocelí za podmínek superplastického stavu“

50 VÝUKA V PŘEDMĚTECH TVÁŘENÍ – 3.roč. BS a KS, Ostrava, Šumperk, Třinec TECHNOLOGIE I (na FS a FMMI) – 1. roč. BS a KS, Ostrava, Třinec ZÁKLADY STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE – 1. roč. BS a KS TVÁŘITELNOST KOVŮ A NEKONVENČNÍ METODY VE TVÁŘENÍ – 5. roč. MS

51 INOVACE PŘEDMĚTŮ TECHNOLOGIE I a TVÁŘENÍ – zavedení nových poznatků z oblasti nekonvenčních tvářecích technologií - orbitální tváření, superplastické tváření, tváření práškových materiálů, vývoj technologií vícenásobné plastické deformace

52 VEDENÍ DOKTORANDŮ Obhajení dsoktorské práce a získání titulu Ph. D. – Ing. Pavel Dostál Absolvování studia, obhájení tézí doktorské práce a úspěšné absolvování rigorózní zkoušky – Ing. Martin Pastrňák, Ing. Martin Kubíček, Ing. Petr Filipec, Ing. Petra Kočiščáková Průběžné studium – Ing. Jaroslav Vidiševský, Ing. Marcel Klos

53 Ing. Kubíček, Ing. Pastrňák absolvovali 4 měsíční stáže na PAV v Krakowie v rámci evropského programu Improving Human Potential Programme, Research Training Networks (vytvoření sítě mladých vědců), zakončené obhajobou výsledků jejich výzkumné činnosti na mezinárodní vědecké konferenci „Ductile BMG Composites“ v Paříži pod patronaci špičkového vědce v oblasti přípracy práškových materiálů – prof. A. R. Yavari

54 OBLASTI VÝZKUMNÉ ČINNOSTI Nekonvenční metody tváření – superplastické tváření Orbitální tváření Tváření práškových materiálů Tvářitelnost šroubových ocelí Vývoj technologie vícenásobné plastické deformace

55 ŘEŠENÉ VÝZNAMNÉ GRANTOVÉ PROJEKTY RUSZ, S. Optimalizace teplotních podmínek a deformačních rychlostí při tváření vybraných druhů ocelí z hlediska dosažení maximálních deformací", GAČR č.101/93/0133 Praha, RUSZ, S. Optimalizace procesu kování slinutých vysokouhlíkových ocelí za podmínek superplastického stavu, GAČR č.101/95/1172 Praha, RUSZ, S., ČADA, R. Zavádění nejnovějších poznatků z oblasti nekonvenčních tvářecích technologií v předmětech strojírenských oborů, Fond rozvoje vysokých škol, Praha, 1996 RUSZ, S. Inovace předmětů bakalářského studia Tváření a Technologie, projekt FRVŠ MŠMT F1/ 484/ 02, Ostrava 2002 RUSZ, S a kol. Vliv povrchových vad na tvařitelnost a užitné vlastnosti drátu z mikrolegované oceli určeného pro výrobu vysokopevných spojovacích součástí, projekt GAČR č. 106/02/0412, Ostrava

56 RUSZ, S. Pravoúhlé protlačování Al a jeho slitin pro dosažení ultrajemné struktury, projekt MŠMT – ME č. 509/2002, KONTAKT (ČR – Polsko), Ostrava RUSZ, S. Materiálově technologické výzkumné centrum LN00B029, (kmenový zaměstnanec ), poskytovatel: Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy GREGER, M., RUSZ, S. Studium vlivu nekonvenčních technologií tváření na tvařitelnost, strukturu a mechanické vlastnosti hořčíkových slitin, GAČR 106/04/1346 GREGER, M., RUSZ, S. Výzkum využití nanotechnologií a výroba materiálů s vysokými pevnostními vlastnostmi pro moderní konstrukce, MPČR, č.proj. FI-IM/034 GREGER, M., RUSZ, S. Vývoj nových slitin hořčíku a jejich způsob tváření, projekt MŠMT – KONTAKT č. 46 (ČR – Polsko), Ostrava

57 VĚDECKÁ SPOLUPRÁCE Univerzita Karlova MFF – problematika superplastického tváření, zjemňován struktury u slitin neželezných kovů VUT Brno – tvařitelnost mikrolegovaných ocelí, matematická simulace procesu tažení drátů a technologie výroby vysokopevných šroubů Žilinská univezita – tvářitelnost mikrolegovaných (šroubových ocelí), zhutňování práškových materiálů, vývoj technologie vícenásobné plastické deformace Polská akademie věd Kraków – výroba amorfních materiálů na bázi prášků Al-Cu-Zr a Ti-Zr-Ni-Cu, vývoj technologie ECAP AGH Kraków – superplasticita materiálů Politechnika Czestochowska – vliv tepelně-mechanického zpracování na strukturu mikrolegovaných ocelí na bázi B (plastometr Gleeble)

58 SPOLUPRÁCE S PRŮMYSLOVÝMI PARTNERY VÚHŽ a. s. Dobrá – vývoj technologie využívající extrémně vysokého stupně deformace Třinecké železárny a. s. – tvářitelnost mikrolegovaných ocelí určených pro výrobu šroubů a pružin VÍTKOVICE – Výzkum a vývoj spol. s r. o. – vliv fosfatizace na proces tažení drátů z mikrolegovaných ocelí Al Invest Břidličná a. s. – zjemňování struktury při výrobě pásů ze slitin AlMnCu a AlFeMn COMTES FHT Plzeň – vícenásobné protlačování technologií ECAP OML Skawina – vývoj nástroje pro technologii ECAP, zjemňování struktury polotovaru z Cu a u slitin na bázi Al

59 VĚDECKÁ SPOLUPRÁCE – VÝHLED NA DALŠÍ OBDOBÍ V rámci vybudování CPIT (Centrum pokrokových a inovačních technologií) budu s vědeckým týmem řešit projekt s názvem Nanomateriály na bázi kovů a slitin - vývoj technologie vícenásobné plastické deformace Na daném pracovišti bude rovněž řešena problematika tvářitelnosti všech typů materiálů Bude kontinuována vědecká spolupráce s výše uvedenými univerzitami a průmyslovými partnery se zaměřením na verifikaci dosažených výsledků v oblasti vývoje technologie vícenásobné plastické deformace a tvářitelnosti různých druhů materiálů

60 PEDAGOGICKÁ OBLAST Studenti a doktorandi budou zapojení do řešení projektu CPIT V rámci inovace předmětů Technologie I, Tváření a Tvářitelnost kovů a nekonvenční metody ve tváření seznamení studentů s nejnovějšími poznatky z oblasti řešení výše uvedené problematiky jak rovněž i nově publikovanými údaji Budou zpracovány sylaby pro předmět Tváření a následně skripta, kde budou zahrnuty nejnovější poznatky z technologií výroby velmi jemnozrnných materiálů

61 ČLENSTVÍ V PRESTIŽNÍCH VĚDECKÝCH A ODBORNÝCH ORGANIZACÍCH AMME WORLD ACADEMY – World Academy of Materials and Manufacturing Engineering – fellow WIRE International Association Centrum of Excellence New light car Člen habilitační komise TU Košice, obor strojírenská technologie Člen oponentní komise doktorandských projektů FRVŠ na FMMI

62 DĚKUJI ZA POZORNOST


Stáhnout ppt "VŠB - TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA, FAKULTA STROJNÍ, KATEDRA MECHANICKÉ TECHNOLOGIE Využití vícenásobné plastické deformace pro dosažení velmi jemnozrnné."

Podobné prezentace


Reklamy Google