ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG NDT NDT (kiểm tra không phá hủy) - NDT = Non-Destructive –Testing: kiểm tra không phá hủy - Khuyết tật kim loại tồn dạng khác nhau, nguyên nhân - chủ yếu dẫn đến phá hủy máy móc Kiểm tra khơng phá hủy: kiểm tra thay đổi môi trường kiểm tra để tìm chứng vật kiểm tồn bất liên tục (khuyết tật) mà không làm ảnh - hưởng đến tính sử dụng chúng NDT sử dụng để phát hiện, định vị đo đạc đánh giá mức độ nghiêm trọng bất liên tục trình chế tạo sử dụng NDT gồm nghiều phương pháp khác nhau: + Phương pháp siêu âm + Phương pháp từ + Phương pháp mao dẫn + Phương pháp quang học + Phương pháp rơnghen… I Kiểm tra bột từ(MT) Dựa nguyên lý: từ trường vật kiểm bị thay đổi vật có khuyết tật Hình 1.1 Từ trường vật có tồn khuyết tật a) Mục đích Từ hóa vật mẫu quan sát phân bố đường sức từ trường mẫu thông qua thị từ Nếu vật có cấu trúc đồng đường sức từ trường phân bố theo toàn vật kiểm Nếu vật kiểm có khuyết tật đường sức bị cong lệch đi, tạo nên trường phân tán khuyết tật Các phần tử bột từ bị hút vào chỗ có mật độ đường sức lớn (vị trí khuyết tật) Quan sát hạt từ phát khuyết tật b) Yêu cầu: - Mẫu kiểm tra phải có từ tính (Fe, Co, Ni…) - Một số chi tiết đòi hỏi phải tách lớp phủ mạ để có độ nhạy cần thiết c) Phương pháp thực Làm sơ Chuẩn bị bề mặt giống PT yêu cầu thấp (vì khơng cần thấm vào khuyết tật) Nếu chi tiết có lớp phủ phải làm Từ hoá Từ trường tạo nam châm điện chữ U (gông từ), cuộn dây đầu kẹp dùng để từ hố vùng kiểm tra Dòng điện Dòng điện Bề mặt kiểm tra Từ trường Hình 1.2: Prod trường từ thơng Hình 1.3 Từ trường tạo cuộn dây Giải đoán Dựa vào phân bố bột từ để phát khuyết tật vật cần kiểm tra Để dễ dàng quan sát, bột từ nhuộm màu sắc khác Ta dùng bột từ loại huỳnh quang để quan sát bóng tối chiếu tia cực tím vào để quan sát Hình 1.4 Hình ảnh khuyết tật kiểm tra phương pháp MT Khử từ Độ dư từ gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm: giảm tính, tăng độ ăn mòn, hỏng dụng cụ điện từ máy…Vì sau kiểm tra MT phải tiến hành khử từ hồn tồn cho vật phẩm Phương pháp khử từ: Dùng dòng xoay chiều: dùng tần số công nghiệp với biên độ giảm dần Đổi chiều dòng điện II a) Kiểm tra thẩm thấu (PT) Mục đích: Dựa thẩm thấu chất lỏng vào lỗ khuyết tật Kiểm tra thấm mao dẫn dựa tượng mao dẫn, thẩm thấu, hấp thụ khuếch tán; ánh sáng; tương phản màu… để phát bất liên tục bề mặt vật mẫu b) Yêu cầu: - Không dùng nhiêt độ cao thấp  Ở nhiệt độ thấp (< 0C ) dầu chất thấm trở lên có độ nhớt cao làm tăng thời gian thấm Kết làm giảm độ nhạy  Ở nhiệt độ cao (> 60 0C) chất thấm dễ bị bay không thâm nhập c) - Bề mặt mẫu cần làm chất bẩn, tương đối phẳng Chỉ áp dụng cho vật liệu không xốp, không thấm hút như: thép, nhôm, đồng, - inox… Chỉ phát bất liên tục mở bề mặt Khó áp dụng cho bề mặt gồ ghề nhiều Phương pháp thực hiện: Bước Làm sơ bộ: - Làm giúp chất thấm tăng khả thấm ướt bề mặt điền đầy khoang - khuyết tật Thường sử dụng dung dịch làm sạch, tẩy Hình 2.1 Làm bề mặt vật kiểm Bước Cho chất thấm thâm nhập vào vật kiểm Sau bôi phun chất thấm vào bề mặt vật kiểm, để khoảng 15 phút Chất thấm vào sâu bên khuyết tật tượng mao dẫn Hình 2.2 Chất thấm thâm nhập vào vật kiểm Bước Làm chất thấm: Sau chờ đủ thời gian thấm cần lau chất thấm dư vải mềm có tẩm dung dịch làm Hình 2.3 Làm chất thấm Bước Đưa thuốc vào Sau chất thấm dư thừa lau hết, phun (bôi) lớp mỏng thuốc lên bề mặt Chất thấm khuyết tật hút lên bề mặt nhờ tác động mao dẫn Hình 2.4 Đưa thuốc vào bề mặt vật kiểm Bước 5: Kiểm tra, đánh giá khuyết tật: Các khuyết tật lên thành vết thời gian Giải đoán ánh sáng thường đèn tử ngoại Hình 2.5 Khuyết tật thể rõ bề mặt vật kiểm Bước 6: Làm bề mặt kiểm tra Sau kiểm tra cần làm (rửa) tồn để chống gỉ Nếu cần dùng chất chống ăn mòn để bảo vệ vật kiểm tra Hình 2.5 Vật mẫu sau làm III Kiểm tra siêu âm Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý thiết bị kiểm tra siêu âm Nguyên lý: dựa sở nghiên cứu lan truyền tương tác dao động đàn hồi (phản xạ, khúc xạ, hấp thụ, tán xạ) có tần số cao truyền vào vật thể cần kiểm tra Khi chùm siêu âm truyền vật liệu gặp chỗ không đồng (VD: khuyết tật hàn) bị phản xạ a) Mục đích Phát khuyết tật dạng khối, dạng mặt b) Yêu cầu c) Bề mặt vật kiểm phải nhẵn, đồng Người kiểm tra cần đào tạo trình độ cao Phương pháp thực hiện: Làm Bôi chất tiếp âm Tiến hành siêu âm đầu dò chẩn đốn Làm chất tiếp âm IV DT (kiểm tra phá hủy) Thử kéo Là phương pháp thử vật liệu thông dụng Kết phương pháp thử kéo cho ta nhiều thông số quan trọng độ bền kéo, giới hạn chảy, module đàn hồi, độ dẻo,… Hình 4.1 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình thép 1.1 Giới hạn bền kéo: Điểm cao đường cong ứng suất-biến dạng gọi giới hạn bền kéo ( ), gọi giới hạn bền đơn giản độ bền kéo Tại điểm này, mẫu thử đo ứng suất qui ước lớn Như hình 4.1 4.2 đường cong xuống sau điểm cao Tuy nhiên, ý thiết bị đo dùng để tạo giản đồ thực tế vẽ đường cong tải trọng ứng với biến dạng ứng suất thực ứng với biến dạng Ứng suất qui ước tính cách chia tải trọng cho diện tích mặt cắt ngang ban đầu mẫu thử Sau điểm cao đường cong đoạn thẳng, có giảm rõ rệt đường kính mẫu, gọi co thắt Vì vậy, tải trọng tác dụng diện tích nhỏ hơn, ứng suất thực tiếp tục tăng bị đứt Rất khó để theo dõi giảm đường kính q trình co thắt, thông thường sử dụng điểm cao đường cong giới hạn bền kéo, giá trị nhỏ 1.2 Giới hạn chảy, Một phần giản đồ ứng suất - biến dạng có biến dạng tăng lớn ứng suất khơng tăng tăng ít, gọi giới hạn chảy ( ) Thuộc tính chứng tỏ thực tế vật liệu bị chảy hay biến dạng dẻo cách lâu dài có mức độ lớn Nếu điểm chảy dẻo rõ ràng hình 2.1, gọi giới hạn chảy Đây đặc thù thép cacbon thơng thường Hình 4.2 dạng giản đồ ứng suất - biến dạng cho kim loại màu nhơm titan thép có độ bền cao Chú ý khơng có điểm giới hạn chảy, vật liệu thực tế có giới hạn chảy gần mức ứng suất Điểm xác định phương pháp offset, theo đường thẳng vẽ song song với phần đoạn thẳng đường cong lệch sang phải đoạn biến dạng dư, thường 0.20% biến dạng Giao điểm đường thẳng đường cong ứng suất - biến dạng cho ta giới hạn chảy vật liệu Hình 4.2 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình nhơm kim loại khơng có điểm giới hạn chảy 1.3 Giới hạn tỉ lệ Điểm đường cong ứng suất - biến dạng mà kết thúc phần đường thẳng gọi giới hạn tỉ lệ Tại giá trị lớn hơn, ứng suất khơng tăng tỉ lệ với biến dạng Dưới giá trị giới hạn tỉ lệ, áp dụng định luật Húc: ứng suất tỉ lệ bậc với biến dạng Trong thiết kế khí, vật liệu sử dụng mức ứng suất giới hạn tỉ lệ 1.4 Giới hạn đàn hồi Ở điểm đó, vật liệu bị biến dạng dẻo khơng thể trở lại hình dạng ban đầu sau tác dụng tải, gọi giới hạn đàn hồi Dưới mức này, vật liệu làm việc hoàn toàn đàn hồi Giới hạn tỉ lệ giới hạn đàn hồi nằm giới hạn chảy Vì khó để xác định, nên chúng đưa 1.5 Môđun đàn hồi kéo, E Với phần đoạn thẳng giản đồ ứng suất - biến dạng, ứng suất tỉ lệ bậc với biến dạng, giá trị môđun đàn hồi E số tỉ lệ (4.1) Đây độ dốc phần đoạn thẳng giản đồ Môđun đàn hồi thể độ cứng vật liệu, khả chống lại biến dạng Thử độ dai va đập Là đại lượng đánh giá khả chống lại phá hủy vật liệu chịu tải trọng động 2.1 Mục đích thử: Để xác định mức lượng hấp thụ mẫu thử chuẩn hóa bị phá gãy - Thường có nhóm mẫu thử nhằm tránh kết bị lệch Phải quy định nhiệt độ thử Kết thử thể J (joule) Mẫu thử dai hấp thụ nhiều lượng mẫu thử giòn Búa lắc nâng lên điểm đầu thả nhanh Năng lượng mà mẫu hấp thụ búa làm gẫy mẫu (thể thang đo) 2.2 Phương pháp thử: Phương pháp kiểm tra độ dai va đập Charpy, phương pháp thử chuẩn hóa giúp xác định lượng hấp thụ vật liệu trình gãy vỡ Năng lượng hấp thụ giúp xác định độ dai vật liệu công cụ để nghiên cứu chuyển biến dòn-dẻo theo nhiệt độ Nó dùng rộng rãi cơng nghiệp quy trình chuẩn bị thực dễ dàng thu kết nhanh rẻ Tuy bất lợi lớn phương pháp kết mang tính tương đối Ứng suất giảm số chu kỳ ứng suất tăng Khi ứng suất giảm đến giá trị σo đường cong mỏi gần nằm ngang tức số chu kỳ ứng suất tăng lên lớn mà chi tiết không bị gẫy hỏng Trị số σo gọi độ bền dài hạn [1] chi tiết máy Ứng với σo số chu kỳ sở No Thử độ dai phá hủy biến dạng phẳng KIC Là tiêu quan trọng đánh giá khả chống phá hủy dòn vật liệu Áp dụng nguyên lý học phá hủy, thiết lập biểu thức quan hệ ứng suất tới hạn để lan truyền vết nứt, σc, với chiều dài vết nứt, a, dạng: Kc = Yσc π a (4.3) Hình 4.9 Sơ đồ vết rỗng (a); phân bố ứng suất tiết diện cắt ngang qua vết rỗng (b) Trong biểu thức Kc gọi độ dai phá hủy, độ đo khả vật liệu chống lại phá hủy dòn có vết nứt Đơn vị Kc MPa√m psi√in Hơn nữa, Y đại lượng không thứ ngun, phụ thuộc vào dạng hình học kích cỡ mẫu thử vết nứt, cách thức tác dụng lực Đối với mẫu tương đối mỏng, giá trị Kc phụ thuộc vào chiều dày mẫu Tuy nhiên, chiều dày mẫu lớn nhiều so với kích thước vết nứt, Kc trở nên độc lập với chiều dày; điều kiện tồn điều kiện biến dạng phẳng Biến dạng phẳng có nghĩa là, lực tác dụng lên vết nứt kiểu minh họa Hình 7.4a, khơng có thành phần biến dạng vng góc với mặt trước sau Giá trị Kc kiểu vết nứt gọi độ dai phá hủy biến dạng phẳng KIc, định nghĩa theo công thức: KIc = Yσ π a (4.4) KIc độ dai phá hủy thông dụng nhất, độ dai phá hủy biến dạng phẳng với chế độ dịch chuyển vết nứt I, Hình 4.10 Hình 4.10 Ba chế độ dịch chuyển bề mặt vết nứt Chế độ I, kéo; (b) chế độ II, trượt; (c) chế độ III, xé Độ dai va đập biến dạng phẳng KIc tính chất vật liệu, phụ thuộc vào nhiều yếu tố, quan trọng nhiệt độ, tốc độ biến dạng, cấu trúc vi mô Giá trị KIc giảm dần tăng tốc độ biến dạng giảm nhiệt độ Hơn nữa, tăng giới hạn chảy dung dịch rắn phase phân tán chế hóa bền biến dạng làm giảm KIc Hơn nữa, KIc tăng giảm kích thước hạt thành phần hóa học biến vi mô khác giữ không đổi K1c tiêu tính quan trọng để đánh giá khả chống lại phá giòn vật liệu đồng thời thơng qua giúp ta q trình thiết kế tìm ứng suất mà vật liệu chịu tính tốn chiều dài vết nứt vật liệu Ứng suất thiết kế (hay ứng suất giới hạn) tính theo cơng thức sau biết K 1c độ lớn a: σc hay K1 ≤ K1c (4.5) Trong đó: σc ứng suất tập trung giới hạn gây phá hủy K1c độ dai phá hủy biến dạng phẳng Y số phụ thuộc hình dáng mẫu vật liệu a chiều dài vết nứt Chiều dài vết nứt (hay kích thước khe nứt lớn nhất) tính theo cơng thức sau biết K1c ứng suất giới hạn σc ac= (4.6) Trong ac chiều dài vết nứt cần tính tốn K1c độ dai phá hủy biến dạng phẳng σc ứng suất giới hạn Y số phụ thuộc vào hình dáng mẫu vật liệu Như vậy, phương pháp thực nghiệm (cho phép phát vết nứt có kích thước tới hạn theo cơng thức (4.6)), khơng thấy có khuyết tật tin chi tiết khơng thể bị phá hủy điều kiện K1c, Y, σ theo thực nghiệm Trong thiết kế, từ giá trị K1c qui chuẩn cho loại vật liệu, giúp ta chọn loại vật liệu phương pháp gia cơng, chế tạo (tính giá trị a) biết điều kiện làm việc (giá trị σ), ngược lại xác định điều kiện làm việc cho loại vật liệu chế tạo (biết giá trị a xác định giá trị σ) Bảng Giới hạn chảy độ dai phá hủy biến dạng phẳng số loại vật liệu 4.1 Phương pháp kéo Hình 4.11 Kích thước dung sai mẫu thử kiểu Compact C(T) [18] Mẫu có dạng khối hộp chữ nhật với lỗ dùng để kéo vết nứt tạo sẵn Mẫu lực chọn cẩn thận kích thước vết nứt ban đầu (vết nứt gia công khí), sau đưa lên máy chun dụng để tạo vết nứt mỏi ban đầu, vết nứt vuông góc với mẫu hướng phát triển phép 4.2 Phương pháp tiến hành 2o Tỉ lệ kích thước W/B cho Hình 4.12 Sơ đồ bố trí mẫu thử máy thử kéo Hình 4.13 Sơ đồ bố trí cảm biến biến dạng mẫu thử - Đặt ngàm trục vào hai lỗ mẫu thử, tác dụng lực kéo để rãnh khía vết nứt mỏi phát triển mở rộng (vết nứt phát triển theo kiểu I), - Xây dựng biểu đồ tải trọng kéo – độ mở rộng rãnh V hình 4.14: Hình 4.14 Biểu đồ kéo xây dựng sau thí nghiệm kéo Mối quan hệ đại lượng Trong tính tốn, thiết kế cơng trình, máy móc, thiết bị ta phải xác định điều kiện làm việc thiết bị nhiệt độ môi trường, tải trọng,… Đặc biệt kích thước vết nứt tồn cấu trúc Việc xác định kích thước vết nứt tới hạn dựa thông số độ dai phá huỷ biến dạng phẳng KIC, giá trị xác định thực nghiệm Nhưng trình thử nghiệm để xác định giá trị KIC tốn thời gian giá thành cao Hơn hầu hết thép kết cấu có độ bền từ thấp đến trung bình, khơng thể xác định trực tiếp KIC nhiệt độ làm việc Một phương pháp gần nhà khoa học đưa xác định giá trị K IC thông qua lượng hấp thụ thí nghiệm độ dai va đập Thí nghiệm độ dai va đập tiến hành đơn giản, nhanh chóng, chi phí thấp 5.1 MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘ DAI VA ĐẬP aK VÀ ĐỘ DAI PHÁ HUỶ BIẾN DẠNG PHẲNG KIC Sự khác biệt chủ yếu phương pháp kiểm tra độ dai va đập Charpy phương pháp kiểm tra độ dai phá hủy biến dạng phẳng, tốc độ tải (ảnh hưởng đến trạng thái ứng suất bền) vết nứt ban đầu chế tạo (ảnh hưởng đến trạng thái ứng suất đỉnh vết nứt) Một số mối tương quan thực nghiệm độ dai va đập độ dai phá hủy K IC nhà khoa học tìm kiếm kiểm tra độ dai va đập thực dễ dàng, chi phí thấp 5.1.1 Sự phụ thuộc độ bền phá hủy vào nhiệt độ tốc độ đặt tải Trong phân tích phá hủy đàn hồi tuyến tính độ bền phá thành phần cấu trúc, chi tiết máy cần phải xác định Đối với hầu hết dạng hình học, độ bền phá hủy xác định hệ số cường độ ứng suất ứng suất-phẳng tới hạn KC hệ số cường độ ứng suất biến dạng-phẳng tới hạn K IC, chúng đặc tính quan trọng vật liệu KIC thấp KC Độ bền phá hủy (KIC KC) thép tăng nhiệt độ tăng (hình 4.15) tốc độ tải tác dụng giảm (hình 4.16) Thép cấu trúc trung bình thường có độ bền tăng phạm vi nhiệt độ định hình 4.15 Mối quan hệ độ bền phá hủy nhiệt độ chia thành vùng bản: - Vùng dưới, gọi vùng dòn: đặc trưng độ bền tương đối thấp có biến đổi nhỏ độ bền với nhiệt độ - Vùng chuyển tiếp hay vùng chuyển tiếp dòn-dẻo : đặc trưng gia tăng nhanh chóng độ bền với độ tăng nhiệt độ Vùng chuyển tiếp chia thành vùng vùng chuyển tiếp vùng chuyển tiếp - Vùng hay vùng dẻo: nơi mà biến động độ bền với nhiệt độ tương đối thấp Hình 4.15 Ảnh hưởng nhiệt độ đến độ bền phá hủy Hình 4.16 Ảnh hưởng tốc độ tải đến độ bền phá hủy Ảnh hưởng tốc độ tải lên độ bền phá hủy thể hình 3.3, minh họa chất mối quan hệ độ bền phá hủy với nhiệt độ cho tải trọng tĩnh tải trọng động Nói chung mối quan hệ nhiệt độ với độ bền phá hủy trì cho tốc độ tải khác Khi tăng tốc độ tải,vùng chuyển tiếp xảy nhiệt độ cao (đường cong tốc độ tải trung gian nằm đường cong tĩnh động thể hình 4.17) Hình 4.17 Ảnh hưởng nhiệt độ tốc độ tải đến độ bền phá hủy Hình 4.18 Ảnh hưởng nhiệt độ tốc độ tải đến độ bền phá hủy thép A533-B Đối với giá trị cho trước độ bền phá hủy có thay đổi nhiệt độ tồn độ bền phá hủy cho tải động, K Id cho tải tĩnh, KIC Sự thay đổi nhiệt độ xác định thực nghiệm, TS Hình 4.19 Ảnh hưởng giới hạn chảy đến “nhiệt độ chuyển dịch” tải tĩnh K IC tải va đập CVN 5.2 Các mối quan hệ: Một mối quan hệ thường sử dụng CVN KIC mối quan hệ hai cấp CVN-KId-KIC (theo Barsom Rolfe 1987) Phương pháp thực sau: i) Xác định kết kiểm tra độ dai va đập tiêu chuẩn CVN (xác định lượng hấp thụ mẫu thử phương pháp thử Charpy) nhiệt độ (T S + TO), với TO nhiệt độ làm việc tối thiểu dự kiến) ii) Tính KId từ kết thí nghiệm CVN dựa mối quan hệ thực nghiệm: (4.7) Trong đó: - CVN: lượng hấp thụ thử nghiệm Charpy, giá trị xác định - nhiệt độ định E: môđun đàn hồi, [kPa] Đối với hệ đơn vị non – SI ta sử dụng công thức: (4.8) Với CVN = ft-lb E = psi Hình 4.20 Đồ thị thể mối quan hệ độ bền phá hủy tải va đập lượng hấp thụ CVN thí nghiệm Charpy loại thép iii) Sự thay đổi giá trị KId nhiệt độ Ts (công thức 3-1) cho ta giá trị KIC hàm nhiệt độ làm việc tối thiểu: KIC(TO) = KId (TO + TS) (4.9) Phương pháp xác định mối liên hệ hai cấp CVN-KId-KIC minh họa (hình 3-5) Mối quan hệ cho vùng nhiệt độ thấp kết thúc vùng nhiệt độ thấp vùng chuyển tiếp đường cong CVN, vùng giới hạn sử dụng mối quan hệ thép kết cấu nhiệt độ thực tế Hình 4.21 Phương pháp xác định mối liên hệ CVN-KId-KIC Mối quan hệ CVN-KIC phù hợp nhiệt độ cao “vùng trên” xác định cơng thức: (4.10) Trong đó: - KIC: độ dai phá hủy hủy biến dạng phẳng [MPa - σy: giới hạn chảy [Mpa] ] Đối với hệ đơn vị non-SI ta có: (4.11) Hình 4.22 Đồ thị thể mối quan hệ lượng hấp thụ, CVN nhiệt độ thép A36 5.3 Một số mối quan hệ khác CVN KIC 5.3.1 Theo Logan, J.G and Crossland, B Practical Applicationsof Fracture Mechanics to Pressure Vessel Technology, Institution of Mechanical Engineers (London), 1971, trang 148-155: (4.12) Phạm vi áp dụng: Đối với vùng vùng vùng chuyển tiếp đường cong CVN, vật liệu có giới hạn chảy khoảng thụ thí nghiệm Charpy khoảng , lượng hấp 5.3.2 Theo Sailors, R.H and Corten, H.T ASTM-STP-514,1973, trang 164-191 (4.13) Phạm vi áp dụng: Đối với vùng vùng vùng chuyển tiếp đường cong CVN, vật liệu có giới hạn chảy khoảng thụ thí nghiệm Charpy khoảng , lượng hấp Hình 4.23 Đồ thị thể mối quan hệ CVN KIC thép A36 qua qua biểu thức ... đồng Người kiểm tra cần đào tạo trình độ cao Phương pháp thực hiện: Làm Bôi chất tiếp âm Tiến hành siêu âm đầu dò chẩn đốn Làm chất tiếp âm IV DT (kiểm tra phá hủy) Thử kéo Là phương pháp thử vật... QUAN HỆ GIỮA ĐỘ DAI VA ĐẬP aK VÀ ĐỘ DAI PHÁ HUỶ BIẾN DẠNG PHẲNG KIC Sự khác biệt chủ yếu phương pháp kiểm tra độ dai va đập Charpy phương pháp kiểm tra độ dai phá hủy biến dạng phẳng, tốc độ tải... vùng kiểm tra Dòng điện Dòng điện Bề mặt kiểm tra Từ trường Hình 1.2: Prod trường từ thơng Hình 1.3 Từ trường tạo cuộn dây Giải đoán Dựa vào phân bố bột từ để phát khuyết tật vật cần kiểm tra Để