Nghiên cứu tính chất của sóng siêu âm truyền trong một số loại thép kĩ thuật

ỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN XN TUN NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA SĨNG SIÊU ÂM TRUYỀN TRONG MỘT SỐ LOẠI THÉP KĨ THUẬT LUẬN VĂN T C SĨ K OA Hà Nội - 2017 ỌC ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Xuân Tuyên NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA SĨNG SIÊU ÂM TRUYỀN TRONG MỘT SỐ LOẠI THÉP KĨ THUẬT Chuyên ngành : Vật lý Vô tuyến Mã số : iện tử 60440105 LUẬN VĂN T C SĨ K OA ỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS PHẠM VĂN THÀNH Hà Nội - 2017 Nguy n Xuân Tuyên LỜI CẢM ƠN Luận văn thực Bộ môn Vật lý Vô tuyến – Khoa Vật lý – Trường ại học Khoa học Tự nhiên – ại học Quốc gia Hà Nội chương trình đào tạo thạc sĩ khoa học nhà trường, hướng dẫn khoa học trực tiếp TS Phạm Văn Thành Trước hết, xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới TS Phạm Văn Thành, người thầy trực tiếp hướng dẫn tận tình tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô Khoa Vật lý, Trường ại học Khoa học Tự nhiên, ại học Quốc Gia Hà Nội đặc biệt tới thầy cô môn Vật lý Vô tuyến cung cấp cho kiến thức, kỹ nghiên cứu khoa học tạo điều kiện thuận lợi cho học tập hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô Th.S Lương Th Minh Thúy, tồn thể gia đình, bạn bè, đ ng nghiệp giúp đỡ thời gian học tập thời gian làm luận văn Nghiên cứu tài trợ đề tài mã số CA A Trung tâm hỗ trợ nghiên cứu Châu Á – ại học Quốc gia Hà Nội đề tài mã số TN 16 – 06 trường ại học Khoa học Tự nhiên, ại học Quốc gia Hà Nội Hà Nội, ngày 30 tháng 11 năm 2017 Học viên Nguyễn Xuân Tuyên i Nguy n Xuân Tuyên MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv NH MỤC ẢNG IỂU vi BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii MỞ ĐẦU CHƢƠNG : TỔNG QUAN VỀ KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY 1.1 Giới thiệu kiểm tra không phá hủy[2,5] 1.2 Các phương pháp kiểm tra không phá hủy[5] CHƢƠNG : CƠ SỞ L THU ẾT KIỂM TR KH NG PH HỦ ẰNG PHƢƠNG PH P SI U M 13 2.1 Lý thuyết bản[3,5] 13 2.2 Các dạng sóng[2,3,11] 14 2.3 Các đại lượng đặc trưng cho trường âm[3] 16 2.4 nh luật Hooke[1,3,4] 18 2.5 Ứng suất trượt G[1,3,4] 19 2.6 Hệ số Poisson[1,3,4] 21 2.7 Ứng suất Young E[1,3,4] 22 2.8 Ứng suất khối K[1,3,4] 23 2.9 Hệ số phản xạ truyền qua[3] 23 2.10 Sự truyền âm môi trường thực[3] 25 2.11 Ảnh hướng trình nhiệt lên trình truyền âm[3,17] 27 CHƢƠNG : PHƢƠNG PH P THỰC NGHIỆM 28 3.1 Chất tiếp âm [12,14] 28 3.2 ầu dò siêu âm[2,3] 28 3.3 Thiết b siêu âm kiểm tra không phá hủy AN X số biến tử siêu âm d ng đo đạc 30 3.4 Lý thuyết sóng siêu âm truyền mơi trường đàn h i ph thuộc vào nhiệt độ 32 CHƢƠNG : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 ii Nguy n Xuân Tun 4.1 Tính chất sóng siêu âm truyền dầu n 36 4.2 Tính chất sóng siêu âm truyền 4.3 Khảo sát, kiểm tra đánh giá mối hàn b ng xung dội KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO iii Nguy n Xuân Tuyên NH MỤC C C HÌNH VẼ ình Phương pháp kiểm tra thủy tĩnh ình Phương pháp kiểm tra thủy tĩnh ống dài ình Phương pháp kiểm tra xạ ình Phương pháp kiểm tra th m thấu ình Phương pháp kiểm tra bột t ình Phương pháp kiểm tra siêu âm xung dội 11 ình S ng ngang a , S ng dọc b ình Phương truyền s ng theo phương x 15 ình Mức cường độ âm 17 ình nh luật ooke 18 ình Xác đ nh vận tốc s ng dọc 18 ình Quy luật hấp th s ng âm 20 ình Vật liệu n n 21 ình nh luật Snell 24 ình Ảnh hưởng trình nhiệt lên trình truyền âm 27 ình ầu d 28 ình Cấu tạo đầu d siêu âm 29 ình ình ảnh số đầu d 29 ình ình Thiết b AN a [26] 15 X 32 iến tử siêu âm Olympus C -SU tần số trung tâm M z truyền âm th ng b biến tử siêu âm ch o sử d ng để đo vận tốc truyền âm ngang 32 ình Phương pháp đo vận tốc s ng siêu âm xung dội hệ số hấp th 33 ình Sơ đ hệ đo khảo sát chất tiếp âm 36 ình ầu nhờn xe máy 36 ình a iá tr vận tốc siêu âm, b hệ số hấp th , c ứng suất khối dầu nhờn xe máy Shell Advance AX ph thuộc vào nhiệt độ 38 ình Sơ đ hệ đo s ng dọc s ng ngang 39 ình Th nghiệm đo s ng dọc s ng ngang 39 iv Nguy n Xuân Tuyên ình Các loại mẫu th p 40 ình Vận tốc s ng siêu âm dọc a , vận tốc s ng siêu âm ngang b trở kháng âm c mẫu th p nhiệt độ thay đ i 44 ình ệ số Poisson a , ứng suất n n Young b , ứng suất trượt c , ứng suất khối K d loại th p nhiệt độ thay đ i 46 ình ệ số hấp th a mẫu th p nhiệt độ thay đ i 47 ình Mẫu th p hàn với cường độ d ng điện khác nhau, A a, 120A (b), I = 135A (c) 48 ình Lắp đặt th nghiệm hệ đo 48 ình Vận tốc siêu âm truyền qua mẫu th p với cường độ d ng điện khác ph thuộc vào v tr mối hàn 49 ình Xung phản h i dự đốn khơng c khuyến tật 49 ình Xung phản h i dự đoán c khuyến tật 49 v Nguy n Xuân Tuyên NH MỤC ẢNG IỂU ảng Thông số kỹ thuật thiết b AN X 30 ảng T nh chất chất tiếp âm 37 ảng ảng số liệu tốc độ truyền âm, hệ số hấp th dầu nhờn xe máy .37 ảng Thành phần h a học th p A S 41 ảng Thành phần h a học th p ảng Thành phần h a học th p S ảng Thành phần h a học th p SCM 42 ảng Thành phần h a học th p SCR 42 ảng ệ số ph thuộc vào nhiệt độ ước t nh b ng cách nối tuyến t nh 45 ảng Hệ số ph thuộc nhiệt độ tỷ số Poisson υ, suất Young E, suất trượt Cr 41 C 41 , suất khối K ước tính b ng cách nối tuyến tính 47 ảng Tốc độ s ng siêu âm truyền mối hàn 48 vi Nguy n Xuân Tuyên BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT NDT : Non-Destructive Testing NDE : Non-Destructive Evaluation NDI : Non-Destructive Inspection Cl : Longitudinal wave Ct : Shear wave vii Nguy n Xuân Tuyên MỞ ĐẦU Hiện giới nước, phương pháp kiểm tra không phá hủy (Non-Destructive Testing đ ng vai trò quan trọng kiểm tra chất lượng sản ph m công nghiệp, phương pháp ứng d ng rộng rãi ngành công nghiệp kh chế tạo máy, xây dựng, chế tạo tàu thủy, hàng không, … Các phương pháp kiểm tra không phá hủy d ng để phát khuyết tật n m sâu bên chiều dày kết cấu bên bề mặt lớp bề mặt C phương pháp kiểm tra không phá hủy chủ yếu kiểm tra b ng th giác quang học (visual test), kiểm tra b ng chất lỏng th m thấu hay thấm màu (penetrant test), kiểm tra b ng bột t (magnetic particle test , d ng xoáy điện (eddy cerent test), ch p ảnh xạ hay gọi ch p phim (radiographic test), siêu âm kiểm tra (ultrasonic test), kiểm tra b ng truyền âm (acoustic emission testing), kiểm tra rị rỉ (leak testing) …… Ngồi c nh m phương pháp đặc biệt phương pháp kỹ thuật vi sóng, xạ âm… Trong đ , phương pháp siêu âm xung dội (Pulse-echo Ultrasonic Testing) có nhiều ưu việt ph biến Ưu điểm phương pháp phát khuyết tật nhỏ, với độ xác cao việc xác đ nh v trí k ch thước khuyết tật chiều dày vật liệu cần tiếp xúc t phía mẫu vật khảo sát Nguyên l phương pháp siêu âm xung dội chùm tia siêu âm phát biến tử siêu âm truyền vào bên mẫu vật gặp bề mặt không liên t c bên mẫu vật vết nứt, khuyến tật,… s ng siêu âm s b phản xạ trở lại, s ng phản xạ sau đ nhận chuyển đ i trở lại thành t n hiệu điện biến tử siêu âm Trên sở ghi phân tích s ng phản xạ này, xác đ nh chiều dày kim loại độ lớn v trí khuyết tật bên kim loại Trên sở đ , tơi chọn đề tài “Nghiên cứu tính chất sóng siêu âm truyền số loại thép kỹ thuật” khảo sát vùng có nhiệt độ khác khảo sát vận tốc truyền sóng siêu âm số loại th p với m c đ ch nâng cao n a độ ch nh xác ph p đo 46 Nguy n Xuân Tuyên ảng 10 : ệ số p Mã th p AISI 1018 40Cr S45C SCM420 SCR420 B ng cách sử d nhiệt độ ước tính đặc t nh học mô tả bảng 10 cho mẫu thép với độ tuyến tính tốt (R = 0.92 ~ 0.96) (a) 0,9 /c 0,8 0,7 ố hấp thụ 0,6 0,5 0,4 0,3 Hệ AISI 1018 40Cr 0,2 S45C SCM420 SCR420 0,1 -5 H nh : Hệ ố hấp thụ củ ẫu thép nhiệt độ th y đổi T giá tr thu xung phản h i, nhiệt độ tăng, hệ số hấp th c xu hướng giảm thể hình a), nguyên nhân tượng cho hệ số suy hao lớp dầu nhờn xe máy sử d ng chất tiếp âm b ảnh hưởng nhiệt độ[19] 47 4.3 Khả pháp át kiể ung ộ cƣờng độ ng điện khác nh u I Sai hỏng t n mẫu vật hàn s khảo sát hình 4.11 iến tử siêu âm đơn với tần số trung tâm MHz sử d ng để phát thu t n hiệu siêu âm ầu d di chuyển theo chiều Ox với bước , cm hình ựa t n hiệu phản h i, ta đánh giá chất lượng mối hàn Tuy nhiên, nghiên cứu s ng siêu âm phản h i vuông g c với bề mặt v tr sai hỏng nên xác đ nh v tr sai hỏng c mẫu vật ảng 11 : Tốc độ V tr s ng siêu âm m/s (cm) 0,5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 48 độ t uyề n âm (m/s) Tố c V tr (cm) H nh 12 : Vận tốc i u t uyền u t ng ẫu thép với cƣờng độ ng điện khác nh u phụ thuộc v vị t t n ối h n H nh 14 : Xung phản hồi ự đ án c khuyến tật H nh 13 : Xung phản hồi ự đ án không c khuyến tật B ng cách d ch chuyển biến tử siêu âm dọc theo tr c Ox hình 4.10 mẫu vật với bước d ch chuyển cm ình thể giá tr vận tốc s ng siêu âm truyền mối hàn với cường độ d ng điện khác ta thấy vận tốc truyền c khác với ba d ng A, I = 120 A A ình -♦-) hình -▲-) thể vận tốc truyền s ng mối hàn đ ng Qua đ , ta nhận thấy chất lượng mối hàn hai th p 49 Nguy n Xuân Tuyên với cường độ d ng với Với cường độ d ng hàn khoảng m/s, với nhiên, sử d ng cường độ d ng điện không đ ng thể qua hình truyền s ng đ ng , nhiên tới v thay đ i lớn Qua đ , ta th khơng đ ng T trình hàn c thể gặp số lỗi đ nh 50 Nguy n Xuân Tuyên KẾT LUẬN Sau trình làm luận văn, tập trung nghiên cứu thực nội dung khoa học đề cho luận văn thu số kết ch nh sau Nghiên cứu t ng quan phương pháp kiểm tra không phá hủy thường gặp Nghiên cứu t ng quan lý thuyết s ng siêu âm truyền môi trường đàn h i, đại lượng vật lý đặc trưng cho vật liệu Khảo sát số t nh chất s ng siêu âm truyền chất tiếp âm thông d ng Vận tốc truyền hệ số hấp th s ng siêu âm chất tiếp âm khảo sát T kết thu được, đánh giá dầu nhờn xe máy Shell Advance AX hoàn toàn ph hợp làm chất tiếp âm với vật liệu kiểm tra làm b ng kim loại ph hợp với điều kiện hoàn cảnh kinh tế Việt Nam Thông qua mã th p khác nhau, khảo sát vận tốc truyền s ng dọc s ng ngang truyền số loại th p kỹ thuật nhiệt độ thay đ i khoảng t dọc khoảng t t đến s ng siêu âm ngang thay đ tương quan (R = 0.9892 ~ 0.9984) tốt Thông qua giá tr vận tốc s ng siêu âm dọc s ng siêu âm ngang, t nh toán hệ số đặc trưng cho vật liệu hệ số Poisson, ứng suất n n Young E, ứng suất trượt G, ứng suất khối K, hệ số hấp th α trở kháng âm Z ph thuộc tuyến t nh với hệ số tương quan R = 0.92 ~ 0.96 Thông qua t nh s ng siêu âm truyền qua số loại th p kỹ thuật ph thuộc vào nhiệt độ, khảo sát, đánh giá chất lượng mối hàn với cường độ d ng điện hàn khác ựa vào giá tr vận tốc s ng siêu âm phản h i, đánh giá với A, A chất lượng mối hàn đ ng đều, không c thay đ i đáng kể điểm khảo sát Tuy nhiên, với 51 Nguy n Xuân Tuyên d ng hàn s ng siêu âm phản h i chúng tơi hồn tồn đánh giá chất lượng mối hàn mối hàn mà chúng tơi khảo sát chất lượng mối hàn với d ng đ ng chất lượng không tốt Với nh ng kết ban đầu này, chứng tỏ phương pháp siêu âm kiểm tra không phá hủy phương pháp ph hợp để đánh giá chất lượng vật liệu đàn h i kim loại Tuy nhiên, ph p đo sử d ng phương pháp siêu âm kiểm tra không phá hủy cần phải t nh đến ảnh hưởng nhiệt độ thời điểm đo để thu kết ch nh xác Một số kết luận văn công bố báo: L.T.M Thuy, P.V Thanh, N.X Tuyen, N.D Anh, and N.T.H Thu, Temperature Dependence of Ultrasonic Waves Properties Propagated in Some Types of Carbon Steels VNU Journal of Science: Mathematics - Physics, 2017,33(2),66-73 52 Nguy n Xuân Tuyên TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn ình xuất khoa học kỹ thuật [2] Nguyễn Văn kiểm tra khuyết tật vật liệu kim loại”,tạp c 80-86 [3] Nguyễn Viết K nh [4] Phạm Văn Thành(2015),Ng iên ng p n,QN [5] Nguyễn Thanh Sơn,Gi www.vinamain.com, ảo trì cơng nghiệp Việt Nam Tiếng Anh [6] Freitas, V.L.d.A., V.H.C.d Albuquerque, E.d.M Silva, A.A Silva, and J.M.R.S Tavares(2010),Nondestructive characterization of microstructures and determination of elastic properties in plain carbon steel using ultrasonic measurements,Materials Science and Engineering,527(1617),4431-4437 Francesco Lanza di Scalea and Salvatore Salamone(2008), [7] “Temperature effects in ultrasonic Lamb wave structural health monitoring systems”,Journal of the Acoustical Society of America,,124(1)161-174 J C Dodson and D J Inman(2013), Thermal sensitivity of Lamb waves for structural health monitoring applications Ultrasonics,53(3),677-85 [9] LIU Zenghua, ZHAO Jichen, WU Bin, and HE Cunfu(2011), “Temperature ependence of Ultrasonic Longitudinal uided Wave [8] Propagation in Long Range Steel Strands”,CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING,24(3),487-494 53 Nguy n Xuân Tuyên M Molero, I Segura, S Aparicio, M G Hernandez, and M A Izquierdo(2010),On the measurement of frequency-dependent ultrasonic attenuation in strongly heterogeneous materials,Ultrasonics,50(8), 8248 [10] [11] L Zenghua, Dependence Range Steel Strands”,Chinese Journal Of Mechanical E 494 [12] Olympus http://www.olympusims.com/en/ultrasonic-transducers [13] OLYMPUS, http://www.olympusims.com/en/applications/ultrasonic [14] Advance, S Shell Advance 4T AX5 15W-40 2013; Available from: http://www.epc.shell.com/docs/GPCDOC_Local_TDS_Malaysia_Shell_Adva nce_4T_AX5_15W-40_(SL_MA)_(ms-MY)_TDS.pdf [15] Ruiz, A., N Ortiz, A Medina, J.Y Kim, and L.J Jacobs(2013), Application of ultrasonic methods for early detection of thermal damage in 2205 duplex stainless steel NDT & E International,(54),19-26 [16] R C Ar modulus of solid polymers”,Journal of Phys Instruments,7(5),399 [17] Yan, C., W Guan, Z Gao, W Chen, and Y Tao wave testing of pressurized components at high Pressure Equipment and Systems, (3),54-57 [18] Tanya Glozman and Haim Azhari(2010), A Characterization of Tissue Elastic Properties C Computed Tomography With Elastography,Journ Medicine,29(3),387-398 54 Nguy n Xuân Tuyên [19] Thanh, P.V., P.T.T Nhung, L.T.M Thuy, and N Temperature Transmission Estimated by Journal of Science: Mathematics [20] Thanh, P.V., Flaws inside Nondestructive Physics,31(1S),144-152 [21] Thuy,L.T.M., Luong Thi Minh Thuy, P.V.Thanh, N.X.Tuyen, N.D.Anh, N T Thu ,” Temperature Dependence of Ultrasonic Waves Properties Propagated in Some Types of Carbon Steels”,VNU Journal of Science: Mathematics - Physics,33(2),66-73 Vera Lúcia de Araújo Freitas, Victor Hugo C de Albuquerque, Edgard de Macedo Silva, Antonio Almeida Silva, and João Manuel R S Tavares(2010),”Nondestructive characterization of microstructures and determination of elastic properties in plain carbon steel using ultrasonic measurements”,Materials Science and Engineering A,527(16-17),44314437 [22] V Rajendran, N Palanivelu, and B K Chaudhuri(2005),A device for the measurement of ultrasonic velocity and attenuation in solid materials under different thermal conditions,Measurement,38(3),248-256 [23] [24] [25] [26] www.matweb.com/index.aspx www.ndt.net/article/v05n09/berke/berke.pdf www.ndeed.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasonics /Physics /wavepropagation.htm Zhang C., L H Le, R Zheng, D Ta, and E Lou(2011), “Measurements of ultrasonic phase velocities and attenuation of slow waves in cellular aluminum foams as cancellous bone-mimicking phantoms”,J Acoust Soc Am,129(5),3317-26 [27] 55 ... TỰ NHIÊN - Nguyễn Xuân Tuyên NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA SĨNG SIÊU ÂM TRUYỀN TRONG MỘT SỐ LOẠI THÉP KĨ THUẬT Chuyên ngành : Vật lý Vô tuyến Mã số : iện tử 60440105 LUẬN VĂN T C SĨ K OA... tử siêu âm Trên sở ghi phân tích s ng phản xạ này, xác đ nh chiều dày kim loại độ lớn v trí khuyết tật bên kim loại Trên sở đ , tơi chọn đề tài ? ?Nghiên cứu tính chất sóng siêu âm truyền số loại. .. CHƢƠNG : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 ii Nguy n Xuân Tun 4.1 Tính chất sóng siêu âm truyền dầu n 36 4.2 Tính chất sóng siêu âm truyền 4.3 Khảo sát, kiểm tra đánh giá mối hàn b ng xung dội