Ứng dụng sóng siêu âm để xác định ứng suất bên trong vật liệu

Trong nghiên cứu này, sóng siêu âm được sử dụng để xác định cơ tính của vật liệu ứng với từng giá trị ứng suất cho trước, từ đó xây dựng mối quan hệ thể hiện sự thay đổi của cơ tính phụ thuộc vào ứng suất (E-σ) và (v-σ). Ứng suất sẽ được cung cấp bằng máy thử kéo - nén.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN 137 ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM ĐỂ XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT BÊN TRONG VẬT LIỆU DETERMINATION STRESS BY USING ULTRASOUND TECHNIQUE Nguyễn Lê Văn Trường Cao đẳng Công nghệ - Đại học Đà Nẵng; van.nguyenle87@gmail.com Tóm tắt - Vận tốc truyền sóng siêu âm bên vật liệu khác tuỳ thuộc vào tính chất vật liệu Ngồi ra, có ứng suất tồn bên trong, tính chất vật liệu, đặc biệt thông số tính (mơ-đun đàn hồi E, hệ số Poisson v) thay đổi Trong nghiên cứu này, kỹ thuật tạo sóng siêu âm nguồn kích thích laser (LUT) sử dụng để tạo sóng siêu âm lan truyền bên vật liệu sử dụng đầu dò để thu sóng siêu âm sau khoảng cách lan truyền định ứng với giá trị ứng suất cho trước Thơng qua việc xác định thay đổi tính vật liệu, ta xây dựng đồ thị quan hệ tính (E, v) ứng suất ứng với loại vật liệu khác Từ đó, ta biết ứng suất bên vật liệu cách xác định thơng số tính Abstract - The ultrasound velocity depends on material properties The material properties, especially Young modulus and Poisson ratio (E, v) change due to stress state In this research, the Laser ultrasound technique (LUT) was used to generate ultrasound wave propagating inside medium and using the transducer to receiver signal after finite distance under applied stress The Labview code was used to analyzing and solve wave signal We can build the graph to show the relation between stress and material properties (E, v) by determine the material properties under applied stress After that, we can find out the trend of material properties by stress So, this research promoted the new method to determine stress by determination material properties Từ khóa - sóng siêu âm; laser; thuật tốn bầy đàn; ứng suất; tính chất vật liệu Key words - ultrasound; laser; PSO algorithm; stress; material properties Giới thiệu chung Ứng suất dư ứng suất tồn bên vật liệu khơng có ngoại lực tác dụng Nếu ứng suất dư nén làm tăng khả chịu bền mỏi chi tiết ứng suất dư kéo lại làm giảm khả chịu bền mỏi, dễ phát sinh khuyết tật, gây hư hỏng đột ngột Do đó, xác định ứng suất dư bên vật liệu nhiệm vụ cần thiết, đặc biệt chi tiết quan trọng Hiện nay, có nhiều phương pháp xác định ứng suất dư bên vật liệu như: phương pháp khoan lỗ (hold drilling) [1], phương pháp mặt cắt (sectioning method) [2], phương pháp lỗ sâu (deep hole) [3], phương pháp lõi tròn (ring-core) [4], phương pháp chụp Xray [5], phương pháp phản xạ neutron [6] Nếu phương pháp kiểm tra phá huỷ (khoan lỗ, mặt cắt, lõi trịn) đơn giản, độ xác thấp, phương pháp X-ray cho độ xác cao Tuy nhiên, phương pháp ảnh hưởng đến sức khoẻ người sử dụng chi phí đầu tư cao Sử dụng sóng siêu âm để xác định tính vật liệu [7] phương pháp an toàn phổ biến nay, với độ xác cao chi phí đầu tư ban đầu khơng q lớn Hiện nay, sóng siêu âm ứng dụng rộng rãi ngành vật liệu học Nhưng sử dụng sóng siêu âm để xác định ứng suất dư cịn [8-13] đối tượng nghiên cứu chủ yếu film mỏng Ở nước ta, ứng dụng sóng siêu âm hạn chế, chủ yếu dùng lĩnh vực y tế kiểm tra khuyết tật bên vật liệu, mối hàn Cơ tính vật liệu phụ thuộc vào ứng suất dư bên vật liệu [14, 15] Dựa vào đặc điểm này, tác giả đề xuất hướng nghiên cứu sử dụng sóng siêu âm để xác định ứng suất dư bên kim loại Vận tốc truyền sóng vật liệu phụ thuộc vào tính loại vật liệu Ngồi ra, tính vật liệu mà chủ yếu mô-đun đàn hồi E hệ số Poisson v thay đổi tuỳ thuộc vào ứng suất Trong nghiên cứu này, sóng siêu âm sử dụng để xác định tính vật liệu ứng với giá trị ứng suất cho trước, từ xây dựng mối quan hệ thể thay đổi tính phụ thuộc vào ứng suất (E-σ) (v-σ) Ứng suất cung cấp máy thử kéo - nén Kỹ thuật sóng siêu âm – laser (LUT) [12] với nguồn kích thích sóng laser tạo hầu hết loại sóng siêu âm, bao gồm: sóng Lamb, sóng bề mặt (surface wave), sóng Acoustic, sóng Rayleigh, sóng love, dùng để phân tích thay đổi tính vật liệu cách xác định thay đổi vận tốc truyền sóng Mối quan hệ thể đồ thị quan hệ vận tốc tần số sóng siêu âm Thuật tốn bầy đàn Thuật tốn bầy đàn lấy ý tưởng từ tập tính loài động vật sinh sống theo bầy, đàn kiến, cá, gà… tìm nguồn thức ăn Thuật toán đời vào năm 1995 nhà khoa học Eberhat and Kennedy Thuật toán bầy đàn dựa tập tính lồi vật sống theo bầy khơng có đầu đàn Một đàn mà khơng có đầu đàn tìm thức ăn cách ngẫu nhiên theo gần vị trí nguồn thức ăn Các thành viên đàn liên lạc trực tiếp với xung quanh nó, hình thành nên mạng lưới liên kết cho đàn Khi thành viên đàn gần nguồn thức ăn, liên lạc với gần nhất, tiếp tục trình liên lạc cho xa Quá trình thực liên tục thành viên bầy di chuyển dần phía nguồn thức ăn, đàn tập trung điểm, nguồn thức ăn hay nước uống mà chúng tìm [16] Vị trí thành viên đàn phụ thuộc vào vận tốc thành viên Giả sử xi(t) vị trí thành viên thứ i thời điểm t Vị trí thành viên thứ i thay đổi thêm vận tốc di chuyển xi  t  1  xi t   vi t  1 Với: vi  t  1  vi  t   c1r1  localbest (t )  xi  t    c2 r2  globalbest (t )  xi  t   Trong đó: r1, r2 số ngẫu nhiên, có giá trị nằm khoảng [0,1]; c1, c2 gia tốc, có giá trị Nguyễn Lê Văn 138 localbest(t): vị trí tốt thành viên globalbest(t): vị trí tốt bầy Các thơng số tính mẫu bảng tham khảo từ website matweb.com Thí nghiệm Kỹ thuật sóng siêu âm – laser (LUT) dùng để tạo sóng Lamb lan truyền bên vật liệu Hệ thống LUT bao gồm: nguồn phát laser Nd: YAG với bước sóng 532 nm, lượng 400 mJ đường kính chùm tia 0,7 mm Nguồn phát laser có tần số đến 10 kHz, sử dụng để kích thích tạo sóng siêu âm lan truyền bên mẫu thí nghiệm đoạn dài 10 mm, phát thu tín hiệu, hệ thống máy tính với chuyển đổi tín hiệu tuần tự/tín hiệu số (analog/digital) dùng để điều khiển xử lý tín hiệu Đầu dị sóng dọc với tầng số MHz dùng để nhận tín hiệu, động bước điều khiển máy tính với bước di chuyển cài đặt trước Hình Thuật tốn bầy đàn Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm Hình Vận tốc thành viên Mẫu thí nghiệm Trong nghiên cứu này, sử dụng 02 loại mẫu để tiến hành thí nghiệm, bao gồm mẫu đồng mẫu thép khơng gỉ - 304 Thấu kính Máy thử kéo - nén Bảng Kích thước mẫu Vật liệu Thép khơng gỉ - 304 Đồng Bề dày (mm) 0,5 0,5 Kích thước (rộng x dài) 25x200 20x200 Kích thước mẫu cho Bảng Kích thước mẫu (rộng x dài) đo trực tiếp thước cặp với độ xác 0,01 mm chiều dày đo panme với độ xác 0,001 mm a b Hình Mẫu thí nghiệm a) Mẫu thép khơng gỉ-304 b) Mẫu đồng Bảng Cơ tính mẫu Cơ tính Vật liệu Khối lượng Mô-đun Giới hạn Hệ số đàn hồi chảy Poisson riêng ρ (g/cm3) E (GPa) (MPa) v Thép không gỉ - 304 8,03 193 215 0,29 Đồng 9,02 110 70 0,35 Đầu dị sóng Mẫu thí nghiệm Hình Thiết bị thí nghiệm Trong nghiên cứu này, phương pháp A-scan (kích thích điểm) B-scan (kích thích đoạn) dùng để kích thích tạo sóng siêu âm Tín hiệu sóng thu tín hiệu sóng A-scan, thể mối quan hệ biên độ thời gian Ta tiến hành kích thích đoạn 10 mm với bước động 0,05 mm Do đó, ta thu tổng cộng 200 đồ thị sóng A-scan, sử dụng phương pháp B-scan, chuyển toàn 200 đồ thị sang dạng đồ thị vị trí – thời gian, cụ thể sử dụng cường độ màu để biểu thị biên độ sóng ứng với vị trí Tín hiệu chuyển sang đồ thị mối quan hệ vận tốc tần số phương pháp biến đổi Furier nhanh (FFT) Ứng suất bên mẫu ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 Amplitude cung cấp máy thử kéo - nén, dựa vào giới hạn chảy kéo vật liệu mà ta xác định ứng suất cung cấp cho mẫu Đối với mẫu đồng, giới hạn chảy 70 MPa nên ta cung cấp ứng suất kéo tối đa 70 MPa, riêng mẫu thép không gỉ, ứng suất cung cấp tối đa 100 MPa ứng với bước 10 MPa sau lần tăng lực Ứng với giá trị ứng suất, ta tiến hành xác định tính vật liệu, phần mềm Labview kết hợp với thuật toán bầy đàn 139 0.1 0.0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 f error  -0.6 -0.7 -0.8 Time (s) Hình Dạng sóng đồng 10 Position (mm) Kết thảo luận Hình Hình dạng sóng mẫu thép khơng gỉ - 304 đồng, Hình Hình dạng phổ B-scan Hình 10 Hình 11 thể q trình xác định tính vật liệu (E, v) Giá trị tính ban đầu dự đoán trước khoảng định dựa vào giá trị tính tham khảo Mục đích giới hạn vùng tìm kiếm cho thành viên bầy, số lượng thành viên chọn 30 Chương trình Labview tiến hành xác định tính thơng qua thuật toán bầy đàn, lấy thử giá trị khoảng cho vẽ đồ thị quan hệ tần số vận tốc truyền sóng, sau kiểm tra sai số so với đồ thị có từ thực nghiệm Nếu sai số vượt sai số cho phép (3%) chương trình tiếp tục chạy sai số nhỏ giá trị cho phép thu thơng số tính vật liệu (E, v) Hàm sai số dùng để xác định sai số giá trị thực nghiệm giá trị lý thuyết 0 Time (s) Hình Phổ màu B-scan đồng m n   hi m j 1 n i 1 Với m số mode, n số liệu mode 0.5 0.4 0.3 0.2 Amplitude 0.1 Hình 10 Chương trình dùng để xác định tính 0.0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 Time (s) Hình Dạng sóng thép khơng gỉ-304 10 position (mm) Hình 11 Xác định sai số 0 time(s) Hình Phổ màu B-scan thép khơng gỉ 304 Hình 12 Hình 13 kết trình nghịch đảo, ta thấy đường màu đen đồ thị theo lý thuyết, đường chấm màu đỏ đồ thị từ thực nghiệm Sau sử dụng chương trình Labview với thuật tốn bầy đàn, ta thấy hai đồ thị chồng chập với Độ xác kết phụ thuộc vào mức độ chồng chập đồ thị Trong thí nghiệm này, đầu dị có tần số MHz sử dụng để nhận tín hiệu Do đó, cần đảm bảo mode A0, S0, A1, S1 mode khu vực tần số MHz có chồng chập tốt để thu giá trị tính vật liệu, mà cụ thể mô- Nguyễn Lê Văn 140 đun đàn hồi E có độ xác cao trị ứng suất 70 MPa Tuy nhiên, mức độ giảm E không tuyến tính thể đồ thị Hình 14 Hình 15 10 A1 200 S0 A0 Experiment Theory Stainless steel 202 S1 Young modulus (GPa) Phase velocity (km/s) 8 198 196 194 10 Frequency(MHz) 192 Hình 12 Đồ thị kết nghịch đảo thép không gỉ 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Applied stress (MPa) Hình 14 Đồ thị E-σ thép không gỉ 14 10 A1 S0 A0 Copper 125 S1 Yound modulus (GPa) Phase velocity (km/s) 12 Experiment Theory 10 12 124 123 14 Frequency (MHz) 122 Hình 13 Đồ thị kết nghịch đảo đồng Ứng suất cung cấp cho mẫu thông qua má kẹp máy thử kéo - nén Do đó, phải hạn chế tượng trượt má kẹp vật mẫu để đảm bảo ứng suất không thay đổi thay đổi bé q trình thực thí nghiệm Bảng thể kết quả, mối quan hệ ứng suất với mô-đun đàn hồi hệ số Poisson hai mẫu thép không gỉ - 304 đồng Mô-đun đàn hồi E giảm tăng ứng suất kéo [8], [14, 15] Mô-đun đàn hồi E mẫu thép không gỉ - 304 đồng giảm ứng suất kéo bên mẫu tăng lên Giá trị E 201,5 GPa tương ứng với trường hợp ứng suất kéo giảm đến 193,2 GPa 100 MPa mẫu thép không gỉ - 304 Tương tự mẫu đồng E = 125,2 GPa trạng thái bình thường giảm xuống cịn 122,2 GPa giá 10 20 30 40 50 60 70 Applied stress (MPa) Hình 15 Đồ thị E-σ đồng Đồ thị Hình 14 Hình 15 thể mối quan hệ mô-đun đàn hồi ứng suất mẫu thép không gỉ - 304 đồng Mô-đun đàn hồi gần không thay đổi ứng suất thấp (từ ÷ 20 MPa), giảm nhanh ứng suất lớn 30 MPa Đối với mẫu thép không gỉ, mô-đun đàn hồi giảm 4,2% ứng với 100 MPa, 2,4% ứng với 70 MPa mẫu đồng Hệ số Poisson mẫu thép không gỉ - 304 đồng thay đổi không đáng kể ứng suất kéo tăng, giá trị v dao động quanh 0,26 mẫu thép không gỉ - 304 0,34 mẫu đồng Do đó, hệ số Poisson khơng dùng để xác định ứng suất nghiên cứu Bảng Giá trị tính theo ứng suất mẫu thí nghiệm Mẫu Ứng suất cung cấp (MPa) 90 100 Thép không gỉ - 304 E (GPa) 201,5 201,5 201,4 199,0 198,1 197,6 197,0 196,0 195,5 194,3 193,2 v 0,263 0,259 0,263 0,261 0,262 0,262 0,263 0,263 0,261 0,261 0,262 Đồng 10 20 30 40 50 60 70 E (GPa) 125,2 125,2 125,1 124,1 123,8 123,2 123,1 122,2 v 0,344 0,344 0,343 0,345 0,343 0,343 0,343 0,342 Kết luận kiến nghị Bằng thuật toán bầy đàn phần mềm Labview, kết hợp với phương pháp siêu âm – laser ta xác định tính kim loại giá trị ứng suất định, qua xác định quan hệ ứng suất kéo mô-đun đàn hồi mẫu kim loại (thép không gỉ - 304 đồng) 80 Mô-đun đàn hồi mẫu thép không gỉ - 304 đồng giảm ta tăng ứng suất kéo mẫu, thay đổi mô-đun đàn hồi xảy ứng suất kéo lớn 20 MPa Nghiên cứu mở phương pháp việc xác định ứng suất dư bên vật liệu phương pháp kiểm tra không phá huỷ, thông qua việc xây dựng đồ thị mối quan hệ E – σ ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Karel Svaˇr´ıˇcek, “Residual stress avaluation by the hole-drilling method with eccentric hole”, Engineering Mechanics, Vol 14, No 1, 2007, pp 191–197 [2] Tebedge N, Alpsten G, Tall L “Residual-stress measurement by the sectioning method”, Exp Mech, 13(2), 1973, pp 88–96 [3] Leggatt RH, Smith DJ, Smith SD, Faure F., “Development and experimental validation of the deep hole method for residual stress measurement”, J Strain Anal, 31(3), 1996, pp 177–86 [4] Milbradt KP., “Ring-method determination of residual stresses”, Proc SESA, 9(1), 1951, pp 63–74 [5] Norton JH., Rosenthal D., “Stress measurement by X-ray diffraction”, Proc Soc Exp Stress Anal, 1(2), 1944, pp 73–76 [6] Webster GA (Ed.), “Polycrystalline materials – determinations of residual stresses by neutron diffraction”, ISO/TTA3 Technology Trends Assessment, Geneva 20, Switzerland, 2001 [7] Yeh and Yang, “Characterization of mechanical and geometrical properties of a tube with axial and circumferential guided waves”, Journal of Ultrasonics, 51, 2011, pp 472–479 [8] M Qasmi., “Effect of the residual stress on the determination through nanoindentation technique of the Young’s modulus of W thin film deposit on SiO2/Si substrate”, Journal of Surface & Coatings Technology, 200, 2006, pp 4185– 4194 [9] N Hsu., Acoustical birefringence and the use of ultrasonic wave for [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] 141 experimental stress analysis, Third SESA International Congress, Los Angeles, CA, 1974 J Ditri., “Stress distribution determination in isotropic materials via in inversion of ultrasonic Rayleigh wave dispersion data”, International Journal Solids Structures, Vol 33, No 17, 1996, pp 2437-2451 M Ouaftouh., Characterization of surface residual stress using high frequency Rayleigh waves, NDCM-XIII, Le Mans, France, 20-24 May 2013 D.C Hurley, V.K Tewary, A.J Richard., “Thin-film elasticproperty measurements with laser-ultrasonic SAW spectrometry”, Journal of Thin Solid films, 398 –399, 2001, pp 326–330 E Tanala, “Determintion of near surface residual stress on welded joints using ultrasonic methods”, NDE & E International, Vol 28, No 2, 1995, pp 83-88 C.A Johnson and J.A Ruud., “Relationships between residual stress, microstructure and mechanical properties of electron beam– physical vapor deposition thermal barrier coatings”, Journal of Surface and Coatings Technology, 108–109, 1998, pp 80–85 Chang., Effect of residual stress on mechanical properties and interface adhesion strength of SiN thin films, 4th International Conference on Technological Advances of Thin films and Surface Coating, Volume 517, Issue 17, July 2009, pp 4857–4861 J Kennedy and R Eberhart., Particle swarm optimization, International Conference on Neural Network, Perth, WA, Vol 4, 1995, pp 1942–1948 (BBT nhận bài: 11/9/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 10/10/2017) ... bầy đàn phần mềm Labview, kết hợp với phương pháp siêu âm – laser ta xác định tính kim loại giá trị ứng suất định, qua xác định quan hệ ứng suất kéo mô-đun đàn hồi mẫu kim loại (thép không gỉ... không gỉ - 304 đồng giảm ta tăng ứng suất kéo mẫu, thay đổi mô-đun đàn hồi xảy ứng suất kéo lớn 20 MPa Nghiên cứu mở phương pháp việc xác định ứng suất dư bên vật liệu phương pháp kiểm tra không... giới hạn chảy kéo vật liệu mà ta xác định ứng suất cung cấp cho mẫu Đối với mẫu đồng, giới hạn chảy 70 MPa nên ta cung cấp ứng suất kéo tối đa 70 MPa, riêng mẫu thép không gỉ, ứng suất cung cấp tối