3. Ý nghĩa khoa học thực ti ễn
2.3.5. Điều kiện ngừng lan truyền vết nứt mỏi
Qua nghiên cứu bằng thực nghiệm, các nhà khoa học thấy rằng, mỗi một loại vật liệu đều có một trị số cường độ ứng suất Katb tới hạn, nếu phổ tải trọng gây ra ứng suất có cường độ ứng suất tương ứng nhỏ hơn giá trị này thì vết nứt ngừng phát triển.
Bảng 2.3: Giá trị tới hạn Katb của một số loại vật liệu.[8] STT Vật liệu Giá trị tới hạn Katb (Mpa) 1 Thép cacbon 12013, 12010 và 12060 4.0 2 Thép rèn độ bền trung bình 13% Cr, 1% Ni 3.7 3 Thép rèn độ bền trung bình 13% Cr, 4% Ni 6.2 4 Thép Ostenit 17455 7.0 5 Thép độ bền cao 12% Cr T60/1776 3.6 6 Thép độ bền cao 12% Cr KZ 1 2.7 7 Thép Ostenit 18/8 2.9 8 Nhôm 0.5 9 Đồng 1.3 10 Brass 60/40 1.5 11 Titan 1.1 12 Niken 2.9
Những nghiên cứu về mỏi của vật liệu và kim loại thép cacbon nói riêng được thực hiện trên các phương pháp khác nhau. Phương pháp sử dụng tia X để khảo sát mỏi của kim loại bằng cách chiếu bức xạ tia X lên mẫu kim loại, ta ghi nhận phổ
nhiễu xạ. Từ đó, ta phân tích đường phổ nhiễu xạ và đánh giá sự phá hủy mỏi của kim loại.
Chương 3
PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X TRÊN TINH THỂ. 3.1.Tia X và sự phát sinh tia X.
Tia X là bức xạđiện từđược nhà vật lý học người Đức Wilhelm Conrad Röntgen (Trường Đại học tổng hợp Wurzburg – Đức) phát hiện ra vào năm 1895.
Hình 3.1: Sơđồ nguyên lý ống phát tia X.
- Ống phát tia X thường là bóng thủy tinh hay thạch anh có độ chân không cao. Trong bóng có catôt làm bằng sợi wolfram hay bạch kim, khi đốt nóng sẽ phát ra chùm điện tử và anôt (đối catôt) được chế tạo từ các kim loại khác nhau tùy vào chùm tia X phát ra năng lượng khác nhau. Một số kim loại thường được dùng để
làm anôt là đồng (Cu), molybden (Mo), bạc (Ag), sắt (Fe), crôm (Cr), côban (Co)… - Điện áp sử dụng lên tới hàng chục kV, dòng điện tử từ catôt sẽđược gia tốc về
anôt nhờđiện thế này và đập vào anôt. Năng lượng phần lớn chuyển hóa thành nhiệt năng, chỉ khoảng 1% năng lượng được chuyển thành tia X, vì vậy phải làm nguội anôt liên tục. Chùm tia X phát ra đi qua cửa sổ làm bằng berrylium mỏng. Các thực nghiệm cho thấy berrylium dày 0.25 mm ít hấp thụ tia X nhất và chịu được áp suất cao.
- Khi va chạm, nếu năng lượng chùm electron tới đủ lớn sẽ làm bật một electron
ở lớp điện tử K, là obital sát nhân nguyên tử của kim loại anôt và tại lớp nguyên tử
K sẽ có lỗ trống. Do có lỗ trống, các điện tửở lớp xa nhân hơn (lớp L, M…) sẽ dịch
chuyển về lớp K. Chính các bước chuyển điện tử này làm phát sinh tia X. Tuy nhiên, những bước chuyển mức năng lượng này phải tuân theo quy tắc lựa chọn [6]:
∆n ≠ 0; ∆l = ±1; ∆j = 0, ±1. (3.1) Trong đó, n: số lượng tử chính.
l: số lượng tử quỹđạo.
j = l+S : tổng số lượng tử quỹđạo và spin.
Tùy thuộc vào điện tử dịch chuyển từ mức nào mà ta có năng lượng tia X tương
ứng. Nếu điện tử từ L chuyển về K ta có tia X Kα; điện tử chuyển từ M đến K ta có tia X Kβ; điện tử chuyển từ M về L ta có tia X Lγ. Ngoài ra, mỗi lớp nguyên tử còn có các phân lớp nên vạch Kα có các vạch Kα1 và Kα2. Với nguyên tử đồng ta có bước sóng Kα1 và Kα2 tương ứng là 1.540598 Å và 1.544426 Å.
Hình 3.2: Sơđồ dịch chuyển của các electron từ các mức năng lượng.
Ở điều kiện xác định, anôt sẽ phát tia X đặc trưng thường gồm 2 vạch phân biệt Kα và Kβ.
Hình 3.3: Sơđồ phổ tia X đặc trưng (anôt là Mo) ở thế 35 kV.
Phổ của vạch đặc trưng là các đỉnh (peak) chồng lên phổ liên tục. Cường độ vạch
đặc trưng phụ thuộc vào thế tăng tốc và cường độ dòng anôt.
Trong nghiên cứu nhiễu xạ tia X thường dùng bức xạđơn sắc, người ta dùng tấm lọc là một kim loại hấp thụ Kβ và cho bức xạ Kα đi qua. Đối với anôt làm bằng
đồng, ta dùng tấm lọc Niken bề dày 0.020 mm để lọc Kβ và cho ra chùm tia X đơn sắc.
Hình 3.4:Vật liệu hấp thụ tia X (a) và đường hấp thụ tia X (b).
3.2.Tính chất của tia X và sự tương tác của tia X lên vật chất.
Tia X có bước sóng ngắn nên khả năng xuyên thấu lớn. Độ xuyên sâu của tia X phụ thuộc bản chất vật liệu mà tia X chiếu vào. Đối với một chất, độ xuyên sâu tia X phụ thuộc vào bề dày vật liệu đó. Khi truyền qua bất kỳ vật liệu nào, tia X đều bị
hấp thụ. Tia X bị hấp thụ do hai quá trình sau:
- Hấp thụ thực, tức là quá trình chuyển năng lượng tia X thành các dạng năng lượng khác. Quy luật suy giảm cường độ của tia X tuân theo phương trình:
I = I0.e-µx (3.2) Trong đó, µ: hệ số suy giảm tuyến tính.
x: bề dày tia X xuyên qua. I0: cường độ tia X ban đầu. I: cường độ tia X lúc sau.
Khả năng hấp thụ của vật chất thường được đặc trưng bởi lớp bán suy giảm, là bề
dày ∆ của lớp vật chất mà khi truyền qua đó cường độ của tia X giảm đi một nửa:
µ 2 ln =
∆ (3.3) Tán xạ, tức là sự thay đổi phương truyền tia X. Khi chiếu tia X vào mẫu, các tia X gây ra sự giao động cưỡng bức của các điện tử trong nguyên tử vật tán xạ, những
điện tửđó trở thành các tâm phát tia tán xạ thứ cấp có cùng bước sóng với tia sơ cấp ban đầu. Trường hợp tia X có bước sóng ngắn (λ < 0.3 Å) thì xuất hiện sự tán xạ
không kết hợp. Các lượng tử tia X va chạm với các điện tử tự do, sau quá trình này
điện tử nhận được một vận tốc hợp với phương tia sơ cấp một góc Φ và xuất hiện một lượng tử tia X mới lệch phương ban đầu một góc θ.
Hình 3.5: Sơđồ tương tác giữa một lượng tử tia X với một điện tử tự do.[6] Tia X có khả năng gây ra hiện tượng phát quang ở một số chất, làm đen phim ảnh và tác dụng mạnh lên cơ thể sống, gây nguy hại cho sức khỏe. Vì vậy, khi làm việc cần hết sức chú ý đến an toàn bức xạ.
3.3.Nhiễu xạ tia X trên tinh thể.
3.3.1.Hiện tượng nhiễu xạ tia X trên tinh thể.
Tia X có bước sóng nhỏ hơn ánh sáng trong miền UV-Vis. Năm 1912, Max Von Laue nhận thấy rằng theo lý thuyết cấu tạo vật rắn, mạng tinh thể được cấu tạo từ
những nguyên tử hay ion phân bố một cách đều đặn trong không gian theo một quy luật xác định. Khoảng cách giữa các nguyên tử vào khoảng vài angstrom, tức vào khoảng bước sóng của tia X. Khi chiếu một chùm tia X vào bề mặt tinh thể và đi vào bên trong tinh thể thì mạng tinh thể đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Khi đó, tập hợp các tia phản xạ từ các họ mặt nguyên tử song song trong tinh thểđảm bảo giao thoa tăng cường tạo nên phổ nhiễu xạ tia X [12].
Hình 3.6: Nhiễu xạ của tia X trên tinh thể.
Từ giả thuyết này, người ta chiếu một chùm tia X vào mẫu đồng sunfat (CuSO4) và ghi ảnh lại trên phim. Người ta quan sát thấy những vệt gây nên bởi các chùm tia X nhiễu xạ tập trung xung quanh một vệt lớn, là nơi chùm tia X lớn đập vào tấm phim. Thí nghiệm này chứng tỏ rằng, các tinh thể tạo thành bởi các nguyên tửđược sắp xếp có trật tự trong một mạng không gian.
3.3.2.Phương trình Bragg.
Sau khi Laue và cộng sự công bố kết quả, Wiliam Lawrence Bragg [14] đã thiết kế thiết bị nhiễu xạ tia X khác để nghiên cứu bản chất tia X. Ông cho chiếu một chùm tia X vào một mẫu khoáng và nhận thấy rằng, khi góc tia tới thay đổi thì góc nhiễu xạ cũng thay đổi. Các nghiên cứu tiếp theo trên các tinh thể NaCl, KCl, ZnS, CaCO3,… cho thấy sự nhiễu xạ chỉ xảy ra ứng với một số hướng nhất định của tia tới so với mặt tinh thể, bước sóng của tia tới cũng phải có giá trị vào khoảng cách d giữa các mặt tinh thểđó.
Như vậy, trong mạng tinh thể các nguyên tử hay ion nằm trên các mặt, gọi là các mặt phẳng nguyên tử song song P1, P2, P3,…
Hình 3.7: Đường đi của tia X trong tinh thể.
Giả sử P1, P2 là hai mặt phẳng nguyên tử song song và cách nhau một khoảng d. Tia 1 và 2 là hai tia có bước sóng λ , góc θ là góc giữa chùm tia X tới với mặt phẳng phản xạ. Hiệu quang trình của tia 2C2” và 1A1” là ∆ = BC + CD. Tam giác ABC là tam giác vuông nên BC = AC.sinθ = d.sinθ. Từđó, suy ra ∆ = 2d.sinθ.
Theo điều kiện giao thoa, để các sóng phản xạ trên hai mặt phẳng P1 và P2 cùng pha nhau thì hiệu quang trình phải bằng số nguyên lần bước sóng:
∆ = 2d.sinθ = n.λ (3.4) Trong đó, d: khoảng cách giữa hai mặt nguyên tử.
λ: bước sóng tia X.
n: bậc nhiễu xạ ( n=1, 2, 3,…)
Đây chính là phương trình Bragg, phương trình cơ bản cho việc xác định bước sóng của tia X hay khảo sát cấu trúc tinh thể.
Nhận thấy rằng, chỉ những họ mặt tinh thể thỏa mãn điều kiện Bragg mới cho chùm tia nhiễu xạ quan sát được, nghĩa là bức xạ có bước sóng λ≤ 2d.
Điều kiện Bragg là điều kiện cần song chưa đủđể nhiễu xạ tia X trên tinh thể. Nó chỉ đúng hoàn toàn cho các ô mạng có các nguyên tử phân bốởđỉnh, còn ô mạng có các nguyên tử nằm ở vị trí khác (tâm mặt, tâm khối,…) thì có sự mất đi của một số
tia nhiễu xạ. Đối với mạng lập phương tâm khối, chỉ có các mặt (h k l) với tổng h+k+l là số chẵn thì mới cho tia nhiễu xạ. Ở mạng lập phương tâm mặt, các mặt có chỉ số h, k, l là số chẵn cả hoặc số lẻ cả thì mới cho tia nhiễu xạ.[14]
3.4.Các phương pháp ghi phổ nhiễu xạ tia X.
3.4.1.Ghi phổ nhiễu xạ bằng phim ảnh.
- Ghi phổ nhiễu xạ tia X bằng phim ảnh được sử dụng phổ biến, người ta dùng phim chuyên dùng để ghi tia X. Đây là loại phim đặc biệt, có hai lớp nhũ tương cảm quang và nồng độ brômua bạc (AgBr) trên một đơn vị diện tích cảm quang cao hơn so với phim thông thường. Năng lượng chùm tia bị hấp thụ trong lớp cảm quang đã gây ra tác động quang học tạo ảnh trên phim, năng lượng bị hấp thụ này phụ thuộc vào bước sóng của tia X chiếu vào phim.
- Khi hấp thụ tia X cũng như ánh sáng thường, trong lớp cảm quang của phim sẽ
xuất hiện các tâm ảnh ẩn, là các thay đổi không nhìn thấy được. Sự thay đổi trong các hạt AgBr có thể mô tả theo sơđồ sau:
Br - + hν→ Br + e (3.5) Ag + + e → Ag (3.6) Hay:
AgBr + hν→ Ag +Br (3.7) Trong đó, Ion Br – dưới tác động của lượng tử tia X sẽ cho điện tử và trở thành nguyên tử trung hòa Br, đồng thời tạo thành một lỗ trống dương. Điện tử vừa được giải phóng sẽ dịch chuyển trong tinh thể AgBr. Khi đi qua các tâm nhạy cảm (các sai lệch của mạng tinh thể do các nguyên tử tạp chất gây nên và đồng thời là các hố
thế năng) các điện tử bị giữ lại ởđó và tạo thành một vùng mang điện tích âm. Dưới tác dụng của lực tĩnh điện, các ion dương bị hút tới các tâm đó và thu các điện tử có sẵn để thành nguyên tử trung hòa Ag. Các tích tụ từ 20 ÷ 100 nguyên tử Ag sẽ tạo thành một tâm ảnh ẩn bền vững.
Các hạt chứa tâm ảnh ẩn có khả năng hiện hình, quá trình hiện hình được biểu diễn như sau:
AgBr + thuốc hiện hình → Ag + sản phẩm oxy hóa + HBr (3.8)
Hình 3.8: Hình ảnh nhiễu xạ tia X của tinh thể CuSO4 trên phim.
3.4.2.Ghi phổ nhiễu xạ bằng ống đếm tia X.
- Ghi phổ nhiễu xạ tia X bằng phương pháp ion hóa cho phép đo cường độ tia X với độ chính xác cao. Tia X khi đi qua một chất khí sẽ ion hóa các phân tử khí. Dựa vào nguyên lý này người ta chế tạo ra ống đếm ion. Cấu tạo ống đếm gồm một anôt và catôt đặt trong buồng kín chứa khí trơ có khả năng hấp thụ photon lớn. Catôt dạng ống bằng kim loại, anôt là sợi kim loại đặt dọc theo trục của catôt. Áp vào hai
điện cực một điện thế, khi có tia X xuyên qua sẽ xuất hiện hiệu ứng quang điện: Khí trơ + h.ν = Khí trơ + e (3.9) - Nguyên tử khí khi hấp thụ photon tia X sẽ phát huỳnh quang thứ cấp và các
điện tử Auger, các quang điện tử sơ cấp và thứ cấp tiếp tục ion hóa chất khí; Cation chạy về catôt, điện tử chạy về anôt tạo ra một xung điện thế. Biên độ xung tăng mạnh tỷ lệ với điện áp của ống đếm và năng lượng tia X chiếu vào.
Xung điện thếđược xác định bằng biểu thức dòng điện ion hóa [4]:
i = e.( Ni – Nr) (3.10) Trong đó, e: điện tích điện tử.
Ni, Nr: số các ion xuất hiện trong quá trình ion hóa.
Hình 3.9: Cấu tạo của ống đếm ion.
Hiệu suất ống đếm được xác định bằng tỷ số giữa số xung đếm được và số lượng tử đi qua khe vào ống đếm. Để tăng hiệu suất của ống đếm, người ta dùng các loại khí trơ có khả năng hấp thụ photon cao như Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe) và cửa sổđược làm bằng Mica hoặc berrylium.
- Ống đếm nhấp nháy làm việc theo nguyên lý đo độ nhấp nháy của chất phát quang dưới tác dụng của tia X. Cấu tạo gồm một tinh thể phát quang và bộ khuếch
đại quang điện. Tinh thể phát quang là NaI hoặc KI có pha thêm một lượng nhỏ tạp chất Tali (Tl). Khi một photon tia X đập vào, tinh thể phát quang phát sáng nhấp nháy dưới dạng ánh sáng nhìn thấy hoặc tử ngoại. Những nhấp nháy này tác động lên catôt của bộ khuếch đại quang điện, làm bứt ra các quang điện tử. Các quang
điện tử này được nhân lên trong ống khuếch đại quang điện nhờ vào 10 ÷ 14 điện cực đặt nối tiếp nhau và cuối cùng trên anôt xuất hiện một xung điện thế khoảng vài chục milivôn, xung này được chuyển tới bộ ghi phổ.
Hình 3.10: Sơđồ nguyên lý hoạt động của ống đếm nhấp nháy.
- Một đặc điểm của ống đếm nhấp nháy là có sự phụ thuộc tỷ lệ giữa khả năng ion hóa của các hạt (tức là năng lượng của hạt) và biên độ xung điện áp trên đầu ra của bộ khuếch đại quang điện. Do có, sự phụ thuộc này nên ta có thể dùng bộ phân tích biên độ để tách các xung tương ứng với các lượng tử có năng lượng xác định. Vì vậy, ta có thể xác định cường độ bức xạứng với một bước sóng xác định.
3.5.Phép phân tích phổ nhiễu xạ tia X.
3.5.1.Xác định cấu trúc mạng tinh thể.
Phương pháp nhiễu xạ bột Debye – Scherrer được sử dụng rộng rãi để xác định cấu trúc tinh thể. Ta dùng chùm tia X song song hẹp, đơn sắc chiếu vào mẫu. Máy phát tia X sẽ quay chiếu vào mẫu và quay đầu thu chùm tia nhiễu xạ trên đường tròn
đồng tâm, ghi lại phổ nhiễu xạ bậc 1 (n = 1). Mỗi một tinh thể có một hằng số mạng và kiểu đối xứng riêng, do đó, có phổ nhiễu xạ tia X đặc trưng. Phổ nhiễu xạ này là
đường phân bố cường độ theo 2 lần góc nhiễu xạ (2θ).