Nghiên cứu và phát triển phần mềm phân tích vật liệu nhiễu xạ tia X

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VŨ LONG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM PHÂN TÍCH VẬT LIỆU NHIỄU XẠ TIA X NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY-

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VŨ LONG

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY- 605204

S 0 9

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM PHÂN TÍCH VẬT LIỆU NHIỄU XẠ TIA X

S KC 0 0 3 9 4 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VŨ LONG

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM PHÂN TÍCH VẬT LIỆU NHIỄU XẠ TIA X

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY- 605204

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VŨ LONG

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM PHÂN TÍCH VẬT LIỆU NHIỄU XẠ TIA X

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY- 605204

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS LÊ CHÍ CƯƠNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2012

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Nguyễn Vũ Long Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 16-04-1987 Nơi sinh: Bến Tre

Quê quán: Bến Tre Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 281A, ấp 3, xã Quới Sơn, huyện Châu Thành, tỉnh Bến Tre

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà: (075)3860488 Fax: E-mail: vulonghui87@yahoo.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ …./… đến …./ …… Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học: cơ khí chế tạo máy

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

2009-2012 Công ty TNHH VuLink Kỹ sư thiết kế

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 5 tháng 4 năm 2013

Nguyễn Vũ Long

LỜI CẢM ƠN



Sau hai năm theo học chương trình đào tạo sau đại học tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tác giả đã đúc kết được những kiến thức bổ ích cho chuyên môn của mình Với đề tài nghiên cứu dưới hình thức luận văn thạc sĩ, tác giả đã vận dụng những kiến thức mà mình được trang bị để tiến hành giải quyết một bài toán thực tiễn Vì đề tài nghiên cứu và giải quyết vấn đề khá mới mẻ dựa trên

cơ sở tính toán lý thuyết về lĩnh vực vật liệu dùng kỹ thuật nhiễu xạ X–quang, nên lúc đầu tiếp cận đã gặp khá nhiều bỡ ngỡ và khó khăn Nhưng với sự tận tình của giáo

viên hướng dẫn TS Lê Chí Cương, cùng với sự hỗ trợ từ phía gia đình, bạn bè đồng

nghiệp, cho đến nay luận văn đã đạt được những kết quả như mong muốn

Đến đây, cho phép tác giả gửi lời cám ơn chân thành đến:

- Ban Giám Hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

- Thầy TS Lê Chí Cương – Khoa Cơ khí máy - trường Đại học Sư phạm

TÓM TẮT

Phương pháp nhiễu xạ tia X là một trong các phương pháp kiểm tra không phá hủy được ứng dụng rộng rãi trên thế giới Từ khi ra đời đến nay, phương pháp nhiễu xạ x-quang đã được ứng dụng để phân tích cấu trúc vật liệu tinh thể , xác định thành phần hóa học, tỷ lệ pha và phân tích ứng suất

Ứng dụng lập trình vào trong khoa học kỹ thuật, vào trong công việc hàng ngày hiện nay đang được phát triển hết sức mạnh mẽ Các phần mềm ứng dụng xuất hiện trong tất cả mọi ngóc ngách cuộc sống của con người Thiết bị di động, máy vi tính, vật gia dụng trong gia đình … tất cả điều được lập trình để thực hiện công việc phục

vụ cho nhu cầu của con người chúng ta

Đề tài “Nghiên cứu và phát triển phần mềm phân tích vật liệu bằng quang” được thực hiện nhầm mục đích phát triển được phần mềm phân tích vật liệu

X-dựa trên phương pháp nhiễu xạ X-quang bằng ngôn ngữ C# Phần mềm này giúp người sử dụng phân tích dữ liệu nhiễu xạ, phân tích ứng suất, xác định tỉ lệ pha, xác định hệ số đàn hồi, module young cho vật liệu 1 cách nhanh chóng khi có được dữ liệu nhiễu xạ X-quang thích hợp Giúp cho việc nghiên cứu phân tích vật liệu bằng phương pháp nhiễu xạ X-quang đạt năng suất và hiệu quả kinh tế cao

Đề tài được tác giả nghiên cứu và thực hiện trong thời gian khoảng 10 tháng Trong thời gian đó, tác giả đã nghiên cứu các tài liệu về nhiễu xạ X-quang, công trình nghiên cứu trong và ngoài nước Ứng dụng các lý thuyết nghiên cứu được vào lập trình Đến nay tác giả đã hoàn thành được mục tiêu đề ra, phần mềm X-Pro 1.0 đã được phát triển để thực hiện phân tích vật liệu dựa trên lý thuyết nhiễu xạ X-quang Hiện tại, phần mềm X-Pro 1.0 đã có thể thực hiện các chức năng phân tích và tính toán như sau

+ Phân tích dữ liệu

+ Tính ứng suất

+ Xác định tỉ lệ pha của vật liệu song pha

+ Xác định hệ số đàn hồi, module young

ABSTRACT

X-ray diffraction method, which is one of non-destructive testing methods, is worldwide using Since its appearance, the X-ray diffraction method has applied in analyzing the structure of crystal materials, identifying chemical component, mix ratio, and analyzing stress

Programming application in technology which is using in daily work is rapidly developing Application software can be found in all fields of our life Mobile equipment, computer, household appliance, etc., are programmed to do tasks that serve our demands

Topic “Research and development in software for material analysis using ray” is processed based on X-ray diffraction method This software helps users analyze diffractive data, analyze stress, determine mix ratio, elastic ratio, Young’s modulus for material quickly when they have appropriate X-ray diffraction data It also helps the researches on material analysis using X-ray diffraction method gain high productivity and commercial efficiency

X-The topic is researched and processed in about ten months During process, author researched and referenced documents about X-ray diffraction from domestic and foreign resources The author also turned the research theory into programing As

a result, the author has finished the research and introduced X-Pro 1.0 which is used to analyze material based on X-ray diffraction theory At present, X-pro 1.0 can carry out these following performances:

+ Data analysis

+ Stress determination

+ Determining mix ratio for duplex materials

+ Determining elastic ratio, Young’s modulus

Ψo góc tạo bởi phương pháp tuyến của mẫu đo và tia tới X

 là góc phân giác của tia tới và tia nhiễu xa ̣ X

o là góc tạo bởi phương pháp tuyến của họ mặt phẳng nhiễu xạ và tia tới X

 góc tạo bởi tia tới X và phương ngang

 góc tạo bởi tia nhiễu xạ và phương ngang

 hằng số hấp thụ ( phụ thuộc vào đặc tính của tia X và loại vật liệu mẫu đo )

t thời gian chu kỳ xung

M,N hệ số góc và hệ số chặn của đường thẳng đồ thị sin2 Ψ

z,y cường độ nhiễu xạ đã và chưa hiệu chỉnh LPA

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Máy chụp tia x quang đầu tiên do Russell Reynold phát triển 5

Hình 2.1: Nguyên lý nhiễu xạ theo định luâ ̣t Bragg 5

Hình 2.4: Phương pháp đo kiểu  cố định o 8

Hình 2.7: Phương pháp đo kiểu  cố định o 10

Hình 2.8: Hiệu chỉnh nền của đường nhiễu xạ 11

Hình 2.12: Dữ liệu sau khi làm mịn với nL=nR=9 18

Hình 2.13: Đường thẳng tiếp tuyến với dữ liệu 19

Hình 2.14: Đường thẳng tiếp tuyến tại điểm thứ i 19

Hình 2.16: Xác định dữ liệu nhiễu xạ của mặt nhiễu xạ 22

Hình 2.17: Hệ tọa độ sử dụng trong đo lường ứng suất 24

Hình 2.22: Giản đồ nhiêu xạ không cần khử bỏ nền 32

Hình 2.23: Chọn (xo,yo) và (xn,yn) bằng 5 lần bề rộng trung bình 32

Hình 3.5: Giản đồ tính hệ số đàn hồi và modun young 49

Hình 3.6: Định dạng tập tin dữ liệu của phần mềm X-Pro 1.0 50

Hình 3.7: Cửa sổ chính của phầm mềm phân tích vật liệu 51

Hình 3.11: Thực đơn của chương trình tính ứng suất 54

Hình 3.15 Thông báo lỗi khi chưa chọn vật liệu 57

Hình 3.16: Thông báo lỗi khi chưa chọn nguồn x-quang 58

Hình 3.19: Cửa sổ thể hiện kết quả khi tính ứng suất 59

Hình 3.20: Bảng so sánh kết quả khi có thực hiện hiệu chỉnh 60

Hình 3.21: Bảng kết quả khi tính toán bằng tất cả các phương pháp 60

Hình 3.22 : Cửa sổ mở tập tin tính hệ số đàn hồi, modun young 61

Hình 3.24: Thực đơn con của chức năng xác định tỉ lệ pha 63

Hình 3.26: Cửa sổ chương trình khi đã xác định 2 pha 64 Hình 3.27: Năng lượng nhiễu xạ khi ta chọn mặt nhiễu xạ của mỗi pha 65

Hình 3.28: Cửa sổ hiện thị kết quả xác định tỉ lệ pha 66

Hình 4.1: Giản đồ nhiễu xạ cho mẫu chuẩn CeO2 68

Hình 4.2 : Dữ liệu nhiễu xạ của vật liệu CeO2 69

Hình 4.3 : Kết quả phân tích dữ liệu nhiễu xạ CeO2 69

Hình 4.4: Các vùng trên mẫu được thực hiện nhiễu xạ x-quang 71

Hình 4.5 : Kết quả ứng suất dư trong các vùng 71

Hình 4.8: Cửa sổ chính khi mở dữ liệu xác định tỉ lệ pha 74

Hình 4.9: Hộp thoại thông báo lỗi khi chưa nhập bước sóng 74

Hình 4.10: Cửa sổ khi đã chọn 2 pha để xác định tỉ lệ 75

Hình 4.11: Cửa sổ khi đã xác định năng lượng nhiễu xạ 75

Hình 4.12: Cửa sổ hiển thị kết quả xác định tỉ lệ pha 76

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 : Hệ số hấp thu của phương pháp iso-inclination và side-inclination 11

Bảng 2.3 : Chỉ số Miller cho hệ mạng lập phương tâm mặt 23

Bảng 4.1: So sánh kết quả phân tích dữ liệu bằng X-Pro 1.0 và kết quả mẫu 70

MỤC LỤC

Tiêu đề Trang

Quyết định giao đề tài

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT iv

ABSTRACT v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH vii

DANH MỤC BẢNG x

MỤC LỤC xi

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Ứng dụng nhiễu xạ x-ray trong phân tích vật liệu trong nước và thế giới 1

1.1.1 Tình hình trong nước 1

1.1.2 Tình hình quốc tế 1

1.2 Mục đích của đề tài 2

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 2

1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài 3

1.3.2 Giới hạn của đề tài 3

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 3

1.3.4 Điểm mới của luận văn 3

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Khái niệm về x-quang 4

2.2 Định luật Bragg 4

2.3 Các phương pháp đo 6

2.3.1 Phương pháp đo kiểu  7

2.3.2 Phương pháp side-inclination (kiểu ) 8

2.4 Hiệu chỉnh đường nhiễu xạ x-ray 10

2.4.1 Hiệu chỉnh nền 10

2.4.2 Hiệu chỉnh hệ số LPA 11

2.5 Phương pháp xác định vị trí đỉnh 12

2.5.1 Phương pháp parabol 12

2.5.2 Phương pháp đường cong Gaussian 14

2.5.3 Phương pháp trọng tâm 15

2.5.4 Phương pháp bề rộng trung bình 15

2.6 Làm mịn dữ liệu 17

2.7 Nguyên lý phân tích đường nhiễu xạ 19

2.7.1 Nguyên lý xác định các mặt nhiễu xạ hkl 19

2.7.2 Xác định các đỉnh nhiễu xạ từ các mặt nhiễu xạ thu được 22

2.7.3 Xác định các chỉ số hkl của các mặt nhiễu xạ[3] 22

2.8 Nguyên lý đo ứng suất bằng x-ray 24

2.9 Xác định modul Young, hệ số poisson và hằng số ứng suất từ phương pháp nhiễu xạ x-ray 28

2.10 Lý thuyết xác định tỉ lệ pha dựa vào năng lượng nhiễu xa ̣ toàn phần của mỗi pha 29

2.10.1 Công thứ c tính tỷ lê ̣ pha dựa vào năng lượng nhiễu xa ̣ 29

2.10.2 Xác định năng lượng E ij của mỗi pha: 30

2.10.3 Phương pháp tiến hành xử lý dự liê ̣u đo đa ̣c 31

2.10.3.1 Hiệu chỉnh nền nhiễu xạ 31

2.10.3.2 Chọn phạm vi bề rộng đáy nhiễu xạ X : 32

Chương 3: PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM PHÂN TÍCH VẬT LIỆU 33

3.1 Lập trình ứng dụng trong công nghiệp và kỹ thuật 33

3.1.1 Tổng quan về lập trình 33

3.1.1.1 Assembly 33

3.1.1.2 Fortran 34

3.1.1.3 Cobol 34

3.1.1.4 Ngôn ngữ lập trình Pascal 34

3.1.1.5 Ngôn ngữ lập tình C 36

3.1.1.6 Ngôn ngữ C++ 36

3.1.1.7 Ngôn ngữ lập trình C# 37

3.1.1.8 Ngôn ngữ lập trình JAVA 38

3.1.1.9 Visual Basic 39

3.1.1.10 Các ngôn ngữ khác 39

3.1.2 Ứng dụng trong công nghiệp và kỹ thuật 40

3.1.3 Chọn ngôn ngữ lập trình 40

3.2 Chương trình phân tích vật liệu từ nhiễu xạ x-ray 41

3.2.1 Cấu trúc chương trình 41

3.2.2 Sơ đồ khối của chương trình 42

3.2.2.1 Phân tích dữ liệu nhiễu xạ 42

3.2.2.2 Tính ứng suất 44

3.2.2.3 Tỉ lệ pha 46

3.2.2.4 Hệ số đàn hồi 48

3.2.3 Giao diện và thao tác của chương trình 50

3.2.3.1 Phân tích vật liệu 51

3.2.3.2 Tính ứng suất 54

3.2.3.3 Tính hệ số đàn hồi 61

3.2.3.4 Xác định tỉ lệ pha 63

Chương 4: TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM PHẦN MỀM PHÂN TÍCH VẬT LIỆU 68 4.1 Kiểm nghiệm phân tích dữ liệu nhiễu xạ của vật liệu CeO2 68

4.2 Kiểm nghiệm xác định ứng suất ứng suất trong mối hàn ma sát hợp kim nhôm 1060 71

4.3 Kiểm nghiệm xác định tỉ lệ pha thép không gỉ song pha SCS14 73

Chương 5 : KẾT LUẬN 77

5.1 Kết quả đạt được 77

5.2 Hướng phát triển của đề tài 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

để giúp việc tính toán diễn ra nhanh chóng và đạt tính kinh tế, việc tính toán phân tích còn thực hiện thủ công hoặc sử dụng 1 số phần mềm không chuyên dụng để hỗ trợ tính toán như Ogirin, Excell …

1.1.2 Tình hình quốc tế

Trên thế giới, việc nghiên cứu và ứng dụng x quang đã được phát triển từ rất lâu Năm 1896 Rogen phát hiện ra tia x, và bức ảnh

chụp x quang đầu tiên được chụp bởi Rontgen

đó là bàn bàn tay vợ của ông ấy Từ nghiên cứu

của Rontgen, nha khoa học Russell Reynold đã

phát minh ra máy chụp chiếu tia X-quang đầu

tiên trên thế giới vào năm 1896 Phát minh này

đã gây sửng sốt trong nền y học thế giới hiện

đại Người ta không ngờ được rằng máy móc

có thể cho phép chúng ta nhìn thấu các bộ phận

bên trong cơ thể và phát hiện được bệnh tật

Trước đó những nghiên cứu về nó đã bị coi là

viễn tưởng Vào khoảng những năm 1975, việc

Hình 1.1: Máy chụp tia x

quang đầu tiên do Russell Reynold phát triển

nghiên cứu x quang được phát triển mạnh mẽ, nhiều lý thuyết việc ứng dụng x quang trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu cấu trúc bên trong các vật liệu mờ được ra đời Hiện nay các nước phát triển trên thế giới đã nghiên cứu rất sâu về khả năng của x quang, và cho ra nhiều nghiên cứu để ứng dụng x quang trong khoa học kỹ thuật Có nhiều phần mềm giúp phân tích dữ liệu nhiễu xạ x-ray CIAO

1.2 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu và phát triển vật liệu hiện nay đang là vấn đề quan trọng trong công nghệ và khoa học kỹ thuật Khi con người phát hiện được 1 vật liệu mới nào đó, để hiểu rõ tính chất của nó, các nhà khoa học phải nghiên cứu và phân tích, xác định tính chất cơ tính, lý tính, hóa tính của nó để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau Hay khi nghiên cứu chế tạo 1 sản phẩm nào đó, ta phải nghiên cứu sử dụng loại vật liệu nào phù hợp với yêu cầu, chịu được tải trọng nhất định, độ ăn mòn, nhiệt độ … Hiện nay

có nhiều phương pháp phân tích vật liệu phổ biến như x quang, kim tương, kính hiển

vi điện tử, phân tích nhiệt Trong số những phương pháp đó, phương pháp nhiễu xạ x-quang đem lại hiệu suất cao bởi vì nó không phá hủy và phân tích chính xác được nhiều vấn đề liên quan đến vật liệu như ứng suất, kích thước tinh thể, tỉ lệ pha của vật liệu, hệ số đàn hồi, chiều dày lớp mạ … và nó có thể dễ dàng để tự động hóa

Ngày nay, với sự ra đời của máy vi tính và sự phát triển như vũ bão của công nghệ thông tin Máy tính có tốc độ xử lý ngày càng cao, nó giúp ta thực hiện được khối lượng tính toán vô cùng lớn trong 1 thời gian rất ngắn Do đó, việc ứng dụng lập trình vào những việc tính toán và phân tích khó, dài dòng là hết sức cần thiết, nó giúp

ta rút ngắn thời gian làm việc, đạt hiệu quả công việc cao

Do đó, mục đích của đề tài là nghiên cứu và phát triển một hệ thống phần mềm phân tích vật liệu dựa trên phương pháp nhiễu xạ x quang Phần mềm sẽ giúp cho việc phân tích vật liệu trở nên nhanh chóng hơn, giúp người sử dụng xác định 1 cách nhanh chống các giá trị như ứng suất dư, cơ tính, tỉ lệ pha, kích thước tinh thể, chiều dày lớp

mạ của vật liệu khi có dữ liệu nhiễu xạ của vật liệu đó

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài