Giáo trình phương pháp kiểm tra không phá hủy kim loại phạm ngọc nguyên, phạm khắc hùng pdf

PHƯƠNG p h A p k iế m t r a k h ô n g p h á h ú y k im l o ạ iCHƯƠNG 1 KHUYẾT TẬT CHI TIẾT MÁY VÀ KHẢ NÂNG PHÁT HIỆN CHÚNG 1.1 Khuyết tật kim loại phát sinh khi sản xuất và sử dụng chi

PGS.TS PHẠM NGỌC NGDVÊN, PGS.TSKH PHẠM KHẮC HÌIN(Ỉ

Giáo trình PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY KIM LOẠI

10025695

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

HÀ NÔI

LỜI NÓI DẦUNhư chúng ta thấy khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển mạnh và hiện dại

Vì thế các chi tiết máy phải có chất lượng cao mà trước tiên là độ bền của cliUng Thêm vào dó các thiết bị phải làm việc trong những diều kiện khắc nghiệt Da phần các chi tiết phải chịu trọng tải lớn, nhiệt độ cao và thay dổi dột ngột, chịu tác dụng của mồi trương xâm thực mạnh, chênh lệch áp suất lớn và phOng xạ Ѵ Ѵ Dể chế tạo những chi tiết như thế cần có loại vật liệu kim loại và phi kim dặc biệt với độ bền cao, chju nhiệt tốt, không bị oxy hoá Dồng thời dể có độ tin cậy hoàn toàn trước khi sử dụng chUng ta cần phải tiến hành kiểm tra chất lượng cùa các chi tiết dó bằng những phương pháp hiện dại

Khuyết tật trong kim loại dưới những dạng khác nhau là một trong nhmg nguyên nhân chủ yếu dẫn dến sự phá huỷ máy móc Vì vậy độ bền của các clii tiết giảm và chUng bị hư hỏng sau một thời gian làm việc Dể dảm bảo an toàn và tinh kinh tế việc kiểm tra chất lượng các chi tiết, thành phẩm, bán thành phẩm trong quá trinh chế tạo và sử dụng có một ý nghĩa dặc biệt quan trọng Bời thế, từ lầu ngành thăm dò khuyết tật rất dược chú trọng và phát trỉển khơng ngừng Việc phát hiện các khuyết tật là khOng thể thiếu trong nhiều linh vực, dặc biệt là trong công nghiệp chế tạo máy như ô tô, tàu hoả, tàu thuỷ, máy bay, tên lửa, vệ tinh nhàn tạo, tàu vũ trụ Ѵ.Ѵ

Cơ sơ cùa các phương pháp vật lý dể kiểm tra khOng phá huỷ (NDT) là nghiên cứu sự thay dổi các dặc tinh vật lý của vật liệu bằng cách xác định sự không holin hảo về cấu trUc và phát hiện sự có mặt của khuyết tật Các phương pháp này dều dựa trên sự so sánh các dặc tinh vật lý của vật liệu kiểm tra ờ nliững tiết diện khác nhau Khi dó tiết diện khOng có khuyết tật sẽ dược coi là vật mẫu

Sự nghiên cứu và hoàn thiện các phương pháp kiểm tra khOng phá huỷ kim loại, sự tim kiếm các thiết bị chuyên dUng, cách kiểm tra các sản phẩm xác định dược gọi chung là "Khoa dò khuyết tật cùa vật liệu" Khoa dò khuyết tật của vật liệu gồm các phương pháp chinh sau:

1) Phương pháp quang học

2) Phương pháp rơnghen và gamma,

3) Phương pháp siêu âm,

sở nghiên cứu và nhà máy ở nước ta Cuốn sách này gồm hai phần: Phần I - Thăm dò khuyết tật bằng siêu âm và âm, Phần II - Phương pháp từ

và một số phương pháp khác

“Phương pháp kiểm tra không phá hủy kim loại” được biên soạn trước hết cho sinh viên đại học nãm cuối, cán bộ nghiên cứu và làm việc trong các ngành vật lý, luyện kim, khoa học vật liệu, chế tạo máy, nhiệt điện, giao thông vận tải và các ngành liên quan Đây cũng là tài liệu tham khảo cho học viên cao học, nghiên cứu sinh và bạn đọc muốn tìm hiểu và sử dụng các phương pháp kiểm tra không phá hủy

Cuốn sách này được viết trên cơ sở giáo trình Thăm dò khuyết tật trong kim

loại đã được lưu hành nội bộ và được tác giả cùng đồng nghiệp sử dụng để

giảng dạy cho sinh viên ngành vật lý trường Đại học Bách khoa Hà Nội trong nhiều năm nay Trong lần xuất bản này chúng tôi đã chỉnh lý và bổ sung, trong đó có sử dụng một sô' tư liệu trong nghiên cứu ứng dụng và kinh nghiệm thực tế của tác giả Chúng tôi xin chân thành cảm ơn GS Vũ Đình Cự,

TS Trần Văn Quỳnh vì những góp ý quý giá và một số tài liệu tham khảo cho quá trình biên soạn Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý của bạn đọc

về những thiếu sót khó tránh khỏi trong cuốn sách này

Các tác giả

PHƯƠNG p h A p K é m t r a k h G n g p h A h ủ y k im l o ạ i

MỤC LỤC Lời nóỉ dầu

1.3.1 Vật liệu chi tiết1.3.2 C^u trUc (hlnh dạng và kích thước) chi tiết1.3.3 Trạng thái bề mặt

1.3.4 Dặc trưng khuyết tật (hlnh dạng, kích thước và vị tri phàn bố của khuyết tật)

1.3.5 Diều kiện kiểm tra1.3.6 Các chỉ tỉêu kinh tế-kỹ thuật

1.2

1.3

13

131414

15 2530

31

31 3636

3738

PHẦNI

٦ ^ ' Vận tốc sóng âm trong vật rắn

Sự truyền sóng siêu âm qua phân giới hai môi

2.6.1

2.6.2 trường2.6.32.6.4

Tính định hướng của sóng siêu âm

Sự hấp thụ âm trong môi trường rắn

48

49 5155

56

59

69 69

Chương 3 Phương pháp tạo dao động siêu âm

3.1 Hiện tượng từ giảo

3.2 Phương pháp dùng hiệu ứng áp điện

3.2.1 Hiệu ứng áp điện thuận3.2.2 Hiệu ứng áp điện ngược3.2.3 Bản thạch anh

3.2.4 Titanat bari

73737676798182

Chương 4 Phương pháp siêu âm xung

4.1 Phương trình cơ bản của phương pháp siêu âm xung

4.1.1 Nguyên tắc của phương pháp4.1.2 Phương trình cơ bản của phương pháp siêư âm xung

Sơ đồ của máy dò khuyết tật siêu âm xung Đầu dò và vùng chết

4.3.1 Đầu dò4.3.2 Vùng chết

■ 4.2

4.3

848484

85

95

97 97

Chương 6 Tìm khuyết tật trong môi hàn bằng siêu âm

6.2 Chọn các thông số kiểm tra siêu âm

112112

114

PHƯƠNG PHÁP KIÊM TRA KHÔNG PHÁ HỦY KIM LOẠI

Chương 7 Phương pháp cộng hưởng

7.1 Cơ sở vật lý

7.2 Thiết bị và phương pháp kiểm tra

123123125

Chương 8 Phương pháp trở kháng và dao động tự do

8.1 Cơ sở vật lý của phương pháp trở kháng, thiết bị và

phương pháp kiểm tra

8.2 Cơ sở của phương pháp dao động tự do, thiết bị và

phương pháp kiểm tra

129129132

Chương 9 Một sô ứng dụng khác của siêu âm

9.1 Gia công cơ học vật liệu rắn và giòn

9.3 Làm sạch

9.4 Hoàn thiện cấu trúc của kim loại và hợp kim

9.5 Siêu âm trong y học

134134136137137138

10.1.6 lliiếl bị dò khuyết tật từ trong công nghiệp 165

11.1 Đặc điểm chung của phương pháp

11.2 Thiết bị kiểm tra bằng phương pháp dòng xoáy

168174

178178182

12.2

Kiểm tra tinh không thẩm thấu cùa mối hàn và chỗ nối 198

P2.1 Dơn vị cùa các dại lượng vật lý chọn lọc

p 2.2 Bội số và ước số của dơn vị

P2.3 Một số hệ số chuyển dổi thOng dụng

P2.4 Bước sóng của các nguồn bức xạ chọn lọc

p 2.5 Chữ cái Hylạp thương dUng

206207207

208 208

Phụ lục3

PHƯƠNG PHÁP KIỀM TRA KHÔNG PHÁ HỦY KIM LOẠI

Phụ lục 4

Một sô' từ viết tắt

211

PHƯƠNG p h A p k iế m t r a k h ô n g p h á h ú y k im l o ạ i

CHƯƠNG 1

KHUYẾT TẬT CHI TIẾT MÁY

VÀ KHẢ NÂNG PHÁT HIỆN CHÚNG 1.1 Khuyết tật kim loại phát sinh khi sản xuất và sử dụng chi tiết máy

Tiến bộ khoa học trong ngành chế tạo máy gắn liền với sự ra đời của hàng loạt kết cấu, máy móc và trang thiết bị mới chịu tải trọng lớn mà các thành phần của chúng phải làm việc trong các điều kiện nhiệt độ cao, chịu tải tĩnh liên tục và tải động thay đổi đáng kể, môi trưòing xâm thực và thời tiết khắc nghiệt v.v Việc nâng cao chất lượng sản phẩm cơ khí mà trước hết là độ tin cậy của chi tiết và tổ máy đều liên quan mật thiết đến những vấn đề nêu trên

Độ tin cậy - tính chất này của sản phẩm đảm bảo một chức năng đã cho, duy

trì chỉ tiêu sử dụng trong giới hạn đã định trong một khoảng thời gian yêu cầu Độ tin cẠy của sản phẩm, theo tiêu chuẩn, là chỉ tiêu tổng cộng bao hàm chỉ tiêu tính không trục trặc và tính bền (tuổi thọ) của sản phẩm

Tính không trục trặc - tính chất này của sản phẩm đảm bảo cho khả năng

làm việc trong một khoảng thời gian phục vụ nào đó (hoặc thời hạn phục vụ)

mà không buộc phải dừng

Tính bền - tính chất này của sản phẩm bảo đảm khả năng làm việc đến một

trạng thái xác định và ngừng trong một thời gian cần thiết để bảo dưõing kỹ thuật và sửa chữa

Khái niệm độ tin cậy được gắn với máy móc, đồng nghĩa với chi tiết và cụm chi tiết máy, nhằm mục đích các chi tiết và cụm chi tiết càng tin cậý thì máy móc ،sẽ phục vụ càng an toàn

Chương 1 KHUYẾT TẠT CHI TIÉT MẢY VÀ KHẢ NĂNG PHÁT HIÊN CHÚNG

Tính sử dụng của chi tiết, cũng như độ bền mỏi, độ bền nhiệt, tính chịu mòn, chống gỉ, chống ma sát, chịu axit v.v thực chất có ảnh hưởng đến chi tiêu

độ tin cậy của máy móc Tính sử dụng cần thiết của kim loại được cung cấp trong quá trình sản xuất căn cứ theo điều kiện làm việc của nó trong tương lai và được xác định bởi thành phần hóa học, cấu trúc, các tính chất cơ lý, cũng như các khuyết tật vật liệu chi tiết

Quy trình công nghệ cao sẽ kéo theo tác động mạnh của nhiệt và lực Sự vi phạm về chế độ của quy trình công nghệ dẫn đến phát sinh các khuyết tật trong sản phẩm: khi ấy các khuyết tật sinh ra không chỉ do sai sót, giả sử bởi chế tạo sản phẩm, mà còn do trình độ tổ chức sản xuất thấp kém Trong trường hợp như vậy các thông số sản phẩm không đảm bảo và không được kiểm tra sẽ ảnh hưởng đến độ tin cậy của sản phẩm

1.1.1 Định nghĩa khuyết tật

Mọi sai lệch với phẩm chất bình thưcmg, làm xấu đi đặc tính phục vụ của kim loại hay sản phẩm và làm kém phẩm chất thậm chí phải loại bỏ sản phẩm đều gọi là khuyết tật

Như vậy không phải bất kỳ khuyết tật nào của kim loại cũng là khuyết tật của sản phẩm (chi tiết) Trong trưòmg hợp cụ thể, sự sai lệch khỏi cấu trúc thuần nhất của kim loại không ảnh hưỏrng đến sự phục vụ của chi tiết thì không cho đó là khuyết tật Cũng cần lưu ý rằng sự sai lệch đối với loại chi tiết này coi là khuyết tật, song đối với loại chi tiết khác điều đó không còn đúng nữa

1.1.2 Phân loại khuyết tật

Khuyết tật trong kim loại là muôn hình muôn vẻ Tuy nhiên có thể chia thành ba loại chính sau đây:

1) Khuyết tật địa phương (lỗ hổng, rỗ vỏ sò, rỗ hoa, nứt, tách lớp )

Khuyết tật địa phương định xứ trong một thé tích xác định, có thể là điểm, đường, mặt và khối Căn cứ theo vị trí của chúng có thể chia thành khuyết tật ngoài (khuyết tật bề mặt và gần bề mặt) và khuyết tật trong (khuyết tật nằm sâu bên trong)

2) Khuyết tật rải trong một vùng nhất định (thiên tích, vùng tôi luyện không hoàn toàn, vùng phá huỷ ăn mòn .)

PHƯƠNG PHÁP KIẾM ^RA KHỔNG PHÁ HỦY κاм 0اẠا

3) Khuyết tật rải khắp thổ tÍGÌ của sản phẩm hay khắp bề mặt (thành phần hoả học kh،')ng dUng, sai !ộch cấu trúc, khOng tương ứng vớ؛ chất lượng gia cóng .)

1.1.3 Các ،,ại khuyCt tật và quá trinh hình thành

Khuyết tật có thể hlnh thành trong các giai đoạn chế tạo sản phẩm khác nhau

- klii kết tinh và làm nguội kim loại trong quá trinh nấu luyện và dUc, khi gia cOng áp lực, gia công nliíệt và diện hóa, cũng như gia cóng cơ theo phương pháp cắt gọt và mài, khi hàn Ѵ Ѵ Những khuyết tật như thế dược gọi là khuyết tật sản xuất - công ngliệ Các khuyết tật này khác nhau về bản chất

phát sinh, kích thước, hlnli dạng ١'à phân bố trong kim loại Loại nguy hiểm nhất là các khuyết tật thô dại và tế vi phá hủy tinh liên tục hoặc độ dồng nhất của kim loại

Dưới dây SC Irình bày tóm tắt một số loại khuyết tật kim loại thương gặp trong quá trlnlí chế tạo pliOi, bán sản phẩm và chi tiết

KhuyCt tật nà'u luyện và đúc

KluìiìỊị tươnịị Ifng tliâiilì phần hóa học d ã cho xuất hiện do saỉ sót khi tinh toán liệu 10, thực hiện nấu luyện khOng chuẩn xác hoặc cháy hOng thành pliần liợp kim Sai lệcli thành phần hóa học dẫn dến sự thay dổi dặc tinh làm việc cùa hợp kim KliOng thổ sử tlụng vật liệu như thế dể chế tạo sản pliẩm mong muốn

Ngíhn p h i kim (xí và íhn(](' hàn) pliát sinh do sự vi phạm cOng nghệ nấu luy؟ n Loi،؛ khuyOl tật n٤١y có liình dạng khOng xác dinh và phân bố ờ các vị tri kliilc nliau trong vật dUc Klii gia cOng áp lực chUng biến dạng theo hướng tliO S(J؛, làm cliia Idcli bổ !nặt kim loại

K huyết đ ú c liìnli thành trong kim loại do sự V؛ phạm quy trinh rót khuOn (ngắt quẫng dOng lia, kim lo؛.ii nguộỉ Ѵ Ѵ ) Khuyết dUc chinh là lớp mỏng

oxit giữa các hụt k؛!n lt ٠ ١,i co sở.;

Rỗ co ng(')i xuất liỉện ílo nguOn vật dUc khOng dầy đủ trong quá trinh kết tinh Kê't quil là các lỗ liổng lítn hlnh dạng bất kỳ, doi khi có bề mặt oxy hóa, liìnli thành 0 phần trẽn cUng của thOi dUc Trong một số trương hợp các rỗ co ngOi phản bố dọc theo trục lliOi dUc hầu như suốt chiều dài của nó Rỗ co ngOt sẽ là nguyCn nhân của độ dày dặc khOng dều của sản phẩm trong tương lai Klíí gia cOng áp lực cliUng khOng gắn liền lại dược L ỗ xố p hoặc độ rỗng

Chương 1 KHUYÉT TẠT CHI TIÉT MÂY VA KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN CHÚNG

chính là sự tụ tập địa phương của rỗ co ngót nhỏ và đôi khi cực nhỏ Phần thỏi đúc có rỗ co ngót cần phải loại bỏ

Rỗ khí và bọt khí phát sinh khi kết tinh do sự thoát khí hòa tan trong kim loại

khi nấu luyện Đó là các lỗ trong hay ngoài vật đúc chứa khí, chứa toàn bộ hoặc từng phần cát khuôn hay xỉ, có thể dưới dạng tổ ong, một nhóm hay cá biệt Các khuyết tật này có thể phân tán hầu như trong toàn bộ thể tích thỏi đúc Khi gia công áp lực các bọt khí trong lõi được hàn vá - bị nén Khi nung nóng các bọt khí nén có thể phồng lên và lộ ra ở bề mặt

Thiên tích - tính không đồng nhất về thành phần hóa học của h(;tp kim trong

các phần thể tích khác nhau của thỏi đúc Khuyết tật này không vi phạm tính dày đặc của kim loại Tuy nhiên độ bền của kim loại bị giảm trong vùng không đồng đều thiên tích Trong vùng này đôi khi quan sát thấy sai hỏng kim loại

Vết nín nóng xuất hiện trong quá trình kết tinh của hợp kim phức tạp Tác

động của ứng suất co ngót và nhiệt độ đã dẫn đến sai hỏng kết tinh hợp kim; khi ấy vết “nứt nóng” giữa các tinh thể với bề mặt oxy hóa mạnh đã hình thành

Vết nứt nguội phát sinh trong thỏi đúc sau khi kết thúc quá trình đóng cứng

Tác động của ứng suất co ngót và nhiệt ở nhiệt độ tương đối thấp, khi mà tính dẻo của hợp kim chưa đủ, đã dẫn đến sự sai hỏng vật đúc; khi ấy sự kết tinh đã tạo nên vết “nứt nguội” với bề mặt không oxy hóa màu sáng Xác suất tạo thành các vết nứt như thế còn cao hơn đối với chi tiết và hợp kim hợp kim hóa cao, tính dẻo thấp, độ dẫn nhiệt kém và chứa thành phần cấu trúc với khối lượng riêng và hệ số dãn nở tuyến tính khác nhau

Khuyết tật gia công áp lực

Khuyết tật bề mặt và bên tromị, đín gãy xuất hiện khi ép (rèn, dát) do ứng

suất lớn trong kim loại khi biến dạng Khi gia công áp lực, kim loại chịu tải trọng và làm nguội không đều đã dẫn đến phát sinh ứng suất nhiệt và dãn trong và tạo thành đứt gãy và nứt trong

Tách lớp xuất hiện khi gia công áp lực vật đúc chứa rỗ co ngót hoặc lỗ xốp

Tách lớp - phá hủy độ dày đặc bên trong, định hướng theo thớ dạng sợi

Vết rạn là kết quả của sự biến dạng ngậm phi kim và bọt khí Những khuyết

tật này có dạng nét gạch mảnh song song với chiều dài khác nhau dọc theo hướng biến dạng, phân bố trên bề mật và ở lớp dưới bề mặt kim loại

PHƯƠNG PHẢP KIÉM TRA KHÔNG PHẢ HỦY KIM ﺎ ﻫ ٨ ا

Rèn t(')p miệng (ống), vết gãy, vết lõm, vết xước hình thành do trục cán dinh

h'lnh không quy chuẩn, các hạt rắn roi ti'ên dầu búa, khuOn dập, trục cán, khuôn dưới hoặc dụng cụ rèn ống Những khuyết tật này chinh là các sai

hỏng ٧ề độ dày dặc trên bề mặt phoi, thâm nhập ở độ sâu khOng lớn.

Đốm trắng (tật thép thỏi) thường thấy nhất trong các loại thép hợp kim vừa

và chứa cacbon trung binh kill hàm lượng hydro trong chUng tăng lên Hidro hOa tan trong thép lỏng khi nguội và dặc biệt khi chuyển pha có xu hướng thoát ra ngoíii do độ hòa tan giảm dột ngột Khi ấy nó lấp dầy các khoảng trống và chuyển từ nguyên tử sang phân tử, áp suất tang mạnh và dẫn dến sai hỏng giOn kim loại Dốm trắng thường có trong vUng trung tâm của phoi rèn, cán ở mặt cắt lớn và trong thỏi dUc ChUng có dạng vết nứt mảnh uốn cong -

ở mặt gãy dO là dốm trOn ánh bạc trên phOng thường tối hơn Trên các mẫu tẩm thực chUng tliể hiện như nhtog vết nứt dạng sợi

Khuyết tật gia cOng nhíệt và diện hóa

Quá nhiệt và đốt cháy phát sinh khi gia cOng nhiệt do khOng tuân theo nhiệt

độ dẫ định, thời gian giữ nhiệt, tốc độ nung và làm nguội chi tiết Quá nhiệt dẫn dến hlnh thành cấu trUc hạt lớn, tiết oxit và sunfua theo biên hạt (trong thép) Dốt cháy không chỉ kích thích tạo hạt to mà còn làm nóng chảy biên hạt và có thể phá hỏng kim loại trong tương lai

Thoát cacboii trong kim loại xảy ra khi nung sản phẩm thép trong khOng khi

chứa hơi nước, khi cacbonat hoặc hydro Khi dó cacbon cháy hoàn toàn trong lớp bề mặt kim loại, dẫn dẻ'n làm giảm độ bền thép

khOng khi thừa oxit cacbon Điều ،10 ،lẫn dến băo hOa cacbon trong lớp mặt, tăng độ giOn và xu hướng hlnh thành vết nứt

Nítt hydro phát sinh trong kim loại do bẫo hòa hydro trong lớp mặt thép dưới

tác dụng cùa dung dlch kiềm (m؛.inh), axit và các dung dịch dặc biệt khi tẩm thực axit và gia cOng diện hóa Bão h،ba hydro làm giảm mạnh độ dẻo và dẫn dến phá hủy giOn

KhuyCt tật gia cổng cơ

Vết nin gia công ỉần chốt hlnh thành trên bề mặt kim loại trong các cOng

đoạn hoàn thiện Vết nứt vi mô bề mặt này sẽ phát triển trong tương lai khi chi tiết làm víệc có tải trọng (dặc biệt là khi tăng nhiệt độ)

Chương 1 KHUYẾT TẬT CH! T!ẾT MÂY VÀ KHẰ NẰNG PHAT H!ẸN CHU n G

Vết sém và nia mài xuất hiện kh؛ lớp mật của sản phẩm thép bị nung nóng

dột ngột khi mài Khuyết tật chínli là phần diện tích tôi không lớn hoặc là phần mạng lưới vết nứt mảnh trên bề mặt chi tiết ChUng thường xuất hiện trong các chi tiết dược chế tạo từ các vật liệu với độ cứng cao

Khuyết tật mốỉ nốỉ k؛m loạí

Khuyết tật kim loại mối hàn thương gặp ở mối nối do vi phạm chế độ hàn

hoặc chất lượirg vật liệu ban dầu kém Vì khi hàn kim loại bị nóng chảy và dOng rắn nên có thể phát sinh các loại khuyết tật trong kim loại nOng chảy (lỗ rỗ, ngậm xỉ Ѵ Ѵ ) Ngoài ra, dưới tác dụng của nhiệt độ cao ở mối hàn và vUng ảnh hường của nhiệt độ có thể phát sinh sự thay dổi kích thước hạt, nung nOng, toi và ram kim loại co bản, vết nứt nóng và nguội KhOng tuân thủ chế độ hàn có thể dẫn dến hiện tượng chưa hàn

Thiếu ngấu là sự thiếu liên tục giữa chi tiết hàn và vật liệu hàn, xuất hiện tại

mối hàn nối do độ sạch bề mặt hàn không đủ hoặc vi phạm chế độ nhiệt khi

Chica gắn kết quan sát dược ة mối liên kết vải son, vải dầu do làm sạch bề

mặt dán tồi hoặc vi phạm chế độ nhiệt khi dán

Khuyết tật sản xuất - công nghệ làm giảm dặc tinh bền của klm loại và có

thể là nguyên nhàn hư hỏng và yếu kém của chi tiết khi sử dụng

Thi dụ, hlnh 1.1 cho thâ'y sự phá hỏng phần dưới của xilanh chịu lực Sai hỏng xảy ra do chất lượng kim loại kém - trong vUng bị hỏng phát hiện thấy

sự tích tụ lớn ngậm phi kiiíi Các kliuyết tật kliác thường gặp trong chi tiết là khuyết tật kim loại bên trong của vật liệu dưới dạng tách lớp và vết gấp (hlnh 1.2) Loại khuyết tật như thế là không cho phép dối với sin phẩm chịu tải trọng lOn, vl nó là noi tập trung ứng suất

Sự vi phạm chế độ diều chỉnh hàn khi sản xuất và sửa chữa chi tiết thép, sử dụng vật liệu dể pha không dUng mác theo yêu cầu kỹ thuật, cQng có thể dẫn dến phát sinh các vết nứt theo mối hàn hoặc hư hỏng chi tiết trong vUng mối hàn (hlnh 1.3-1.5)

Khuyết tật kim loại có thể phát sinh cả trong các diều kiện sử dụng do sự mài mòn vật lý và bảo quản máy móc không dUng kỹ thuật

Sử dụng vật liệu da dạng dể chế tạo chi tiết và tổ hop máy, cQng như díều kiện làm vỉệc khác nhau dẫn tOí kết quả là sự mài mơn vật lý của các phần tử khác nhau trong kết cấu diễn ra không giống nhau Một số chi tiết, cụm

PHƯƠNG PHA p k iể m t r a KH N G p h á h ủ y k im l-OẠI

H ình 1.1 Sự phá hủy xiianh chill lực do vật liệu chất lượng kém.

Hiìth 1.2 Khuyết tật trong do tôi của ·iản phẩm sau khi mài bóng.

tiết và tổ máy bị màỉ mòn mạnh trong quá trinh sử dụng và cần dược ؛

ch

mòn ít hơn và có thể sử

؛thay thế hoặc phục hồi khi sửa chữa Số khác bị mà

dụng trong một khoảng thời gian nhất dinh mà khOng cần sửa chữa Ngoài

ra, các phần tử dặc biệt trong kết cấu trên thực tế khOng bị mài mòn trong

؛

gian dà

؛

thơ

Bởi vậy, các chi tiết máy trong quá trinh sử dụng mất dần tinh phục vụ của

ểm tra và sửa chữa sau một giai đoạn vận

؛

ến hành k

؛tchUng và dơi hỏi phả

tiết và tổ

؛

ết, cụm ch

؛với chi t ؛

hành nhất định, trong dó vấn dề quan tâm đố

máy là xác dinh tinh trạng kỹ thuật, thay thế hoặc phục hồi

Mức độ về tinh sử dụng của chi tiết, cụm chi tiết dảm bảo làm việc tin cậytrong thiết bị theo yêu cầu kỹ thuật dược đánh giá trên cơ sờ tinh trạng kỹthuật Trong quá trinh sử dụng, tinh trạng kỹ thuật khOng duy trl dược mãi

gian làm víệc và tác dộng của các yếu tố bên ngoài nó dã ؛

mà với sự tling thờ

Chương 1 KHUYÉT TẠT CHI TIÉT MÁY vA KHẢ NA n G PHAT h iệ n c h ú n g

H ình 1.3 Các vết nứt trên mối hàn của chỉ tiết.

H ình 1.4 Nứt phát triển từ mối hàn.

PHƯƠNG PHÁP KIÉM TRA KHÔNG PHÁ HỦY KIM LOẠI

H ình L 5 Vết nứt ở biên giới mối hàn

bị suy yếu, khả năng làm việc của máy giảm do hư hỏng và mài mòn, độ tin cậy của các phần tử kết cấu cũng kém điT

Mài mòn vật lý là hiện tượng bình thường, không thể tránh khỏi, luôn song hành với sự sử dụng của bất kỳ loại máy nào Giá trị và đặc trưng của mài mòn vật lý được xác định bởi kết cấu rnáy, vật liệu'được sử dụng để làm công nghệ sản xuất và các điều kiện sử dụng

Dạng mài mòn vật lý phổ biến nhất của các thành phần kết cấu là mài mòn

cơ học Nó phát sinh do sự tác động của lực ma sát lớn và tải trọng va đập trong các chi tiết ghép nối, ãn khớp, có sự thay đổi tương đối so với nhau VỚI tốc độ lớn hoặc nhỏ

Mài mòn dọ gỉ trong chi tiết và tổ máy bởi tương tác hóa học và điện hóa

của kim loại với ١môi trường bên ngoài đều liên quan đến mài mòn vật lý Trong quá trình sử dụng, gỉ có thổ phát sinh do tác dụng của không khí, của chât lỏng công tác trong hệ thống và ảnh hưcíng của môi trường khí ở nhiêt

độ cao Hình 1.6-1.8 mô tả các chi tiết bị hư hỏng do ăn mòn

Anh hương đặc biệt nghiêm trọng của ăn mòn là khi tác động thưètng xuyên tại trọng thay đổi lên chi tiết (độ mỏi do ăn mòn) Rõ ràng, trong các điều kiện như vậy hư hỏng có thể xảy ra khi có ứng suất, đặc biệt là khi giới hạn mỏi thấp Hình 1.8 là cánh máy nén với vết nứt mỏi phát triển theo vết ẩn mon, hinh 1.9 - phá hủy ăn mòn trong bulông, độ bền của nó giảm manh bởi

sự có mặt của vêt ãn mòn sâu trên bề mặt bulông

Chương 1 KHUYẾT TẬT CHI TIỂT MÁY VÀ KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN CHÚNG

H ình 1,6 Nứt do ăn mòn điện hóa trên ống thép trụ: (a) dạng khuyết tật ngoài, (b) chỗ loét do ăn mòn, (c) một phần diện tích được mài bóng (x 100), chiều sâu loét cỡ 0,01-0,003 mrn.

H ìn h 1,7 Khuyết tật ngoài trên cánh máy nén (a) và m ột phần diện tích được mài bóng, X 100 (b).

PHƯƠNG PHÁP KIỀM TRA KHỔNG PHÁ HỦY KIM LOẠI

H ìn h l.8 Dạng bên ngoài cùa cánh máy nén trục tâm (a), sai hỏng ăn

mòn và mầu mài đ ể soi hiển vi phần mép cánh với vết nứt mỏi phát

triển theo vết ăn mòn (h) (xlOQ).

H ình 1.9 Phá hủy ăn mòn ở bulông chịu lực.

Độ mỏi của vật liệu là một trong những dạng mài mòn vật lý Nó là quá trình thay đổi từ từ ỉdiả năng làm việc của chi tiết máy dưới tác động của tải trọng biến đổi về giá trị và hướng Độ mỏi biểu hiện dưới dạng vết nứt phát sinh chính trong các chi tiết thử nghiệm ở điều kiện làm việc với tải trọng biến thiên theo chu kỳ xoay chiều cực ngắn Hầu như các vết nứt mỏi đều phát sinh ở các vị trí tập trung ứng suất ' rãnh tròn, góc lượn (hlnh 1.10), vị trí chuyển tiếp đột ngột, vết khắc sâu v.v Sự phát sinh vết nứt mỏi đã thúc đẩy hình thành độ không đồng đều cấu trúc của vật liệu, các góc nhọn giữa các phần tử ghép nối chi tiết và hư hỏng địa phưcrng dưới dạng vết lõm, vết xước v.v

Thông thường vết nứt mỏi xuất hiện trên cánh turbin khí do tác động thường xuyên ứng suất lớn, nhiệt độ cao và môi trường xâm thực, và có thể dẫn đến phá hủy cánh turbin

Tải trọng dao động, xuất hiện khi vận hành máy, đã dẫn đến xuất hiện nứt mỏi trên ống dẫn của máy nén khí và nước, cánh máy nén trục tâm, trục dẫn động của tổ máy (hình 1.11)

Chương 1 KHUYÉT TẠT CHI TIỂT MÁY VÀ KHẢ NANG p h á t h iệ n c h ú n g

PHƯƠNG p h A p k ié m t r a k h n g p h A h ủ y k im i ơ ạ i

Do bảo quản thiết bị với kỹ thuật không dUng, trên các chi tiết có thể xuất hiện các khuyết tật dưới dạng vết lõm, vết xước, chỗ khuyết Ѵ Ѵ Các khuyết tật kiểu như vậy, như dã chỉ ra, dã góp phần hình thành vết nứt mỏi,

và trong hàng loạt trường hợp là nguyên nhân trực tiếp hlnh thành chUng Sự

vi phạm quy tắc vận hành, thi dụ kỹ thuật lái máy bay (hạ cánh khOng nhẹ nhàng), có thể dẫn dến sự biến dạng và làm hỏng phần tử nào dó của máy bay (hlnh 1.12) Hạ cánh không êm trên nền dất máy bay có thể bị hỏng do biến dạng mạnh hoặc thậm chi phá hủy phần tử nào dó (hình 1.13 vàl.l4) Dôi khi trong sử dụng xuất hiện các khuyết tật do sai lầm, ví dụ do thiết kế

và tinh toán chi tiết Các khuyết tật này phát sinh do xác định khOng chinh xác về dung sai cho các chi tiết ghép khớp, lựa chọn khOng hctp lý hình dạng chi tiết và bố tri chUng khOng thích hç^

RO ràng, các khuyết tật dược khảo sát trên dây, không phụ thuộc nguồn gốc phát sinh chUng, làm xấu di tinh trạng kỹ thuật cùa các phần tử kết cấu và có thể dưa dến sự hư hỏng từ từ hoặc dột ngột trong quá trinh sử dụng, vận hành Diều dó chủ yếu làm giảm thời hạn sử dụng của máy, tuổi thọ và độ tin cậy của nó

Hoàn thành cẩn trọng kết cấu máy và các phần tử của nó, áp dụng quy trinh công nghệ sản xuất hiện dại, tuân thủ nghiêm ngặt quy tắc sử dụng chinh là con dương thực tế dể nãng cao cliất lượng sản phẩm của ngành co khi Tuy nhiên khOng thể thiếu việc ứng dụng rộng rãi các phương pháp kiểm tra chất lượng sản phẩm và tổ hợp sản phẩm một cách hiệu quả trong 'các diều kiện sản xuất và sử dụng, dặc biệt trong các trường họíp yêu cầu độ tin cậy cao cho thiết bị ở dó hư hỏng chỉ của một chi 'tiết rất nhỏ cQng có thể dẫn dến sự phá hủy toàn bộ dối tượng với hậu quả nghiêm trọng Dương nhiên, việc kiểm tra như thế chỉ có thể thực hiện bằng các phương pháp khOng phá hủy

1.2 Các phương pháp kíểm tra khOng phá hủy cơ bản

Trong thực tế có một số phương pháp vật lý dược sử dụng rộng rãi dể kiểm tra khOng phá hủy (NDT) chất lượng vật liệu Những phương pháp này dựa vào sự xuyên thấu của tia rơnghen và tia gamma, dao dộng ầm và siêu âm, từ trường và diện trường, quang phổ, hiện tirçtng mao dẫn Ѵ Ѵ Dưới dãy ta sẽ khảo sát ngấn gọn một số phương pháp dó

Phương pháp quang.nhln (DVT)

Phương pháp quang-nhln dựa trên sự phản xạ ánh sáng khác nhau từ bề mặt khOng dồng nhất cùa sản phẩm kiểm tra Các khuyết tật bề mặt có thể quan

Chương 1 KHUYÉT TẬT CHI TIẾT MÁY VÀ KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN CHÚNG

H ình L I 3 Các thành phần của bánh xe máy bay: a ٠ phá hủy mỏi

ở mép của ốp vành bánh xe; b - sai hỏng mỏi trên gờ vành; c - vùng nứt mỏi trên vành (phần sáng).

“nguy hiểm” trên bề mặt chi tiết, phát hiện được các khuyết tật nhỏ hơn khi dùng phương pháp từ và ánh sáng Bằng các thiết bị quang đặc biệt có thể khảo sát được các tổ hỢp chi tiết và chi tiết nằm ở vị trí khó tiếp cận (bề mặt trong của ống và bể chứa) hoặc trên khoảng cách xa đáng kể từ thao tác viên, cũng như các chi tiết bị che khuất bởi các thành phần của công trình,

ư u điểm của phương pháp quan sát quang học và nhìn bằng mắt là đơn giản, thực hiện không khó khăn và phức tạp Tuy nhiên phương pháp quang-nhìn

có độ nhạy kém và vì vậy không hy vọng nhiều vào chúng

Phương pháp phóng xạ (RT)

Phương pháp phóng xạ dựa trên cơ sở sự phụ thuộc của các thông số bức xạ, vào sự có mặt hoặc không có mật khuyết tật khi các tia ion hóa (tia rơnghen - X, gamma - Y và beta - p, dòng ncítron) tương tác với dối tượng kiểm tra Những tia phát xạ này xuyên qua lóp vật liệu có chiều dày đáng kể và tương tác với các nguyên tử của nó và có thể cho nhiều thông tin về vật chất bên trong sản phẩm, thí dụ sự có mặt của khuyết tật

Phương pháp rơnghen được sử dụng rộng rãi nhất trong các phương pháp thăm dò khuyết tật phóng xạ Trong các xí nghiệp chế tạo máy nó được ứng dụng rất hiệu quả để phát hiện khuyết tật bên trong các tấm, mối hàn nối, để xác định vị trí tương đối của chi tiết trong các cấu trúc bị che khuất

Chương 1 KHUYẾT TẠT CHI TIÉT MẢY VA KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN CHỦNG

Phương pháp từ (MT.MPI)

Phương pháp từ dựa trên cơ sở đo từ trường phân tán trên khuyết tật Nó được sử dụng để phát hiện các khuyết tật bề mặt và dưới bề mặt trong các phôi và sản phẩm với hình dạng khác nhau được chế tạo bằng vật liệu sắt từ

Có một số phương pháp từ sau: bột từ, ghi từ, dò từ nhờ lõi sắt, cảm ứng từ

và một số phương pháp khác

Ghi từ trường phân tán trên khuyết tật trong phương pháp bột từ được thực hiện nhờ sự trợ giúp của bột sắt từ hoặc nhũ tương từ, trong phương pháp ghi từ-nhờ băng sắt từ, và trong dò từ bằng lõi sắt-nhờ độ nhạy từ trường của máy đầu dò lõi sắt

Phương pháp bột từ được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy công nghiệp,

xí nghiệp lắp ráp và khai thác Nhờ nó có thể tìm được các vết nứt bề mặt, nứt vi mô, sợi, bông và khuyết tật khác

Phương pháp ghi từ được sử dụng nhiều để kiểm tra mối hàn nối Nó có thể phát hiện được vết nứt, chưa hàn, ngậm xỉ, khí và các khuyết tạt khác trong các mối hàn ống

Phương pháp dò từ nhờ lõi sắt được sử dụng để tìm kiếm các khuyết tật như trong phương pháp bột từ và các khuyết tật phân bố ở độ sâu tới 20 mm Nhờ

nó có thể đo được chiều dày tấm và thành bình khi cho phép vào được từ hai phía Nó còn được sử dụng để kiểm tra đường ray trong các xí nghiệp

Phương pháp dòng xoáy (ECT)

Phương pháp dòng xoáy dựa vào sự ghi phân bố dòng xoáy (dòng Poucault) tạo nên bởi điện trường trong đối tượng kiểm tra Nó được áp dụng để phát hiện các khuyết tật bề mặt trong các phôi và các chi tiết vật liệu từ và phi từ Phương pháp này cho phép tìm được vết nứt trên các sản phẩm có hình dạng khác nhau, có lớp phủ bảo vệ Dựa trên cở sở phương pháp dòng xoáy người

ta chế tạo các máy đo chiều dày tấm và lớp phủ, đưcíng kính dây và thanh

Nó được sử dụng nhiều trong các nhà máy công nghiệp và xí nghiệp lắp ráp Trong điều kiện hiện trường nó được sử dụng để kiểm tra đề phòng cho cánh tuabin của máy phát động lực, mối hàn tấm và các kết cấu khác

Phương pháp thẩm thấu (PT.LPT)

Cơ sở của phương pháp thẩm thấu chất lỏng để phát hiện khuyết tật là nhờ hiện tượng mao dẫn, hút, khuếch tán, tương phản ánh sáng và màu sắc Khi kiểm tra bằng phương pháp này bề mặt sản phẩm được quét một lớp chất

PHƯƠNG PHẢP KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY KIM LOẠI

lỏng thẩm thấu, chất lỏng này sẽ tliâ'm vào lỗ khuyết tật bề mặt Sau dó chất lỏng dược tẩy sạch, chỉ còn dọng lại một phần trong lỗ khuyết tật và nó sẽ bị

phát hiện nh،١ chất hiện dược phủ lên khuyết tật Chất hiện này hấp phụ chất

lỏng và tạo tliành một bức tranh khuyết tật Phương pháp thẩm thấu dược sử dụng trong díều kiện nhà máy, phOng thi nghiệm và ngoài hiện trưCtng, ở cả nhiệt độ dương (+) và âm (-) NO cho phép tlm dược các khuyết tật khác nhau phát sinh trong công nghệ chế tạo và khi sử dụng, vết nứt do nhiệt, tôi, mài và mỏi, sợi mao dẫn Ѵ Ѵ

Phương pháp thẩm thấu có thể dược sử dụng dể phát hiện khuyết tật trong các sản phẩm bằng kim loại và phi kim loại, hlnh dạng dơn giản và phức tạp Nhờ độ nhạy cao, kiểm tra dơn giản và tinh rõ ràng của kết quả phương pháp này dược sử dụng khOng chỉ dể phát hiện mà còn dể xác minh các khuyết tật

dã dược tlm thấy bằng các phương pháp thăm dò khuyết tật khác - siêu âm,

từ, dOng xoáy Ѵ Ѵ Phương pháp thẩm thấu phổ biến là phương pháp màu sắc, phát quang, phát quang-màu sắc, hạt thấm, chất lỏng phóng xạ và các phương pháp khác

Phương pháp ầm học (AT)

Cơ sở của phương pháp ầm học là nhơ sự phụ thuộc của các thông số dao dộng dàn hồi dược kích thích trong dối tượng kiểm tra vào sự có mặt hoặc khOng có mặt cùa khuyết tật Phưrtng pháp thông dụng nhất trong thăm dò khuyết tật là phương pháp âm (trở kháng và dao dộng tự do) và siêu âm-UT (xung phản xạ, cộng hương và bOng âm)

Phương pháp trở kháng dựa trên sự phụ thuộc của phản lực cơ tổng cộng (trờ kháng) của sản phẩm vào chất lượng ghép nốí của các phần tử khác nhau với nhau Nó dược dUng dể phát hiện các vUng hên kết không tốt giữa các lớp phần tử (vải sơn, vải dầu, vảy hàn) của kết cấu

Phương pháp dao dộng tự do căn cứ vào sự phân tích phổ tần số cùa dao dộng tự do trong hệ dược kích thích bằng va chạm Phương pháp này cho phép kỉểm tra cấu trUc lớp dể phát hiện vUng liên kết kém giữa các lớp và tim khuyết tật trong sản phẩm lớn

Phương pháp siêu âm xung phản xạ dựa trên sự truyền vào sản phẩm xung ngắn dao dộng tần số cao và ghi cường độ và thời gian thu nhận tin hiệu phản hồi từ khuyết tật hoặc biên giới sản phẩm

Phương pháp bóng ảm dựa vào hiệu ứng bóng âm dược tạo nên bời khuyết tật do sự phản xạ và tán xạ dao dộng dàn hồi Vì dao dộng siêu âm dược

Chương 1 KHUYẾT TẠT CH! T!ỂT MẢY ٧٨ KHA NANG PHA t h iệ n CHU n G

truyền vào từ phía này và thu nhận từ phía kia nên dể kiểm tra bằng phuong pháp bóng âm nól chung cần phải có duOng vào sản phẩm từ hai phía

Phương pháp cộng hường dựa trên sự phụ thuộc của các thOng số dao dộng dàn hồi trong diều kiện cộng hường vào sự có mặt khuyết tật trong dối tượng kiểm tra Phương pháp này dược sử dụng dể k؛ểm tra chất lượng sản phẩm có chiều dày khOng lớn bằng kim loại, thủy tinh, gốm và các vật lìệu khác Nó còn dược dUng dể do chíều dày sản phẩm (khi chỉ tới dược từ một phía), phát hiện vUng sai hỏng ăn mòn, chưa hàn, chưa dán trong các liên kết tấm, tách lớp trong các tấm mỏng Ѵ Ѵ

Sự tổng quan ngắn gọn trên dây cho phép kết luận rằng dể kiểm tra sản phẩm ngành công nghiệp chế tạo máy (ngành cơ khO có nhiều phương pháp

và thiết bị thăm dO khuyết tật Tuy nhiên, như nhiều nghiên cứu thực nghiệm kiểm tra khOng phá hủy dã chứng tỏ, cho tới nay chưa có một phương pháp dược dưa ra nào lại dáp ứng dược mọi yêu cầu Mỗi phương pháp có một lĩnh vực ứng dụng riêng và trong giới hạn ấy nó dạt hiệu quả nhất Bởi vậy, khi kiểm tra sản phẩm và trong nhiều trương hợp tốt nhất là sử dụng khOng chỉ một mà hai hoặc thậm chi một số phương pháp kiểm tra khác nhau

Sử dụng hcfp lý tổ hợp phương pháp cho phép tăng độ tin cậy và chất lượng sản phẩm cOng nghiệp cơ khi Thực hiện hệ thống các thực nghiệm kiểm tra khOng phá mẫu trong các giai đoạn gia cOng, sản xuất và sử dụng cho phép xác định và loại bỏ các nguyên nhân gẫy nên phế phẩm

1.3 Những yếu tố cơ bản quyết định sự lựa chọn phương pháp kỉểm tra Kết quả kiểm tra hiệu quả nhất dối với các phoi hoặc chi tiết măy khác nhau

có thể dạt dược khOng chỉ phụ thuOc vào sự lựa chọn dUng dắn kỹ thuật mà còn vào sự lựa chọn phương pháp kiểm tra kliuyết tật Sự lựa chọn phương pháp kiểm tra khOng phá hủy dược xác định bời diều kiện thực tế cụ thể và phụ thuộc vào các yếu tố sau: vật liệu và cấu trUc của dối tượng kỉểm tra, trạng thái bề mặt của nó, dặc trưng khuyết tật dược phát hiện, díều kiện kiểm tra và chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật

Dưới dây dưa ra hai bảng dược thiết lập dựa trên các cOng trìnlr nghiên cứu thực nghiệm của một số tác giả và các tài liệu tham khảo Trong bảng 1.1, cột dứng là các dạng khuyết tật cơ bản trong kim loại, dặc điểm sản xuất và cOng nghệ chế tạo sản phẩm, còn hàng ngang là các phương pháp kiểm tra thOng dụng nhất Bảng này cho thấy các khuyết tật dưa ra có thể phát hiện dược bằng phương pháp này hoặc phương pháp khác, và dược đánh giá gần

PHƯƠNG PHÁP K ÊM TRA KHÔNG PHÁ HỦY KIM LOẠI

đúng đặc trưng phát hiện của chúng theo thang năm điểm Bảng 1.2 trình bày tính ứng dụng của các phương pháp thăm dò khuyết tật cơ bản để kiểm tra chất lượng vật liệu và sản phẩm phụ thuộc vào các yếu tố đã liệt kê (xem bảng)

1.3.1 Vật liệu làm chi tiết

Trong sản xuất, vật liệu được sử dụng là khác nhau, khác về thành phần hóa học, mức độ biến dạng, cấu trúc thô đại, gia công nhiệt, mật độ và các tính chất vật lý khác Sự có mạt của khuyết tật trong vật liệu đã dẫn đến sự thay đổi địa phương tính chất vật liệu và chúng có thể được phát hiện nhờ những phương pháp thăm dò khuyết tật khác nhau Thí dụ, khuyết tật bề mặt và dưới bề mặt trong vật liệu sắt lừ có thể tìm được bằng phương pháp từ: bột

từ, ghi từ hoặc dò từ nhờ lõi sắt Các khuyết tật như vậy trong sản phẩm được chế tạo bằng các hợp kim không lừ tính, thí dụ hợp kim nhôm và magiê bền nhiệt, thì không thể phát hiện được bằng phương pháp từ Trong trường hợp

đó phải áp dụng phương pháp kiểm tra khác như phương pháp dòng xoáy Tuy nhiên ngay cả phương pháp này cũng không sử dụng được nếu sản phẩm được chế tạo bằng chất dẻo Khi ấy các khuyết tật bề mặt có thể phát hiện được bằng phương pháp thẩm thấu chất lỏng Bởi vậy, các nhà máy công nghiệp, xí nghiệp sản xuất và lắp ráp chi tiết thương hiệu được làm bằng các vật liệu khác nhau phải có đủ phương pháp và thiết bị kiểm tra hiện đại khác nhau

1.3.2 Cấu trúc (hình dạng và kích thước) chỉ tiết

Phôi và chi tiết máy thường có hình dạng và kích thước khác nhau: từ loại kích cỡ rất lớn (thỏi thép đúc, thành phẩm hàn, khuôn dập, đĩa và trục tuabin máy động lực v.v ) khối lượng tới hàng trăm kilôgam đến những sản phẩm nhỏ (đinh ốc, bulông, vít, đinh tán v.v ) khối lượng vài chục gam Một số sản phẩm có hình dạng đơn giản (hình hộp, trụ, đĩa, vuông v.v ), số khác có hình dạng phức tạp (trục bậc thang, mối hàn, sản phẩm giới hạn bởi bề mặt cong v.v ) Các phương pháp được lựa chọn phụ thuộc vào hình dạng và kích thước sản phẩm Thí dụ, đĩa tuabin nặng hàng tấn của máy động lực công suất lớn bằng thép từ không thể tiến hành kiểm tra chất lượng bằng phương pháp từ, bởi vì trên thực tế những chi tiết như vậy không thể từ hóa hoặc khử từ bằng máy khuyết tật từ Việc kiểm tra các sản phẩm như vậy theo từng phần cũng vô cùng khó khăn Trong những trường hợp trên sử dụng phương pháp siêu âm là thích hợp nhất

Chương 1 KHUYÉT TẠT CHI TIÉT MÁY VÀ KHẢ NẢNG PHÁT HIỆN CHÚNG

٧.٠٠

tí o

٠<o u

ầ

·1

c /í >

٥٥

c

١o٠١s c

١o

c 'H

؟ c

)

٠ã

١sc ١s6c ٠١wC/5

Ghép nối kim loai

٠

٠،

٠ ٠٠٠

٠

١s

s ' <

> ١ 3

<d>

٥٠

§ 5 ٧

-4

o o

^ ٠

١ s

ợp

g

I

^ ٠

.ĩ

؟c

>

6 ٠

٧

١ cd

o

٠ ^ ٠

٥٠ tí

ầ

tí)Cđ

Bảng 1.2 Điều kiện áp dụng phương pháp

Chương 1 KHUYÉT TẬT CHI TIÉT MÁY VÀ KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN CHÚNG

ầ

٠

c ·

0 1

g ٥٥ ١٠

-PHƯƠNG PHẢP KIẾM TRA KHỔNG PHÁ HÙY KIM LOẠI

kiểm tra không phá hủy.

Vị trí phân

bô' khuyết tật

Điều kiện kiểm tra

٠o٥٠c o

V h

٥٠c

3 (/5 c

« l ·)

2 3

٠ p H

٠o٥٠3 5

Chương 1 KHUYẺT TẠT CH! TIẾT MÁY VA KHA NANG PHAT h iệ n CHU n g

Cấu trUc ch؛ tiết càng phức tạp thi càng có ít phương pháp dể kiểm tra nó Chi tiết dược tiện bậc nhiều, ống có bán kinh cong thay đổ؛ thi rất khó hoặc thậm tri khOng thể k؛ểm tra dược bằng phương pháp từ, siêu âm và bức xạ Hàng loạt chi tiết nhỏ - bi, dũa lăn, dinh ốc, vít cấy, chốt chẻ thi có thể kiểm tra bằng các phương pháp dễ dàng tự dộng hóa hoặc cơ khi hóa I)hư phương pháp dOng xoáy, dò từ nhơ lõi sắ^

1.3.3 Trạng tháỉ bề mặt

Trạng thái bề mặt dược hiểu là độ sạch gia cOng và có lớp phù bảo vệ Bề mặt chi tiết (phoi) rất gồ ghề thi trên thực tế loại trừ hoàn toàn sử dụng các phương pháp thẩm thấu, dOng xoáy, từ và siêu âm tiếp xúc Ngược lại bề mặt

có độ sạch cao cho phép sử dụng các phương pháp thăm dò khuyết tật khác nhau

Công đoạn kiểm tra là một khâu khOng thể tách rời của quy trinh công nghệ Bời vậy, cần tiến hành các dẹrt kiểm tra dặc biệt trong diều kiện bề mặt có độ sạch tốt nhất (nhất là trong các cồng đoạn trung gian của quá trinh chế tạo chi tiết khi phô؛ có độ dôi gia công)

Sự có mặt của lớp phủ bảo vệ là một trở ngại rất lớn cho nhiệm vụ kiểm tra bằng các phương pháp quan sát quang học, từ và thẩm thấu Dể tiến hành kiểm tra bằng các phương pháp trên cần tẩy bỏ lớp phủ bảo vệ Nếu việc loại

bỏ lớp phủ là khdng thể hoặc không hợp ly 'thi dể xác định khuyết tật trong

có thể sử dụng phương pháp bức xạ hoặc siêu âm, còn dối với khuyết tật bề mặt thi dUng phương pháp siêu âm, dòng xoáy và bột từ Thi dụ, bằng phưmig pháp bột từ có thể phát hiện dược vết nứt trong của các chi tiết thép

có lớp phủ crdm, tuy nhiên chỉều dày lớp phủ khi ấy khOng dược vượt quá 0,2 mm Phương pháp dOng xoáy cho phép tlm dược vết nứt ở các chi tiết có lớp phủ men, sơn trang tri và các lớp phủ khác Như sẽ trinh bày phương pháp s؛êu âm cQng cho phép tiến hành kỉểm tra hàng loạt sản phẩm có lớp phủ bảo vệ

1.3.4 Đặc trưng khuyết tạt (hình dạng và kích thưởc khuyết tật, V؛ tri phân bố của nó)

Như dã trinh bày, khuyết tật có thể có nguồn gốc phát sinh khác nhau, khác

về hlnh dạng, kích thước, vị tri phàn bố và định hướng tương dối so với thớ kim loại v.v Bởi vậy, trước khi lựa chọn phương pháp kiểm tra cần phả؛ ngh؛ên cứu kỹ lưỡng cồng nghệ chế tạo sản phẩm, dặc trưng khuyết tật và diều kiện kỹ thuật loại bỏ

PHƯƠNG PHÂP KIÉM TRA KHÔNG PHÁ HỦY KIM LOẠI

Sau khi xác định rõ hình dáng khuyết tật dự kiến có thể lựa chọn phưctng pháp kiểm tra thích hợp Để làm điều đó cần đánh giá cẩn thận khả năng kỹ thuật của phương pháp thăm dò khuyết tật và lựa chọn phương pháp phù hợp nhất Khi ấy, nên tham khảo các sô' liệu hữu ích trong bảng 1.1 và 1.2

Thí dụ, để phát hiện các khuyết tật trong ở sản phẩm thép có thể sử dụng phương pháp phóng xạ và siêu âm Nếu sản phẩm có chiều dày không lớn lắm, thí dụ khuyết tật dạng vỏ ốc với kích thước đủ lớn, thì tốt hơn hết là dùng phương pháp rơnghen hoặc gamma Khi ấy có thể xác định chính xác

và chắc chắn vị trí và kích thước màng khuyết tật Nếu chiều dày sản phẩm theo hướng chiếu tia lớn hơn 100.150 mm hoặc yêu cầu phát hiện trong nó khuyết tật trong dạng vết nứt hoặc tách lóp mỏng thì áp dụng phương pháp phóng xạ là không phù hợp Bởi vì trước hết, tia X hoặc tia Y không “xuyên thủng” chiều dày kim loại > 150 mm; vì thứ hai, phát hiện khuyết tật dạng vết nứt và tách lớp bằng tia xuyên thấu là không hiệu quả do độ nhạy kém Trong trường hợp trên kiểm tra bằng siêu âm là tốt hơn cả

Phát hiện khuyết tật bề mặt (thí dụ, vết nứt mỏi) đơn giản hơn so với khuyết tật trong Có nhiều khả năng kỹ thuật (số phương pháp kiểm tra) để giải quyết Tuy nhiên cần lựa chọn và sử dụng phương pháp kiểm tra căn cứ theo

vị trí phân bố vết nứt: trên mặt phẳng hoặc bề mặt cong, ở góc lượn hoặc đường xoắn ốc v.v

1.3.5 Điều kiện kiểm tra

Kiểm tra chi tiết máy có thể tiến hành trong điều kiện nhà máy (khi sản xuất chi tiết) cũng như điều kiện sử dụng (vận hành)

Trong xưcmg sản xuất việc kiểm tra chi tiết được thực hiện với mục đích phát hiện các khuyết tật phát sinh do luyện kim và công nghệ chế tạo Như đã trình bày, các khuyết tật như thế hình thành trong các giai đoạn chế tạo chi tiết khác nhau do chế độ gia công (thí dụ, vật đúc, khuôn dập, vật rèn, gia công cơ hoặc nhiệt) Để phát hiện khuyết tật có thể sử dụng các phương pháp kiểm tra thực nghiệm thông dụng cho phép loại bỏ chi tiết có khuyết tật trong giai đoạn sản xuất trước đây Tất nhiên rằng, tiến hành kiểm tra phôi hoặc chi tiết cùng loại với hình dạng đơn giản trong các công đoạn sản xuất trung gian khi bề mặt ngoài được gia công tốt và không có lớp phủ bảo

vệ thì thuận lợi hơn nhiều so với sản phẩm đã hoàn thiện hình dạng phức tạp;

có lớp phủ bảo vệ và kết nối thành cụm chi tiết Bởi vậy trong nhà máy chế tạo phải có phân xưởng để kiểm tra hàng loạt phôi và chi tiết xuất xưởng bằng những thiết bị thăm dò khuyết tật và đo đạc-kiểm tra chuẩn mực

Chương 1 KHUYÉT TẠT CHI TIÉT MÁY VÀ KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN CHÚNG

Trong xưởng sửa chữa mục đích kiểm tra là phát hiện các khuyết tật liên quan đến tuổi thọ và điều kiện làm việc của chi tiết và tổ máy Các khuyết tật như vậy có thể là sai hỏng cơ học, biến dạng, mài mòn, vết nứt mỏi và ăn mòn, sự thay đổi các thông số làm việc của thiết bị Khi sửa chữa, việc kiểm tra gặp rất nhiều khó khăn về kích thước, hình dạng và vật liệu chi tiết, cụm chi tiết máy, thêm vào đó việc kiểm tra chúng lại tiến hành chỉ trong một phân xưởng Khi sử dụng các chi tiết cũng khác nhau về bề mặt ngoài Hàng loạt chi tiết có lớp sơn hoặc lớp phủ chống ãn mòn khác nhau; trong chi tiết

đã hình thành các tàn nến hoặc màng ôxit do phải chịu nhiệt độ cao, hư mòn - vết khắc và vết xước, do làm việc trong các môi trường xâm thực - sai hỏng

ăn mòn Ngoài ra, khi chế tạo một số chi tiết được ghép nối với nhau bằng cách lắp ghép kéo căng, hàn hoặc đinh tán và khi sửa chữa không được tháo rời và chúng được kiểm tra trong tình trạng liên kết Trong điều kiện như thế việc kiểm tra trở nên phức tạp, đòi hỏi phải sử dụng liiứi hoạt và nhiều thiết

bị kiểm tra-đo đạc và các phương pháp thãm dò khuyết tật khác nhau, sử dụng máy thăm dò khuyết tật hiện đại và tiến hành kiểm tra bổ sung với xử

lý chi tiết cẩn thận (làm sạch lóp gỉ, tẩy bỏ lớp sơn và lớp phủ bảo vệ khác, loại bỏ vết xước, vết lõm)

Khi kiểm tra chi tiết máy trong điều kiện sử dụng mục đích kiểm tra là phát hiện các khuyết tật chi tiết xuất hiện trong quá trình làm việc, chủ yếu là vết nứt mỏi và hư hỏng ăn mòn Trong trường hợp này kiểm tra được thực hiện với số lượng chi tiết và tổ máy ít hơn nhiều so với khi sửa chữa Song giò đây lại phải kiểm tra chi tiết có lớp phủ bảo vệ, bị ăn mòn, gỉ, phủ tàn nến hoặc sai hỏng cơ học Kiểm tra những chi tiết như vậy trong điều kiện sử dụng sẽ phức tạp hơn, do tiến hành trực tiếp trên máy-khó tiếp cận đối tượng kiểm tra

Các điều kiện như trên cần được tính đến khi lựa chọn phương pháp kiểm tra.1.3.6 Các chỉ tiêu kỉnh tế-kỹ thuật

Khi chọn phương pháp theo yếu tố này, trước hết phải tính đến khả năng kỹ thuật của phương pháp, đánh giá độ nhạy và khả năng giải quyết của nó Sau

đó đánh giá tính khả thi kỹ thuật được áp dụng trong các điều kiện kiểm tra

cụ thể: tính chất phức tạp của thiết bị kiểm tra và khả năng cung cấp đủ thiết

bị, tính phức tạp của chính quy trình kỹ thuật kiểm tra và tính không đầy đủ khi áp dụng cho vật liệu v.v Hiệu suất của phương pháp là giải quyết công việc một cách kinh tế Phương pháp càng đơn giản, kết quả kiểm tra càng

PHƯƠNG PHAP KIÉM ^RA KHGNG PHA h ủ y κ ا м LOẠI

nh؛ều thi h؛ệu suât càng cao; khỏ khãn kiểm tra càng ít và thiết bị sử dụng càng rẻ thl phương pháp càng tốt

Khi đánh giá hiệu suất của phương pháp cần phải kể dến chi phi lao dộng dể hoàn thành cOng việc chuẩn bị cho kiểm tra Diều này dặc biệt quan trọng khi kiểm tra trong diều kiện sử dụng Phương pháp chiếm iru thế là phương pháp có thể khó khăn hơn về mặt sử dụng, về tinh phức tạp của thiết bị kiểm tra, nhưng không dòi hỏi tháo hoàn toàn hoặc từng phần máy hoặc tổ máy

Do vậy, với phương pháp ưu thế không chỉ giảm dược thời hạn và sức lao dộng nặng nliọc cho cOng việc kiểm tra mà còn tránh dược những thiệt hại dáng kể vl buộc phải dUng thiết bị dơn giản

RO ràng, từ phân tích các yếu tố trên dây, việc lựa chọn phương pháp và thủ pháp kỹ thuật thăm dò khuyết tật thực sự là một bài toán kỹ thuật phức tạp Tuy nhiên giải quyết dược bài toán này cQng chưa thể dạt dược hiệu quả của kiểm tra khOng phá hủy Hiệu quả cao (tinh hiệu quả) của kiểm tra chỉ có thể dạt dược với diều kiện: chọn hệ phươiĩg pháp và quy trinh kiểm tra dUng dắn; chọn thủ pháp kỹ thuật kiểm tra chuẩn xác (thiết bị và tài liệu thăm dò khuyết tật), thực hiện dUng chế độ kỹ thuật kiểm tra; thiết bị thăm dò khuyết tật và tài liệu sử dụng có chất lượng cao, kết quả kiểm tra tin cậy; trinh độ chuyên mồn cùa kỹ thuật viên dảm bảo; tổ chức tốt cOng việc thăm dò khuyết tật

Phân tích các thOng tin trong bảng 1.1 và 1.2 cho phép kết luận rằng các phương phííp kiểm tra khOng phá hủy không giống nhau về khả năng của chUng Phương pháp này có ít khả năng trong khi phương pháp khác có nhiều khả nâng hơn Thi dụ, phương pháp ghi từ chỉ dUng dể kiểm tra chất lượng mối hàn ống Phương pháp cộng hương - dể kiểm tra chất lượng hàn vảy và mối dán Phương pháp phOng xạ cho phép giải quyết bài toán tổng hợp: kiểm tra mối hàn, phát hiện khuyết tật bên trong ờ bất kỳ loại vật liệu nào và cung cấp thOng tin về tinh dUng dắn của sự lắp ráp trong cấu trUc ghép khít

Phương pháp siêu âm xung chiếm vị tri dặc biệt trong các phương pháp kiểm tra khOng phá hủy Cần cứ vào các thOng số có thể thay dổi - dải tần số khác nhau, dạng sOng, khả năng kích thích và truyền dao dộng dàn hồi vào sản phẩm - có thể nói rằng nó có tinh da năng hơn cả Nhờ phương pháp này có thể tiến hàiih kiểm tra các chi tiết dược chế tạo từ bất kỳ vật liệu nào; phát hiện các khuyết tật bề mặt và khuyết tật bên trong vật liệu dày; khuyết tật bề mặt và khuyết tật trong cùa tấm, lá, lá kim loại, sợi dây; các khuyết tật hàn

và mối dinh tán Ѵ Ѵ Kiểm tra bằng siêu âm cho độ nhạy cao Tiến hành

Chương 1 KHUYÉT TẠT CHI TIÉT MÂY VÀ KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN CHÚNG

kiểm tra siêu âm đơn giản và hiệu quả nhất so với các phương pháp không phá hủy khác Ngoài ra nó an toàn và dễ sử dụng Cũng phải thừa nhận rằng phương pháp siêu âm không chỉ sử dụng để kiểm tra sản phẩm lớn hình dạng đơn giản có khuyết tật trong (khuyết tật sâu) mà còn có thể phát hiện được các khuyết tật trong và bề mặt của các chi tiết không lớn, hình dạng phức tạp (gới hạn bởi bề mặt cong), có lớp phủ bảo vệ

Khi lựa chọn các phương pháp tối ưu để tổ chức phòng thí nghiệm kiểm tra không phá hủy (NDT Lab) ở các xí nghiệp thường đi đến kết luận là cần phải thành lập một phòng thí nghiệm tổng hợp Nhóm cơ bản của một phòng thí nghiệm như thế ở nhà máy lớn là nhóm kiểm tra siêu âm và rơnghen Thành phần danh mục của phòng thí nghiệm kiểm tra không phá hủy trung tâm (CNDT Lab) theo nhóm phụ thuộc vào quy mô xí nghiệp, khối lượng công việc, dạng sản phẩm v.v Dưới đây trình bày bảng biên chế nhân viên của một CNDT Lab để làm thí dụ

Trưởng phòng thí nghiệm

Nhóm kiểm tra siêu âm

Trưởng nhóm, kỹ sư

Kỹ sư âm thanh

Nhân viên phòng thí nghiệm

1

13

1

2

2

Tổng

PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA KHỔNG PHÁ HỦY KIM LOẠI

Nhóm kiểm tra bâng phương pháp điện cảm ứng

Nhóm thăm dò khuyết tật rơnghen và y

Công nhân phụ việc (vận chuyển vật liệu)

Nhân viên thu dọn

TổngTổng số nhân viên biên chế phòng thí nghiệm

711

2

449

Chương 1 KHUYÉT TẬT CHI TIỂT MÁY VÀ KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN CHÚNG

Cấu trúc của CNDT Lab có thể khác nhau tùy theo điều kiện sản xuất và yêu cầu đối với chất lượng sản phẩm Thí dụ, trong thành phần của nó có thể có bốn phòng thí nghiệm và một nhóm:

1 Phòng thí nghiệm kiểm tra bằng phương pháp siêu âm

2 Phòng thí nghiệm kiểm tra điện - từ

3 Phòng thí nghiệm kiểm tra bằng phương pháp mao dần

4 Phòng thí nghiệm rơnghen

Trong các phòng thí nghiệm này công việc được tiến hành theo tính ứng dụng và cấu trúc thiết bị tương ứng, theo sự khai thác phương pháp và tính phổ biến của nó

5 Nhóm ứng dụng

Nhóm ứng dụng thực hiện giám sát thường xuyên tình trạng sử dụng các thiết bị kiểm tra không phá hủy và định kỳ tiến hành đánh giá chúng Nhóm này trợ giúp tất cả các nhóm kể trên khi áp dụng phương pháp này hay khác, thiết lập quy trình sử dụng và lý lịch cho các thiết bị nhập-xuất, quan tâm đến việc giảng dạy và áp dụng phương pháp cho các nhân viên OTK

Cơ sở vật lý, phương pháp kiểm tra, lĩnh vực ứng dụng của thăm dò khuyết tật bằng các phương pháp không phá hủy như siêu âm, điện-từ và một số phương pháp khác sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo của cuốn sách này

co học nên sOng âm chỉ có thể truyền di trong môi trường Nói cách khác môi trường là diều kiện cần thiết dể tồn tại sOng âm.

Mỗi ầm có một tần số riêng Dải sóng âm (nghe dược) có tần số dao dộng trong khoảng từ 16 Hz dến 20.000 Hz SOng co có tần số dưới 16 Hz gọi là

hạ âm và tren 20.000 Hz till gọi là siêu âm Như vậy siêu âm là dao dộng truyền trong môi trường dàn hồi với tần số cao hon ngưỡng nghe thấy phía trên của tai người-20.000 Hz vể phương diện vật ly, âm nghe dược hay khOng nghe dược khOng có gl khác nhau về bản chất ChUng chỉ khác nhau

về phương diện sinh lý, thích liợp hay khOng dối với tai ta

Sóng siêu âm dược dặc trưng bằng ba dại lượng: vận tốc lan truyền c, tần số

f, và bước sOng λ Giữa cliUng có quan hệ dược xác định bởi biểu thức sau:

2.1)

ở dây c tínli bằng m/s١ f tinh bằng Hz Giới hạn trên của tần số siêu âm thu dược hiện nay là 10" dến 10؟Ηζ Bước sóng của siêu âm gần bằng bước sOng ánh sáng Tlrí dụ trong khOng khi, ờ tần số ΙΟ^Ηζ bước sOng siêu âm là cỡ