ĐỀ CƯƠNG bài GIẢNG NDT (kiểm tra không phá hủy)

- Bề mặt vật kiểm phải nhẵn, đồng nhất.- Người kiểm tra cần được đào tạo ở trình độ cao c Phương pháp thực hiện: Hình 4.1 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình của thép.. Chú ý rằng nó

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG NDT

NDT (kiểm tra không phá hủy)

- Khuyết tật trong kim loại tồn tại dưới những dạng khác nhau, là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự phá hủy máy móc

- Kiểm tra không phá hủy: là kiểm tra sự thay đổi trong môi trường kiểm tra để tìm bằng chứng trong vật kiểm tồn tại bất liên tục (khuyết tật) mà không làm ảnhhưởng đến tính năng sử dụng của chúng

trọng của bất liên tục trong quá trình chế tạo và sử dụng NDT gồm nghiều phương pháp khác nhau:

+ Phương pháp siêu âm

Dựa trên nguyên lý: từ trường trong vật kiểm sẽ bị thay đổi khi vật có khuyết tật

Hình 1.1 Từ trường trong vật có tồn tại khuyết tật

a) Mục đích

Từ hóa vật mẫu rồi quan sát sự phân bố của đường sức từ trường trên mẫuthông qua chỉ thị bộ từ Nếu vật có cấu trúc đồng nhất thì đường sức từ trườngphân bố đều theo toàn bộ vật kiểm Nếu trong vật kiểm có khuyết tật thì đường sức

sẽ bị cong lệch đi, tạo nên trường phân tán trên khuyết tật Các phần tử bột từ bịhút vào chỗ có mật độ đường sức lớn nhất (vị trí khuyết tật) Quan sát các hạt từ

đó sẽ phát hiện được khuyết tật

b) Yêu cầu:

- Mẫu kiểm tra phải có từ tính (Fe, Co, Ni…)

- Một số chi tiết đòi hỏi phải tách lớp phủ hoặc mạ để có được độ nhạy cần thiết

Từ trường

Dòng

điện

Bề mặt kiểm tra

Hình 1.2: Prod và trường từ

thông

3 Giải đoán

Dựa vào sự phân bố của bột từ để phát hiện được khuyết tật trong vật cần kiểm tra

Để dễ dàng quan sát, bột từ có thể được nhuộm các màu sắc khác nhau Ta có thể dùng bột từ loại huỳnh quang để quan sát trong bóng tối hoặc chiếu tia cực tím vào đểquan sát

Hình 1.4 Hình ảnh khuyết tật kiểm tra bằng phương pháp MT

4 Khử từ

Độ dư từ gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm: giảm cơ tính, tăng độ

ăn mòn, hỏng dụng cụ điện từ trong máy…Vì thế sau khi kiểm tra MT thì phải tiến hành khử từ hoàn toàn cho vật phẩm Phương pháp khử từ:

1 Dùng dòng xoay chiều: dùng tần số công nghiệp với biên độ giảm dần

2 Đổi chiều dòng điện

II Kiểm tra thẩm thấu (PT)

a) Mục đích:

Dựa trên sự thẩm thấu của chất lỏng vào lỗ khuyết tật

Kiểm tra bằng thấm mao dẫn dựa trên các hiện tượng cơ bản là mao dẫn, thẩm thấu, hấp thụ và khuếch tán; ánh sáng; tương phản màu… để phát hiện sự bất liên tục trên bề mặt vật mẫu

b) Yêu cầu:

- Không dùng được ở nhiêt độ quá cao hoặc quá thấp

 Ở nhiệt độ thấp (< 5 0C ) dầu trong chất thấm trở lên có độ nhớt cao làm tăng thời gian thấm Kết quả làm giảm độ nhạy

 Ở nhiệt độ cao (> 60 0C) chất thấm dễ bị bay hơi và không thâm nhập được

- Bề mặt mẫu cần được làm sạch chất bẩn, tương đối phẳng

- Chỉ áp dụng cho vật liệu không xốp, không thấm hút như: thép, nhôm, đồng, inox…

Bước 2 Cho chất thấm thâm nhập vào vật kiểm

Sau khi bôi hoặc phun chất thấm vào bề mặt vật kiểm, để khoảng 15 phút Chất thấm sẽ đi vào sâu bên trong khuyết tật do hiện tượng mao dẫn

Hình 2.2 Chất thấm thâm nhập vào vật kiểm

Bước 3 Làm sạch chất thấm:

Sau khi chờ đủ thời gian thấm cần lau sạch chất thấm dư bằng vải mềm có tẩm dung dịch làm sạch

Hình 2.3 Làm sạch chất thấm

Bước 4 Đưa thuốc hiện vào

Sau khi chất thấm dư thừa được lau hết, phun (bôi) lớp mỏng thuốc hiện lên bề mặt Chất thấm trong khuyết tật sẽ được hút lên bề mặt nhờ tác động mao dẫn

Hình 2.4 Đưa thuốc hiện vào bề mặt vật kiểm

Bước 5: Kiểm tra, đánh giá khuyết tật:

Các khuyết tật sẽ hiện lên thành vết trong thời gian hiện Giải đoán dưới ánh sáng thường hoặc đèn tử ngoại

Hình 2.5 Khuyết tật thể hiện rõ trên bề mặt vật kiểm

Bước 6: Làm sạch bề mặt kiểm tra

Sau khi kiểm tra cần làm sạch (rửa) toàn bộ để chống gỉ

Nếu cần có thể dùng chất chống ăn mòn để bảo vệ vật kiểm tra

Hình 2.5 Vật mẫu sau khi làm sạch

III Kiểm tra siêu âm

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý thiết bị kiểm tra siêu âmNguyên lý: dựa trên cơ sở nghiên cứu sự lan truyền và tương tác của các dao động đàn hồi (phản xạ, khúc xạ, hấp thụ, tán xạ) có tần số cao được truyền vào vật thể cần kiểm tra

Khi chùm siêu âm truyền trong vật liệu gặp chỗ không đồng nhất (VD: khuyết tật hàn) nó bị phản xạ

a) Mục đích

Phát hiện khuyết tật dạng khối, dạng mặt

b) Yêu cầu

- Bề mặt vật kiểm phải nhẵn, đồng nhất.

- Người kiểm tra cần được đào tạo ở trình độ cao

c) Phương pháp thực hiện:

Hình 4.1 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình của thép

1.1 Giới hạn bền kéo:

Điểm cao nhất của đường cong ứng suất-biến dạng được gọi là giớihạn bền kéo ( ), đôi khi được gọi là giới hạn bền hoặc đơn giản là độ bền

kéo Tại điểm này, trên mẫu thử đo được ứng suất qui ước lớn nhất Như tronghình 4.1 và 4.2 đường cong đi xuống sau điểm cao nhất

Tuy nhiên, chú ý rằng thiết bị đo dùng để tạo ra giản đồ này trên thực

tế vẽ ra đường cong tải trọng ứng với biến dạng chứ không phải ứng suấtthực ứng với biến dạng Ứng suất qui ước được tính bằng cách chia tải trọngcho diện tích mặt cắt ngang ban đầu của mẫu thử Sau điểm cao nhất củađường cong là đoạn thẳng, có sự giảm rõ rệt đường kính của mẫu, gọi là sự cothắt

Vì vậy, tải trọng tác dụng trên một diện tích nhỏ hơn, và ứng suấtthực tiếp tục tăng cho đến khi thanh bị đứt Rất khó để theo dõi sự giảmđường kính trong quá trình co thắt, vì vậy thông thường là sử dụng điểm caonhất của đường cong như là giới hạn bền kéo, mặc dù nó là giá trị nhỏ hơn

1.2 Giới hạn chảy,

Một phần của giản đồ ứng suất - biến dạng có biến dạng tăng lớn nhưngứng suất không tăng hoặc tăng rất ít, gọi là giới hạn chảy ( ) Thuộc tính nàychứng tỏ rằng thực tế vật liệu bị chảy hay biến dạng dẻo một cách lâu dài và cómức độ lớn Nếu điểm chảy dẻo là rõ ràng như trong hình 2.1, nó được gọi làgiới hạn chảy Đây là đặc thù của thép cacbon thông thường

Hình 4.2 chỉ ra dạng giản đồ ứng suất - biến dạng cho kim loại màu nhưnhôm hoặc titan hoặc thép có độ bền cao Chú ý rằng nó không có điểm giới hạnchảy, nhưng vật liệu thực tế có giới hạn chảy tại hoặc gần mức ứng suất Điểm đó được xác định bởi phương pháp offset, theo đó một đường thẳng được

vẽ song song với phần đoạn thẳng của đường cong và lệch sang phải mộtđoạn bằng biến dạng dư, thường là 0.20% biến dạng Giao điểm của đườngthẳng đó và đường cong ứng suất - biến dạng cho ta giới hạn chảy của vật liệu

Hình 4.2 Giản đồ ứng suất - biến dạng điển hình của nhôm và các kim loại

không có điểm giới hạn chảy

1.3 Giới hạn tỉ lệ

Điểm trên đường cong ứng suất - biến dạng mà tại đó nó kết thúc phần đườngthẳng gọi là giới hạn tỉ lệ Tại giá trị đó hoặc lớn hơn, ứng suất không còn tăng tỉ lệvới biến dạng Dưới giá trị giới hạn tỉ lệ, có thể áp dụng định luật Húc: ứng suất tỉ

lệ bậc nhất với biến dạng Trong thiết kế cơ khí, vật liệu rất ít khi được sử dụng ởmức ứng suất trên giới hạn tỉ lệ

1.4 Giới hạn đàn hồi

Ở một điểm nào đó, vật liệu bị biến dạng dẻo và vì vậy nó không thể trở lạihình dạng ban đầu sau khi thôi tác dụng tải, gọi là giới hạn đàn hồi Dưới mức này,vật liệu làm việc hoàn toàn đàn hồi Giới hạn tỉ lệ và giới hạn đàn hồi nằm dướigiới hạn chảy Vì rất khó để xác định, nên chúng rất ít khi được đưa ra

1.5 Môđun đàn hồi kéo, E

Với phần đoạn thẳng của giản đồ ứng suất - biến dạng, ứng suất tỉ lệ bậc nhấtvới biến dạng, và giá trị của môđun đàn hồi E là một hằng số tỉ lệ.

Đây là độ dốc của phần đoạn thẳng trên giản đồ Môđun đàn hồi thể hiện độ cứng của vật liệu, hay là khả năng chống lại biến dạng

2 Thử độ dai va đập

Là đại lượng đánh giá khả năng chống lại phá hủy của vật liệu khi chịu tải trọng động

2.1 Mục đích thử: Để xác định mức năng lượng hấp thụ trong mẫu thử chuẩn hóa bị

phá gãy

- Thường có một nhóm 3 mẫu thử nhằm tránh kết quả bị lệch

- Phải quy định nhiệt độ thử

- Kết quả thử được thể hiện bằng J (joule)

- Mẫu thử dai hấp thụ nhiều năng lượng hơn mẫu thử giòn

Búa lắc được nâng lên điểm đầu và thả nhanh Năng lượng mà mẫu hấp thụ củabúa làm gẫy mẫu (thể hiện trên thang đo)

2.2 Phương pháp thử:

Phương pháp kiểm tra độ dai va đập Charpy, là phương pháp thử đã được chuẩnhóa giúp xác định năng lượng hấp thụ bởi vật liệu trong quá trình gãy vỡ Năng lượnghấp thụ này giúp xác định độ dai của vật liệu và là công cụ để nghiên cứu sự chuyểnbiến dòn-dẻo theo nhiệt độ Nó được dùng rộng rãi trong công nghiệp do quy trìnhchuẩn bị và thực hiện dễ dàng và có thể thu được kết quả nhanh và rẻ Tuy vậy một bấtlợi lớn của phương pháp là các kết quả đều mang tính tương đối

Hình 4.3 Thông số kích thước mẫu Charpy dạng khía V

2.3 Phương pháp thực hiện:

Thiết bị thử bao gồm một quả búa dạng con lắc được kéo lên một độ cao h rồi cho đậpvào mẫu đã được khắc rãnh với kích thước tiêu chuẩn như hình vẽ Năng lượng truyềnvào vật liệu có thể được tính toán bằng cách so sánh sự thay đổi độ cao của búa trước vàsau quá trình va đập Kích cỡ của mẫu cũng có thể ảnh hưởng tới kết quả, nó quyết địnhxem vật liệu có biến dạng phẳng hay không

Hình 4.4 Sơ đồ máy thử độ dai va đập với mẫu Charpy

Gọi: - h: độ cao ban đầu của búa trước va đập,

- h’: độ cao của búa sau va đập,

- m: khối lượng của búa,

- L: cánh tay đòn của búa,

- α1: góc của búa trước va đập,

- α2: góc của búa sau va đập

Hay: EHT = mgL.( cos α2 - cos α1) = Ak = CVN (4.2)

Năng lượng hấp thu để phá hủy mẫu thử là tổng năng lượng cần thiết để làm biếndạng mẫu, làm xuất hiện các vết nứt ban đầu và làm lan truyền các vết nứt đó đến khimẫu bị phá hủy hoàn toàn.7

Hình 4.6 Sơ đồ thử Izod

3 Thử độ bền mỏi

Mỏi là dạng phá hủy xảy ra trong kết cấu chịu lực động và biến thiên

Quá trình phá hủy mỏi xảy ra khi chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi Quá trình phá hủy mỏi bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ (vết nứt tế vi) sinh ra từ vùng chi tiếtmáy chịu ứng suất tương đối lớn Khi số chu trình làm việc của chi tiết tăng lên thìcác vết nứt này cũng mở rộng dần, chi tiết máy ngày càng bị yếu và cuối cùng xảy

ra gãy hỏng chi tiết máy

Hiện tượng phá hủy mỏi được phát hiện ra từ giữa thế kỷ 19 và giới hạn mỏi được coi là một trong những chỉ tiêu tính toán chủ yếu để xác định kích thước chi tiết máy Thực tiễn sử dụng máy cho thấy khoảng 90% các tổn thất của chi tiết do các vết nứt mỏi gây ra

Phá hủy có thể xảy ra ở mức ứng suất thấp hơn nhiều so với độ bền kéo hoặc độ bền chảy với tải trọng tĩnh Phá hủy mỏi thường xảy ra sau một số chu kỳ ứng suấthoặc biến dạng lặp lại.

Thiết bị kiểm tra phải được thiết kế để mô phỏng các điều kiện ứng suất thực tế (mức ứng suất, tần số thời gian, hàm biến thiên ứng suất…) Sơ đồ thiết bị kiểm tra uốn – quay, thường dùng trong kiểm tra mỏi, được nêu trên Hình 4.7 ; các ứng suất nén và kéo tác dụng lên mẫu khi mẫu vừa quay vừa chịu uốn Các kiểm tra cũng được thực hiện với chu kỳ ứng suất kéo – nén

Hình 4.7 Sơ đồ thiết bị thử mỏi theo chế độ uốn – quay

Hình 4.8 Đường cong mỏi thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất và số chu kỳ N

Từ đồ thị ta thấy ứng suất càng cao thì tuổi thọ càng giảm Khi ứng suất vượt qua giá trị σk số chu kỳ ứng suất giảm mạnh Trị số σk gọi là giới hạn mỏi ngắn hạn của vật liệu

ổ bi

ổ bi

Khớp nối linh động

Ứng suất càng giảm thì số chu kỳ ứng suất càng tăng Khi ứng suất giảm đến giá trị σo thì đường cong mỏi gần như nằm ngang tức là số chu kỳ ứng suất có thể tăng lên rất lớn mà chi tiết không bị gẫy hỏng Trị số σo gọi là độ bền dài hạn [1]

của chi tiết máy Ứng với σo là số chu kỳ cơ sở No

4 Thử độ dai phá hủy biến dạng phẳng KIC

Là chỉ tiêu quan trọng đánh giá khả năng chống phá hủy dòn của vật liệu

Áp dụng các nguyên lý cơ học phá hủy, có thể thiết lập biểu thức quan hệ giữa ứng suất tới hạn để lan truyền vết nứt, σc, với chiều dài vết nứt, a, dưới dạng:

Đối với các mẫu tương đối mỏng, giá trị Kc phụ thuộc vào chiều dày mẫu Tuy nhiên, khi chiều dày mẫu lớn hơn nhiều so với kích thước vết nứt, Kc trở nên độc lập với chiều dày; trong các điều kiện này sẽ tồn tại điều kiện biến dạng phẳng Biến dạng phẳng có nghĩa

là, khi lực tác dụng lên vết nứt như kiểu được minh họa trên Hình 7.4a, sẽ không có thànhphần biến dạng vuông góc với các mặt trước và sau Giá trị Kc đối với kiểu vết nứt này được gọi là độ dai phá hủy biến dạng phẳng KIc, và được định nghĩa theo công thức:

KIc là độ dai phá hủy thông dụng nhất, độ dai phá hủy biến dạng phẳng với chế độ dịch chuyển vết nứt I, Hình 4.10

Hình 4.10 Ba chế độ dịch chuyển bề mặt vết nứtChế độ I, kéo; (b) chế độ II, trượt; và (c) chế độ III, xé

Độ dai va đập biến dạng phẳng KIc là tính chất cơ bản của vật liệu, phụ thuộc vào nhiều yếu tố, quan trọng nhất là nhiệt độ, tốc độ biến dạng, và cấu trúc vi mô

Giá trị KIc giảm dần khi tăng tốc độ biến dạng và giảm nhiệt độ Hơn nữa, tăng giới hạn chảy bằng dung dịch rắn hoặc phase phân tán hoặc bằng cơ chế hóa bền biến dạng đều làm giảm KIc

Hơn nữa, KIc tăng khi giảm kích thước hạt nhưng thành phần hóa học và các biến vi mô khác được giữ không đổi

K1c là chỉ tiêu cơ tính quan trọng để đánh giá khả năng chống lại sự phá giòn của vật liệuđồng thời thông qua nó có thể giúp ta trong quá trình thiết kế tìm ra ứng suất mà vật liệu

có thể chịu được và tính toán chiều dài vết nứt của vật liệu

Ứng suất thiết kế (hay ứng suất giới hạn) được tính theo công thức sau khi đã biết K1c và

độ lớn a:

Trong đó:

σc là ứng suất tập trung giới hạn gây ra sự phá hủy

K1c là độ dai phá hủy biến dạng phẳng

Y là hằng số phụ thuộc hình dáng của mẫu vật liệu

a là chiều dài vết nứt

Chiều dài vết nứt (hay kích thước khe nứt lớn nhất) được tính theo công thức sau khi đã biết K1c và ứng suất giới hạn σc

ac= (4.6)

Trong đó

ac là chiều dài vết nứt cần tính toán

K1c là độ dai phá hủy biến dạng phẳng

σc là ứng suất giới hạn

Y là hằng số phụ thuộc vào hình dáng mẫu vật liệu

Như vậy, nếu bằng phương pháp thực nghiệm (cho phép phát hiện vết nứt có kích thước tới hạn theo công thức (4.6)), không thấy có khuyết tật thì có thể tin là chi tiết không thể bị phá hủy trong các điều kiện K1c, Y, σ theo thực nghiệm đó Trong thiết kế, từgiá trị K1c đã được qui chuẩn cho từng loại vật liệu, giúp ta chọn được loại vật liệu và phương pháp gia công, chế tạo (tính giá trị a) khi biết điều kiện làm việc (giá trị σ), và ngược lại xác định điều kiện làm việc cho loại vật liệu đã chế tạo (biết giá trị a xác định giá trị σ)

Bảng 2 Giới hạn chảy và độ dai phá hủy biến dạng phẳng của một số loại vật liệu

4.1 Phương pháp kéo

Hình 4.11 Kích thước và dung sai mẫu thử kiểu Compact C(T) [18]

Mẫu có dạng là một khối hộp chữ nhật với 2 lỗ dùng để kéo và một vết nứt đã đượctạo sẵn Mẫu được lực chọn cẩn thận về kích thước và vết nứt ban đầu (vết nứt được giacông cơ khí), sau đó đưa lên một máy chuyên dụng để tạo vết nứt mỏi ban đầu, vết nứtnày vuông góc với mẫu và hướng phát triển của nó là 2o Tỉ lệ về kích thước W/B cho

phép là

4.2 Phương pháp tiến hành

Hình 4.12 Sơ đồ bố trí mẫu thử trên máy thử kéo

Hình 4.13 Sơ đồ bố trí cảm biến biến dạng trên mẫu thử

- Đặt ngàm trục vào hai lỗ của mẫu thử, tác dụng lực kéo để rãnh khía và vết nứt mỏiphát triển và mở rộng (vết nứt phát triển theo kiểu I),

- Xây dựng biểu đồ tải trọng kéo – độ mở rộng của rãnh V như hình 4.14:

Hình 4.14 Biểu đồ kéo được xây dựng sau thí nghiệm kéo

5 Mối quan hệ giữa các đại lượng

Trong tính toán, thiết kế các công trình, máy móc, thiết bị ta phải xác định được điềukiện làm việc của thiết bị như nhiệt độ môi trường, tải trọng,… Đặc biệt là kích thướcvết nứt tồn tại trong cấu trúc

Việc xác định kích thước vết nứt tới hạn dựa trên thông số độ dai phá huỷ biến dạngphẳng KIC, giá trị này được xác định bằng thực nghiệm Nhưng quá trình thử nghiệm

để xác định giá trị KIC là rất tốn thời gian và giá thành cao

Hơn nữa đối với hầu hết các thép kết cấu có độ bền từ thấp đến trung bình, thì không thể xác định trực tiếp KIC ở nhiệt độ làm việc

thông qua năng lượng hấp thụ trong thí nghiệm độ dai va đập Thí nghiệm độ dai vađập tiến hành đơn giản, nhanh chóng, chi phí thấp

5.1 MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘ DAI VA ĐẬP aK VÀ ĐỘ DAI PHÁ HUỶ BIẾN

DẠNG PHẲNG K IC

Sự khác biệt chủ yếu giữa phương pháp kiểm tra độ dai va đập Charpy và phươngpháp kiểm tra độ dai phá hủy biến dạng phẳng, là tốc độ tải (ảnh hưởng đến trạng tháiứng suất bền) và vết nứt ban đầu được chế tạo (ảnh hưởng đến trạng thái ứng suất tạiđỉnh vết nứt)