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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
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
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY- 605204

S KC 0 0 3 9 4 2

Tp. Hồ Chí Minh, 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
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


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
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


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
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:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ …./…. đến …./ …….

Nơi học (trƣờng, thành phố):
Ngành học: cơ khí chế tạo máy
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính qui

Thời gian đào tạo từ 9/2005 đến 7/ 2009

Nơi học (trƣờng, thành phố):
Ngành học:
Tên đồ án tốt nghiệp: ứng dụng phần mềm visi-series trong gia công chi tiết cơ khí
Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: tháng 7/2009 tại ĐH Công Nghiệp Tp. Hồ Chí Minh
Ngƣời hƣớng dẫn: Th.s Nguyễn Tuấn Hùng.
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian
2009-2012

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm
Kỹ sƣ thiết kế

Công ty TNHH VuLink

i


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

ii


LỜI CẢM ƠN
----

Sau hai năm theo học chƣơng trình đào tạo sau đại học tại trƣờng Đại học Sƣ
phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tác giả đã đúc kết đƣợc những kiến thức bổ
ích cho chuyên môn của mình. Với đề tài nghiên cứu dƣới hình thức luận văn thạc sĩ,
tác giả đã vận dụng những kiến thức mà mình đƣợc 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. Nhƣng với sự tận tình của giáo
viên hƣớng dẫn TS. Lê Chí Cƣơng, cùng với sự hỗ trợ từ phía gia đình, bạn bè đồng
nghiệp, cho đến nay luận văn đã đạt đƣợc những kết quả nhƣ mong muốn.
Đến đây, cho phép tác giả gửi lời cám ơn chân thành đến:
-

Ban Giám Hiệu trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

-

Thầy TS. Lê Chí Cƣơng – Khoa Cơ khí máy - trƣờng Đại học Sƣ phạm

Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

-

Viện năng lƣợng nguyên tử Việt nam - Trung tâm hạt nhân Tp HCM.
Số 217 Nguyễn Trãi, Q1, Tp HCM

-

Quý thầy cô khoa Cơ khí máy - trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành
phố Hồ Chí Minh

-

Phòng Đào tạo - Sau Đại học và các phòng khoa trong trƣờng Đại học Sƣ
phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

Một lần nữa tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, sự hỗ trợ, động viên quý
báu của tất cả mọi ngƣời. Xin trân trọng cảm ơn!
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2013
Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Vũ Long

iii


TÓM TẮT
Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X là một trong các phƣơng pháp kiểm tra không phá
hủy đƣợc ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Từ khi ra đời đến nay, phƣơng pháp nhiễu xạ

x-quang đã đƣợc 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 đƣợc phát triển hết sức mạnh mẽ. Các phần mềm ứng dụng xuất hiện
trong tất cả mọi ngóc ngách cuộc sống của con ngƣời. Thiết bị di động, máy vi tính,
vật gia dụng trong gia đình … tất cả điều đƣợc lập trình để thực hiện công việc phục
vụ cho nhu cầu của con ngƣời chúng ta.
Đề tài “Nghiên cứu và phát triển phần mềm phân tích vật liệu bằng Xquang” đƣợc thực hiện nhầm mục đích phát triển đƣợc phần mềm phân tích vật liệu
dựa trên phƣơng pháp nhiễu xạ X-quang bằng ngôn ngữ C#. Phần mềm này giúp
ngƣời 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 đƣợc dữ liệu
nhiễu xạ X-quang thích hợp. Giúp cho việc nghiên cứu phân tích vật liệu bằng phƣơng
pháp nhiễu xạ X-quang đạt năng suất và hiệu quả kinh tế cao.
Đề tài đƣợc 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 nƣớc. Ứng dụng các lý thuyết nghiên cứu đƣợc vào lập
trình. Đến nay tác giả đã hoàn thành đƣợc mục tiêu đề ra, phần mềm X-Pro 1.0 đã
đƣợc 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
nhƣ 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.

iv


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 Xray” 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.
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

v


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MỘT SỐ KÝ HIỆU


bƣớc sóng

2

góc nhiễu xạ

D

khoảng cách giữa các mặt phẳng phân tử ( hkl )

n

phản xạ bậc cao

h,k,l chỉ số Miller
(hkl) mặt nhiễu xạ


ứng suất hoặc độ lệch chuẩn

S

Giá trị ứng suất



lực căng

Ψ

góc tạo bởi phƣơng pháp tuyến của mẫu đo với phƣơng pháp tuyến của họ mặt

phẳ ng nguyên tƣ̉ nhiễu xa ̣
Ψo

góc tạo bởi phƣơng 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 phƣơng pháp tuyến của họ mặt phẳng nhiễu xạ và tia tới X



góc tạo bởi tia tới X và phƣơng ngang



góc tạo bởi tia nhiễu xạ và phƣơng ngang



hằ ng số hấ p thụ ( phụ thuộc vào đặc tính của tia X và loại vật liệu mẫu đo )

E

module Young



hệ số Poison

K

hằng số ứng suất

p

vị trí đỉnh của đƣờng nhiễu xạ

LPA hệ số Lorentz và hấp thụ
B

bề rộng đƣờng nhiễu xạ

c

bƣớc của góc đo

t

thời gian chu kỳ xung

M,N

hệ số góc và hệ số chặn của đƣờng thẳng đồ thị sin2 Ψ

z,y

cƣờng độ nhiễu xạ đã và chƣa hiệu chỉnh LPA.

vi


DANH MỤC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1:

Máy chụp tia x quang đầu tiên do Russell Reynold phát triển

5

Hình 2.1:

Nguyên lý nhiễu xạ theo đinh
̣ luâ ̣t Bragg

5

Hình 2.2:

Phƣơng pháp đo kiểu 

6

Hình 2.3:

Phƣơng pháp cố định 

7

Hình 2.4:

Phƣơng pháp đo kiểu  cố định o

8

Hình 2.5:

Phƣơng pháp đo kiểu 

9

Hình 2.6:

Phƣơng pháp đo kiểu  cố định 

9

Hình 2.7:

Phƣơng pháp đo kiểu  cố định o

10

Hình 2.8:

Hiệu chỉnh nền của đƣờng nhiễu xạ

11

Hình 2.9:

Phƣơng pháp trọng tâm

15

Hình 2.10:

Phƣơng pháp bề rộng trung bình

17

Hình 2.11:

Dữ liệu nhiễu xạ thô

17

Hình 2.12:

Dữ liệu sau khi làm mịn với nL=nR=9

18

Hình 2.13:

Đƣờng thẳng tiếp tuyến với dữ liệu

19

Hình 2.14:

Đƣờng thẳng tiếp tuyến tại điểm thứ i

19

Hình 2.15:

Đơn vị nhiễu xạ

20

Hình 2.16:

Xác định dữ liệu nhiễu xạ của mặt nhiễu xạ

22

Hình 2.17:

Hệ tọa độ sử dụng trong đo lƣờng ứng suất

24

Hình 2.18:

Xác định ứng suất từ phƣơng pháp sin 2  i

27

Hình 2.19:

Tính năng lƣợng nhiễu xạ

30

Hình 2.20: Giản đồ nhiễu xạ

31

Hình 2.21: Giản đồ nhiễu xạ cần khử bỏ nền

31

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

32

Hình 2.23: Chọn (xo,yo) và (xn,yn) bằ ng 5 lầ n bề rô ̣ng trung bin
̀ h

32

Hình 3.1:

Cấu trúc của phần mềm X-Pro 1.0

41

Hình 3.2:

Giản đồ phân tích đƣờng nhiễu xạ

43

Hình 3.3:

Giản đồ tính ứng suất

44

Hình 3.4:

Giản đồ xác định tỉ lện pha

47
vii


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 3.8:

Dữ liệu nhiễu xạ cần phân tích

52

Hình 3.9:

Cửa sổ kết quả phân tích dữ liệu

53

Hình 3.10:

Kết quả xuất ra từ phần mềm

54

Hình 3.11: Thực đơn của chƣơng trình tính ứng suất

54

Hình 3.12: Cửa sổ vật liệu và hệ số đàn hồi

55

Hình 3.13: Cửa sổ thêm vật liệu mới

55

Hình 3.14: Cửa sổ sửa vật liệu

56

Hình 3.15

Thông báo lỗi khi chƣa chọn vật liệu

57

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

58

Hình 3.17: Cửa sổ chính khi tính ứng suất

58

Hình 3.18: Hộp thoại hiệu chỉnh LPA

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 phƣơng pháp

60

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

61

Hình 3.23: Kết quả xác định hệ số đàn hồi

62

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

63

Hình 3.25: Cửa sổ chính khi tính tỉ lệ pha

63

Hình 3.26: Cửa sổ chƣơng trình khi đã xác định 2 pha

64

Hình 3.27: Năng lƣợng 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 đƣợc thực hiện nhiễu xạ x-quang

71

Hình 4.5 :

Kết quả ứng suất dƣ trong các vùng

71

Hình 4.6 :

Cửa sổ vật liệu và hệ số đàn hồi

72

Hình 4.7:

Kết quả tính ứng suất vùng 1

72

viii

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 chƣa nhập bƣớc 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 lƣợng nhiễu xạ.

75

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

76

ix


DANH MỤC BẢNG
BẢNG

TRANG

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

11

Bảng 2.2 : Bảng gí trị sin2/n

22

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

23

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

70

Bảng 4.2 : So sánh kết quả tính ứng suất

73

Bảng 4.3: So sánh kết quả xác định tỉ lệ pha

77

x


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
Chƣơng 1: TỔNG QUAN ............................................................................................1
1.1 Ứng dụng nhiễu xạ x-ray trong phân tích vật liệu trong nƣớc và thế giới. ........... 1
1.1.1 Tình hình trong nƣớc.......................................................................................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 Phƣơng pháp nghiên cứu.................................................................................3
1.3.4 Điểm mới của luận văn. ..................................................................................3
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................4
2.1 Khái niệm về x-quang ............................................................................................ 4
2.2 Định luật Bragg ...................................................................................................... 4
2.3 Các phƣơng pháp đo .............................................................................................. 6
2.3.1 Phƣơng pháp đo kiểu . ..............................................................................7
2.3.2 Phƣơng pháp side-inclination (kiểu ). ......................................................8
2.4 Hiệu chỉnh đƣờng nhiễu xạ x-ray ........................................................................ 10

xi

2.4.1 Hiệu chỉnh nền ...........................................................................................10
2.4.2 Hiệu chỉnh hệ số LPA ...............................................................................11
2.5 Phƣơng pháp xác định vị trí đỉnh. ........................................................................ 12
2.5.1 Phƣơng pháp parabol. ...................................................................................12
2.5.2 Phƣơng pháp đƣờng cong Gaussian ..............................................................14
2.5.3 Phƣơng pháp trọng tâm .................................................................................15
2.5.4 Phƣơng pháp bề rộng trung bình. ..................................................................15
2.6 Làm mịn dữ liệu ................................................................................................... 17
2.7 Nguyên lý phân tích đƣờng 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 đƣợc ...........................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 phƣơng pháp
nhiễu xạ x-ray. ........................................................................................................... 28
2.10 Lý thuyết xác định tỉ lệ pha dƣ̣a vào năng lƣơ ̣ng nhiễu xa ̣ toàn phầ n của
mỗi pha....................................................................................................................... 29
2.10.1 Công thƣ́c tiń h tỷ lê ̣ pha dƣ̣a vào năng lƣơ ̣ng nhiễu xa .̣ .............................29
2.10.2 Xác định năng lƣợng Eij của mỗi pha: .......................................................30
2.10.3 Phƣơng pháp tiến hành xƣ̉ lý dƣ̣ liê ̣u đo đa ̣c...............................................31
2.10.3.1 Hiệu chỉnh nền nhiễu xạ. ......................................................................31
2.10.3.2 Chọn phạm vi bề rô ̣ng đáy nhiễu xạ X : ..............................................32
Chƣơng 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

xii


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 Chƣơng trình phân tích vật liệu từ nhiễu xạ x-ray. ............................................. 41
3.2.1 Cấu trúc chƣơng trình ...................................................................................41
3.2.2 Sơ đồ khối của chƣơng 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 chƣơng 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
Chƣơng 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 SCS 14. ....................... 73

Chƣơng 5 : KẾT LUẬN ..............................................................................................77
5.1 Kết quả đạt đƣợc. ................................................................................................. 77
5.2 Hƣớng phát triển của đề tài. ................................................................................. 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................79

xiii


Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1.1 Ứng dụng nhiễu xạ x-quang trong phân tích vật liệu trong nƣớc và thế giới
1.1.1 Tình hình trong nƣớc
Việc nghiên cứu ứng dụng x-quang trong kỹ thuật đã dần đƣợc thực hiện nhiều ở
nƣớc ta. Ở nƣớc ta x-quang đƣợc sử dụng rộng rãi trong y học để chuẩn đón hình ảnh,
có nhiều đề tài nghiên cứu về x-quang trong lĩnh vực địa chất. Trong lĩnh vực cơ khí,
cũng có rất nhiều đề tài nghiên cứu x quang để phân tích vật liệu nhƣ tính ứng suất, tỉ
lệ pha, kích thƣớc tinh thể, chiều dày lớp mạ … Tuy nhiên việc nghiên cứu chỉ dừng ở
lại mức tìm hiểu, nắm bắt vấn đề để ứng dụng vào trong thực tiễn. Chƣa có những
nghiên cứu đột phá, phát hiện mới về x-quang ở nƣớc ta. Ứng dụng x-quang để phân
tích vật liệu ở nƣớc ta cũng đang ở bƣớc đầu phát triển và dần ứng dụng vào thực tế.
Nhƣng chƣa có phần mềm phân tích vật liệu nào sử dụng lý thuyết nhiễu xạ x quang
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 nhƣ Ogirin, Excell …
1.1.2 Tình hình quốc tế.
Trên thế giới, việc nghiên cứu và ứng dụng x quang đã đƣợc phát triển từ rất lâu.
Năm 1896 Rogen phát hiện ra tia x, và bức ảnh
chụp x quang đầu tiên đƣợc 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. Ngƣời ta không ngờ đƣợc rằng máy móc
có thể cho phép chúng ta nhìn thấu các bộ phận
bên trong cơ thể và phát hiện đƣợc bệnh tật.
Trƣớc đó những nghiên cứu về nó đã bị coi là
viễn tƣởng. Vào khoảng những năm 1975, việc

1

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


nghiên cứu x quang đƣợc phát triển mạnh mẽ, nhiều lý thuyết việc ứng dụng x quang
trong nhiều lĩnh vực nhƣ nghiên cứu cấu trúc bên trong các vật liệu mờ đƣợc ra đời.
Hiện nay các nƣớc 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 ngƣời phát hiện đƣợc 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 đƣợc tải trọng nhất định, độ ăn mòn, nhiệt độ … Hiện nay
có nhiều phƣơng pháp phân tích vật liệu phổ biến nhƣ x quang, kim tƣơng, kính hiển

vi điện tử, phân tích nhiệt... Trong số những phƣơng pháp đó, phƣơng pháp nhiễu xạ
x-quang đem lại hiệu suất cao bởi vì nó không phá hủy và phân tích chính xác đƣợc
nhiều vấn đề liên quan đến vật liệu nhƣ ứng suất, kích thƣớc 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 nhƣ vũ bão của công
nghệ thông tin. Máy tính có tốc độ xử lý ngày càng cao, nó giúp ta thực hiện đƣợc
khối lƣợng 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 phƣơng pháp nhiễu xạ x quang. Phần mềm sẽ giúp cho việc
phân tích vật liệu trở nên nhanh chóng hơn, giúp ngƣời sử dụng xác định 1 cách nhanh
chống các giá trị nhƣ ứng suất dƣ, cơ tính, tỉ lệ pha, kích thƣớc 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.

2


1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài
Nghiên cứu các lý thuyết liên quan về nhiễu xạ x-quang và ứng dụng vào việc
phân tích vật liệu từ kết quả nhiễu xạ x-quang.
Phát triển hệ thống phần mền phân tích vật liệu dựa trên phƣơng pháp nhiễu xạ
x-quang.
1.3.2 Giới hạn của đề tài
Do thời gian thực hiện đề tài còn hạn chế, nên đề tài chỉ tập trung phát triển hệ
thống phần mềm chủ yếu trong việc xác định ứng suất của vật liệu, cơ tính, tỉ lệ pha
của vật liệu.
1.3.3 Phƣơng pháp nghiên cứu
Dựa vào các tài liệu hiện có trên thế giới về lý thuyết nhiễu xạ x-quang để tìm

hiểu cách thức nhiễu xạ của x-quang trên vật liệu nhƣ thế nào.
Tham khảo tài liệu trên thế giới để tìm hiểu phƣơng pháp xác định các tính chất
vật liệu dựa trên dữ liệu nhiễu xạ x-quang.
Nghiên cứu ngôn ngữ lập trình C# để lập trình phát triển phần mền phân tích
vật liệu.
Tiến hành tính toán phân tích lại các dữ liệu nhiễu xạ x-quang đã đƣợc tính toán
xác thực để kiểm nghiệm tính chính xác của phần mềm.
1.3.4 Điểm mới của luận văn.
Phát triển 1 phần mềm hoàn toàn mới thuần Việt, dựa trên các lý thuyết về
nhiễu xạ x-quang đã đƣợc nghiên cứu để phân tích vật liệu.
Giúp việc phân tích vật liệu dựa trên dữ liệu nhiễu xạ x-quang từ các máy nhiễu
xạ trở nên nhanh chóng và thuận tiện hơn.

3


Chƣơng 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1

Khái niệm về x-quang

X-quang đƣợc phát hiện ra vào năm 1985 bởi nhà vật lý ngƣời Đức Röntgen.
Không nhƣ ánh sang thông thƣờng, những tia này không thấy đƣợc bằng mắt thƣờng,
nhƣng chúng đi theo đƣờng thẳng và tác động lên phim hình giống nhƣ là ánh sáng.
Ở một mặt khác, chúng có thể xuyên thấu nhiều hơn ánh sáng và có thể dễ dàng đi
qua cơ thể ngƣời, gỗ, những mẫu kim loại mỏng và những đối tƣợng “không trong
suốt khác”.
Không phải lúc nào cũng cần thiết hiểu một thứ trong việc sử dụng nó, và tia x

đƣợc dùng 1 cách trực tiếp bởi các thầy thuốc và chậm hơn 1 chút là bởi các kỹ sƣ,
ngƣời muốn nghiên cứu cấu trúc bên trong của các đối tƣợng mờ. Nơi đặt nguồn của
x-ray ở một phía của đối tƣợng và phim ảnh ở những phía khác, hình ảnh bóng của đối
tƣợng hoặc là phim chụp x quang, có thể đƣợc tạo ra, phần ít dày đặc của đối tƣợng
chấp nhận 1 tỉ lệ cao lƣợng bức xạ x đi qua cao hơn các phần khác. Theo cách này
những điểm gãy trong một cấu trúc bị vỡ hoặc một vị trí của khe nức trong một kim
loại đúc sẽ đƣợc xác định.
Việc chụp ảnh bằng tia X đƣợc bắt đầu sự dụng ngay cả khi ta chƣa có sự hiểu
biết bức xạ, bởi vì mãi đến những năm 1912 bản chất chính xác của tia x mới đƣợc
thành lập. Trong những năm này, hiện tƣợng nhiễu xạ tia x bởi tinh thể đã đƣợc khám
phá và sự phát hiện này đồng thời cũng chứng minh đƣợc bản chất sóng của tia x và
cung cấp phƣơng pháp mới để nghiên cứu sâu hơn về vật chất. Mặt dù phép chụp tia x
là công cụ rất quan trọng và có thể áp dụng đƣợc trên diện rộng, nó vẫn giới hạn bên
trong chi tiết hoặc là cho ta thấy đƣợc kích thƣớc khoảng 10 -3mm. Sự nhiễu xạ, ở mặt
khác, có thể gián tiếp xác định đƣợc chi tiết bên trong cấu trúc với mức 10-7mm, và
với sự nghiên cứu này nó đƣợc ứng dụng vào những vấn đề của vật liệu.
2.2 Định luật Bragg
Định luật Bragg, đƣợc W. L. Bragg thiết lập vào năm 1933, thể hiện mối quan
hệ giữa bƣớc sóng của tia X và khoảng cách giữa các mặt nguyên tử [13,14].

4


0

Khi chiếu tia X có bƣớc sóng (10-4 – 102  ) tƣơng ứng với khoảng cách giữa
các mặt phẳng nguyên tử vào vật rắn tinh thể sẻ xuất hiện các tia nhiễu xạ với cƣờng
độ và các phƣơng khác nhau, các phƣơng nhiễu xạ phụ thuộc vào bƣớc sóng của bức
xạ tới và bản chất của mẩu tinh thể. Định luật Bragg thiết lập mối quan hệ giữa bƣớc
sóng tia X và khoảng cách giữa các mặt nguyên tử.

Các giả thuyết : Các mặt phẳng nguyên tử phản xạ các bức xạ tới phải độc lập,
các tia tới phải tán xạ hoàn toàn.
Giả sử hai mặt phẳng nguyên tử song song A-A’ và B-B’ có cùng chỉ số Millier
h,k,l và cách nhau bởi khoảng cách giữa hai mặt phẳng nguyên tử dhkl, chúng ta xem
mặt tinh thể của tâm tán xạ nguyên tử là các mặt tinh thể và phản xạ giống nhƣ gƣơng
đối với tia X.

Hình 2.1: Nguyên lý nhiễu xạ theo đinh
̣ luâ ̣t Bragg
Giả sử hai tia 1 và 2 đơn sắc, song song và cùng pha với bƣớc sóng  chiếu vào
hai mặt phẳng này dƣới một góc . Hai tia bị tán xạ bởi nguyên tử P và Q và cho hai
tia phản xạ 1’ và 2’ cũng dƣới một góc  so với các mặt phẳng này, hình 2.1. Sự giao
thoa của tia X tán xạ 1’ và 2’ xảy ra nếu hiệu quãng đƣờng 1-P-1’ và 2-Q-2’ , tức SQ +
QT , bằng số nguyên lần bƣớc sóng. Nhƣ vậy điều kiện nhiễu xạ là :
n = SQ + QT

(2.1)

n = 2dhkl sin

(2.2)

Trong đó: n = 1 , 2 , 3 . . . đƣợc gọi là bậc phản xạ.

5