Nghiên cứu, phát triển khuyết tật vật thể rắn bằng phương pháp siêu âm

Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập tại lớp Cao học Đo lường và các hệ thống điều khiển
2013-2015 -Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tôi đã được đào tạo và tích lũy
nhiều kiến thức cho bản thân cũng như phục vụ công việc. Đặc biệt là khoảng thời
gian thực hiện đề tài: ‘‘Nghiên cứu, phát hiện khuyết tật vật thể rắn bằng phương
pháp siêu âm”.
Tôi xin bày tỏ lòng tri ân tới các thầy, cô Bộ môn, Viện Điện - Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập,
nghiên cứu và làm luận văn.
Đặc biệt tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Hoàng
Sĩ Hồng đã dành nhiều thời gian và công sức hướng dẫn tôi thực hiện và hoàn
thành luận văn này.
Mặc dù bản thân cũng đã cố gắng, song với kiến thức còn hạn chế và thời gian
có hạn, luận văn chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong
nhận được sự chỉ bảo của các thầy, cô, sự góp ý của bạn bè và đồng nghiệp nhằm
bổ sung hoàn thiện luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 04 tháng 04 năm 2016
Học viên

Vũ Thị Hằng

HV: Vũ Thị Hằng

1

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng

Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, những nội dung
đƣợc trình bày trong luận văn do chính bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết
quả tính toán là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
Hà Nội, ngày 04 tháng 04 năm 2016
Tác giả luận văn

Vũ Thị Hằng

HV: Vũ Thị Hằng

2

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng


Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 1

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 2
MỤC LỤC ......................................................................................................... 3
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 8
1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................... 8
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu ........ 8
3. Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................... 8
4. Các luận điểm cơ bản và đóng góp của luận văn ...................................... 9
5. Cấu trúc luận văn ....................................................................................... 9
CHƢƠNG I. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÁT HIỆN........................................ 10
KHUYẾT TẬT VẬT THỂ RẮN .................................................................... 10
1.1. Khái niệm khuyết tật vật thể rắn ........................................................... 10
1.2. Ảnh hƣởng của khuyết tật trong vật thể ............................................ 11
1.3. Ý nghĩa của việc phát hiện khuyết tật vật thể rắn ............................. 12
1.4. Phân loại phƣơng pháp phát hiện khuyết tật ..................................... 12
1.5. Phƣơng pháp kiểm tra khuyết tật bằng siêu âm ................................ 20

1.6. Kết luận ............................................................................................. 32
CHƢƠNG II.THIẾT KẾ MÁY DÕ KHUYẾT TẬT ..................................... 33
SỬ DỤNG SÓNG SIÊU ÂM .......................................................................... 33
2.1. Lịch sử hình thành máy dò khuyết tật ............................................... 33
2.2. Cấu tạo máy dò khuyết tật trong vật rắn thực tế ............................... 37
2.3. Thiết kế, chế tạo thử nghiệm mạch thu phát siêu âm ........................ 45
2.4. Thiết kế phần mềm ............................................................................ 58
2.5. Kết luận ............................................................................................. 59
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .................................................... 60
3.1. Kết quả thiết kế mạch ........................................................................ 60
3.2. Kết quả thử nghiệm máy dò sóng siêu âm trong nƣớc ..................... 61

HV: Vũ Thị Hằng

3

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng


Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ....................................... 71
KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................. 71
HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ....................................................... 71
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 75

HV: Vũ Thị Hằng

4

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng


Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mối hàn bị rỗ khí.

10

Hình 1.2. Mối hàn bị nứt.
Hình 1.3. Vết nứt trên móc cầu.

11
11

Hình 1.4. Khuyết tật trong vật rắn gây tai nạn cho phƣơng tiện giao thông.
Hình 1.5. Kiểm tra phá hủy mối hàn với phƣơng pháp từ uốn.
Hình 1.6. Làm sạch bề mặt đối tƣợng.

11
13
14

Hình 1.7. Dùng chất thẩm thấu lên bề mặt đã làm sạch.

14

Hình 1.8. Loại bỏ chất thẩm thấu thừa trên bề mặt.

15

Hình 1.9. Áp dụng chất hiện lên bề mặt.
Hình 1.10. Hình ảnh thực tế của phƣơng pháp thẩm thấu sử dụng bột huỳnh
quang.
Hình 1.11. Nguyên lý phát hiện vết nứt trong phƣơng pháp kiểm tra bằng từ
tính.
Hình 1.12. Nguyên lý phƣơng pháp dòng điện xoáy.
Hình 1.13. Phát hiện vết nứt mối hàn nhờ kiểm tra bằng dòng điện xoáy.

Hình 1.14. Dịch chuyển phần tử trong sóng nén.

15

Hình 1.15. Dịch chuyển phần tử trong sóng bề mặt.
Hình 1.16. Phản xạ của sóng siêu âm ở bề mặt phân cách.
Hình 1.17. Kiểm tra siêu âm trên vỏ tàu.
Hình 2.1. Thiết bị kiểm tra sơ khai với thiết bị Krautkramer.
Hình 2.2. Bốn máy dò lỗ hổng khuyết tật của Đức trong những năm 1950.
Hình 2.3. Máy dò khuyết tật trong vật rắn hiện đại.
Hình 2.4. Các thành phần cơ bản trong thiết bị dò khuyết tật.
Hình 2.5. Hệ thống hiển thị khuyết tật về màn hình.
Hình 2.6. Hiệu ứng áp điện.

25
25
31
35
36
37
38
41
42

Hình 2.7. Quá trình biến đổi xảy ra trong đầu dò.
Hình 2.8. Cấu tạo của đầu dò.
Hình 2.9. Một số cáp nối hay đƣợc sử dụng.
Hình 2.10. Sơ đồ khối hệ thống.
Hình 2.11. Khối nguồn 5V.
Hình 2.12. Khối nguồn 12V.

43
44
45
46
49
49

HV: Vũ Thị Hằng

5

16
17
18
18
23

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng


Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

Hình 2.13. Mạch phát sóng siêu âm.
Hình 2.14. Xung phát ra từ vi điều khiển.

50
50

Hình 2.15. Sơ đồ nguyên lý khối thu siêu âm.
Hình 2.16. Điện áp đầu ra mạch thu sóng siêu âm.

51
51

Hình 2.17. Mạch lọc tích cực thông cao.

52

Hình 2.18. IC7805.
Hình 2.19. Sơ đồ các chân của vi xử lý.

53
54

Hình 2.20. IC TL082CN.
Hình 2.21. IC LM311.

54
55

Hình 2.22. Sơ đồ các chân IC LM311.
Hình 2.23. Cảm biến siêu âm.
Hình 2.24. Lƣu đồ thuật toán.

55
56
56

Hình 2.25. Cảm biến siêu âm
Hình 2.26. Lƣu đồ thuật toán
Hình 3.1. Hai đầu dò thu, phát tín hiệu sóng âm.
Hình 3.2. Mạch in sau khi hoàn thành.
Hình 3.3. LCD hiển thị và kết nối đầu dò.
Hình 3.4. Thử nghiệm máy dò siêu âm trong nƣớc.

57
58
60
60
61
61

Hình 3.5. Kiểm tra đầu dò trong nƣớc.

62

Hình 3.6. Kết quả hiển thị trên máy Osilloscope.
Hình 3.7. Mô phỏng thí nghiệm
Hình 3.8. Thí nghiệm giữa đầu dò và nƣớc
Hình 3.9. Các điểm đo sử dụng osiloscope
Hình 3.10. Kết quả hiển thị trên LCD
Hình 3.11. Tín hiệu xung phát gửi đến đầu phát sóng siêu âm.

62
63
63
64

64
65

Hình 3.12. Hai đợt xung phát liên tiếp từ vi xử lý
Hình 3.13. Điện áp thu đƣợc từ đầu ra của cảm biến
Hình 3.14. Giá trị biên độ điện áp từ đầu ra của biến siêu âm.
Hình 3.15. Đồ thị điện áp sau khi qua mạch khuếch đại.
Hình 3.16. Xung vuông đƣa vào chân ngắt vi xử lý.
Hình 3.17. Sóng điện áp khi có vật cản
Hình 3.18. Thực hiện thí nghiệm
Hình 3.19. Đồ thị điện áp đầu ra cảm biến

66
66
67
67
68
68
69
69

HV: Vũ Thị Hằng

6

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng


Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Phổ của sóng siêu âm.

21

Bảng 2.1. Khối vi xử lý.

47

Bảng 2.2. Khối phát sóng siêu âm.

47

Bảng 2.3. Khối thu sóng siêu âm.

48

Bảng 2.4. Khối nguồn.

48

HV: Vũ Thị Hằng

7

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng

Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Khuyết tật vật thể rắn không những hình thành trƣớc và trong quá trình sản xuất
sản phẩm mà còn xuất hiện trong thời gian sử dụng sản phẩm đó. Việc phát hiện và
đánh giá các khuyết tật trong vật thể, từ đó có phƣơng án để sửa chữa hoặc thay thế
luôn là yếu tố quan trọng để một sản phẩm khẳng định chất lƣợng. Đã có rất nhiều
các ứng dụng để phát hiện ra khuyết tật đó. Do đó luận văn của tôi tập trung nghiên
cứu về phát hiện khuyết tật vật thể rắn bằng phƣơng pháp siêu âm. Mục tiêu ban
đầu đặt ra là thiết kế máy phát hiện khuyết tật sử dụng sóng siêu âm. Tuy nhiên luận
văn chỉ dừng ở mức độ nghiên cứu tổng quan. Do khó khăn về cảm biến nên chỉ thử
nghiệm ở môi trƣờng nƣớc.

2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu: Trong khuôn khổ của luận văn, tác giả sẽ đi vào tìm hiểu
nghiên cứu, phát hiện khuyết tật vật thể rắn bằng phƣơng pháp siêu âm tuy nhiên do
trong quá trình làm đồ án còn khó khăn về phòng thí nghiệm, đầu dò nên chỉ dừng
lại ở phƣơng pháp siêu âm trong nƣớc.
Đối tƣợng nghiên cứu: Các bất liên tục hay khuyết tật của vật thể.
Phạm vi nghiên cứu gồm: Tìm hiểu lý thuyết về các khuyết tật vật thể rắn và các
phƣơng pháp phát hiện đƣợc chúng. Thiết kế mạch thu phát sóng siêu âm với tần số
30kHz có khả năng phát hiện đƣợc vật thể lạ trong nƣớc tƣơng đƣơng với khuyết tật
trong vật rắn.

3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu các tài liệu sách kỹ thuật và trên mạng internet về
các vấn đề có liên quan tới đề tài.

Phƣơng pháp mô phỏng: Ứng dụng phần mềm vẽ mạch altium và sau đó làm mạch
thực để kiểm nghiệm.

HV: Vũ Thị Hằng

8

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng


Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

4. Các luận điểm cơ bản và đóng góp của luận văn
Những luận điểm, vấn đề chính tác giả đã nghiên cứu trong phạm vi luận văn:
- Các khuyết tật vật thể rắn.
- Các phƣơng pháp phát hiện khuyết tật vật rắn.
- Phƣơng pháp siêu âm phát hiện khuyết tật vật rắn.
- Thiết kế máy dò khuyết tật sử dụng sóng siêu âm.

5. Cấu trúc luận văn
Chƣơng 1. Tổng quan về các phƣơng pháp phát hiện khuyết tật vật thể rắn
1.1. Khái niệm về khuyết tật vật thể rắn
1.2. Ảnh hƣởng của khuyết tật vật thể rắn
1.3. Ý nghĩa của việc phát hiện khuyết tật vật thể rắn
1.4. Phân loại phƣơng pháp phát hiện khuyết tật vật thể rắn
1.5. Phƣơng pháp phát hiện khuyết tật vật thể rắn bằng siêu âm
Chƣơng 2. Thiết kế máy dò khuyết tật sử dụng sóng siêu âm
2.1. Lịch sử hình thành máy dò khuyết tật

2.2. Cấu tạo máy dò khuyết tật trong vật rắn thực tế
2.3. Thiết kế, chế tạo thử nghiệm mạch thu phát siêu âm
2.4. Thiết kế phần mềm
2.5. Kết luận
Chƣơng 3. Kết quả thực nghiệm
3.1. Kết quả thiết kế mạch
3.2. Kết quả thử nghiệm máy dò siêu âm trong nƣớc

HV: Vũ Thị Hằng

9

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng


Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

CHƢƠNG I. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÁT HIỆN
KHUYẾT TẬT VẬT THỂ RẮN
1.1. Khái niệm khuyết tật vật thể rắn
Tất cả các vật thể rắn nhất là vật liệu kim loại đều có thể xuất hiện các khuyết
tật, cả trên bề mặt lẫn trong thể tích vật thể. Một số khuyết tật đã sẵn có ngay khi
hình thành phôi nhƣng cũng có dạng khuyết tật đƣợc hình thành khi chịu tác dụng
của tải trọng (đập, nghiền) chúng bị biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo làm cho
mạng các khuyết tật phát triển và lan rộng, tạo ra các khuyết tật mới và ngày càng
lan rộng trong thể tích vật thể. Các khuyết tật cấu trúc này nhƣ đã thấy trong lý
thuyết vi cấu trúc sẽ làm giảm đáng kể độ bền liên kết của vật liệu so với trạng thái
lý thuyết từ đó dẫn đến phá hủy chi tiết, ảnh hƣởng tới tuổi thọ của thiết bị.

Một số dạng khuyết tật phổ biến nhƣ:
- Khuyết tật sẵn có, xuất hiện trong quá trình hình thành cơ bản của chi tiết
kiểm tra.
- Khuyết tật gia công, hình thành trong các công đoạn nhƣ cắt gọt hoặc hàn.
- Khuyết tật trong khai thác, hình thành trong quá trình sử dụng.
Một ví dụ rất phổ biến trong kết cấu mối hàn có thể tồn tại một số dạng khuyết
tật nhƣ: nứt, không thấu, không ngấu, ngậm xỉ, rỗ khí. Tất cả những khyết tật này sẽ
ít nhiều ảnh hƣởng tới chất lƣợng sản phẩm và tùy theo việc đánh giá theo tiêu
chuẩn về mức độ nghiêm trọng. Sản phẩm sẽ bị loại hoặc đem ra sửa chữa.
Một số hình ảnh khuyết tật trong mối hàn nhƣ hình 1.1, 1.2 và 1.3.

Hình 1.1. Mối hàn bị rỗ khí.
HV: Vũ Thị Hằng

10

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng


Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

Hình 1.1. Mối hàn bị nứt.
Hay trên các chi tiết chịu tải trọng lớn xuất hiện các vết nứt nguy hiểm

Hình 1.3.Vết nứt trên móc cẩu.
1.2.Ảnh hƣởng của khuyết tật trong vật thể
Một số ví dụ về mức độ nghiêm trọng do khuyết tật gây ra nhƣ hình 1.4.

Hình1.4. Khuyết tật trong vật rắn gây tạn nạn cho phƣơng
tiện giao thông.
Nó có thể phá vỡ một phần hay toàn bộ kết cấu của một chi tiết từ đó phá hỏng
hệ thống máy móc, thiết bị. Nếu không phát hiện kịp thời nó sẽ phá hỏng một phần
hoặc toàn bộ kết cấu máy móc, thiết bị, kiện hàng hay nguy hiểm hơn là đe dọa tới
tính mạng của ngƣời vận hành, ngƣời ở trong thiết bị, phƣơng tiện đó.

HV: Vũ Thị Hằng

11

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng


Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

1.3. Ý nghĩa của việc phát hiện khuyết tật vật thể rắn
Trong chế tạo, khi áp dụng kiểm tra không phá hủy, ta có thể dễ dàng phát hiện
những khuyết tật, qua đó có thể loại bỏ, sửa chữa các sản phẩm, hoặc dự đoán tuổi
thọ nhằm tiệt kiệm chi phí, sửa chữa, khắc phục đƣợc những sai sót nguy hiểm
không đáng có.
Kiểm tra phát hiện khuyết tật cũng đƣợc sử dụng rộng rãi để đánh giá độ vẹn
toàn của các sản phẩm, công trình công nghiệp đang hoạt động. Nhờ sớm phát hiện
đƣợc các hỏng hóc, kịp thời thay thế khắc phục, nên ta có thể tiết kiệm đƣợc chi phí
sửa chữa, tránh đƣợc các thảm họa có thể xảy ra. Việc nghiên cứu các dạng khuyết
tật còn là công cụ quan trọng trong nghiên cứu chế tạo vật liệu mới, tối ƣu hóa các
quy trình sản xuất, quy trình kiểm tra an toàn thông qua các thử nghiệm, phát hiện
các sai sót trong thiết kế, vật liệu, sản phẩm. Nó là công cụ quan trọng để giảm giá

thành, nâng cao sức cạnh tranh của các doanh nghiệp chế tạo, sản xuất.
Mục đích của việc dò khuyết tật đối với công trình, thiết bị nhằm đánh giá tính
chất vật liệu trƣớc khi chúng bị hƣ hỏng, dựa vào các chỉ tiêu kỹ thuật quy định
đƣợc công nhận hoặc biến dạng suy biến xác định qua nhiều năm, để bảo đảm đúng
chất lƣợng sản phẩm và tính năng làm việc của công trình, thiết bị, và cũng nhằm
khai thác hết khả năng của các kết cấu kỹ thuật. Hạn chế rủi ro hoặc các khuyết tật
nhằm tăng cƣờng tính toàn vẹn trong kinh doanh và tính an toàn trong xây lắp và
tiết kiệm chi phí.
1.4. Phân loại phƣơng pháp phát hiện khuyết tật
a. Phƣơng pháp phá hủy
Khái niệm: Là phƣơng pháp dùng lực bên ngoài tác động vào gây ra sự phá vỡ
vật thể và sau đó sản phẩm không có khả năng sử dụng lại nhƣ kiểm tra kéo nén,
thử uốn, thử phá gẫy, cắt phá. Nó phù hợp với các sản phẩm chế tạo hàng loạt và
hạn chế với số lƣợng sản phẩm ít.
Một số phƣơng pháp kiểm tra phá hủy nhƣ: thử kéo ngang, thử kéo dai va đập,
thử kéo kim loại đắp, thử độ cứng, thử uốn, thử phá gẫy,.. ví dụ nhƣ hình 1.5 với
việc kiểm tra mối hàn bằng phƣơng pháp tử uốn.
HV: Vũ Thị Hằng

12

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng


Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

Hình1.5. Kiểm tra phá hủy mối hàn với phƣơng pháp tử uốn.
Ƣu điểm của các phƣơng pháp là cho kết quả kiểm tra trực quan, dễ nhìn, dễ

phát hiện và đƣa ra các báo cáo thực tế. Không đòi hỏi ngƣời kiểm tra phải có tay
nghề và kinh nghiệm tuy nhiên nó có nhƣợc điểm là không phải sản phẩm nào cũng
có thể kiểm tra bằng phá hủy đƣợc nhƣ thân vỏ tầu chẳng hạn. Chỉ kiểm tra đƣợc
bằng xác suất với số lƣợng hạn chế và sản phẩm sau khi kiểm tra không có khả
năng tái sử dụng vì vậy làm ảnh hƣởng tới kinh tế và năng xuất. Chính vì vậy ngƣời
ta mới tiến hành đến việc phát hiện khuyết tật bằng phƣơng pháp không phá hủy.
b. Phƣơng pháp kiểm tra không phá hủy
Kiểm tra không phá hủy hay kiểm tra không tổn hại (Non-Destructive TestingNDT), hay còn gọi là đánh giá không phá hủy (Non-Destructive Evaluation-NDE),
kiểm định không phá hủy (Non-Destructive Inspection-NDI), hoặc dò khuyết tật là
việc sử dụng các phƣơng pháp vật lý để kiểm tra phát hiện các khuyết tật bên trong
hoặc ở bề mặt vật kiểm mà không làm tổn hại đến khả năng sử dụng của chúng.
Kiểm tra không phá hủy dùng để phát hiện các khuyết tật nhƣ vết nứt, rỗ khí, ngậm
xỉ, tách lớp, không ngấu, không thấu trong các mối hàn, kiểm tra ăn mòn của kim
loại, tách lớp của vật liệu composit, đo độ cứng của vật liệu, kiểm tra độ ẩm của bê
tông, đo bề dày vật liệu, xác định kích thƣớc và định vị cốt thép trong bê tông.
Kiểm tra không phá hủy gồm rất nhiều phƣơng pháp khác nhau, và thƣờng đƣợc
chia thành hai nhóm chính theo khả năng phát hiện khuyết tật của chúng.
HV: Vũ Thị Hằng

13

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng


Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

Các phƣơng pháp có khả năng phát hiện các khuyết tật nằm sâu bên trong (và
trên bề mặt) của đối tƣợng kiểm tra nhƣ phƣơng pháp chụp ảnh phóng xạ dùng film

(Radiographic Testing- RT), hay phƣơng pháp chụp ảnh phóng xạ kỹ thuật số
(Digital Radiographic Testing- DR hoặc phƣơng pháp kiểm tra siêu âm (Ultrasonic
Testing- UT).Các phƣơng pháp có khả năng phát hiện khuyết tật bề mặt (và gần bề
mặt) nhƣ phƣơng pháp kiểm tra thẩm thấu chất lỏng (Liquid Penetrant Testing- PT)
hay phƣơng pháp kiểm tra bột từ (Magnetic Particle Testing- MT).
Phương pháp thẩm thấu
Là phƣơng pháp lâu đời và thông dụng vào loại bậc nhất trong số các phƣơng
pháp kiểm tra không phá hủy thƣờng dùng. Phƣơng pháp này có khả năng phát hiện
và định vị các khuyết tật bề mặt hoặc các khuyết tật thông ra trên bề mặt của vật
liệu nhƣ vết nứt, rỗ khí, nếp gấp, tách lớp của các loại vật liệu không xốp.
Các bƣớc của phƣơng pháp thẩm thấu:
- Làm sạch bề mặt của đối tƣợng kiểm tra nhƣ hình 1.6

Hình 1.6. Làm sạch bề mặt đối tƣợng.
- Áp dụng chất thẩm thấu lên bề mặt đã làm sạch và chờ một thời gian cho
chất thẩm thấu ngấm vào các gián đoạn bề mặt hoặc hở ra bề mặt nhƣ hình 1.7

Hình 1.7. Dùng chất thẩm thấu lên bề mặt đã làm sạch.

HV: Vũ Thị Hằng

14

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng


Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

- Loại bỏ chất thẩm thấu thừa trên bề mặt sao cho các chất thẩm thấu ở các
gián đoạn không bị mất đi nhƣ hình 1.8

Hình 1.8. Loại bỏ chất thẩm thấu thừa trên bề mặt.
- Áp dụng chất hiện lên bề mặt để chất hiện kéo chất thẩm thấu trong các gián
đoạn lên bề mặt tạo thành các chỉ thị gián đoạn nhƣ hình 1.9.

Hình 1.9. Áp dụng chất hiện lên bề mặt.
- Kiểm tra, đánh giá các khuyết tật trong điều kiện bình thƣờng
- Làm sạch bề mặt sau kiểm tra và nếu cần dùng chất chống ăn mòn để bảo vệ
vật kiểm tra
Ƣu điểm của phƣơng pháp thẩm thấu:
- Rất nhạy.
- Có thể áp dụng cho kim loại, phi kim, một số chất dẻo và thủy tinh.
- Có thể kiểm tra chi tiết nhỏ và hình dạng phức tạp.
- Không cần điện lƣới.
- Không đòi hỏi nhiều kinh nghiệm.
- Có thể kiểm tra cùng một lúc nhiều chi tiết khác nhau.
Hạn chế của phƣơng pháp:
- Chỉ phát hiện đƣợc các khuyết tật thông ra bề mặt
- Bƣớc chuẩn bị bề mặt là rất quan trọng.
- Thời gian kiểm tra kéo dài.
- Khá bẩn và bừa bộn.
HV: Vũ Thị Hằng

15

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng

Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

- Không áp dụng đƣợc cho các đối tƣợng có lớp sơn, phủ trên bề mặt
- Vấn đề ô nhiễm môi trƣờng với chất thải.
Đây là hình ảnh chụp đƣợc khi ngƣời kiểm tra sử dụng bột phát sáng xịt lên trên
bề mặt kiểm tra và đợi một lúc cho bột đó thấm ngƣợc vào vật liệu và dùng thiết bị
kiểm tra phát hiện ra sai hỏng nhƣ hình 1.10.

Hình 1.10. Hình ảnh thực tế của phƣơng pháp thẩm thấu sử dụng
bột huỳnh quang.
Phương pháp từ tính
Là một phƣơng pháp kiểm tra không phá hủy đơn giản có sự kết hợp của dò gỉ
thông lƣợng và trực quan. Dòng thông lƣợng trong một đối tƣợng đƣợc từ hóa bị rối
loạn cục bộ bởi sự tồn tại của các bất liên tục. Sau đó trƣờng rò rỉ có khả năng hút
các hạt vật liệu từ nhỏ tạo ra đƣờng nét hoặc chỉ thị của bất liên tục này nhƣ hình
1.11.
Các bƣớc của phƣơng pháp từ tính
- Từ hóa các bộ phận.
- Nếu có các khuyết tật gần hoặc trên bề mặt sẽ tạo ra trƣờng rò rỉ.
- Các hạt sắt khô ƣớt rắc lên bộ phận đã từ hóa.
- Các hạt từ bị hút và tụ lại sẽ tạo ra các chỉ thị.

HV: Vũ Thị Hằng

16

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng

Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

Hình1.11. Nguyên lý phát hiện vết nứt trong phƣơng pháp kiểm tra
bằng từ tính.
Ƣu điểm của phƣơng pháp:
- Có thể phát hiện một số khuyết tật gần bề mặt.
- Nhanh, dễ hiểu.
- Bƣớc làm sạch bề mặt không quan trọng nhƣ PT.
- Có thể kiểm tra qua lớp phủ.
- Thiết bị rẻ, nồi đồng cối đá.
- Phƣơng pháp kiểm tra trực tiếp.
Hạn chế của phƣơng pháp:
- Chỉ kiểm tra đƣợc vật liệu sắt từ.
- Mỗi vùng cần tiến hành kiểm tra theo 2 hƣớng (vuông góc với nhau).
- Cần phải khử từ sau kiểm tra.
- Các vật có hình dạng phức tạp khó kiểm tra.
- Không thể kiểm tra nhiều sản phẩm một lúc.
- Có thể gây hƣ hại cho vật kiểm tra .
Phương pháp dòng điện xoáy
Là phƣơng pháp bề mặt, chỉ phát hiện đựợc các khuyết tật bề mặt và gần bề mặt
trong vật liệu dẫn điện và dựa trên hiệu ứng về cảm ứng điện từ hình 1.12

HV: Vũ Thị Hằng

17

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng

Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

Hình 1.12. Nguyên lý phƣơng pháp dòng điện xoáy
Các bƣớc của phƣơng pháp dòng điện xoáy.
- Dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây tạo ra từ trƣờng biến thiên (sơ cấp).
- Đƣa cuộn dây vào gần vật liệu kiểm tra (dẫn điện), từ trƣờng sơ cấp tạo dòng
điện xoáy trong vật kiểm tra.
- Dòng điện xoáy tạo ra từ trƣờng của riêng nó (thứ cấp), và từ trƣờng biến
thiên này cũng tạo nên dòng điện (thứ cấp) chạy trong cuộn dây có hƣớng ngƣợc
với dòng điện xoay chiều nhƣ hình 1.13.
- Sự tồn tại bất liên tục ảnh hƣởng đến độ lớn của dòng điện xoáy và qua đó
ảnh hƣởng đến từ trƣờng thứ cấp và dòng điện thứ cấp. Phƣơng pháp này phù hợp
với việc phát hiện các vết nứt bề mặt, nhƣng cũng đƣợc sử dụng để đo độ dẫn điện
và chiều dày lớp sơn phủ.

Hình 1.13. Phát hiện vết nứt mối hàn hay đinh tán nhờ kiểm tra bằng
dòng điện xoáy.
HV: Vũ Thị Hằng

18

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng


Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

Ƣu điểm của phƣơng pháp:
- Có khả năng phát hiện đƣợc các bất liên tục bề mặt và gần bề mặt của vật
liệu dẫn điện.
- Kiểm tra đƣợc các điều kiện bề mặt khác: đo chiều dày lớp sơn phủ mạ phủ,
kiểm tra độ cứng.
- chế độ xử lý nhiệt, đo chiều dày kim loại dƣới lớp bảo vệ.
- Cho kết quả tức thời.
- Dễ tự động hóa.
- Là phƣơng pháp an toàn cho cả ngƣời sử dụng và vật liệu kiểm tra.
Hạn chế của phƣơng pháp:
- Chỉ áp dụng đƣợc cho vật liệu dẫn điện.
- Khả năng kiểm tra kim loại sắt từ bị hạn chế
- Không phát hiện đƣợc các bất liên tục nằm sâu bên trong
- Đòi hỏi kỹ năng và kinh nghiệm của nhân viên kiểm tra.
Phương pháp chụp ảnh phóng xạ
Kiểm tra không phá hủy bằng phƣơng pháp chụp ảnh phóng xạ là phƣơng pháp
sử dụng tia bức xạ chiếu qua mẫu vật cần kiểm tra với khả năng xuyên thấu đủ lớn
để xuyên qua đƣợc toàn bộ chiều dày mẫu vật. Một phần bức xạ bị hấp thụ, phần
còn lại sẽ đi qua mẫu vật, lƣợng hấp thụ và lƣợng đi qua phụ thuộc theo chiều dày
của mẫu vật. Sự chênh lệch về chiều dày khi có khuyết tật bên trong sẽ ảnh hƣởng
đến sự hấp thụ và xuyên qua tạo nên các ảnh ẩn trên phim của phƣơng pháp chụp,
xử lý các phim này để thu đƣợc ảnh nhìn thấy đƣợc để giải đoán các khuyết tật của
vật kiểm tra nếu có. Nguồn bức xạ thƣờng đƣợc sử dụng là nguồn gamma hoặc máy
phát tia X.
Các lỗi có thể phát hiện ra:
Không gian rỗng do co ngót khi đông cứng, rỗ khí, nứt, cháy cạnh, kênh khí,
ngậm xỉ và tạp chất rắn (Đồng hoặc Wolfram), không ngấu, hàn không ngấu, lỗi về
hình dạng hình học, bắn tóe hàn.

Ƣu điểm của phƣơng pháp:
HV: Vũ Thị Hằng

19

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng


Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

- Kiểm tra bức xạ có thể thực hiện với bất cứ loại vật liệu nào và không có
ngoại lệ.
- Là phƣơng pháp kiểm tra rất đúng (độ tin cậy cao) và có khả năng tái tạo, sao
chép lại.
- Có thể lƣu trữ hồ sơ hình ảnh lâu dài trong các điều kiện bảo quản nhất định.
Nhƣợc điểm của phƣơng pháp:
- Tất cả các trang thiết bị phải đƣợc các cơ quan có thầm quyền cấp phép, chấp
nhận và quản lý.
- Đảm bảo an toàn bức xạ nên cô lập không gian rộng khi thực hiện công việc.
- Chỉ đƣợc phép thực hiện khi tuân thủ nghiêm ngặt các điều kiện an toàn
phóng xạ đối với con ngƣời.
- Thời gian thực hiện kéo dài với độ dày thành lớn, thời gian chiếu tia kéo dài.
- Khó thực hiện khi đối tƣợng kiểm tra có chiều dày thành khác nhau.
- Là phƣơng pháp kiểm tra phức tạp và các thiết bị hầu nhƣ rất lớn và nặng.
1.5. Phƣơng pháp kiểm tra khuyết tật bằng siêu âm.
a. Đ nh nghĩa.
Siêu âm là tên gọi đƣợc sử dụng cho các sóng âm có tần số trên dải tần tai
ngƣời nghe đƣợc, tức là vƣợt quá 20 kHz (1Hz = 1 chu kỳ/giây). Các tần số siêu âm

tiêu biểu đƣợc sử dụng trong kỹ thuật kiểm tra siêu âm đƣợc chỉ ra ở bảng sau.
b. Bản chất của siêu âm.
Sóng âm là dao động cơ học lan truyền trong các chất rắn, lỏng và khí ở dạng
sóng. Nếu trong một môi trƣờng có sóng âm lan truyền là yên tĩnh và đồng nhất thì
các sóng âm sẽ truyền theo đƣờng thẳng. Ở nhiệt độ xác định, tốc độ truyền sóng là
hằng số đối với mỗi vật liệu bất kỳ cho trƣớc. Tác động của nhiệt độ lên tốc độ sóng
âm là không đáng kể trong dải nhiệt độ từ -100 tới 800C. Sự thay đổi của nhiệt độ có
ảnh hƣởng mạnh hơn đối với tốc độ âm trong các chất dẻo ( nhƣ Perspex), các chất
lỏng và các chất khí.
Các sóng âm bị khúc xạ, phản xạ tại biên giới giữa các vật liệu có các đặc tính
về âm khác nhau. Định luật vật lý đƣợc áp dụng cho sự phản xạ và khúc xạ của
HV: Vũ Thị Hằng

20

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng


Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

sóng ánh sáng cũng đƣợc áp dụng cho sóng âm. Các sóng âm và sóng ánh sáng có
thể là đối tƣợng trong các hiện tƣợng giao thoa làm cho nó mạnh lên hoặc bị giảm
đi. Sự nhiễu xạ của các sóng âm cũng giống nhƣ là của các sóng ánh sáng.
c. Các đại lƣợng của sóng âm.
Dao động sóng siêu âm sở hữu những tính chất tƣơng tự nhƣ sóng ánh sáng. Ví
dụ, chúng có thể phản xạ, hội tụ và khúc xạ. Sự dao dộng của hạt ở tần số cao của
sóng âm lan truyền trong chi tiết đặc đồng nhất trong cùng cách thức nhƣ chùm tia
ánh sáng đƣợc định hƣớng có thể đi qua khoảng không trong trẻo. Chùm tia âm

phản xạ (hoàn toàn hoặc từng phần) ở bất cứ bề mặt tác dụng nhƣ ranh giới giữa chi
tiết và khí, chất lỏng hoặc các loại chất khác.
Tần số.
Tất cả các sóng âm dao động với tần số riêng biệt, hoặc là số các dao động hay
chu kỳ trong một giây. Con ngƣời có thể nghe đƣợc các âm thanh có tần số cao nhất
khoảng 20,000 chu kỳ trên giây (20 KHz), trong khi phần lớn các ứng dụng về phát
hiện khuyết tật đƣợc thực hiện với tần số nằm trong dải từ 500,000 đến 10,000,000
chu kỳ trên giây (500 KHz to 10 MHz). Ở các tần số trong dải megahertz, năng
lƣợng âm không truyền đƣợc tốt qua không khí hoặc các khí ga khác, nhƣng nó
truyền hiệu quả qua phần lớn các chất lỏng và các vật liệu kỹ thuật (Bảng 1.1).
Bảng 1.1. Phổ của sóng siêu âm.
Âm

SIÊU ÂM
Kiểm tra các vật đúc và rèn
Kiểm tra mối hàn
Kiểm tra độ dày
Kiểm tra
độ dày của
vật liệu mỏng

10Hz

20kHz

HV: Vũ Thị Hằng

0.5MHz 1MHz

21

2MHz

5MHz

10MHz

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng


Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

Đơn vị :Hertz
1Hz = 1 dao động/giây.
1KHz = 1 000 Hz.
1MHz = 1 000KHz= 1 000 000 Hz

.

Phƣơng pháp siêu âm phát hiện khuyết tật có thể kiểm tra đƣợc tần số từ
0,2MHz đến 26,5MHz.Và phát hiện đƣợc khuyết tật trên bề mặt kim loại nhƣ sắt,
thép, nhôm. Với độ sâu từ 0,1mm đến 10m
Vận tốc.
Vận tốc cuả sóng âm là khoảng cách mà sóng lan truyền đƣợc qua vật liệu trong
một giây. Tốc độ là đại lƣợng đặc trƣng của vật liệu và đƣợc xác định bởi mật độ và
các hằng số đàn hồi của nó. Tần số của sóng âm thƣờng đƣợc biểu diễn bằng m/s.
Bước sóng.
Là độ dài sóng lan truyền đƣợc sau khoảng thời gian một chu kỳ T. Kí hiệu .

Trong kỹ thuật dùng siêu âm để phát hiện khuyết tật, thông thƣờng giới hạn dƣới
của khuyết tật nhỏ đƣợc chấp nhận là một nửa bƣớc sóng. Nhỏ hơn nữa sẽ không
phát hiện đƣợc. Trong kỹ thuật đo chiều dày bằng siêu âm, về lý thuyết chiều dày
nhỏ nhất có thể đo đƣợc là một bƣớc sóng .
Mối quan hệ cơ bản của các đại lƣợng
= v.T

v =/T

;

f = 1/T

;

v =.f

λ = bƣớc sóng.
c = vậntốc âm.
f = tần số.
Âm trở.
Là sự cản trở của môi trƣờng đối với sự truyền qua của sóng âm. Âm trở Z của
bất kỳ vật liệu nào có thể đƣợc tính bằng cách nhân tỷ trọng của vật liệu ρ với vận
tốc V qua vật liệu:
Z = V. Ρ.
HV: Vũ Thị Hằng

22

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng

Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

Âm áp.
Là một khái niệm mô tả các ứng suất (lực) tuần hoàn tác dụng trong vật liệu khi
có sự lan truyền sóng âm, đƣợc xác định:
P = Z .a
Z - âm trở
a - biên độ dao động của hạt
Cường độ âm.
Là sự truyền năng lƣợng cơ học gây bởi sóng âm qua một đơn vị diện tích
vuông góc với hƣớng truyền sóng:
I=

hay I =

(1.1)

Trong đó
I - là cƣờng độ.

; P - là âm áp.

Z - âm trở.

; a - biên độ dao động của hạt.

d. Các loại sóng và các dạng truyền sóng.
Các sóng truyền trong chất rắn có thể tồn tại ở các dạng sóng khác nhau đƣợc
định nghĩa bằng dạng chuyển động liên quan. Sóng dọc và sóng ngang là những
dạng đƣợc sử dụng nhiều nhất trong kỹ thuật phát hiện khuyết tật bằng siêu âm.
Các dạng truyền sóng thì phụ thuộc vào bản chất của vật liệu, các sóng âm có
thể lan truyền trong vật liệu ở các dạng lan truyền khác nhau. Các chất rắn đàn hồi
nhƣ kim loại thì có 4 loại lan truyền sóng: đó là các loại sóng nén, sóng trƣợt, sóng
bề mặt và sóng lamb. Trong các chất lỏng và khí (và một vài chất rắn nhƣ perspex)
thì chỉ bao gồm sóng nén do các thông số đàn hồi của chúng nhỏ. Mỗi dạng lan
truyền sóng đƣợc đặc trƣng bởi hƣớng dịch chuyển của các phần tử so với hƣớng
lan truyền của sóng.
Các sóng nén (Các sóng dọc hay chùm thẳng)
Sự dịch chuyển của các hạt là song song với hƣớng lan truyền. Các sóng nén có
thể vƣợt qua các khoảng cách rất xa trong các chất rắn, chất lỏng và khí. Chúng

HV: Vũ Thị Hằng

23

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng


Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

đƣợc sử dụng trong kiểm tra không phá hủy để kiểm tra các sản phẩm kim loại, gốm
và thậm trí cả bê tông.(Hình 1.14).

Hình 1.14. Dịch chuyển phần tử trong sóng nén.

Việc sử dụng một dạng đặc biệt của sóng nén là sóng “creeping”. Các sóng
“creeping” đơn thuần chỉ là các sóng nén đƣợc phát ra theo cách thức nào đó để
sóng lan truyền rất gần và hầu nhƣ song song với bề mặt kiểm tra. Các sóng
creeping hiện nay đƣợc sử dụng rộng rãi để kiểm tra các khuyết tật ngấu gần bề mặt
trong các mối hàn khe hở hẹp.
Nếu các sóng nén đƣợc truyền vào trong vật liệu tấm mỏng thì hiện tƣợng cộng
hƣởng mạnh sẽ xuất hiện khi độ dầy của tấm bằng bội số của một nửa bƣớc sóng.
Hiện tƣợng này đƣợc sử dụng để đo rất chính xác độ dầy của các tấm mỏng.
Các sóng trƣợt.
Dịch chuyển phần tử trong sóng trƣợt là ngang với sự lan truyền sóng. Các sóng
trƣợt chỉ có trong các vật liệu có các thông số đàn hồi đồng nhất, tức là bao gồm
hầu hết nhƣng không phải là tất cả các kim loại và hợp kim. Tốc độ của sóng trƣợt
trong chất rắn cho trƣớc bất kỳ là nhỏ hơn tốc độ của sóng nén trong cùng vật liệu.
Các sóng trƣợt đƣợc sử dụng để kiểm tra các thép ferrit và các vật liệu khác có cấu
trúc hạt mịn đồng nhất. Chúng có thể sử dụng để kiểm tra hầu hết các dạng sản
phẩm của các kim loại đó. Chúng có thể lan truyền một khoảng cách khá xa với các
điều kiện âm học thích hợp. Các sóng trƣợt đƣợc sử dụng rộng rãi nhất để kiểm tra
các mối hàn trong sản phẩm rèn và cán của thép ferrit.
Các sóng mặt (còn gọi là sóng Rayleigh).
Trong các sóng mặt, dịch chuyển phần tử có dạng hình elíp, hệ quả của dịch
chuyển của sóng trƣợt biến dạng. Các sóng mặt lan truyền dọc theo bề mặt và chỉ
xuyên sâu khoảng một bƣớc sóng. Tốc độ của sóng mặt vào khoảng 80-90% tốc độ
HV: Vũ Thị Hằng

24

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng


Viện Điện

Trường ĐHBK Hà Nội

của sóng trƣợt. Các sóng mặt chịu ảnh hƣởng mạnh tình trạng bề mặt của các vật
kiểm tra. Chúng đƣợc sử dụng để kiểm tra các cấu kiện có bề mặt rất nhẵn nhƣ các
phần cấu trúc của máy bay. Do chúng lan truyền theo bề mặt của vật liệu cho nên
chúng có thể đƣợc sử dụng để kiểm tra các khuyết tật nhƣ vết nứt mỏi của các góc
cua. Đôi khi chúng đƣợc sử dụng để kiểm tra lại những nơi mà không thể tiếp cận
đƣợc đối với phƣơng pháp dòng xoáy và chất lỏng thẩm thấu. (Hình 1.15)

Hình 1.15. Dịch chuyển phần tử trong sóng bề mặt.
Các sóng Lamb (các sóng tấm).
Các sóng Lamb là một dạng của sóng nén với sự dịch chuyển phần tử phức tạp.
Chúng lan truyền trong các tấm kim loại mỏng có độ dầy cỡ một bƣớc sóng. Tốc độ
của sóng Lamb phụ thuộc vào độ dày của tấm và tần số sóng đƣợc phát ra. Các sóng
Lamb đƣợc sử dụng để dò tìm các khuyết tật loại tách lớp gần bề mặt.
e. Biểu hiện của sóng siêu âm tại bề mặt phân cách
Khi sóng tới thẳng góc, sóng phản xạ và sóng truyền qua mô tả nhƣ hình 1.16.

Hình 1.16. Phản xạ của sóng siêu âm ở bề mặt phân cách.
Lúc đó hệ số phản xạ và hệ số truyền qua đƣợc tính nhƣ sau:
HV: Vũ Thị Hằng

25

GV hƣớng dẫn: PGS-TS Hoàng Sĩ Hồng