Đ PHẠM NGỌC NGUYÊN, PHẠM KHẮC HÙNG 670.425 ٠h 104 Ng P H Ư H PHÁP KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY KIM LOẠI NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT ٠ ٠ 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 DẦU Như thấy khoa học kỹ thuật ngày phát triển mạnh dại Vì chi tiết máy phải có chất lượng cao mà trước tiên độ bền cliUng Thêm vào dó thiết bị phải làm việc diều kiện khắc nghiệt Da phần chi tiết phải chịu trọng tải lớn, nhiệt độ cao thay dổi dột ngột, chịu tác dụng mồi trương xâm thực mạnh, chênh lệch áp suất lớn phOng xạ Ѵ Ѵ Dể chế tạo chi tiết cần có loại vật liệu kim loại 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 sử dụng chUng ta cần phải tiến hành kiểm tra chất lượng cùa chi tiết dó phương pháp dại Khuyết tật kim loại dạng khác nhmg nguyên nhân chủ yếu dẫn dến phá huỷ máy móc Vì độ bền clii tiết giảm chUng bị hư hỏng sau thời gian làm việc Dể dảm bảo an toàn tinh kinh tế việc kiểm tra chất lượng chi tiết, thành phẩm, bán thành phẩm trinh chế tạo sử dụng có ý nghĩa dặc biệt quan trọng Bời thế, từ lầu ngành thăm dò khuyết tật dược trọng phát trỉển khơng ngừng Việc phát khuyết tật khOng thể thiếu nhiều linh vực, dặc biệt công nghiệp chế tạo máy ô tô, tàu hoả, tàu thuỷ, máy bay, tên lửa, vệ tinh nhàn tạo, tàu vũ trụ Ѵ.Ѵ Cơ sơ cùa phương pháp vật lý dể kiểm tra khOng phá huỷ (NDT) nghiên cứu thay dổi dặc tinh vật lý vật liệu cách xác định không holin hảo cấu trUc phát có mặt khuyết tật Các phương pháp dều dựa so sánh dặc tinh vật lý vật liệu kiểm tra nliững tiết diện khác Khi dó tiết diện khOng có khuyết tật dược coi vật mẫu Sự nghiên cứu hoàn thiện phương pháp kiểm tra khOng phá huỷ kim loại, tim kiếm thiết bị chuyên dUng, cách kiểm tra sản phẩm xác định dược gọi chung "Khoa dò khuyết tật cùa vật liệu" Khoa dò khuyết tật vật liệu gồm phương pháp chinh sau: 1) Phương pháp quang học 2) Phương pháp rơnghen gamma, 3) Phương pháp siêu âm, 4) Phương pháp từ, 5) Phương pháp dòng xoáy, 6) Phương pháp mao dẫn, số phương pháp khác Giáo trình “Phương pháp kiểm tra không phá hủy kim loại” trình bày số phương pháp kiểm tra không phá hủy quan trọng, phổ biến để thăm dò khuyết tật kim loại sử dụng số trường đại học, sở nghiên cứu nhà máy nước ta Cuốn sách gồm hai phần: Phần I - Thăm dò khuyết tật siêu âm âm, Phần II - Phương pháp từ số phương pháp khác “Phương pháp kiểm tra không phá hủy kim loại” biên soạn trước hết cho sinh viên đại học nãm cuối, cán nghiên cứu làm việc ngành vật lý, luyện kim, khoa học vật liệu, chế tạo máy, nhiệt điện, giao thông vận tải ngành liên quan Đây tài liệu tham khảo cho học viên cao học, nghiên cứu sinh bạn đọc muốn tìm hiểu sử dụng phương pháp kiểm tra không phá hủy Cuốn sách viết sở giáo trình Thăm dò khuyết tật kim loại lưu hành nội tác giả đồng nghiệp sử dụng để giảng dạy cho sinh viên ngành vật lý trường Đại học Bách khoa Hà Nội nhiều năm Trong lần xuất chỉnh lý bổ sung, có sử dụng sô' tư liệu nghiên cứu ứng dụng kinh nghiệm thực tế tác giả Chúng xin chân thành cảm ơn GS Vũ Đình Cự, TS Trần Văn Quỳnh góp ý quý giá số tài liệu tham khảo cho trình biên soạn Chúng mong nhận góp ý bạn đọc thiếu sót khó tránh khỏi sách Các tác giả PHƯƠNG phAp Ké m t r a k h Gn g p h A h ủ y k im l o i MỤC LỤC Lời nóỉ dầu Chương 1.1 1.2 1.3 Khuyết tật chi tỉê't máy khả nâng phát híện chUng Khuyết tật kim loại phát sinh sản xuất sử dụng chi tiết máy 1.1.1 Định nghĩa khuyết tật 1.1.2 Phần loại khuyết tật 1.1.3 Các loại khuyết tật trinh h'mh thành Các phương pháp kiểm tra khOng phá hủy Những yếu tố định lựa chọn phương pháp kiểm tra 1.3.1 Vật liệu chi tiết 1.3.2 C^u trUc (hlnh dạng kích thước) chi tiết 1.3.3 Trạng thái bề mặt 1.3.4 Dặc trưng khuyết tật (hlnh dạng, kích thước vị tri phàn bố khuyết tật) 1.3.5 Diều kiện kiểm tra 1.3.6 Các tỉêu kinh tế-kỹ thuật 13 13 14 14 15 25 30 31 31 36 36 37 38 PHẦNI THÀM DÒ KHUYẾT TẬT BẰNG SIÊU ÂM VÀ ÂM Chương 2.1 2.2 Cơ sở vật lý phương pháp thâm dò khuyết tạt bàng sỉêu âm Khái niệm siêu ầm Tenx biến dạng 43 43 43 46 MỤC LỤC 2.3 2.4 2.5 2.6 Tenxơ ứng suất Định luật Hooke Biến dạng đồng Sóng đàn hồi môi trường đẳng hướng 2٦.6.1 ^ ' Vận tốc sóng âm vật rắn 2.6.2 Sự truyền sóng siêu âm qua phân giới hai môi trường 2.6.3 Tính định hướng sóng siêu âm 2.6.4 Sự hấp thụ âm môi trường rắn 48 49 51 55 56 59 69 69 Chương 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 thuận 3.2.2 Hiệu ứng áp điện ngược 3.2.3 Bản thạch anh 3.2.4 Titanat bari 73 73 76 76 79 81 82 Chương Phương pháp siêu âm xung 4.1 Phương trình phương pháp siêu âm xung 4.1.1 Nguyên tắc phương pháp 4.1.2 Phương trình phương pháp siêư âm xung Sơ đồ máy dò khuyết tật siêu âm xung ■ 4.2 Đầu dò vùng chết 4.3 4.3.1 Đầu dò 4.3.2 Vùng chết 84 84 84 101 Chương Phương pháp bóng âm 5.1 Cơ sở vật lý 5.2 Phương pháp kiểm tra 107 107 108 Chương Tìm khuyết tật môi hàn siêu âm 6.1 Mẫu chuẩn 6.2 Chọn thông số kiểm tra siêu âm 112 112 85 95 97 97 114 PHƯƠNG PHÁP KIÊM TRA KHÔNG PHÁ HỦY KIM LOẠI 6.3 Đánh giá chất lượng mối hàn 120 Chương Phương pháp cộng hưởng 7.1 Cơ sở vật lý 7.2 Thiết bị phương pháp kiểm tra 123 123 125 Chương Phương pháp trở kháng dao động tự 8.1 Cơ sở vật lý phương pháp trở kháng, thiết bị phương pháp kiểm tra 8.2 Cơ sở phương pháp dao động tự do, thiết bị phương pháp kiểm tra 129 129 Chương Một sô ứng dụng khác siêu âm 9.1 Gia công học vật liệu rắn giòn 9.2 Hàn 9.3 Làm 9.4 Hoàn thiện cấu trúc kim loại hợp kim 9.5 Siêu âm y học 134 134 136 137 137 138 132 PHẪN II PHƯƠNG PHÁP TỪ VÀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP KHÁC 140 Chương 10 Phương pháp tu 10.1 Phương pháp bột từ 10.1.1 Từ trường phân tán khuyết tật, tính chất hạt nhũ tương sắt từ trường phân tán 10.1.2 Các phương pháp từ hóa 10.1.3 Bột lừ, nhũ tương từ bột nhão 10.1.4 Khử từ máy dò khuyết tật 10.1.5 Độ nhạy phương pháp 10.1.6 lliiếl bị dò khuyết tật từ công nghiệp 10.1.7 Kiểm tra mối hàn 10.2 Phương pháp điện từ 140 140 140 146 149 155 162 165 167 168 M Ụ C ‫ ا‬٧c 10.2.1 10.2.2 Phương pháp dò từ trường phân tán nhờ lõi sát Phương pháp ghi từ Chương 11 11.1 11.2 Phương pháp dòng xoáy (Phương pháp điện cảm ứng) Đặc điểm chung phương pháp Thiết bị kiểm tra phương pháp dòng xoáy 168 174 178 178 182 Chương 12 Phương pháp mao dẫn 12.1 Cơ sở phương pháp mao dẫn 12.2 Phương pháp phát quang 12.2.1 Phương pháp hấp phụ 12.2.2 Phương pháp khuếch tán 12.2.3 Chất lỏng phát quang 12.3 Phương pháp nhuộm 12.4 Thiết bị kiểm tra phương pháp phát quang nhuộm 12.5 Kiểm tra tinh không thẩm thấu cùa mối hàn chỗ nối 12.5.1 Phương pháp dầu hỏa 12.5.2 Phương pháp chân không 195 198 198 201 Phụ lục Các ký hiệu sử dụng giáo trình 204 Phụ lục P2.1 Dơn vị cùa dại lượng vật lý chọn lọc p 2.2 Bội số ước số dơn vị P2.3 Một số hệ số chuyển dổi thOng dụng P2.4 Bước sóng nguồn xạ chọn lọc p 2.5 Chữ Hylạp thương dUng 206 207 207 208 208 Phụ lục3 Một số số vật lý 209 10 185 185 187 189 189 190 192 PHƯƠNG PHÁP KIỀM TRA KHÔNG PHÁ HỦY KIM LOẠI Phụ lục Một sô' từ viết tắt Tài liệu tham khảo 211 212 11 PHƯƠNG p h Ap k iế m t r a k h ô n g p h h ú y k im l o i CHƯƠNG KHUYẾT TẬT CHI TIẾT MÁY VÀ KHẢ NÂNG PHÁT HIỆN CHÚNG 1.1 Khuyết tật kim loại phát sinh sản xuất sử dụng chi tiết máy Tiến khoa học ngành chế tạo máy gắn liền với đời hàng loạt kết cấu, máy móc trang thiết bị chịu tải trọng lớn mà thành phần chúng phải làm việc điều kiện nhiệt độ cao, chịu tải tĩnh liên tục tải động thay đổi đáng kể, môi trưòing xâm thực thời tiết khắc nghiệt v.v Việc nâng cao chất lượng sản phẩm khí mà trước hết độ tin cậy chi tiết tổ máy liên quan mật thiết đến vấn đề nêu Độ tin cậy - tính chất sản phẩm đảm bảo chức cho, trì tiêu sử dụng giới hạn định khoảng thời gian yêu cầu Độ tin cẠy sản phẩm, theo tiêu chuẩn, tiêu tổng cộng bao hàm tiêu tính không trục trặc tính bền (tuổi thọ) sản phẩm Tính không trục trặc - tính chất sản phẩm đảm bảo cho khả làm việc khoảng thời gian phục vụ (hoặc thời hạn phục vụ) mà không buộc phải dừng Tính bền - tính chất sản phẩm bảo đảm khả làm việc đến trạng thái xác định ngừng thời gian cần thiết để bảo dưõing kỹ thuật sửa chữa Khái niệm độ tin cậy gắn với máy móc, đồng nghĩa với chi tiết cụm chi tiết máy, nhằm mục đích chi tiết cụm chi tiết tin cậý máy móc ،sẽ phục vụ an toàn 13 Chương 12 PHƯƠNG PHAP mao DAN Đến bơm chân không KhOng kh‫ا‬ Ap suất kh‫ ؛‬quyển H ình 12.13 Sơ đổ ihỉêì bị kiểm ‫؛‬ra tínli thẩm tỉiấu mối hàn phươìig pháp chân không: ỉ - áp kế, - chắn ba cửa, - nắp hộp chân không thuỷ ‫؛‬،’‫؛‬،/، h ầ cơ, ‫ ي‬- khung nhỏ, - cao su xốp, - bong bóng xà phòng, - lổ ÌÌỎ mối hàn Tuỳ thuộc vật phẩm kiểm tra hlnh dạng mốl hàn mà sử dụng hộp chãn không phẳng, tam giác, vòng cung hộp chãn khOng dược thiết kế dặc biệt Dể tạo chan khOng dUng bơm chan không học ffinh 12.13 sơ dồ kiểm tra mối hàn hộp chân khOng phẳng Khi quay khoá ba cửa phía trẽn hộp chan khOng từ vl tri X (xả khi) sang vị tri B (bơm) thl bơm chan khbng hút khỡng hộp tạo nên áp suất 600-640 mmHg nhimg khồng nhỏ 500 mmHg Khi dó hộp chan khồng xiết chặt vào phần mối hàn Do chênh lệch áp suất gỉữa hai phía mối hàn, khOng tham nhập vào hộp chan khOng mối hàn có chỗ hờ nơi có vết nứt xuyên qua, hàn khOng kin hlnh thành bong bóng xà phòng bền vững quan sát rõ qua mặt suốt (thi dụ thUy tinh hữu cơ) hộp chan khOng S u dẫ đánh dấu vị tri có khuyết tật phấn hay chl màu ta dặt khoá ba cửa vị tri X dể khồng lọt vào buồng, dồng thời cUng dể dóng dường dẫn dến bơm chan khOng Tiếp theo, lấy hộp chan khOng dặt vào vị tri kiểm tra khác Dể bảo dảm chắn kiểm tra toàn mối hàn hộp chan dặt chồng lên phần dâ kiểm tra đoạn khồng nhỏ 100 mm Kinh nghiệm cho thấy dối với 202 PHƯƠNG p h A p k iể m t r a k h n g p h A h ủ y k im l o i mối hàn đặc biệt dó doăng cao su bịt kin thi sử dụng dất nặn (khOng khô) dược bọc bao cao su mỏng bền dể dệm thêm vào chỗ hơ ٠ ٠ Đố‫ ؛‬với binh chứa khi, dường ống dẫn sản phẩm tương tự, thi dụ bếp gas, thi dễ dàng phát dược vị tri rò cách dơn giản quét nước xà phOng vào chỗ cần kiểm tra độ kin quan sát trực tiếp mà không cần thiết bị 203 PHƯƠNG PHAP KIẺM tra KHƠNG PHA h ủ y k im ‫ ا‬Ạ‫ا‬ Phụ lục CÁC KỶ HIỆU ٠UỢC SỬ DỤNG TRONG GIÁO TR I n H Bước sóng Ẳ Góc Chiều dày ‫ ﱂﺀ‬Góc tới Góc dinh ướt Chiểu sâu Công suất w Góc khối Cương độ sóng / Hệ số Diện tích s Hệ số Lame Díện áp e Hệ số phẩm chất Díện áp thứ cấp ẻì Hệ số phản xạ £ Hệ số Poisson Diện trường Dường kinh p a e Q A.B, c, kii ‫ه ﺀ‬ Ă,M ổ /· D, d Hệ số suy giảm (hấp thụ) - XL PRO and XI; PRO Plus Models ١ 20 ٠ [151 ٢١‫ ﺍ؟ ﺓﺃﻋﺔ\ﺃﺓﺍ>؟ \ﺓﺃﺓ\ﺃﺓ‬ ‫ ﺍ ﺍ‬1‫ ﺓﺍ' ﺍﺍ‬0‫ ' ﺍ ؛ ﺍﺍ‬examination o f weld Joiitts, E.version of DlNEN-1714-1997 [16[ Gersgan DA, Fridman VM Ultrazviikovaia tekhnologitsexkaia appratura, Energia, Moxkva, 1976 [171 G\É,o\ ١١‫ ﺩ‬A Otxenka kraxmtkh prottikaiiishikh ^«dkoxtei dlia txvet.toi defektoxkopii po iuxkoxtito-txvetnomi، koefitxentu vidimoxti, Defektoxkopiia, 1970, N o [18] Gurvits AK, Ermolov I.N Ultrazvukovoi kontrol xvarnih Tekhnika, Kiev, 1972.' [19] GxkVas AK lJUruzvukovaia Ukrtekhizdat, 1963 SVOV) defektoxkopiia xvartritkh xoedittettii, [ 20 ] Hocking NDT Ltd., UK Technical guide to single frequency eddy current itxstriiment witlt co‫ﺍﺍ‬dιιcti١‫ﺍ‬it‫ ﻹ‬atid coating tliickitess measuremeitt,^»^ [ 22 ] Imelik B et Vecdrine JC Les techniques pliysicques d ’etude des catalyseurs, 1988 Editions Technip - Paris [23] \ ١‫ ﺓﺍﺓﻣﺎﺃﺓﻝ‬I klerazrttsuiii'Sltie ixpittaniia как xredxtvo kontrolia kutsextva produkixii, Izd-vo xttindartov, Moxkva, 1972 [24] Japanese Industrial Standiird Methodfor ultrasonic examination for welds offei-rite Steel, JIS 3060-1994 [25] Khorbenko IG Ultrazvuk 1966 V masinoxtroenii, Masinoxtroenie, Moxkva, [26] Kittel Ch Introduction to Solid State Physics, John w ‫؛؛‬ey & ^ n s New York, Chi Chester, Brisbane, Toronto, Singapore, 1986 [27] Koriakin AV Liuininextxentnaia defektoxkopiia, Oborongiz, 1959 [28] Koshkin NI, Shirkevich MG Handbook of Elementary Physics, Mh Publishers, Moscow, 1977 213 PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY KIM LOẠI [29] Krautkromer H Ultrasonic testing o f materials, 4th edition, SpringerVerlag, 1990 [30] Landau LD, Lifsitx EM Teoria uprugoxti, Nauka, 1965 [3 j] MAGNAFLUX UK Catalogue, Magnetic particle inspection, Magnaflux M PI equipment, Magnaflux and Magnaglo magnetic inks and powders, 2004 [32] Matauschek J Einfulirung in die ultrachallteclinik, Veb Verlag Technik Berlin, 1957 [33] McKelver EW Stady Guide to Liquid Penetrant Method, American Society for Non-Destructive Testing, 1980 [34] McMaster RC Non-Destructive Testing Handbook, Penetrant Testing, ASNT, 1989 Edition, Liquid [35] Moore HD Materials and Processes for NDT Technology, American Society for Non-Destructive Testing, 1981 [36] NDT.net, Nondestructive Testing Database & Journal [3 ] Parametrics, USA Catalogue, Advanced digital ultrasonic fla w detector, 2004 [3 g] Parker Research Corp., Florida, USA Catalogue, Find defects electronically with the DA-400 Contour Probe [3 ] PROCEQ SA, Switzerland Ultrasonic instrument Testing concrete components by ultrasonics, 2004 [40] Peter J Shull Nondestructive Evaluation: Theory, Techniques, and Applications, Marcel Decker Inc., 2002 [41] Rasmussen JG Non-Destructive Testing, v.l6, No.3, 1958 [42] Reti P Nerazrusaiusliie metodu kontrolia metallov, Moxkva, 1972 [43] Rohn Truell Chalers Elbaum, Bruce B Chick Ultrasonic Methods m solid state physics Academic press New York and London, 1969 [44] Sebeko LP, Iakovlev AP Kontrol katsextva xvarnukh xoedinenii, Izd-wo Literaturu po xtroitenxtvu, Moxkva, 1972 [45] Smith W F Foundation o f Materials Science and Engineering, McG:a\w214 tAi lieu tham khAo Hil., New York, London, Singapore, Sydney, Tokyo, Toronto, 1993 [46] Sra.ber DX Defektoxkopia metallov, Oborogiz, 1959 [47] Sraiber DX Ultrazvukovaia defektoxkopia, Metallurgia, Moxkva, 1965 [48] Stork Materials Ttc\\no\ogy-l·londestnictive Testing, www.storksmt.com [49] The American Society of Mechanical Engineers ASME Boiler and pressure vessel code and internationally recognized code, 1995 [50] lire American Society for Nondestructive Testing Introduction to Nondestructive Testing, www.asnt.org [51 ] The American Society for Nondestructive Testing Nondestructive Testing Handbook, third edition, www.asnt.org [52] The British Institute of NDT Non-Destructive Testing Course, www.bindt.org [53] Vdovin lU A, i dr XtandarnUie obraztxu dlia nerazrusaiushego kontrolia, Defektoxkopiia, No.2, 1970 [54] Vubornov BI Ultrazvukovaia defektoxkopia, Metallurgia, Moxkva, 1974 [55] Werren P Masson Piezoelectric crystals and their application to ultrasonics New York, 1950 [56] Werren P Mason Physical acoustics Academic press New York and London, 1964 [57] V^’ikipedia-Nondestructive Testing, en.wikipedia.org 215 PGS.TS PHẠM NGỌC NGUYÊN, PGS.TSKH PHẠM KHẮC HÙNG Giáo trình PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY KIM LOAI Chịu trách nhiệm xuất TS Phạm Văn.Diỗn Biên tập Nguyễn Huy Tiến Lê Thanh Nga Trình bầy bìa Xuân Dũng NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 70 TRẦN HƯNG ĐẠO, HÀ NỘI In 500 khổ 16 X 24 Xưởng in NXB Văn hóa Dân tộc Sô' đãng ký kế hoạch xuất bản: 352-2009/CXB/06-40/KHKT, ngày 27/4/2009 Quyết định xuất bản: 164/QĐXB-NXBKHKT, ngày 21/5/2009 In xong nộp lưu chiểu tháng năm 2009