Đ

PHẠM NGỌC NGUYÊN, PHẠM KHẮC HÙNG

670.425

٠h 104 Ng

P H Ư ơ 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 chúng ta thấy khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển mạnh và hiện dại.
Vì thế các chi tiết máy phải có chất lượng cao mà trước tiên là độ bền của

cliUng. Thêm vào dó các thiết bị phải làm việc trong những diều kiện khắc
nghiệt. Da phần các chi tiết phải chịu trọng tải lớn, nhiệt độ cao và thay dổi
dột ngột, chịu tác dụng của mồi trương xâm thực mạnh, chênh lệch áp suất
lớn và phOng xạ Ѵ .Ѵ... Dể chế tạo những chi tiết như thế cần có loại vật liệu
kim loại và phi kim dặc biệt với độ bền cao, chju nhiệt tốt, không bị oxy
hoá. Dồng thời dể có độ tin cậy hoàn toàn trước khi sử dụng chUng ta cần
phải tiến hành kiểm tra chất lượng cùa các chi tiết dó bằng những phương
pháp hiện dại.
Khuyết tật trong kim loại dưới những dạng khác nhau là một trong nhmg
nguyên nhân chủ yếu dẫn dến sự phá huỷ máy móc. Vì vậy độ bền của các
clii tiết giảm và chUng bị hư hỏng sau một thời gian làm việc. Dể dảm bảo an
toàn và tinh kinh tế việc kiểm tra chất lượng các chi tiết, thành phẩm, bán
thành phẩm trong quá trinh chế tạo và sử dụng có một ý nghĩa dặc biệt quan
trọng. Bời thế, từ lầu ngành thăm dò khuyết tật rất dược chú trọng và phát
trỉển khơng ngừng. Việc phát hiện các khuyết tật là khOng thể thiếu trong
nhiều linh vực, dặc biệt là trong công nghiệp chế tạo máy như ô tô, tàu hoả,
tàu thuỷ, máy bay, tên lửa, vệ tinh nhàn tạo, tàu vũ trụ Ѵ.Ѵ...
Cơ sơ cùa các phương pháp vật lý dể kiểm tra khOng phá huỷ (NDT) là
nghiên cứu sự thay dổi các dặc tinh vật lý của vật liệu bằng cách xác định sự
không holin hảo về cấu trUc và phát hiện sự có mặt của khuyết tật. Các
phương pháp này dều dựa trên sự so sánh các dặc tinh vật lý của vật liệu
kiểm tra ờ nliững tiết diện khác nhau. Khi dó tiết diện khOng có khuyết tật sẽ
dược coi là vật mẫu.
Sự nghiên cứu và hoàn thiện các phương pháp kiểm tra khOng phá huỷ kim
loại, sự tim kiếm các thiết bị chuyên dUng, cách kiểm tra các sản phẩm xác
định dược gọi chung là "Khoa dò khuyết tật cùa vật liệu". Khoa dò khuyết
tật của vật liệu gồm các phương pháp chinh sau:
1) Phương pháp quang học.



2) Phương pháp rơnghen và gamma,
3) Phương pháp siêu âm,
4) Phương pháp từ,
5) Phương pháp dòng xoáy,
6) Phương pháp mao dẫn,
và một số phương pháp khác.
Giáo trình “Phương pháp kiểm tra không phá hủy kim loại” trình bày một số
phương pháp kiểm tra không phá hủy quan trọng, phổ biến để thăm dò
khuyết tật trong kim loại và đã được sử dụng trong một số trường đại học, cơ
sở nghiên cứu và nhà máy ở nước ta. Cuốn sách này gồm hai phần:
Phần I - Thăm dò khuyết tật bằng siêu âm và âm, Phần II - Phương pháp từ
và một số phương pháp khác.
“Phương pháp kiểm tra không phá hủy kim loại” được biên soạn trước hết
cho sinh viên đại học nãm cuối, cán bộ nghiên cứu và làm việc trong các
ngành vật lý, luyện kim, khoa học vật liệu, chế tạo máy, nhiệt điện, giao
thông vận tải và các ngành liên quan. Đây cũng là tài liệu tham khảo cho
học viên cao học, nghiên cứu sinh và bạn đọc muốn tìm hiểu và sử dụng các
phương pháp kiểm tra không phá hủy.
Cuốn sách này được viết trên cơ sở giáo trình Thăm dò khuyết tật trong kim
loại đã được lưu hành nội bộ và được tác giả cùng đồng nghiệp sử dụng để
giảng dạy cho sinh viên ngành vật lý trường Đại học Bách khoa Hà Nội
trong nhiều năm nay. Trong lần xuất bản này chúng tôi đã chỉnh lý và bổ sung,
trong đó có sử dụng một sô' tư liệu trong nghiên cứu ứng dụng và kinh nghiệm
thực tế của tác giả. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn GS. Vũ Đình Cự,
TS. Trần Văn Quỳnh vì những góp ý quý giá và một số tài liệu tham khảo
cho quá trình biên soạn. Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý của bạn đọc
về những thiếu sót khó tránh khỏi trong cuốn sách này.
Các tác giả



PHƯƠNG

phAp

Ké m

t r a k h Gn g p h A h ủ y k im l o ạ i

MỤC LỤC
Lời nóỉ dầu
Chương 1
1.1

1.2

1.3

Khuyết tật chi tỉê't máy và khả nâng phát híện
chUng
Khuyết tật kim loại phát sinh khi sản xuất và 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 và quá trinh h'mh thành
Các phương pháp kiểm tra khOng phá hủy cơ bản
Những yếu tố cơ bản quyết định sự lựa chọn phương
pháp kiểm tra
1.3.1 Vật liệu chi tiết
1.3.2 C^u trUc (hlnh dạng và kích thước) chi tiết
1.3.3 Trạng thái bề mặt

1.3.4 Dặc trưng khuyết tật (hlnh dạng, kích thước và vị
tri phàn bố của khuyết tật)
1.3.5 Diều kiện kiểm tra
1.3.6 Các chỉ 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
2.1
2.2

Cơ sở vật lý của phương pháp thâm dò khuyết tạt
bàng sỉêu âm
Khái niệm về 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 nhất
Sóng đàn hồi trong môi trường đẳng hướng
2٦.6.1
^ ' Vận tốc sóng âm trong vật rắn
2.6.2
Sự truyền sóng siêu âm qua phân giới hai môi
trường
2.6.3 Tính định hướng của sóng siêu âm
2.6.4 Sự hấp thụ âm trong môi trường rắn

48
49
51

55
56
59
69
69

Chương 3 Phương pháp tạo dao động siêu âm
3.1
Hiện tượng từ giảo
3.2
Phương pháp dùng hiệu ứng áp điện
3.2.1 Hiệu ứng áp điện 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 4 Phương pháp siêu âm xung
4.1
Phương trình cơ bản của phương pháp siêu âm xung
4.1.1 Nguyên tắc của phương pháp
4.1.2 Phương trình cơ bản của phương pháp siêư âm
xung

Sơ đồ của máy dò khuyết tật siêu âm xung
■ 4.2
Đầu dò và vùng chết
4.3
4.3.1 Đầu dò
4.3.2 Vùng chết

84
84
84

101

Chương 5 Phương pháp bóng âm
5.1
Cơ sở vật lý
5.2
Phương pháp kiểm tra

107
107
108

Chương 6 Tìm khuyết tật trong môi hàn bằng siêu âm
6.1
Mẫu chuẩn
6.2
Chọn các thông số kiểm tra siêu âm

112

112

8

85
95
97
97

114


PHƯƠNG PHÁP KIÊM TRA KHÔNG PHÁ HỦY KIM LOẠI

6.3

Đánh giá chất lượng mối hàn

120

Chương 7 Phương pháp cộng hưởng
7.1
Cơ sở vật lý
7.2
Thiết bị và phương pháp kiểm tra

123
123
125


Chương 8 Phương pháp trở kháng và dao động tự do
8.1
Cơ sở vật lý của phương pháp trở kháng, thiết bị và
phương pháp kiểm tra
8.2
Cơ sở của phương pháp dao động tự do, thiết bị và
phương pháp kiểm tra

129
129

Chương 9 Một sô ứng dụng khác của siêu âm
9.1
Gia công cơ học vật liệu rắn và giòn
9.2
Hàn
9.3
Làm sạch
9.4
Hoàn thiện cấu trúc của kim loại và hợp kim
9.5
Siêu âm trong 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 trên khuyết tật, tính chất
của các hạt nhũ tương sắt từ trong trường phân tán
10.1.2 Các phương pháp từ hóa
10.1.3 Bột lừ, nhũ tương từ và bột nhão
10.1.4 Khử từ trong máy dò khuyết tật
10.1.5 Độ nhạy của phương pháp
10.1.6 lliiếl bị dò khuyết tật từ trong 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 của phương pháp
Thiết bị kiểm tra bằng phương pháp dòng xoáy

168
174
178
178
182

Chương 12 Phương pháp mao dẫn
12.1 Cơ sở của 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 bằng phương pháp phát quang và
nhuộm
12.5 Kiểm tra tinh không thẩm thấu cùa mối hàn và chỗ nối
12.5.1 Phương pháp dầu hỏa
12.5.2 Phương pháp chân không

195
198
198
201

Phụ lục 1
Các ký hiệu được sử dụng trong giáo trình

204

Phụ lục 2
P2.1 Dơn vị cùa các dại lượng vật lý chọn lọc
p 2.2 Bội số và ước số của dơn vị
P2.3 Một số hệ số chuyển dổi thOng dụng
P2.4 Bước sóng của các nguồn bức xạ chọn lọc
p 2.5 Chữ cái Hylạp thương dUng

206
207
207
208

208

Phụ lục3
Một số hằng số vật lý

209

10

185
185
187
189
189
190
192


PHƯƠNG PHÁP KIỀM TRA KHÔNG PHÁ HỦY KIM LOẠI

Phụ lục 4
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 á h ú y k im l o ạ i

CHƯƠNG 1
KHUYẾT TẬT CHI TIẾT MÁY
VÀ KHẢ NÂNG PHÁT HIỆN CHÚNG
1.1 Khuyết tật kim loại phát sinh khi sản xuất và sử dụng chi tiết máy
Tiến bộ khoa học trong ngành chế tạo máy gắn liền với sự ra đời của hàng
loạt kết cấu, máy móc và trang thiết bị mới chịu tải trọng lớn mà các thành
phần của chúng phải làm việc trong các điều kiện nhiệt độ cao, chịu tải tĩnh
liên tục và tải động thay đổi đáng kể, môi trưòing xâm thực và thời tiết khắc
nghiệt v.v... Việc nâng cao chất lượng sản phẩm cơ khí mà trước hết là độ
tin cậy của chi tiết và tổ máy đều liên quan mật thiết đến những vấn đề nêu
trên.
Độ tin cậy - tính chất này của sản phẩm đảm bảo một chức năng đã cho, duy
trì chỉ tiêu sử dụng trong giới hạn đã định trong một khoảng thời gian yêu
cầu. Độ tin cẠy của sản phẩm, theo tiêu chuẩn, là chỉ tiêu tổng cộng bao hàm
chỉ tiêu tính không trục trặc và tính bền (tuổi thọ) của sản phẩm.
Tính không trục trặc - tính chất này của sản phẩm đảm bảo cho khả năng
làm việc trong một khoảng thời gian phục vụ nào đó (hoặc thời hạn phục vụ)
mà không buộc phải dừng.
Tính bền - tính chất này của sản phẩm bảo đảm khả năng làm việc đến một
trạng thái xác định và ngừng trong một thời gian cần thiết để bảo dưõing kỹ
thuật và sửa chữa.
Khái niệm độ tin cậy được gắn với máy móc, đồng nghĩa với chi tiết và cụm
chi tiết máy, nhằm mục đích các chi tiết và cụm chi tiết càng tin cậý thì máy
móc ،sẽ phục vụ càng an toàn.
13



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

Tính sử dụng của chi tiết, cũng như độ bền mỏi, độ bền nhiệt, tính chịu mòn,
chống gỉ, chống ma sát, chịu axit v.v... thực chất có ảnh hưởng đến chi tiêu
độ tin cậy của máy móc. Tính sử dụng cần thiết của kim loại được cung cấp
trong quá trình sản xuất căn cứ theo điều kiện làm việc của nó trong tương
lai và được xác định bởi thành phần hóa học, cấu trúc, các tính chất cơ lý,
cũng như các khuyết tật vật liệu chi tiết.
Quy trình công nghệ cao sẽ kéo theo tác động mạnh của nhiệt và lực. Sự vi
phạm về chế độ của quy trình công nghệ dẫn đến phát sinh các khuyết tật
trong sản phẩm: khi ấy các khuyết tật sinh ra không chỉ do sai sót, giả sử bởi
chế tạo sản phẩm, mà còn do trình độ tổ chức sản xuất thấp kém. Trong
trường hợp như vậy các thông số sản phẩm không đảm bảo và không được
kiểm tra sẽ ảnh hưởng đến độ tin cậy của sản phẩm.
1.1.1 Định nghĩa khuyết tật
Mọi sai lệch với phẩm chất bình thưcmg, làm xấu đi đặc tính phục vụ của
kim loại hay sản phẩm và làm kém phẩm chất thậm chí phải loại bỏ sản
phẩm đều gọi là khuyết tật.
Như vậy không phải bất kỳ khuyết tật nào của kim loại cũng là khuyết tật
của sản phẩm (chi tiết). Trong trưòmg hợp cụ thể, sự sai lệch khỏi cấu trúc
thuần nhất của kim loại không ảnh hưỏrng đến sự phục vụ của chi tiết thì
không cho đó là khuyết tật. Cũng cần lưu ý rằng sự sai lệch đối với loại chi
tiết này coi là khuyết tật, song đối với loại chi tiết khác điều đó không còn
đúng nữa.
1.1.2 Phân loại khuyết tật
Khuyết tật trong kim loại là muôn hình muôn vẻ. Tuy nhiên có thể chia
thành ba loại chính sau đây:
1) Khuyết tật địa phương (lỗ hổng, rỗ vỏ sò, rỗ hoa, nứt, tách lớp ...).
Khuyết tật địa phương định xứ trong một thé tích xác định, có thể là điểm,

đường, mặt và khối. Căn cứ theo vị trí của chúng có thể chia thành khuyết tật
ngoài (khuyết tật bề mặt và gần bề mặt) và khuyết tật trong (khuyết tật nằm
sâu bên trong).
2) Khuyết tật rải trong một vùng nhất định (thiên tích, vùng tôi luyện không
hoàn toàn, vùng phá huỷ ăn mòn ...).
14


PHƯƠNG PHÁP KIẾM^RAKHỔNGPHÁHỦYκ‫ا‬м 0‫ا‬Ạ‫ا‬
3) Khuyết tật rải khắp thổ tÍGÌ của sản phẩm hay khắp bề mặt (thành phần
hoả học kh،')ng dUng, sai !ộch cấu trúc, khOng tương ứng vớ‫ ؛‬chất lượng gia
cóng ...).
1.1.3 Các .،,ại khuyCt tật và quá trinh hình thành
Khuyết tật có thể hlnh thành trong các giai đoạn chế tạo sản phẩm khác nhau
- klii kết tinh và làm nguội kim loại trong quá trinh nấu luyện và dUc, khi gia
cOng áp lực, gia công nliíệt và diện hóa, cũng như gia cóng cơ theo phương
pháp cắt gọt và mài, khi hàn Ѵ Ѵ Những khuyết tật như thế dược gọi là
khuyết tật sản xuất - công ngliệ. Các khuyết tật này khác nhau về bản chất
phát sinh, kích thước, hlnli dạng ١
'à phân bố trong kim loại. Loại nguy hiểm
nhất là các khuyết tật thô dại và tế vi phá hủy tinh liên tục hoặc độ dồng nhất
của kim loại.
.

. . .

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

KhuyCt tật nà'u luyện và đúc

KluìiìỊị tươnịị Ifng tliâiilì phần hóa học d ã cho xuất hiện do saỉ sót khi tinh

toán liệu 10, thực hiện nấu luyện khOng chuẩn xác hoặc cháy hOng thành
pliần liợp kim. Sai lệcli thành phần hóa học dẫn dến sự thay dổi dặc tinh làm
việc cùa hợp kim. KliOng thổ sử tlụng vật liệu như thế dể chế tạo sản pliẩm
mong muốn.
Ngíhn p h i kim (xí và íhn(](' hàn) pliát sinh do sự vi phạm cOng nghệ nấu

luy‫ ؟‬n. Loi،‫ ؛‬khuyOl tật n٤١y có liình dạng khOng xác dinh và phân bố ờ các vị
tri kliilc nliau trong vật dUc. Klii gia cOng áp lực chUng biến dạng theo hướng
tliO S(J‫؛‬, làm cliia Idcli bổ !nặt kim loại.
Khuyết đúc liìnli thành trong kim loại do sự V‫ ؛‬phạm quy trinh rót khuOn

(ngắt quẫng dOng lia, kim lo‫؛‬.ii nguộỉ
oxit giữa các hụt k‫!؛‬n lt١
;.٠
,i co sở.

Ѵ .Ѵ ...) .

Khuyết dUc chinh là lớp mỏng

Rỗ co ng(')i xuất liỉện ílo nguOn vật dUc khOng dầy đủ trong quá trinh kết

tinh. Kê't quil là các lỗ liổng lítn hlnh dạng bất kỳ, doi khi có bề mặt oxy hóa,
liìnli thành 0 phần trẽn cUng của thOi dUc. Trong một số trương hợp các rỗ co
ngOi phản bố dọc theo trục lliOi dUc hầu như suốt chiều dài của nó. Rỗ co
ngOt sẽ là nguyCn nhân của độ dày dặc khOng dều của sản phẩm trong tương
lai. Klíí gia cOng áp lực cliUng khOng gắn liền lại dược. L ỗ xốp hoặc độ rỗng
15



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

chính là sự tụ tập địa phương của rỗ co ngót nhỏ và đôi khi cực nhỏ. Phần
thỏi đúc có rỗ co ngót cần phải loại bỏ.
Rỗ khí và bọt khí phát sinh khi kết tinh do sự thoát khí hòa tan trong kim loại
khi nấu luyện. Đó là các lỗ trong hay ngoài vật đúc chứa khí, chứa toàn bộ
hoặc từng phần cát khuôn hay xỉ, có thể dưới dạng tổ ong, một nhóm hay cá
biệt. Các khuyết tật này có thể phân tán hầu như trong toàn bộ thể tích thỏi
đúc. Khi gia công áp lực các bọt khí trong lõi được hàn vá - bị nén. Khi nung
nóng các bọt khí nén có thể phồng lên và lộ ra ở bề mặt.
Thiên tích - tính không đồng nhất về thành phần hóa học của h(;tp kim trong
các phần thể tích khác nhau của thỏi đúc. Khuyết tật này không vi phạm tính
dày đặc của kim loại. Tuy nhiên độ bền của kim loại bị giảm trong vùng
không đồng đều thiên tích. Trong vùng này đôi khi quan sát thấy sai hỏng
kim loại.
Vết nín nóng xuất hiện trong quá trình kết tinh của hợp kim phức tạp. Tác
động của ứng suất co ngót và nhiệt độ đã dẫn đến sai hỏng kết tinh hợp kim;
khi ấy vết “nứt nóng” giữa các tinh thể với bề mặt oxy hóa mạnh đã hình
thành.
Vết nứt nguội phát sinh trong thỏi đúc sau khi kết thúc quá trình đóng cứng.
Tác động của ứng suất co ngót và nhiệt ở nhiệt độ tương đối thấp, khi mà
tính dẻo của hợp kim chưa đủ, đã dẫn đến sự sai hỏng vật đúc; khi ấy sự kết
tinh đã tạo nên vết “nứt nguội” với bề mặt không oxy hóa màu sáng. Xác
suất tạo thành các vết nứt như thế còn cao hơn đối với chi tiết và hợp kim
hợp kim hóa cao, tính dẻo thấp, độ dẫn nhiệt kém và chứa thành phần cấu
trúc với khối lượng riêng và hệ số dãn nở tuyến tính khác nhau.
Khuyết tật gia công áp lực
Khuyết tật bề mặt và bên tromị, đín gãy xuất hiện khi ép (rèn, dát) do ứng

suất lớn trong kim loại khi biến dạng. Khi gia công áp lực, kim loại chịu tải
trọng và làm nguội không đều đã dẫn đến phát sinh ứng suất nhiệt và dãn
trong và tạo thành đứt gãy và nứt trong.
Tách lớp xuất hiện khi gia công áp lực vật đúc chứa rỗ co ngót hoặc lỗ xốp.
Tách lớp - phá hủy độ dày đặc bên trong, định hướng theo thớ dạng sợi.
Vết rạn là kết quả của sự biến dạng ngậm phi kim và bọt khí. Những khuyết
tật này có dạng nét gạch mảnh song song với chiều dài khác nhau dọc theo
hướng biến dạng, phân bố trên bề mật và ở lớp dưới bề mặt kim loại.
16


PHƯƠNG PHẢP KIÉM TRA KHÔNG PHẢ HỦY KIM

‫ ﻫﺎ‬٨ ‫ا‬

Rèn t(')p miệng (ống), vết gãy, vết lõm, vết xước hình thành do trục cán dinh
h'lnh không quy chuẩn, các hạt rắn roi ti'ên dầu búa, khuOn dập, trục cán,
khuôn dưới hoặc dụng cụ rèn ống. Những khuyết tật này chinh là các sai
hỏng ٧ề độ dày dặc trên bề mặt phoi, thâm nhập ở độ sâu khOng lớn.
Đốm trắng (tật thép thỏi) thường thấy nhất trong các loại thép hợp kim vừa
và chứa cacbon trung binh kill hàm lượng hydro trong chUng tăng lên. Hidro
hOa tan trong thép lỏng khi nguội và dặc biệt khi chuyển pha có xu hướng
thoát ra ngoíii do độ hòa tan giảm dột ngột. Khi ấy nó lấp dầy các khoảng
trống và chuyển từ nguyên tử sang phân tử, áp suất tang mạnh và dẫn dến sai
hỏng giOn kim loại. Dốm trắng thường có trong vUng trung tâm của phoi rèn,
cán ở mặt cắt lớn và trong thỏi dUc. ChUng có dạng vết nứt mảnh uốn cong ở mặt gãy dO là dốm trOn ánh bạc trên phOng thường tối hơn. Trên các mẫu
tẩm thực chUng tliể hiện như nhtog vết nứt dạng sợi.
Khuyết tật gia cOng nhíệt và diện hóa
Quá nhiệt và đốt cháy phát sinh khi gia cOng nhiệt do khOng tuân theo nhiệt
độ dẫ định, thời gian giữ nhiệt, tốc độ nung và làm nguội chi tiết. Quá nhiệt

dẫn dến hlnh thành cấu trUc hạt lớn, tiết oxit và sunfua theo biên hạt (trong
thép). Dốt cháy không chỉ kích thích tạo hạt to mà còn làm nóng chảy biên
hạt và có thể phá hỏng kim loại trong tương lai.
Thoát cacboii trong kim loại xảy ra khi nung sản phẩm thép trong khOng khi
chứa hơi nước, khi cacbonat hoặc hydro. Khi dó cacbon cháy hoàn toàn
trong lớp bề mặt kim loại, dẫn dẻ'n làm giảm độ bền thép.
Tang cacbon trong kim loại quan

thấy khi nung sản phẩm thép trong
khOng khi thừa oxit cacbon. Điều ،10 ،lẫn dến băo hOa cacbon trong lớp mặt,
tăng độ giOn và xu hướng hlnh thành vết nứt.
Síít

Nítt hydro phát sinh trong kim loại do bẫo hòa hydro trong lớp mặt thép dưới
tác dụng cùa dung dlch kiềm (m‫؛‬.inh), axit và các dung dịch dặc biệt khi tẩm
thực axit và gia cOng diện hóa. Bão h،ba hydro làm giảm mạnh độ dẻo và dẫn
dến phá hủy giOn.
KhuyCt tật gia cổng cơ
Vết nin gia công ỉần chốt hlnh thành trên bề mặt kim loại trong các cOng
đoạn hoàn thiện. Vết nứt vi mô bề mặt này sẽ phát triển trong tương lai khi
chi tiết làm víệc có tải trọng (dặc biệt là khi tăng nhiệt độ).
17


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

Vết sém và nia mài xuất hiện kh‫ ؛‬lớp mật của sản phẩm thép bị nung nóng
dột ngột khi mài.. Khuyết tật chínli là phần diện tích tôi không lớn hoặc là
phần mạng lưới vết nứt mảnh trên bề mặt chi tiết. ChUng thường xuất hiện
trong các chi. tiết dược chế tạo từ các vật liệu với độ cứng cao.

Khuyết tật mốỉ nốỉ k‫؛‬m loạí
Khuyết tật kim loại mối hàn thương gặp ở mối nối do vi phạm chế độ hàn
hoặc chất lượirg vật liệu ban dầu kém. Vì khi hàn kim loại bị nóng chảy và
dOng rắn nên có thể phát sinh các loại khuyết tật trong kim loại nOng chảy
(lỗ rỗ, ngậm xỉ Ѵ .Ѵ ...). Ngoài ra, dưới tác dụng của nhiệt độ cao ở mối hàn và
vUng ảnh hường của nhiệt độ có thể phát sinh sự thay dổi kích thước hạt,
nung nOng, toi và ram kim loại co bản, vết nứt nóng và nguội. KhOng tuân
thủ chế độ hàn có thể dẫn dến hiện tượng chưa hàn.
Thiếu ngấu là sự thiếu liên tục giữa chi tiết hàn và vật liệu hàn, xuất hiện tại
mối hàn nối do độ sạch bề mặt hàn không đủ hoặc vi phạm chế độ nhiệt khi
hàn.
ị

Chica gắn kết quan sát dược ‫ ة‬mối liên kết vải son, vải dầu do làm sạch bề
mặt dán tồi hoặc vi phạm chế độ nhiệt khi dán.
Khuyết tật sản xuất - công nghệ làm giảm dặc tinh bền của klm loại và có
thể là nguyên nhàn hư hỏng và yếu kém của chi tiết khi sử dụng.
Thi dụ, hlnh 1.1 cho thâ'y sự phá hỏng phần dưới của xilanh chịu lực. Sai
hỏng xảy ra do chất lượng kim loại kém - trong vUng bị hỏng phát hiện thấy
sự tích tụ lớn ngậm phi kiiíi. Các kliuyết tật kliác thường gặp trong chi tiết là
khuyết tật kim loại bên trong của vật liệu dưới dạng tách lớp và vết gấp
(hlnh 1.2). Loại khuyết tật như thế là không cho phép dối với sin phẩm chịu
tải trọng lOn, vl nó là noi tập trung ứng suất.
Sự vi phạm chế độ diều chỉnh hàn khi sản xuất và sửa chữa chi tiết thép, sử
dụng vật liệu dể pha không dUng mác theo yêu cầu kỹ thuật, cQng có thể dẫn
dến phát sinh các vết nứt theo mối hàn hoặc hư hỏng chi tiết trong vUng mối
hàn (hlnh 1.3-1.5).
Khuyết tật kim loại có thể phát sinh cả trong các diều kiện sử dụng do sự
mài mòn vật lý và bảo quản máy móc không dUng kỹ thuật.
Sử dụng vật liệu da dạng dể chế tạo chi tiết và tổ hop máy, cQng như díều

kiện làm vỉệc khác nhau dẫn tOí kết quả là sự mài mơn vật lý của các phần tử
khác nhau trong kết cấu diễn ra không giống nhau. Một số chi tiết, cụm
1.8


PHƯƠNG PHAp

k iể m t r a

KH .N G

p h á h ủ y k im

l-OẠI

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

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

ch ‫ ؛‬tiết và tổ máy bị màỉ mòn mạnh trong quá trinh sử dụng và cần dược
thay thế hoặc phục hồi khi sửa chữa. Số khác bị mà‫ ؛‬mòn ít hơn và có thể sử
dụng trong một khoảng thời gian nhất dinh mà khOng cần sửa chữa. Ngoài
ra, các phần tử dặc biệt trong kết cấu trên thực tế khOng bị mài mòn trong
thơ‫ ؛‬gian dà‫؛‬.
Bởi vậy, các chi tiết máy trong quá trinh sử dụng mất dần tinh phục vụ của
chUng và dơi hỏi phả‫ ؛‬t‫؛‬ến hành k‫؛‬ểm tra và sửa chữa sau một giai đoạn vận
hành nhất định, trong dó vấn dề quan tâm đố ‫ ؛‬với chi t ‫؛‬ết, cụm ch ‫ ؛‬tiết và tổ
.máy là xác dinh tinh trạng kỹ thuật, thay thế hoặc phục hồi
Mức độ về tinh sử dụng của chi tiết, cụm chi tiết dảm bảo làm việc tin cậy
trong thiết bị theo yêu cầu kỹ thuật dược đánh giá trên cơ sờ tinh trạng kỹ

thuật. Trong quá trinh sử dụng, tinh trạng kỹ thuật khOng duy trl dược mãi
mà với sự tling thờ‫ ؛‬gian làm víệc và tác dộng của các yếu tố bên ngoài nó dã
19


Chương 1 KHUYÉT TẠT CHI TIÉT MÁY vA KHẢ NAn G PHAT

h iệ n c h ú n g

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

H ình 1.4 Nứt phát triển từ mối hàn.

20


PHƯƠNG PHÁP KIÉM TRA KHÔNG PHÁ HỦY KIM LOẠI

H ình L 5 Vết nứt ở biên giới mối hàn

bị suy yếu, khả năng làm việc của máy giảm do hư hỏng và mài mòn, độ tin
cậy của các phần tử kết cấu cũng kém điT
Mài mòn vật lý là hiện tượng bình thường, không thể tránh khỏi, luôn song
hành với sự sử dụng của bất kỳ loại máy nào. Giá trị và đặc trưng của mài
mòn vật lý được xác định bởi kết cấu rnáy, vật liệu'được sử dụng để làm
công nghệ sản xuất và các điều kiện sử dụng.
Dạng mài mòn vật lý phổ biến nhất của các thành phần kết cấu là mài mòn
cơ học. Nó phát sinh do sự tác động của lực ma sát lớn và tải trọng va đập
trong các chi tiết ghép nối, ãn khớp, có sự thay đổi tương đối so với nhau VỚI
tốc độ lớn hoặc nhỏ.

Mài mòn dọ gỉ trong chi tiết và tổ máy bởi tương tác hóa học và điện hóa
của kim loại với ١
môi trường bên ngoài đều liên quan đến mài mòn vật lý.
Trong quá trình sử dụng, gỉ có thổ phát sinh do tác dụng của không khí, của
chât lỏng công tác trong hệ thống và ảnh hưcíng của môi trường khí ở nhiêt
độ cao. Hình 1.6-1.8 mô tả các chi tiết bị hư hỏng do ăn mòn.
Anh hương đặc biệt nghiêm trọng của ăn mòn là khi tác động thưètng xuyên
tại trọng thay đổi lên chi tiết (độ mỏi do ăn mòn). Rõ ràng, trong các điều
kiện như vậy hư hỏng có thể xảy ra khi có ứng suất, đặc biệt là khi giới hạn
mỏi thấp. Hình 1.8 là cánh máy nén với vết nứt mỏi phát triển theo vết ẩn
mon, hinh 1.9 - phá hủy ăn mòn trong bulông, độ bền của nó giảm manh bởi
sự có mặt của vêt ãn mòn sâu trên bề mặt bulông.
21


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

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

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

22


PHƯƠNG PHÁP KIỀM TRA KHỔNG PHÁ HỦY KIM LOẠI

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

mòn và mầu mài đ ể soi hiển vi phần mép cánh với vết nứt mỏi phát
triển theo vết ăn mòn (h) (xlOQ).

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

Độ mỏi của vật liệu là một trong những dạng mài mòn vật lý. Nó là quá trình
thay đổi từ từ ỉdiả năng làm việc của chi tiết máy dưới tác động của tải trọng
biến đổi về giá trị và hướng. Độ mỏi biểu hiện dưới dạng vết nứt phát sinh
chính trong các chi tiết thử nghiệm ở điều kiện làm việc với tải trọng biến
thiên theo chu kỳ xoay chiều cực ngắn. Hầu như các vết nứt mỏi đều phát
sinh ở các vị trí tập trung ứng suất ' rãnh tròn, góc lượn (hlnh 1.10), vị trí
chuyển tiếp đột ngột, vết khắc sâu v.v... Sự phát sinh vết nứt mỏi đã thúc đẩy
hình thành độ không đồng đều cấu trúc của vật liệu, các góc nhọn giữa các
phần tử ghép nối chi tiết và hư hỏng địa phưcrng dưới dạng vết lõm, vết xước
v.v...
Thông thường vết nứt mỏi xuất hiện trên cánh turbin khí do tác động thường
xuyên ứng suất lớn, nhiệt độ cao và môi trường xâm thực, và có thể dẫn đến
phá hủy cánh turbin.
Tải trọng dao động, xuất hiện khi vận hành máy, đã dẫn đến xuất hiện nứt
mỏi trên ống dẫn của máy nén khí và nước, cánh máy nén trục tâm, trục dẫn
động của tổ máy (hình 1.11).
23


Chương 1 KHUYÉT TẠT CHI TIỂT MÁY VÀ KHẢ NANG

p h á t h iệ n c h ú n g

;> ‫ ؟ ؛‬٠, ’ ' v ‫؛‬.y


٠١ '‫؟ ؟‬.'■ ;^

H ình I. 10 Các vết ỈÌIÍI phát sinh tại vùng chuyển tiếp góc lượn của
tiết điểm chiu lưc.

H ìn h L I l Trục dẫn dộng của máy bơm nhiên liệu: a- phá hủy mỏi trên
trục; b - hình ảnh mặt gãy.

H ình 1.12 Dầm cố định của cánh máy bay với vết nứt mỏi à mép dầm

24


PHƯƠNG

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

Do bảo quản thiết bị với kỹ thuật không dUng, trên các chi tiết có thể xuất
hiện các khuyết tật dưới dạng vết lõm, vết xước, chỗ khuyết Ѵ .Ѵ ... Các
khuyết tật kiểu như vậy, như dã chỉ ra, dã góp phần hình thành vết nứt mỏi,
và trong hàng loạt trường hợp là nguyên nhân trực tiếp hlnh thành chUng. Sự
vi phạm quy tắc vận hành, thi dụ kỹ thuật lái máy bay (hạ cánh khOng nhẹ
nhàng), có thể dẫn dến sự biến dạng và làm hỏng phần tử nào dó của máy
bay (hlnh 1.12). Hạ cánh không êm trên nền dất máy bay có thể bị hỏng do
biến dạng mạnh hoặc thậm chi phá hủy phần tử nào dó (hình 1.13 vàl.l4).
Dôi khi trong sử dụng xuất hiện các khuyết tật do sai lầm, ví dụ do thiết kế
và tinh toán chi tiết. Các khuyết tật này phát sinh do xác định khOng chinh
xác về dung sai cho các chi tiết ghép khớp, lựa chọn khOng hctp lý hình dạng
chi tiết và bố tri chUng khOng thích hç^.
RO ràng, các khuyết tật dược khảo sát trên dây, không phụ thuộc nguồn gốc

phát sinh chUng, làm xấu di tinh trạng kỹ thuật cùa các phần tử kết cấu và có
thể dưa dến sự hư hỏng từ từ hoặc dột ngột trong quá trinh sử dụng, vận
hành. Diều dó chủ yếu làm giảm thời hạn sử dụng của máy, tuổi thọ và độ
tin cậy của nó.
Hoàn thành cẩn trọng kết cấu máy và các phần tử của nó, áp dụng quy trinh
công nghệ sản xuất hiện dại, tuân thủ nghiêm ngặt quy tắc sử dụng chinh là
con dương thực tế dể nãng cao cliất lượng sản phẩm của ngành co khi. Tuy
nhiên khOng thể thiếu việc ứng dụng rộng rãi các phương pháp kiểm tra chất
lượng sản phẩm và tổ hợp sản phẩm một cách hiệu quả trong 'các diều kiện
sản xuất và sử dụng, dặc biệt trong các trường họíp yêu cầu độ tin cậy cao
cho thiết bị ở dó hư hỏng chỉ của một chi 'tiết rất nhỏ cQng có thể dẫn dến sự
phá hủy toàn bộ dối tượng với hậu quả nghiêm trọng. Dương nhiên, việc
kiểm tra như thế chỉ có thể thực hiện bằng các phương pháp khOng phá hủy.
1.2 Các phương pháp kíểm tra khOng phá hủy cơ bản
Trong thực tế có một số phương pháp vật lý dược sử dụng rộng rãi dể kiểm
tra khOng phá hủy (NDT) chất lượng vật liệu. Những phương pháp này dựa
vào sự xuyên thấu của tia rơnghen và tia gamma, dao dộng ầm và siêu âm, từ
trường và diện trường, quang phổ, hiện tirçtng mao dẫn Ѵ .Ѵ ... Dưới dãy ta sẽ
khảo sát ngấn gọn một số phương pháp dó.
Phương pháp quang.nhln (DVT)
Phương pháp quang-nhln dựa trên sự phản xạ ánh sáng khác nhau từ bề mặt
khOng dồng nhất cùa sản phẩm kiểm tra. Các khuyết tật bề mặt có thể quan
25


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

H ình L I 3 Các thành phần của bánh xe máy bay: a ٠ phá hủy mỏi
ở mép của ốp vành bánh xe; b sai hỏng mỏi trên gờ vành; c - vùng
nứt mỏi trên vành (phần sáng).

-

26


PHƯƠNG

p h A p k iê m t r a k h ô n g p h A h ủ y k im l o ạ i

H ình 1.14 Phú hủy mỏi ỏ dầm chuyển hướng của chân chính hạ cánh
máy hay.

sát được bằng mắt hoặc bằng thiết bị quang học (OMe, VP...). Phương pháp
này được ứng dụng để quan sát bên ngoài các chi tiết trong tất cả các giai
đoạn chuẩn bị và sản xuất. Nó có mặt ở khắp mọi nơi song hạn chế về khả
năng ứng dụng. Hiện nay OVT chủ yếu được dùng để đo chiều sâu khuyết
tật (vết nứt tương đối lófn, ăn mòn, vết xước, vết lõm, biến dạng dư v.v...).
Phương pháp quang học (OM) cho phép nhanh chóng quan sát thấy các vùng
“nguy hiểm” trên bề mặt chi tiết, phát hiện được các khuyết tật nhỏ hơn khi
dùng phương pháp từ và ánh sáng. Bằng các thiết bị quang đặc biệt có thể
khảo sát được các tổ hỢp chi tiết và chi tiết nằm ở vị trí khó tiếp cận (bề mặt
trong của ống và bể chứa) hoặc trên khoảng cách xa đáng kể từ thao tác
viên, cũng như các chi tiết bị che khuất bởi các thành phần của công trình,
ư u điểm của phương pháp quan sát quang học và nhìn bằng mắt là đơn giản,
thực hiện không khó khăn và phức tạp. Tuy nhiên phương pháp quang-nhìn
có độ nhạy kém và vì vậy không hy vọng nhiều vào chúng.
Phương pháp phóng xạ (RT)
Phương pháp phóng xạ dựa trên cơ sở sự phụ thuộc của các thông số bức xạ,
vào sự có mặt hoặc không có mật khuyết tật khi các tia ion hóa (tia rơnghen - X,
gamma - Y và beta - p, dòng ncítron) tương tác với dối tượng kiểm tra. Những

tia phát xạ này xuyên qua lóp vật liệu có chiều dày đáng kể và tương tác với
các nguyên tử của nó và có thể cho nhiều thông tin về vật chất bên trong sản
phẩm, thí dụ sự có mặt của khuyết tật.
Phương pháp rơnghen được sử dụng rộng rãi nhất trong các phương pháp
thăm dò khuyết tật phóng xạ. Trong các xí nghiệp chế tạo máy nó được ứng
dụng rất hiệu quả để phát hiện khuyết tật bên trong các tấm, mối hàn nối, để
xác định vị trí tương đối của chi tiết trong các cấu trúc bị che khuất.
27


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

Phương pháp từ (MT.MPI)
Phương pháp từ dựa trên cơ sở đo từ trường phân tán trên khuyết tật. Nó
được sử dụng để phát hiện các khuyết tật bề mặt và dưới bề mặt trong các
phôi và sản phẩm với hình dạng khác nhau được chế tạo bằng vật liệu sắt từ.
Có một số phương pháp từ sau: bột từ, ghi từ, dò từ nhờ lõi sắt, cảm ứng từ
và một số phương pháp khác.
Ghi từ trường phân tán trên khuyết tật trong phương pháp bột từ được thực
hiện nhờ sự trợ giúp của bột sắt từ hoặc nhũ tương từ, trong phương pháp ghi
từ-nhờ băng sắt từ, và trong dò từ bằng lõi sắt-nhờ độ nhạy từ trường của
máy đầu dò lõi sắt.
Phương pháp bột từ được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy công nghiệp,
xí nghiệp lắp ráp và khai thác. Nhờ nó có thể tìm được các vết nứt bề mặt,
nứt vi mô, sợi, bông và khuyết tật khác.
Phương pháp ghi từ được sử dụng nhiều để kiểm tra mối hàn nối. Nó có thể
phát hiện được vết nứt, chưa hàn, ngậm xỉ, khí và các khuyết tạt khác trong
các mối hàn ống.
Phương pháp dò từ nhờ lõi sắt được sử dụng để tìm kiếm các khuyết tật như
trong phương pháp bột từ và các khuyết tật phân bố ở độ sâu tới 20 mm. Nhờ

nó có thể đo được chiều dày tấm và thành bình khi cho phép vào được từ hai
phía. Nó còn được sử dụng để kiểm tra đường ray trong các xí nghiệp.
Phương pháp dòng xoáy (ECT)
Phương pháp dòng xoáy dựa vào sự ghi phân bố dòng xoáy (dòng Poucault)
tạo nên bởi điện trường trong đối tượng kiểm tra. Nó được áp dụng để phát
hiện các khuyết tật bề mặt trong các phôi và các chi tiết vật liệu từ và phi từ.
Phương pháp này cho phép tìm được vết nứt trên các sản phẩm có hình dạng
khác nhau, có lớp phủ bảo vệ. Dựa trên cở sở phương pháp dòng xoáy người
ta chế tạo các máy đo chiều dày tấm và lớp phủ, đưcíng kính dây và thanh.
Nó được sử dụng nhiều trong các nhà máy công nghiệp và xí nghiệp lắp ráp.
Trong điều kiện hiện trường nó được sử dụng để kiểm tra đề phòng cho cánh
tuabin của máy phát động lực, mối hàn tấm và các kết cấu khác.
Phương pháp thẩm thấu (PT.LPT)
Cơ sở của phương pháp thẩm thấu chất lỏng để phát hiện khuyết tật là nhờ
hiện tượng mao dẫn, hút, khuếch tán, tương phản ánh sáng và màu sắc. Khi
kiểm tra bằng phương pháp này bề mặt sản phẩm được quét một lớp chất
28