Các Phương Pháp Kiểm Tra Vật Liệu Hiện Nay - Cửa Hàng Vật Tư™

1.Kiểm tra vật liệu

Kiểm tra vật liệu gồm ba nhiệm vụ: • Xác định tính công nghệ của vật liệu, thí dụ như độ bền, độ cứng và khả năng gia công. Nhờ đó người ta sẽ có được sự hướng dẫn cho việc sử dụng vật liệu. • Kiểm tra lại chi tiết đã hoàn tất thí dụ vết nứt hay sai sót trong xử lý nhiệt. Nhờ đó ngăn ngừa được việc sử dụng phôi có khuyết tật và sẽ gây hư hại. • Xác định nguyên nhân tổn hại nơi những chi tiết bị vỡ (Hình 1). Qua đó người ta sẽ lựa chọn vật liệu phù hợp hơn và tránh những tổn hại tương tự về sau.

 

2.Kiểm tra đặc tính gia công

Những phương pháp kiểm tra công nghệ sau đây làm nhiệm vụ xem xét tính năng của vật liệu hoặc bán thành phẩm cho một ứng dụng nhất định hoặc một phương pháp gia công (Hình 2):

 

Thử nghiệm uốn (kiểm tra uốn gập) dùng để kiểm tra khả năng biến dạng của vật liệu thanh và kiểm tra mối hàn. Mẫu thử được uốn cong trong một gá uốn cho đến khi vết nứt xuất hiện. Góc uốn khi vết nứt xuất hiện được đo và xem như là con số đo lường. Trường hợp không bị nứt, mẫu thử sẽ được uốn gập. Thử nghiệm uốn qua lại dùng để kiểm tra khả năng uốn nhiều lần của thép lá và thép băng. Mẫu thử được uốn qua lại trong khung uốn cho đến khi có vết nứt. Số lượng của lần uốn được xem như là con số đo lường. Thử nghiệm vuốt thúc sâu phương pháp Erichsen cung cấp chỉ số đánh giá (trị số tham khảo) cho khả năng vuốt thúc sâu của vật liệu lá. Độ sâu của vết ấn IE đến khi có vết nứt được dùng làm chỉ số. Thử nghiệm nén (rùn) kiểm tra khả năng ép nóng của vật liệu cho đinh tán và vít. Chúng không được nứt khi ép đến 1/3 chiều cao ban đầu. Thử nghiệm độ giãn kiểm tra sự thích ứng rèn (tính rèn) của thép. Một mẫu thử nghiệm phẳng  nung đỏ được rèn tay bằng đầu búa đến khi nở rộng bằng 1,5 chiều ngang. Trong khi thử nghiệm không được phát ra vết nứt. Kiểm tra đường hàn có nhiệm vụ đánh giá các mối hàn. Một mẫu thử mối hàn được kẹp trong bàn kẹp (ê tô) hay đập bằng búa cho đến khi gãy mối hàn. Cấu trúc tinh thể nơi gãy và có khi dùng cả khuyết tật hàn hiện có để đánh giá. 3.Kiểm tra cơ tính

Phương pháp kiểm tra với tải trọng va đập, nhanh hay đổi chiều được gọi là kiểm tra động, thí dụ như thử nghiệm uốn đập (mẫu) khía, kiểm tra độ bền mỏi và kiểm tra tải trọng vận hành của cấu kiện. Khi tải trọng được nâng cao từ từ hay được duy trì cố định, người ta gọi là kiểm tra tĩnh. Những phương pháp này gồm có thử nghiệm kéo, thử nghiệm ép, thử nghiệm cắt và kiểm tra độ cứng.

II Kiểm tra độ cứng theo vickers

1.Kiểm tra độ cứng theo Vickers Phương pháp kiểm tra độ cứng theo Vickers dùng một đầu thử hình khối tháp 4 cạnh bằng kim cương ấn vào mẫu với một lực kiểm tra F và đo đường chéo d của vết ấn khối tháp được phát sinh (Hình 1).

 

Đường chéo d được xác định bằng việc đo cả hai đường chéo d1 và d2 của vết ấn (Hình 1) và tính ra trị số trung bình: d = (d1+d2)/2. Độ cứng Vickers được tính từ lực kiểm tra F (đơn vị N) và đường chéo vết ấn khối tháp d (đơn vị mm) theo công thức bên cạnh: Thí dụ: Vết ấn của khối tháp có đường kính d = 0,47 mm với lực kiểm tra 490,3 N cho kết quả: HV 50 = 0,189 . = 419 Thực hiện thử nghiệm. Trong trường hợp thông thường việc kiểm tra độ cứng được thực hiện với máy kiểm tra độ cứng vạn năng (Hình 2).

 

Đầu thử, thí dụ như khối tháp kim cương, được ép vào mẫu với lực thử nghiệm. Sau 10 đến 15 giây, đầu thử được nhấc lên và quay sang một bên. Nhờ vậy hệ thống phóng đại quang học đi đến vết ấn được thành hình và vết này được chiếu vào màng phát quang. Ở nơi này vết ấn được đo chính xác với một đường ray đo di động. Trong kiểm tra độ cứng theo Vickers ở phạm vi lớn, những lực kiểm tra sau đây được sử dụng: 49,3 N (HV5), 98,07 N (HV10), 196,1 N (HV20), 294,2 N (HV30), 490,3 N (HV50) và 980,7 N (HV100). Kiểm tra độ cứng theo Vickers chỉ cần một đầu thử, vật này dùng để kiểm tra cả vật liệu mềm lẫn vật liệu cứng. Ký hiệu ngắn. Độ cứng Vickers được trình bày bằng ký hiệu ngắn, gồm có trị số độ cứng, chữ ký hiệu HV cũng như điều kiện kiểm tra (xem thí dụ bên phải). Trường hợp thời gian tác động 10 đến 15 giây thì sẽ được bỏ đi, thí dụ như 360 HV 50. Kết quả của kiểm tra độ cứng theo Vickers và Brinell cho những vật liệu mềm và cứng vừa (đến 350 HV) sẽ có cùng trị số. Với những vật liệu cứng hơn thì chúng sẽ có trị số sai biệt với nhau. Kiểm tra độ cứng theo Vickers với tải nhẹ và vết ấn vi thể (rất nhỏ). Nếu cần có vết ấn của đầu thử càng nhỏ càng tốtthì  người ta sẽ dùng thiết bị kiểm tra với tải nhẹ. Lực kiểm tra gây vết ấn nhỏ từ 2N đến 50N (HV 0,2 đến HV 5), được đo bằng kính hiển vi gắn trên thiết bị kiểm tra. Kiểm tra độ cứng với tải nhẹ dùng để kiểm tra lớp tôi mỏng và chi tiết đã hoàn tất. Trong thử nghiệm độ cứng theo Vickers ở phạm vi rất nhỏ, thí dụ như từng hạt của cấu trúc, người ta dùng lực kiểm tra nhỏ hơn 2 N. Kiểm tra độ cứng theo Knoop. Phương pháp thử nghiệm này tương tự như thử nghiệm theo Vickers ứng dụng cho vật liệu cứng giòn, chẳng hạn đồ gốm. Đầu thử là một khối tháp kim cương hình thoi. 2.Kiểm tra độ cứng theo Rockwell Kiểm tra độ cứng theo Rockwell gồm có bốn giai đoạn (Hình 1).

 

Trước hết một đầu thử được ép vào = mẫu với một lực sơ khởi (thí dụ 98 N)  và sau đó đồng hồ đo được chỉnh ở vị trí 0 . Tiếp theo lực kiểm tra thật sự (thí dụ 1373 N trong phương pháp HRC) được nâng lên  và sau thời gian ngắn lực này lại được rút đi. Độ xuyên sâu trong mẫu h còn lại của đầu thử là trị số độ cứng Rockwell được đọc trực tiếp từ đồng hồ đo . Đầu thử dùng cho vật liệu cứng là kim cương có hình nón với góc mũi nhọn 1200 (thí dụ cho phương pháp HRC và HRA). Vật liệu mềm được kiểm tra với bi tròn bằng hợp kim cứng với đường kính 1,59 mm hoặc 3,175 mm (thí dụ cho phương pháp HRB và HRF). Để kiểm nghiệm vật liệu có độ cứng khác nhau, người ta sử dụng các lực kiểm khác nhau. Thí dụ HRA: F = 490,3 N, HRB: F = 882,6 N, HRC: F = 1373 N. Ký hiệu ngắn. Ký hiệu ngắn của độ cứng Rockwell gồm có trị số độ cứng và dấu hiệu của của phương pháp ứng dụng (xem thí dụ). Với những phương pháp kiểm tra độ cứng Rockwell khác nhau, người ta có thể kiểm tra vật liệu mềm và cứng. 3.Kiểm tra độ cứng theo Brinell Trong phương pháp kiểm tra độ cứng theo Brinell, viên bi bằng hợp kim cứng được ép với lực kiểm nghiệm vào mẫu và đo đường kính của vết ấn (Hình 2).

 

Độ cứng Brinell được tính từ lực kiểm nghiệm và diện tích của viên bi ấn vào mẫu. Trong thực tiễn, trị số độ cứng Brinell với lực F và đường kính d được đọc từ bảng hoặc tính bằng máy tính. Lực kiểm tra được chỉnh trên máy kiểm tra độ cứng (Hình 2, trang 294), đường kính vết ấn bi tròn d được tính bằng trị số trung bình của d1 và d2 (Hình 1): d=(d1+d2)/2. Thí dụ: Ở trường hợp kiểm tra độ cứng theo Brinell với viên bi có đường kính D = 2,5 mm và lực kiểm F = 1839 N, người ta có kết quả đo đường kính vết ấn trung bình là d= 1,35 mm. Trị số độ cứng Brinell đọc từ bảng tính là 121 HBW. Trị số này cũng có thể xác định được bằng công thức tính. Tiến hành kiểm tra. Kiểm tra độ cứng theo Brinell thông thường được thực hiện trên một máy kiểm tra độ cứng đa năng (Hình 2, trang 294) như kiểm tra độ cứng theo Vickers. Kiểm tra có thể dùng bi bằng hợp kim cứng với độ lớn khác nhau: 1 mm, 2 mm, 2,5 mm, 5 mm và 10 mm. Các lực kiểm phải được chọn sao cho bậc ứng suất a = 0,102. F/D2 bằng nhau. Vì lý do này cho nên từng nhóm vật liệu có độ cứng tương đương được quy định với một bậc ứng suất. Trong các bảng tính có thể đọc lực kiểm cần chỉnh cho mỗi đường kính viên bi. Với phương pháp kiểm tra độ cứng theo Brinell chỉ có thể đo những kim vật liệu mềm và cứng vừa. Ký hiệu ngắn. Trị số độ cứng Brinell được biểu thị bằng một ký hiệu ngắn. Ký hiệu bao gồm trị số độ cứng, chữ cái mã HBW (độ cứng theo Brinell với bi kiểm bằng hợp kim cứng) và những điều kiện kiểm tra (xem thí dụ kế bên). Trường hợp thời gian tác động từ 10 đến 15 giây thì thời gian này trong ký hiệu ngắn sẽ được bỏ đi. Độ cứng và độ bền kéo. Những loại thép carbon có thể tính tương đối đúng độ bền kéo Rm từ trị số độ cứng Brinell HBW. Công thức tính chuyển đổi là: Rm≈ 3,5.HBW. 4.Kiểm tra độ cứng theo Martens Phương pháp này dùng đầu thử của phương pháp Vickers (khối tháp kim cương) với lực tải tăng dần ấn vào mẫu vật liệu và sau khi đạt lực tối cao, người ta hạ hết lực tải (Hình 1).

 

Trong phạm vi lớn lực kiểm được sử dụng từ 2 N đến 30000 N. Một lực kế đo liên tục lực kiểm F hiện thời và một hệ đo quãng đường (hệ đo hành trình) để đo chiều sâu của dấu ấn h tương ứng. Trên màn hình của máy tính đánh giá, biểu đồ lực kiểm-chiều sâu dấu ấn được ghi lại (Hình 2).

 

Độ cứng Martens HM được đơn vị đánh giá xác định theo phương trình bên cạnh và hiển thị trên màn hình 5.Kiểm tra độ cứng di động Việc kiểm tra độ cứng cho những cấu kiện lớn hoặc những nơi khó tiếp cận của cấu kiện được thực hiện bằng dụng cụ cầm tay (Hình 1). Dụng cụ kiểm tra độ cứng được đặt lên cấu kiện và việc đo được khởi động bằng bấm nút. Trị số độ cứng đã đo được hiển thị trên dụng cụ hay trên máy xách tay. Phương pháp UCI (Ultrasonic Contact Impedance) dựa trên cơ sở là sự thay đổi của rung động sóng siêu âm phát ra từ dụng cụ đo do ảnh hưởng của độ cứng của vật liệu  

III Kiểm tra độ bền mỏi

1.Kiểm tra độ bền mỏi

Trong thiết bị có một số cấu kiện rất thường chịu tải lặp đi lặp lại trong một thời gian dài. Việc kiểm tra độ bền mỏi có giá trị đặc biệt cho các cấu kiện như là đinh ốc, cốt và trục. Những cấu kiện này có thể bị gãy cho dù lực tải rất thấp so với độ bền kéo của vật liệu. Người ta gọi loại gãy này là độ gãy bền hay độ gãy mỏi (Hình 1).

 

Gãy bền có thể nhận được dưới dạng mặt gãy. Mặt gãy có đường nứt ban đầu, có bề mặt gãy mỏi với dấu mòn và mặt gãy quá tải. Độ bền mỏi được kiểm tra trong thử nghiệm mỏi qua rung. Mẫu thử được đưa vào chịu tải với lực kéo và lực ép luân phiên thay đổi nhanh với tần số thí dụ như 50 dao động trong một giây (Hình 2).

 

Trong việc kiểm tra bền mỏi có thể có những lĩnh vực lực tải khác nhau (Hình 3).

 

Lực tải có thể thay đổi bất thường quanh điểm không (σm = 0), được gọi là tải đổi chiều (tải đổi dấu). Nếu trị số trung bình của ứng suất ở vùng ép (σm < 0), hay vùng kéo (σ m > 0), người ta gọi là tải ngưỡng ép hay tải ngưỡng kéo. Trị số tối đa của ứng suất được gọi là biên độ ứng suất σA. Mỗi một thử nghiệm mỏi qua rung chạy cho đến khi mẫu kiểm tra gãy hoặc cho đến số chu kỳ dao động (số lần tải luân phiên thay đổi, chu trình ứng suất) lên đến 107 = 10.000.000. Số chu kỳ gãy N được đo khi bị gãy. Mỗi loạt thử nghiệm bền mỏi bao gồm khoảng 10 lượt kiểm tra với mẫu cùng vật liệu. Biên độ ứng suất σ A của tải dao động đổi chiều được khởi đầu ở giới hạn đàn hồi Re và giảm từ lượt kiểm tra này đến lượt khác. Kết quả của từng lượt kiểm tra được ghi vào trong một biểu đồ (Hình 4).

 

Đường nối của những điểm đo thành biểu đồ Wöhler (August Wöhler: Nhà nghiên cứu vật liệu). Biểu đồ sụt xuống đoạn đầu và tới độ chu kỳ 106 = 1.000.000 chuyển sang hướng nằm ngang. Biên độ ứng suất của đoạn này được gọi là độ bền mỏi σD. Nếu một vật liệu chịu tải với một ứng suất dao động (đổi chiều) thấp hơn độ bền mỏi, nó sẽ không bị gãy mỏi cho dù số lượng chu kỳ dao động đến mức vô tận, người ta gọi vật liệu này có độ bền mỏi. Loại thép hợp kim được trình bày trong hình 4 có độ bền mỏi khi bị ứng suất dao động dưới 180 N/mm2. Nếu loại thép này bị tác động trên mức bền mỏi, nó sẽ bị gãy sau số chu kỳ dao động, gọi là giới hạn mỏi, người ta gọi vật liệu này có giới hạn bền mỏi. Vật liệu trong hình 4 thí dụ chỉ chịu được 5000 chu kỳ dao động ở ứng lực xoay chiều (tải đổi chiều) 500 N/mm2.

Độ bền mỏi tùy thuộc hình dạng. Chỉ số vật liệu do kết quả của thử nghiệm bền mỏi qua dao động có giá trị cho mẫu thử trơn. Cấu kiện máy có hình dạng thích nghi với chức năng. Để biết được khả năng tải của một cấu kiện máy cụ thể, phải thử nghiệm bền mỏi qua rung với mẫu có hình dạng của cấu kiện ấy. Những kết quả độ bền mỏi tìm ra được gọi là độ bền mỏi tùy thuộc hình dạng

IV Thử nghiệm không phá hủy vật liệu

Chúng có nhiệm vụ xác định những khuyết tật của vật liệu (vết nứt, tạp chất) trong những cấu kiện chịu đựng tác động lực cao và phải bảo đảm an toàn, thí dụ như những mối hàn của ống cao áp, bồn áp suất, ống dẫn dầu và bồn phản ứng. Trong phương pháp kiểm tra vật liệu không phá hủy, không cần phải lấy mẫu vật liệu cũng như không làm hỏng thành phần máy được kiểm. 1.Phép thử khả năng thấm Phương pháp kiểm tra này cũng có tên là phương pháp mao dẫn, phương pháp hút hay phương pháp thấm sâu thích ứng để tìm những vết nứt cực nhỏ lan đến bề mặt của phôi gia công. Với phương pháp Met-L-Chek, phôi gia công được phun một chất màu đỏ. Do tính mao dẫn chất này sẽ xâm nhập vào vết nứt vi thể nếu có. Sau đó chi tiết được rửa sạch. Tiếp theo người ta phun lên một chất màu trắng, chất này hút chất màu đỏ trong vết nứt vi thể ra. Nhờ thế vết nứt lộ ra mà trước đó dùng kính lúp cũng không nhận thấy được. Với phương pháp huỳnh quang, người ta thực hiện tương tự như phương pháp Met-L-Chek, chất lỏng được dùng làm chất thâm nhập là chất liệu huỳnh quang, chất này trong phòng tối dưới tia sáng cực tím cho thấy những nơi bị lỗi hiện lên sáng. 2.Kiểm tra siêu âm Với phương pháp kiểm tra siêu âm có thể xác định được những khuyết tật bên trong của chi tiết. Dụng cụ kiểm tra siêu âm gồm có đầu phát âm và một máy đo có màn hình (Hình 2).

 

Đầu phóng âm được đặt lên chi tiết để kiểm tra. Đầu này phát những sóng siêu âm đưa vào phôi. Chúng xuyên qua chi tiết và dội ngược lại khi vượt qua mặt trước và mặt sau của chi tiết cũng như khi vượt qua những khuyết tật phía trong. Những sóng âm dội ngược thấy được bằng độ lệch (dao động) trên màn ảnh. Vị trí và độ lớn của lỗi trong chi tiết đọc được bằng vị trí và độ lớn của dao động trên màn ảnh.

3.Kiểm tra với tia X và tia gama Để kiểm tra với chùm tia X (tia quang tuyến), cấu kiện cần kiểm tra được đưa vào quang trình của đèn điện tử phát tia X (đường đi của tia từ đèn phát quang tuyến) (Hình 1).

 

Ảnh truyền đi của mẫu kiểm được ghi lại với máy thu hình và đưa lên màn ảnh. Những chỗ khuyết tật của mẫu kiểm được nhận dạng bằng những vị trí sáng. Tia X có thể xuyên qua chiều dày thép đến 80 mm và nhôm đến 400 mm. Trong kiểm tra với tia gama nguồn bức xạ được sử dụng là các chất phóng xạ như Cobalt 60. Trên một tấm phim người ta sẽ được ảnh truyền đi của mẫu kiểm với những khuyết tật là những điểm sáng. Tia gama xuyên qua thép sâu đến 200 mm. Chỉ có nhân viên chuyên nghiệp được thực hiện kiểm tra với quang tuyến X hay quang tuyến Gama. Coi chừng: sự nguy hiểm của bức xạ. 4.Kiểm tra với phương pháp bột nam châm Trong phương pháp này, mẫu kiểm được từ hóa. Đường lực từ hội tụ tại những nơi có khuyết tật và vết nứt. Nếu mẫu kiểm được đổ lên một lớp dầu có trộn mạt sắt mịn (bột sắt mịn), chúng sẽ tụ về những nơi có khuyết tật nhờ có mật độ đường lực cao hơn và qua đó chỉ ra những vết nứt (Hình 2).

V Xét nghiệm cấu trúc kim loại bằng kính hiển vi

1.Ảnh của cấu trúc không được phóng đại Nếu ép một mặt kim loại vừa mài lên miếng giấy ảnh có thấm axít lưu huỳnh, người ta sẽ nhìn thấy được sự phân phối của chất kèm của sắt như phosphor và lưu huỳnh (Hình 3, trái).

 

Lối in này được gọi là “bản in Baumann“ dùng để kiểm tra sự thiên tích (sự chia tách của thành phần hợp kim không hòa tan với nhau). Sự chỉnh thẳng (sự sắp xếp theo thứ tự, chiều hướng) của hạt cấu trúc, “hướng của sợi“ được làm hiện rõ do một chất ăn mòn bôi lên mặt mài (Hình 3, phải). Cách này dùng để kiểm tra chi tiết được biến dạng. 2.Ảnh cấu trúc hiển vi (Ảnh tế vi) Khi quan sát bề mặt của kim loại được đánh bóng và cho tác dụng ăn mòn bằng kính hiển vi kim loại người ta sẽ thấy một ảnh mài (ảnh chụp cấu trúc tế vi) (Hình 4, trái).

 

Ảnh mài dùng để kiểm tra cấu trúc như trong lúc nhiệt luyện các chi tiết.Với kính hiển vi điện tử cũng có thể chụp rõ được ảnh của mặt không phẳng ở độ phóng đại đến 10000 lần (Hình 4). Với phương tiện này diễn biến của quá trình đứt gãy sẽ được xét nghiệm