Ứng dụng sóng siêu âm để xác định ứng suất bên trong vật liệu

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN 2 137 
 ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM ĐỂ XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT BÊN TRONG VẬT LIỆU 
 DETERMINATION STRESS BY USING ULTRASOUND TECHNIQUE 
 Nguyễn Lê Văn 
 Trường Cao đẳng Công nghệ - Đại học Đà Nẵng; van.nguyenle87@gmail.com 
Tóm tắt - Vận tốc truyền sóng siêu âm bên trong mỗi vật liệu là khác Abstract - The ultrasound velocity depends on material properties. 
nhau tuỳ thuộc vào tính chất của vật liệu. Ngoài ra, khi có ứng suất The material properties, especially Young modulus and Poisson 
tồn tại bên trong, tính chất của vật liệu, đặc biệt là các thông số về ratio (E, v) change due to stress state. In this research, the Laser 
cơ tính (mô-đun đàn hồi E, hệ số Poisson v) sẽ thay đổi. Trong ultrasound technique (LUT) was used to generate ultrasound wave 
nghiên cứu này, kỹ thuật tạo sóng siêu âm bằng nguồn kích thích propagating inside medium and using the transducer to receiver 
laser (LUT) được sử dụng để tạo sóng siêu âm lan truyền bên trong signal after finite distance under applied stress. The Labview code 
vật liệu và sử dụng đầu dò để thu sóng siêu âm sau một khoảng cách was used to analyzing and solve wave signal. We can build the 
lan truyền nhất định ứng với từng giá trị ứng suất cho trước. Thông graph to show the relation between stress and material properties 
qua việc xác định sự thay đổi cơ tính của vật liệu, ta có thể xây dựng (E, v) by determine the material properties under applied stress. 
đồ thị quan hệ giữa cơ tính (E, v) và ứng suất ứng với từng loại vật After that, we can find out the trend of material properties by stress. 
liệu khác nhau. Từ đó, ta có thể biết được ứng suất bên trong vật So, this research promoted the new method to determine stress by 
liệu bằng cách xác định các thông số cơ tính của nó. determination material properties. 
Từ khóa - sóng siêu âm; laser; thuật toán bầy đàn; ứng suất; tính Key words - ultrasound; laser; PSO algorithm; stress; material 
chất vật liệu. properties 
1. Giới thiệu chung Kỹ thuật sóng siêu âm – laser (LUT) [12] với nguồn kích 
 Ứng suất dư là ứng suất tồn tại bên trong vật liệu khi thích là sóng laser có thể tạo ra hầu hết các loại sóng siêu 
không có ngoại lực tác dụng. Nếu như ứng suất dư nén làm âm, bao gồm: sóng Lamb, sóng bề mặt (surface wave), sóng 
tăng khả năng chịu bền mỏi của chi tiết thì ứng suất dư kéo Acoustic, sóng Rayleigh, sóng love, sẽ được dùng để phân 
lại làm giảm khả năng chịu bền mỏi, dễ phát sinh khuyết tật, tích sự thay đổi cơ tính vật liệu bằng cách xác định sự thay 
gây ra những hư hỏng đột ngột. Do đó, xác định ứng suất dư đổi của vận tốc truyền sóng. Mối quan hệ này được thể hiện 
bên trong vật liệu là một nhiệm vụ rất cần thiết, đặc biệt đối trên đồ thị quan hệ giữa vận tốc và tần số của sóng siêu âm. 
với những chi tiết quan trọng. Hiện nay, có nhiều phương 
 2. Thuật toán bầy đàn 
pháp xác định ứng suất dư bên trong vật liệu như: phương 
pháp khoan lỗ (hold drilling) [1], phương pháp mặt cắt Thuật toán bầy đàn lấy ý tưởng từ tập tính của các loài 
(sectioning method) [2], phương pháp lỗ sâu (deep hole) [3], động vật sinh sống theo bầy, đàn như kiến, cá, gà khi đi 
phương pháp lõi tròn (ring-core) [4], phương pháp chụp X- tìm nguồn thức ăn. Thuật toán này ra đời vào năm 1995 bởi 
ray [5], phương pháp phản xạ neutron [6]. Nếu như những 2 nhà khoa học là Eberhat and Kennedy. Thuật toán bầy đàn 
phương pháp kiểm tra phá huỷ (khoan lỗ, mặt cắt, lõi tròn) dựa trên tập tính của các loài vật sống theo bầy nhưng không 
đơn giản, độ chính xác thấp, thì phương pháp X-ray cho độ có con đầu đàn. Một đàn mà không có con đầu đàn sẽ đi tìm 
chính xác cao. Tuy nhiên, phương pháp này ảnh hưởng đến thức ăn một cách ngẫu nhiên và sẽ theo con nào ở gần vị trí 
sức khoẻ người sử dụng và chi phí đầu tư cao. Sử dụng sóng nguồn thức ăn nhất. Các thành viên trong đàn liên lạc trực 
siêu âm để xác định cơ tính vật liệu [7] là phương pháp khá tiếp với những con xung quanh nó, và hình thành nên mạng 
an toàn và phổ biến hiện nay, với độ chính xác cao và chi phí lưới liên kết cho cả đàn. Khi một thành viên trong đàn ở gần 
đầu tư ban đầu không quá lớn. Hiện nay, sóng siêu âm được nguồn thức ăn, nó sẽ liên lạc với những con ở gần nó nhất, 
ứng dụng rộng rãi trong ngành vật liệu học. Nhưng sử dụng rồi các con đó sẽ tiếp tục quá trình liên lạc cho những con ở 
sóng siêu âm để xác định ứng suất dư thì còn ít [8-13] và đối xa hơn. Quá trình này được thực hiện liên tục và các thành 
tượng nghiên cứu chủ yếu là các tấm film mỏng. Ở nước ta, viên trong bầy di chuyển dần về phía nguồn thức ăn, cho đến 
ứng dụng sóng siêu âm còn hạn chế, chủ yếu được dùng khi cả đàn tập trung tại một điểm, đó là nguồn thức ăn hay 
trong lĩnh vực y tế và kiểm tra khuyết tật bên trong vật liệu, nước uống mà chúng đang tìm [16]. 
mối hàn. Cơ tính vật liệu phụ thuộc vào ứng suất dư bên Vị trí của các thành viên trong đàn phụ thuộc vào vận 
trong vật liệu đó [14, 15]. Dựa vào đặc điểm này, tác giả đề tốc của thành viên đó. Giả sử xi(t) là vị trí của thành viên 
xuất hướng nghiên cứu là sử dụng sóng siêu âm để xác định thứ i tại thời điểm t. Vị trí của thành viên thứ i sẽ thay đổi 
ứng suất dư bên trong kim loại tấm. khi thêm vận tốc di chuyển. 
 Vận tốc truyền sóng trong vật liệu phụ thuộc vào cơ tính 
 xi t 11 x i t v i t 
của từng loại vật liệu. Ngoài ra, cơ tính của vật liệu mà chủ 
yếu là mô-đun đàn hồi E và hệ số Poisson v sẽ thay đổi tuỳ Với: 
thuộc vào ứng suất. Trong nghiên cứu này, sóng siêu âm 
 vi t 1 v i t c11 r localbest ( t ) x i t 
được sử dụng để xác định cơ tính của vật liệu ứng với từng 
 c r globalbest() t x t
giá trị ứng suất cho trước, từ đó xây dựng mối quan hệ thể 22 i 
hiện sự thay đổi của cơ tính phụ thuộc vào ứng suất (E-σ) và Trong đó: r1, r2 là số ngẫu nhiên, có giá trị nằm trong 
(v-σ). Ứng suất sẽ được cung cấp bằng máy thử kéo - nén. khoảng [0,1]; c1, c2 là gia tốc, có giá trị bằng 2. 
138 Nguyễn Lê Văn 
 localbest(t): vị trí tốt nhất của thành viên. Các thông số về cơ tính của mẫu trong bảng trên được 
 globalbest(t): vị trí tốt nhất của bầy. tham khảo từ website matweb.com. 
 4. Thí nghiệm 
 Kỹ thuật sóng siêu âm – laser (LUT) được dùng để tạo 
 sóng Lamb lan truyền bên trong vật liệu. Hệ thống LUT 
 bao gồm: nguồn phát laser Nd: YAG với bước sóng 532 
 nm, năng lượng 400 mJ và đường kính chùm tia 0,7 mm. 
 Nguồn phát laser có tần số đến 10 kHz, được sử dụng để 
 kích thích và tạo ra sóng siêu âm lan truyền bên trong mẫu 
 thí nghiệm trên một đoạn dài 10 mm, bộ phát và thu tín 
 hiệu, hệ thống máy tính với bộ chuyển đổi tín hiệu tuần 
 tự/tín hiệu số (analog/digital) dùng để điều khiển và xử lý 
 tín hiệu. Đầu dò sóng dọc với tầng số 5 MHz được dùng để 
 nhận tín hiệu, động cơ bước được điều khiển bởi máy tính 
 với bước di chuyển được cài đặt trước. 
 Hình 1. Thuật toán bầy đàn 
 Hình 4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm 
 Máy thử 
 kéo - nén 
 Hình 2. Vận tốc của thành viên Thấu 
 kính 
3. Mẫu thí nghiệm 
 Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng 02 loại mẫu 
để tiến hành thí nghiệm, bao gồm mẫu đồng và mẫu thép 
không gỉ - 304. 
 Bảng 1. Kích thước mẫu 
 Vật liệu Thép không gỉ - 304 Đồng 
 Bề dày (mm) 0,5 0,5 Đầu dò 
 sóng 
 Kích thước (rộng x dài) 25x200 20x200 
 Kích thước các mẫu được cho trong Bảng 1. Kích thước Mẫu thí 
mẫu (rộng x dài) được đo trực tiếp bằng thước cặp với độ nghiệm 
chính xác 0,01 mm và chiều dày được đo bằng panme với 
độ chính xác 0,001 mm. 
 Hình 5. Thiết bị thí nghiệm 
 Trong nghiên cứu này, phương pháp A-scan (kích thích 
 tại một điểm) và B-scan (kích thích trên một đoạn) được 
 a b 
 dùng để kích thích và tạo sóng siêu âm. Tín hiệu sóng thu 
 Hình 3. Mẫu thí nghiệm được là tín hiệu sóng A-scan, thể hiện mối quan hệ giữa biên 
 a) Mẫu thép không gỉ-304 b) Mẫu đồng độ và thời gian. Ta tiến hành kích thích trên đoạn 10 mm với 
 Bảng 2. Cơ tính của mẫu bước của động cơ là 0,05 mm. Do đó, ta thu được tổng cộng 
 200 đồ thị sóng A-scan, sử dụng phương pháp B-scan, 
 Cơ tính Khối lượng Mô-đun Giới hạn Hệ số chuyển toàn bộ 200 đồ thị này sang dạng đồ thị vị trí – thời 
 đàn hồi chảy Poisson 
 riêng ρ gian, cụ thể là sử dụng cường độ màu để biểu thị biên độ 
 Vật liệu (g/cm3) E (GPa) (MPa) v 
 sóng ứng với từng vị trí. Tín hiệu này được chuyển sang đồ 
 Thép không gỉ - 304 8,03 193 215 0,29 thị mối quan hệ giữa vận tốc và tần số bằng phương pháp 
 Đồng 9,02 110 70 0,35 biến đổi Furier nhanh (FFT). Ứng suất bên trong mẫu được 
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN 2 139 
cung cấp bằng máy thử kéo - nén, dựa vào giới hạn chảy khi 
 0.8
kéo của vật liệu mà ta xác định ứng suất cung cấp cho mẫu. 0.7
Đối với mẫu đồng, giới hạn chảy là 70 MPa nên ta cung cấp 0.6
 0.5
ứng suất kéo tối đa là 70 MPa, riêng đối với mẫu thép không 0.4
 0.3
gỉ, ứng suất cung cấp tối đa là 100 MPa ứng với bước là 0.2
 0.1
10 MPa sau mỗi lần tăng lực. Ứng với mỗi giá trị của ứng 0.0
suất, ta tiến hành xác định cơ tính của vật liệu, bằng phần -0.1
 Amplitude -0.2
 -0.3
mềm Labview kết hợp với thuật toán bầy đàn. -0.4
 -0.5
 -0.6
5. Kết quả và thảo luận -0.7
 -0.8
 Hình 6 và Hình 8 là dạng sóng của mẫu thép không gỉ 0 1 2 3 4 5 6
 Time (s)
- 304 và đồng, Hình 7 và Hình 9 là dạng phổ B-scan. 
 Hình 10 và Hình 11 thể hiện quá trình xác định cơ tính Hình 8. Dạng sóng của đồng
vật liệu (E, v). Giá trị cơ tính ban đầu sẽ được dự đoán trước 
trong một khoảng nhất định dựa vào giá trị cơ tính tham 10
 9
khảo. Mục đích là giới hạn vùng tìm kiếm cho các thành 8
viên trong bầy, số lượng thành viên được chọn là 30. 7
Chương trình Labview sẽ tiến hành xác định cơ tính thông 6
 5
qua thuật toán bầy đàn, lấy thử một giá trị trong khoảng đã 
cho và vẽ đồ thị quan hệ giữa tần số và vận tốc truyền sóng, 4
sau đó kiểm tra sai số so với đồ thị có được từ thực nghiệm. Position(mm) 3
Nếu sai số vượt quá sai số cho phép (3%) thì chương trình 2
sẽ tiếp tục chạy cho đến khi sai số nhỏ hơn giá trị cho phép 1
 0
và thu được các thông số cơ tính của vật liệu (E, v). 0 1 2 3 4 5 6
 Time (s)
 Hàm sai số được dùng để xác định sai số giữa giá trị 
thực nghiệm và giá trị lý thuyết. Hình 9. Phổ màu B-scan của đồng 
 mn
 11 2
 fherror  i 
 mnji 11
 Với m là số mode, n là số dữ liệu của mỗi mode. 
 0.5
 0.4
 0.3
 0.2
 0.1 
 0.0 Hình 10. Chương trình dùng để xác định cơ tính 
 -0.1
 Amplitude
 -0.2
 -0.3
 -0.4
 -0.5
 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
 Time (s)
 Hình 6. Dạng sóng của thép không gỉ-304 
 10
 8 Hình 11. Xác định sai số 
 6 Hình 12 và Hình 13 là kết quả của quá trình nghịch đảo, 
 ta có thể thấy đường màu đen là đồ thị theo lý thuyết, đường 
 4 chấm màu đỏ là đồ thị từ thực nghiệm. Sau khi sử dụng 
 position(mm) chương trình Labview với thuật toán bầy đàn, ta thấy hai 
 2 đồ thị chồng chập với nhau. Độ chính xác của kết quả phụ 
 thuộc vào mức độ chồng chập của 2 đồ thị. Trong thí 
 0 nghiệm này, đầu dò có tần số 5 MHz được sử dụng để nhận 
 0 1 2 3 4 5 6
 tín hiệu. Do đó, cần đảm bảo các mode A0, S0, A1, S1 và 
 time(s)
 các mode ở khu vực tần số 5 MHz có sự chồng chập tốt 
 Hình 7. Phổ màu B-scan của thép không gỉ 304 nhất để thu được giá trị cơ tính vật liệu, mà cụ thể là mô-
140 Nguyễn Lê Văn 
đun đàn hồi E có độ chính xác cao. trị ứng suất 70 MPa. Tuy nhiên, mức độ giảm của E không 
 tuyến tính và được thể hiện trên đồ thị Hình 14 và Hình 15. 
 10
 9
 8 A1
 202 Stainless steel
 7 S1
 6
 S0 200
 )
 5
 GPa
 4
 198
 3
 A0 
 Phasevelocity (km/s) 
 2
 Experiment 196
 1 Theory
 Youngmodulus ( 
 0
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 194
 Frequency(MHz)
 192
 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
 Hình 12. Đồ thị kết quả nghịch đảo của thép không gỉ Applied stress (MPa)
 Hình 14. Đồ thị E-σ của thép không gỉ 
 14
 12
 10 Copper
 125
 8 S1
 A1 )
 6 124
 GPa
 (
 4 S0
 Phasevelocity(km/s) 
 A0
 2 123
 Experiment
 Theory
 0 Youndmodulus 
 0 2 4 6 8 10 12 14
 Frequency (MHz) 122
 Hình 13. Đồ thị kết quả nghịch đảo của đồng 0 10 20 30 40 50 60 70
 Applied stress (MPa)
 Ứng suất được cung cấp cho mẫu thông qua má kẹp của 
máy thử kéo - nén. Do đó, phải hạn chế hiện tượng trượt giữa Hình 15. Đồ thị E-σ của đồng 
má kẹp và vật mẫu để đảm bảo ứng suất không thay đổi hoặc Đồ thị Hình 14 và Hình 15 thể hiện mối quan hệ giữa 
thay đổi rất bé trong quá trình thực hiện thí nghiệm. mô-đun đàn hồi và ứng suất của mẫu thép không gỉ - 304 
 Bảng 3 thể hiện kết quả, là mối quan hệ giữa ứng suất và đồng. Mô-đun đàn hồi gần như không thay đổi ở ứng 
với mô-đun đàn hồi và hệ số Poisson của hai mẫu thép suất thấp (từ 0 ÷ 20 MPa), nhưng giảm nhanh ở ứng suất 
không gỉ - 304 và đồng. Mô-đun đàn hồi E sẽ giảm khi tăng lớn hơn 30 MPa. Đối với mẫu thép không gỉ, mô-đun đàn 
ứng suất kéo [8], [14, 15]. hồi giảm 4,2% ứng với 100 MPa, và 2,4% ứng với 70 MPa 
 Mô-đun đàn hồi E của mẫu thép không gỉ - 304 và đồng đối với mẫu đồng. 
sẽ giảm khi ứng suất kéo bên trong mẫu tăng lên. Giá trị E Hệ số Poisson của mẫu thép không gỉ - 304 và đồng 
bằng 201,5 GPa tương ứng với trường hợp không có ứng suất thay đổi không đáng kể khi ứng suất kéo tăng, giá trị v dao 
kéo và giảm đến 193,2 GPa ở 100 MPa đối với mẫu thép động quanh 0,26 đối với mẫu thép không gỉ - 304 và 0,34 
không gỉ - 304. Tương tự đối với mẫu đồng E = 125,2 GPa ở đối với mẫu đồng. Do đó, hệ số Poisson không được dùng 
trạng thái bình thường và giảm xuống còn 122,2 GPa tại giá để xác định ứng suất trong nghiên cứu này. 
 Bảng 3. Giá trị cơ tính theo ứng suất của mẫu thí nghiệm 
 Mẫu Ứng suất cung cấp (MPa) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 
 Thép E (GPa) 201,5 201,5 201,4 199,0 198,1 197,6 197,0 196,0 195,5 194,3 193,2 
 không 
 gỉ - 304 v 0,263 0,259 0,263 0,261 0,262 0,262 0,263 0,263 0,261 0,261 0,262 
 E (GPa) 125,2 125,2 125,1 124,1 123,8 123,2 123,1 122,2 
 Đồng 
 v 0,344 0,344 0,343 0,345 0,343 0,343 0,343 0,342 
6. Kết luận và kiến nghị Mô-đun đàn hồi của các mẫu thép không gỉ - 304 và 
 Bằng thuật toán bầy đàn và phần mềm Labview, kết đồng sẽ giảm khi ta tăng ứng suất kéo trong mẫu, sự thay 
hợp với phương pháp siêu âm – laser ta xác định được cơ đổi của mô-đun đàn hồi chỉ xảy ra ở ứng suất kéo lớn hơn 
tính của kim loại tại các giá trị ứng suất nhất định, qua đó 20 MPa. Nghiên cứu này sẽ mở ra một phương pháp mới 
xác định được quan hệ giữa ứng suất kéo và mô-đun đàn trong việc xác định ứng suất dư bên trong vật liệu bằng 
hồi của các mẫu kim loại (thép không gỉ - 304 và đồng). phương pháp kiểm tra không phá huỷ, thông qua việc xây 
 dựng đồ thị mối quan hệ giữa E – σ. 
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN 2 141 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO experimental stress analysis, Third SESA International Congress, 
 Los Angeles, CA, 1974. 
[1] Karel Svaˇr´ıˇcek, “Residual stress avaluation by the hole-drilling [10] J. Ditri., “Stress distribution determination in isotropic materials via in 
 method with eccentric hole”, Engineering Mechanics, Vol. 14, No. inversion of ultrasonic Rayleigh wave dispersion data”, International 
 1, 2007, pp. 191–197. Journal Solids Structures, Vol. 33, No. 17, 1996, pp. 2437-2451. 
[2] Tebedge N, Alpsten G, Tall L. “Residual-stress measurement by the [11] M. Ouaftouh., Characterization of surface residual stress using high 
 sectioning method”, Exp Mech, 13(2), 1973, pp. 88–96. frequency Rayleigh waves, NDCM-XIII, Le Mans, France, 20-24 
[3] Leggatt RH, Smith DJ, Smith SD, Faure F., “Development and May 2013. 
 experimental validation of the deep hole method for residual stress [12] D.C. Hurley, V.K. Tewary, A.J. Richard., “Thin-film elastic-
 measurement”, J Strain Anal, 31(3), 1996, pp. 177–86. property measurements with laser-ultrasonic SAW spectrometry”, 
[4] Milbradt KP., “Ring-method determination of residual stresses”, Journal of Thin Solid films, 398 –399, 2001, pp. 326–330. 
 Proc SESA, 9(1), 1951, pp. 63–74. [13] E. Tanala, “Determintion of near surface residual stress on welded 
[5] Norton JH., Rosenthal D., “Stress measurement by X-ray joints using ultrasonic methods”, NDE & E International, Vol. 28, 
 diffraction”, Proc Soc Exp Stress Anal, 1(2), 1944, pp. 73–76. No. 2, 1995, pp. 83-88. 
[6] Webster GA (Ed.), “Polycrystalline materials – determinations of [14] C.A. Johnson and J.A. Ruud., “Relationships between residual 
 residual stresses by neutron diffraction”, ISO/TTA3 Technology stress, microstructure and mechanical properties of electron beam–
 Trends Assessment, Geneva 20, Switzerland, 2001. physical vapor deposition thermal barrier coatings”, Journal of 
[7] Yeh and Yang, “Characterization of mechanical and geometrical Surface and Coatings Technology, 108–109, 1998, pp. 80–85. 
 properties of a tube with axial and circumferential guided waves”, [15] Chang., Effect of residual stress on mechanical properties and 
 Journal of Ultrasonics, 51, 2011, pp. 472–479. interface adhesion strength of SiN thin films, 4th International 
[8] M. Qasmi., “Effect of the residual stress on the determination Conference on Technological Advances of Thin films and Surface 
 through nanoindentation technique of the Young’s modulus of W Coating, Volume 517, Issue 17, 1 July 2009, pp. 4857–4861. 
 thin film deposit on SiO2/Si substrate”, Journal of Surface & [16] J. Kennedy and R. Eberhart., Particle swarm optimization, 
 Coatings Technology, 200, 2006, pp. 4185– 4194. International Conference on Neural Network, Perth, WA, Vol. 4, 
[9] N. Hsu., Acoustical birefringence and the use of ultrasonic wave for 1995, pp. 1942–1948. 
 (BBT nhận bài: 11/9/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 10/10/2017)