Luận văn Nghiên cứu và phát triển phần mềm phân tích vật liệu nhiễu xạ tia X (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu và phát triển phần mềm phân tích vật liệu nhiễu xạ tia X (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VŨ LONG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM PHÂN TÍCH VẬT LIỆU NHIỄU XẠ TIA X S K C 0 0 3 9 5 9 NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY- 605204 S KC 0 0 3 9 4 2 Tp. Hồ Chí Minh, 2012
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VŨ LONG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM PHÂN TÍCH VẬT LIỆU NHIỄU XẠ TIA X NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY- 605204 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2012
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VŨ LONG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM PHÂN TÍCH VẬT LIỆU NHIỄU XẠ TIA X NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY- 605204 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2012
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Nguyễn Vũ Long Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 16-04-1987 Nơi sinh: Bến Tre Quê quán: Bến Tre Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: 281A, ấp 3, xã Quới Sơn, huyện Châu Thành, tỉnh Bến Tre. Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà: (075)3860488 Fax: E-mail: vulonghui87@yahoo.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ./ . đến ./ . Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: cơ khí chế tạo máy 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 9/2005 đến 7/ 2009 Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: Tên đồ án tốt nghiệp: ứng dụng phần mềm visi-series trong gia cơng chi tiết cơ khí Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: tháng 7/2009 tại ĐH Cơng Nghiệp Tp. Hồ Chí Minh Ngƣời hƣớng dẫn: Th.s Nguyễn Tuấn Hùng. III. QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi cơng tác Cơng việc đảm nhiệm 2009-2012 Cơng ty TNHH VuLink Kỹ sƣ thiết kế i
5. LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 5 tháng 4 năm 2013 Nguyễn Vũ Long ii
6. LỜI CẢM ƠN  Sau hai năm theo học chƣơng trình đào tạo sau đại học tại trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tác giả đã đúc kết đƣợc những kiến thức bổ ích cho chuyên mơn của mình. Với đề tài nghiên cứu dƣới hình thức luận văn thạc sĩ, tác giả đã vận dụng những kiến thức mà mình đƣợc trang bị để tiến hành giải quyết một bài tốn thực tiễn. Vì đề tài nghiên cứu và giải quyết vấn đề khá mới mẻ dựa trên cơ sở tính tốn lý thuyết về lĩnh vực vật liệu dùng kỹ thuật nhiễu xạ X–quang, nên lúc đầu tiếp cận đã gặp khá nhiều bỡ ngỡ và khĩ khăn. Nhƣng với sự tận tình của giáo viên hƣớng dẫn TS. Lê Chí Cƣơng, cùng với sự hỗ trợ từ phía gia đình, bạn bè đồng nghiệp, cho đến nay luận văn đã đạt đƣợc những kết quả nhƣ mong muốn. Đến đây, cho phép tác giả gửi lời cám ơn chân thành đến: - Ban Giám Hiệu trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thầy TS. Lê Chí Cƣơng – Khoa Cơ khí máy - trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Viện năng lƣợng nguyên tử Việt nam - Trung tâm hạt nhân Tp HCM. Số 217 Nguyễn Trãi, Q1, Tp HCM - Quý thầy cơ khoa Cơ khí máy - trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Phịng Đào tạo - Sau Đại học và các phịng khoa trong trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Một lần nữa tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, sự hỗ trợ, động viên quý báu của tất cả mọi ngƣời. Xin trân trọng cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2013 Học viên thực hiện luận văn Nguyễn Vũ Long iii
7. TĨM TẮT Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X là một trong các phƣơng pháp kiểm tra khơng phá hủy đƣợc ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Từ khi ra đời đến nay, phƣơng pháp nhiễu xạ x-quang đa ̃ đƣợc ứng dụng để phân tích cấu trúc vật liệu tinh thể , xác định thành phần hĩa học, tỷ lệ pha và phân tích ứng suất. Ứng dụng lập trình vào trong khoa học kỹ thuật, vào trong cơng việc hàng ngày hiện nay đang đƣợc phát triển hết sức mạnh mẽ. Các phần mềm ứng dụng xuất hiện trong tất cả mọi ngĩc ngách cuộc sống của con ngƣời. Thiết bị di động, máy vi tính, vật gia dụng trong gia đình tất cả điều đƣợc lập trình để thực hiện cơng việc phục vụ cho nhu cầu của con ngƣời chúng ta. Đề tài “Nghiên cứu và phát triển phần mềm phân tích vật liệu bằng X- quang” đƣợc thực hiện nhầm mục đích phát triển đƣợc phần mềm phân tích vật liệu dựa trên phƣơng pháp nhiễu xạ X-quang bằng ngơn ngữ C#. Phần mềm này giúp ngƣời sử dụng phân tích dữ liệu nhiễu xạ, phân tích ứng suất, xác định tỉ lệ pha, xác định hệ số đàn hồi, module young cho vật liệu 1 cách nhanh chĩng khi cĩ đƣợc dữ liệu nhiễu xạ X-quang thích hợp. Giúp cho việc nghiên cứu phân tích vật liệu bằng phƣơng pháp nhiễu xạ X-quang đạt năng suất và hiệu quả kinh tế cao. Đề tài đƣợc tác giả nghiên cứu và thực hiện trong thời gian khoảng 10 tháng. Trong thời gian đĩ, tác giả đã nghiên cứu các tài liệu về nhiễu xạ X-quang, cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc. Ứng dụng các lý thuyết nghiên cứu đƣợc vào lập trình. Đến nay tác giả đã hồn thành đƣợc mục tiêu đề ra, phần mềm X-Pro 1.0 đã đƣợc phát triển để thực hiện phân tích vật liệu dựa trên lý thuyết nhiễu xạ X-quang. Hiện tại, phần mềm X-Pro 1.0 đã cĩ thể thực hiện các chức năng phân tích và tính tốn nhƣ sau + Phân tích dữ liệu + Tính ứng suất. + Xác định tỉ lệ pha của vật liệu song pha. + Xác định hệ số đàn hồi, module young. iv
8. ABSTRACT X-ray diffraction method, which is one of non-destructive testing methods, is worldwide using. Since its appearance, the X-ray diffraction method has applied in analyzing the structure of crystal materials, identifying chemical component, mix ratio, and analyzing stress. Programming application in technology which is using in daily work is rapidly developing. Application software can be found in all fields of our life. Mobile equipment, computer, household appliance, etc., are programmed to do tasks that serve our demands. Topic “Research and development in software for material analysis using X- ray” is processed based on X-ray diffraction method. This software helps users analyze diffractive data, analyze stress, determine mix ratio, elastic ratio, Young’s modulus for material quickly when they have appropriate X-ray diffraction data. It also helps the researches on material analysis using X-ray diffraction method gain high productivity and commercial efficiency. The topic is researched and processed in about ten months. During process, author researched and referenced documents about X-ray diffraction from domestic and foreign resources. The author also turned the research theory into programing. As a result, the author has finished the research and introduced X-Pro 1.0 which is used to analyze material based on X-ray diffraction theory. At present, X-pro 1.0 can carry out these following performances: + Data analysis + Stress determination + Determining mix ratio for duplex materials + Determining elastic ratio, Young’s modulus v
9. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MƠṬ SỚ KÝ HIÊỤ  bƣớc sóng 2 gĩc nhiễu xạ D khoảng cách giữa các mặt phẳng phân tử ( hkl ) n phản xạ bậc cao h,k,l chỉ số Miller (hkl) mặt nhiễu xạ  ứng suất hoặc độ lệch chuẩn S Giá trị ứng suất  lực căng Ψ gĩc tạo bởi phƣơng pháp tuyến của mẫu đo với phƣơng pháp tuyến của họ mặt phẳng nguyên tƣ̉ nhiêũ xa ̣ Ψo gĩc tạo bởi phƣơng pháp tuyến của mẫu đo và tia tới X  là gĩc phân giác của tia tới và tia nhiêũ xa ̣X o là gĩc tạo bởi phƣơng pháp tuyến của họ mặt phẳng nhiễu xạ và tia tới X  gĩc tạo bởi tia tới X và phƣơng ngang  gĩc tạo bởi tia nhiễu xạ và phƣơng ngang  hằng sớ hấp thụ ( phụ thuộc vào đặc tính của tia X và loại vật liệu mẫu đo ) E module Young  hệ số Poison K hằng số ứng suất p vị trí đỉnh của đƣờng nhiễu xạ LPA hệ số Lorentz và hấp thụ B bề rộng đƣờng nhiễu xạ c bƣớc của gĩc đo t thời gian chu kỳ xung M,N hệ số gĩc và hệ số chặn của đƣờng thẳng đồ thị sin2 Ψ z,y cƣờng độ nhiễu xạ đã và chƣa hiệu chỉnh LPA. vi
10. DANH MỤC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Máy chụp tia x quang đầu tiên do Russell Reynold phát triển 5 Hình 2.1: Nguyên lý nhiễu xạ theo điṇ h luâṭ Bragg 5 Hình 2.2: Phƣơng pháp đo kiểu  6 Hình 2.3: Phƣơng pháp cố định  7 Hình 2.4: Phƣơng pháp đo kiểu  cố định o 8 Hình 2.5: Phƣơng pháp đo kiểu  9 Hình 2.6: Phƣơng pháp đo kiểu  cố định  9 Hình 2.7: Phƣơng pháp đo kiểu  cố định o 10 Hình 2.8: Hiệu chỉnh nền của đƣờng nhiễu xạ 11 Hình 2.9: Phƣơng pháp trọng tâm 15 Hình 2.10: Phƣơng pháp bề rộng trung bình 17 Hình 2.11: Dữ liệu nhiễu xạ thơ 17 Hình 2.12: Dữ liệu sau khi làm mịn với nL=nR=9 18 Hình 2.13: Đƣờng thẳng tiếp tuyến với dữ liệu 19 Hình 2.14: Đƣờng thẳng tiếp tuyến tại điểm thứ i 19 Hình 2.15: Đơn vị nhiễu xạ 20 Hình 2.16: Xác định dữ liệu nhiễu xạ của mặt nhiễu xạ 22 Hình 2.17: Hệ tọa độ sử dụng trong đo lƣờng ứng suất 24 2 Hình 2.18: Xác định ứng suất từ phƣơng pháp sin  i 27 Hình 2.19: Tính năng lƣợng nhiễu xạ 30 Hình 2.20: Giản đồ nhiễu xạ 31 Hình 2.21: Giản đồ nhiễu xạ cần khử bỏ nền 31 Hình 2.22: Giản đồ nhiêu xạ khơng cần khử bỏ nền 32 Hình 2.23: Chọn (xo,yo) và (xn,yn) bằng 5 lần bề rơṇ g trung bình 32 Hình 3.1: Cấu trúc của phần mềm X-Pro 1.0 41 Hình 3.2: Giản đồ phân tích đƣờng nhiễu xạ 43 Hình 3.3: Giản đồ tính ứng suất 44 Hình 3.4: Giản đồ xác định tỉ lện pha 47 vii
11. Hình 3.5: Giản đồ tính hệ số đàn hồi và modun young 49 Hình 3.6: Định dạng tập tin dữ liệu của phần mềm X-Pro 1.0 50 Hình 3.7: Cửa sổ chính của phầm mềm phân tích vật liệu 51 Hình 3.8: Dữ liệu nhiễu xạ cần phân tích 52 Hình 3.9: Cửa sổ kết quả phân tích dữ liệu 53 Hình 3.10: Kết quả xuất ra từ phần mềm 54 Hình 3.11: Thực đơn của chƣơng trình tính ứng suất 54 Hình 3.12: Cửa sổ vật liệu và hệ số đàn hồi 55 Hình 3.13: Cửa sổ thêm vật liệu mới 55 Hình 3.14: Cửa sổ sửa vật liệu 56 Hình 3.15 Thơng báo lỗi khi chƣa chọn vật liệu 57 Hình 3.16: Thơng báo lỗi khi chƣa chọn nguồn x-quang 58 Hình 3.17: Cửa sổ chính khi tính ứng suất 58 Hình 3.18: Hộp thoại hiệu chỉnh LPA 58 Hình 3.19: Cửa sổ thể hiện kết quả khi tính ứng suất 59 Hình 3.20: Bảng so sánh kết quả khi cĩ thực hiện hiệu chỉnh 60 Hình 3.21: Bảng kết quả khi tính tốn bằng tất cả các phƣơng pháp 60 Hình 3.22 : Cửa sổ mở tập tin tính hệ số đàn hồi, modun young 61 Hình 3.23: Kết quả xác định hệ số đàn hồi 62 Hình 3.24: Thực đơn con của chức năng xác định tỉ lệ pha. 63 Hình 3.25: Cửa sổ chính khi tính tỉ lệ pha 63 Hình 3.26: Cửa sổ chƣơng trình khi đã xác định 2 pha 64 Hình 3.27: Năng lƣợng nhiễu xạ khi ta chọn mặt nhiễu xạ của mỗi pha. 65 Hình 3.28: Cửa sổ hiện thị kết quả xác định tỉ lệ pha. 66 Hình 4.1: Giản đồ nhiễu xạ cho mẫu chuẩn CeO2. 68 Hình 4.2 : Dữ liệu nhiễu xạ của vật liệu CeO2. 69 Hình 4.3 : Kết quả phân tích dữ liệu nhiễu xạ CeO2 69 Hình 4.4: Các vùng trên mẫu đƣợc thực hiện nhiễu xạ x-quang 71 Hình 4.5 : Kết quả ứng suất dƣ trong các vùng 71 Hình 4.6 : Cửa sổ vật liệu và hệ số đàn hồi 72 Hình 4.7: Kết quả tính ứng suất vùng 1 72 viii
12. Hình 4.8: Cửa sổ chính khi mở dữ liệu xác định tỉ lệ pha. 74 Hình 4.9: Hộp thoại thơng báo lỗi khi chƣa nhập bƣớc sĩng. 74 Hình 4.10: Cửa sổ khi đã chọn 2 pha để xác định tỉ lệ. 75 Hình 4.11: Cửa sổ khi đã xác định năng lƣợng nhiễu xạ. 75 Hình 4.12: Cửa sổ hiển thị kết quả xác định tỉ lệ pha. 76 ix
13. DANH MỤC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1 : Hệ số hấp thu của phƣơng pháp iso-inclination và side-inclination 11 Bảng 2.2 : Bảng gí trị sin2/n 22 Bảng 2.3 : Chỉ số Miller cho hệ mạng lập phƣơng tâm mặt 23 Bảng 4.1: So sánh kết quả phân tích dữ liệu bằng X-Pro 1.0 và kết quả mẫu 70 Bảng 4.2 : So sánh kết quả tính ứng suất 73 Bảng 4.3: So sánh kết quả xác định tỉ lệ pha 77 x
14. MỤC LỤC Tiêu đề Trang Quyết định giao đề tài LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TĨM TẮT iv ABSTRACT v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH vii DANH MỤC BẢNG x MỤC LỤC xi Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Ứng dụng nhiễu xạ x-ray trong phân tích vật liệu trong nƣớc và thế giới. 1 1.1.1 Tình hình trong nƣớc 1 1.1.2 Tình hình quốc tế. 1 1.2 Mục đích của đề tài 2 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài. 2 1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài 3 1.3.2 Giới hạn của đề tài 3 1.3.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 3 1.3.4 Điểm mới của luận văn. 3 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1 Khái niệm về x-quang 4 2.2 Định luật Bragg 4 2.3 Các phƣơng pháp đo 6 2.3.1 Phƣơng pháp đo kiểu . 7 2.3.2 Phƣơng pháp side-inclination (kiểu ). 8 2.4 Hiệu chỉnh đƣờng nhiễu xạ x-ray 10 xi
15. 2.4.1 Hiệu chỉnh nền 10 2.4.2 Hiệu chỉnh hệ số LPA 11 2.5 Phƣơng pháp xác định vị trí đỉnh. 12 2.5.1 Phƣơng pháp parabol. 12 2.5.2 Phƣơng pháp đƣờng cong Gaussian 14 2.5.3 Phƣơng pháp trọng tâm 15 2.5.4 Phƣơng pháp bề rộng trung bình. 15 2.6 Làm mịn dữ liệu 17 2.7 Nguyên lý phân tích đƣờng nhiễu xạ 19 2.7.1 Nguyên lý xác định các mặt nhiễu xạ hkl 19 2.7.2 Xác định các đỉnh nhiễu xạ từ các mặt nhiễu xạ thu đƣợc 22 2.7.3 Xác định các chỉ số hkl của các mặt nhiễu xạ[3] 22 2.8 Nguyên lý đo ứng suất bằng x-ray 24 2.9 Xác định modul Young, hệ số poisson và hằng số ứng suất từ phƣơng pháp nhiễu xạ x-ray. 28 2.10 Lý thuyết xác định tỉ lệ pha dƣạ vào năng lƣơṇ g nhiêũ xa ̣toàn phần của mỡi pha 29 2.10.1 Cơng thƣ́ c tính tỷ lê ̣pha dƣạ vào năng lƣơṇ g nhiêũ xa.̣ 29 2.10.2 Xác định năng lƣợng Eij của mỗi pha: 30 2.10.3 Phƣơng pháp tiến hành xƣ̉ lý dƣ ̣ liêụ đo đac̣ 31 2.10.3.1 Hiệu chỉnh nền nhiễu xạ. 31 2.10.3.2 Chọn phạm vi bề rơṇ g đáy nhiễu xạ X : 32 Chƣơng 3: PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM PHÂN TÍCH VẬT LIỆU 33 3.1 Lập trình ứng dụng trong cơng nghiệp và kỹ thuật 33 3.1.1 Tổng quan về lập trình. 33 3.1.1.1 Assembly 33 3.1.1.2 Fortran 34 3.1.1.3 Cobol 34 3.1.1.4 Ngơn ngữ lập trình Pascal 34 3.1.1.5 Ngơn ngữ lập tình C 36 3.1.1.6 Ngơn ngữ C++ 36 xii
16. 3.1.1.7 Ngơn ngữ lập trình C# 37 3.1.1.8 Ngơn ngữ lập trình JAVA 38 3.1.1.9 Visual Basic 39 3.1.1.10 Các ngơn ngữ khác 39 3.1.2 Ứng dụng trong cơng nghiệp và kỹ thuật. 40 3.1.3 Chọn ngơn ngữ lập trình. 40 3.2 Chƣơng trình phân tích vật liệu từ nhiễu xạ x-ray. 41 3.2.1 Cấu trúc chƣơng trình 41 3.2.2 Sơ đồ khối của chƣơng trình. 42 3.2.2.1 Phân tích dữ liệu nhiễu xạ. 42 3.2.2.2 Tính ứng suất. 44 3.2.2.3 Tỉ lệ pha. 46 3.2.2.4 Hệ số đàn hồi. 48 3.2.3 Giao diện và thao tác của chƣơng trình 50 3.2.3.1 Phân tích vật liệu 51 3.2.3.2 Tính ứng suất 54 3.2.3.3 Tính hệ số đàn hồi 61 3.2.3.4 Xác định tỉ lệ pha 63 Chƣơng 4: TÍNH TỐN KIỂM NGHIỆM PHẦN MỀM PHÂN TÍCH VẬT LIỆU . 68 4.1 Kiểm nghiệm phân tích dữ liệu nhiễu xạ của vật liệu CeO2 68 4.2 Kiểm nghiệm xác định ứng suất ứng suất trong mối hàn ma sát hợp kim nhơm 1060 71 4.3 Kiểm nghiệm xác định tỉ lệ pha thép khơng gỉ song pha SCS14. 73 Chƣơng 5 : KẾT LUẬN 77 5.1 Kết quả đạt đƣợc. 77 5.2 Hƣớng phát triển của đề tài. 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 xiii
17. Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Ứng dụng nhiễu xạ x-quang trong phân tích vật liệu trong nƣớc và thế giới 1.1.1 Tình hình trong nƣớc Việc nghiên cứu ứng dụng x-quang trong kỹ thuật đã dần đƣợc thực hiện nhiều ở nƣớc ta. Ở nƣớc ta x-quang đƣợc sử dụng rộng rãi trong y học để chuẩn đĩn hình ảnh, cĩ nhiều đề tài nghiên cứu về x-quang trong lĩnh vực địa chất. Trong lĩnh vực cơ khí, cũng cĩ rất nhiều đề tài nghiên cứu x quang để phân tích vật liệu nhƣ tính ứng suất, tỉ lệ pha, kích thƣớc tinh thể, chiều dày lớp mạ Tuy nhiên việc nghiên cứu chỉ dừng ở lại mức tìm hiểu, nắm bắt vấn đề để ứng dụng vào trong thực tiễn. Chƣa cĩ những nghiên cứu đột phá, phát hiện mới về x-quang ở nƣớc ta. Ứng dụng x-quang để phân tích vật liệu ở nƣớc ta cũng đang ở bƣớc đầu phát triển và dần ứng dụng vào thực tế. Nhƣng chƣa cĩ phần mềm phân tích vật liệu nào sử dụng lý thuyết nhiễu xạ x quang để giúp việc tính tốn diễn ra nhanh chĩng và đạt tính kinh tế, việc tính tốn phân tích cịn thực hiện thủ cơng hoặc sử dụng 1 số phần mềm khơng chuyên dụng để hỗ trợ tính tốn nhƣ Ogirin, Excell 1.1.2 Tình hình quốc tế. Trên thế giới, việc nghiên cứu và ứng dụng x quang đã đƣợc phát triển từ rất lâu. Năm 1896 Rogen phát hiện ra tia x, và bức ảnh chụp x quang đầu tiên đƣợc chụp bởi Rontgen đĩ là bàn bàn tay vợ của ơng ấy. Từ nghiên cứu của Rontgen, nha khoa học Russell Reynold đã phát minh ra máy chụp chiếu tia X-quang đầu tiên trên thế giới vào năm 1896. Phát minh này đã gây sửng sốt trong nền y học thế giới hiện đại. Ngƣời ta khơng ngờ đƣợc rằng máy mĩc cĩ thể cho phép chúng ta nhìn thấu các bộ phận bên trong cơ thể và phát hiện đƣợc bệnh tật. Hình 1.1: Máy chụp tia x quang đầu tiên do Russell Trƣớc đĩ những nghiên cứu về nĩ đã bị coi là Reynold phát triển viễn tƣởng. Vào khoảng những năm 1975, việc 1
18. nghiên cứu x quang đƣợc phát triển mạnh mẽ, nhiều lý thuyết việc ứng dụng x quang trong nhiều lĩnh vực nhƣ nghiên cứu cấu trúc bên trong các vật liệu mờ đƣợc ra đời. Hiện nay các nƣớc phát triển trên thế giới đã nghiên cứu rất sâu về khả năng của x quang, và cho ra nhiều nghiên cứu để ứng dụng x quang trong khoa học kỹ thuật. Cĩ nhiều phần mềm giúp phân tích dữ liệu nhiễu xạ x-ray CIAO 1.2 Mục đích của đề tài Nghiên cứu và phát triển vật liệu hiện nay đang là vấn đề quan trọng trong cơng nghệ và khoa học kỹ thuật. Khi con ngƣời phát hiện đƣợc 1 vật liệu mới nào đĩ, để hiểu rõ tính chất của nĩ, các nhà khoa học phải nghiên cứu và phân tích, xác định tính chất cơ tính, lý tính, hĩa tính của nĩ để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau. Hay khi nghiên cứu chế tạo 1 sản phẩm nào đĩ, ta phải nghiên cứu sử dụng loại vật liệu nào phù hợp với yêu cầu, chịu đƣợc tải trọng nhất định, độ ăn mịn, nhiệt độ Hiện nay cĩ nhiều phƣơng pháp phân tích vật liệu phổ biến nhƣ x quang, kim tƣơng, kính hiển vi điện tử, phân tích nhiệt Trong số những phƣơng pháp đĩ, phƣơng pháp nhiễu xạ x-quang đem lại hiệu suất cao bởi vì nĩ khơng phá hủy và phân tích chính xác đƣợc nhiều vấn đề liên quan đến vật liệu nhƣ ứng suất, kích thƣớc tinh thể, tỉ lệ pha của vật liệu, hệ số đàn hồi, chiều dày lớp mạ và nĩ cĩ thể dễ dàng để tự động hĩa. Ngày nay, với sự ra đời của máy vi tính và sự phát triển nhƣ vũ bão của cơng nghệ thơng tin. Máy tính cĩ tốc độ xử lý ngày càng cao, nĩ giúp ta thực hiện đƣợc khối lƣợng tính tốn vơ cùng lớn trong 1 thời gian rất ngắn. Do đĩ, việc ứng dụng lập trình vào những việc tính tốn và phân tích khĩ, dài dịng là hết sức cần thiết, nĩ giúp ta rút ngắn thời gian làm việc, đạt hiệu quả cơng việc cao. Do đĩ, mục đích của đề tài là nghiên cứu và phát triển một hệ thống phần mềm phân tích vật liệu dựa trên phƣơng pháp nhiễu xạ x quang. Phần mềm sẽ giúp cho việc phân tích vật liệu trở nên nhanh chĩng hơn, giúp ngƣời sử dụng xác định 1 cách nhanh chống các giá trị nhƣ ứng suất dƣ, cơ tính, tỉ lệ pha, kích thƣớc tinh thể, chiều dày lớp mạ của vật liệu khi cĩ dữ liệu nhiễu xạ của vật liệu đĩ. 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài. 2
19. 1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài Nghiên cứu các lý thuyết liên quan về nhiễu xạ x-quang và ứng dụng vào việc phân tích vật liệu từ kết quả nhiễu xạ x-quang. Phát triển hệ thống phần mền phân tích vật liệu dựa trên phƣơng pháp nhiễu xạ x-quang. 1.3.2 Giới hạn của đề tài Do thời gian thực hiện đề tài cịn hạn chế, nên đề tài chỉ tập trung phát triển hệ thống phần mềm chủ yếu trong việc xác định ứng suất của vật liệu, cơ tính, tỉ lệ pha của vật liệu. 1.3.3 Phƣơng pháp nghiên cứu Dựa vào các tài liệu hiện cĩ trên thế giới về lý thuyết nhiễu xạ x-quang để tìm hiểu cách thức nhiễu xạ của x-quang trên vật liệu nhƣ thế nào. Tham khảo tài liệu trên thế giới để tìm hiểu phƣơng pháp xác định các tính chất vật liệu dựa trên dữ liệu nhiễu xạ x-quang. Nghiên cứu ngơn ngữ lập trình C# để lập trình phát triển phần mền phân tích vật liệu. Tiến hành tính tốn phân tích lại các dữ liệu nhiễu xạ x-quang đã đƣợc tính tốn xác thực để kiểm nghiệm tính chính xác của phần mềm. 1.3.4 Điểm mới của luận văn. Phát triển 1 phần mềm hồn tồn mới thuần Việt, dựa trên các lý thuyết về nhiễu xạ x-quang đã đƣợc nghiên cứu để phân tích vật liệu. Giúp việc phân tích vật liệu dựa trên dữ liệu nhiễu xạ x-quang từ các máy nhiễu xạ trở nên nhanh chĩng và thuận tiện hơn. 3
20. Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khái niệm về x-quang X-quang đƣợc phát hiện ra vào năm 1985 bởi nhà vật lý ngƣời Đức Rưntgen. Khơng nhƣ ánh sang thơng thƣờng, những tia này khơng thấy đƣợc bằng mắt thƣờng, nhƣng chúng đi theo đƣờng thẳng và tác động lên phim hình giống nhƣ là ánh sáng. Ở một mặt khác, chúng cĩ thể xuyên thấu nhiều hơn ánh sáng và cĩ thể dễ dàng đi qua cơ thể ngƣời, gỗ, những mẫu kim loại mỏng và những đối tƣợng “khơng trong suốt khác”. Khơng phải lúc nào cũng cần thiết hiểu một thứ trong việc sử dụng nĩ, và tia x đƣợc dùng 1 cách trực tiếp bởi các thầy thuốc và chậm hơn 1 chút là bởi các kỹ sƣ, ngƣời muốn nghiên cứu cấu trúc bên trong của các đối tƣợng mờ. Nơi đặt nguồn của x-ray ở một phía của đối tƣợng và phim ảnh ở những phía khác, hình ảnh bĩng của đối tƣợng hoặc là phim chụp x quang, cĩ thể đƣợc tạo ra, phần ít dày đặc của đối tƣợng chấp nhận 1 tỉ lệ cao lƣợng bức xạ x đi qua cao hơn các phần khác. Theo cách này những điểm gãy trong một cấu trúc bị vỡ hoặc một vị trí của khe nức trong một kim loại đúc sẽ đƣợc xác định. Việc chụp ảnh bằng tia X đƣợc bắt đầu sự dụng ngay cả khi ta chƣa cĩ sự hiểu biết bức xạ, bởi vì mãi đến những năm 1912 bản chất chính xác của tia x mới đƣợc thành lập. Trong những năm này, hiện tƣợng nhiễu xạ tia x bởi tinh thể đã đƣợc khám phá và sự phát hiện này đồng thời cũng chứng minh đƣợc bản chất sĩng của tia x và cung cấp phƣơng pháp mới để nghiên cứu sâu hơn về vật chất. Mặt dù phép chụp tia x là cơng cụ rất quan trọng và cĩ thể áp dụng đƣợc trên diện rộng, nĩ vẫn giới hạn bên trong chi tiết hoặc là cho ta thấy đƣợc kích thƣớc khoảng 10-3mm. Sự nhiễu xạ, ở mặt khác, cĩ thể gián tiếp xác định đƣợc chi tiết bên trong cấu trúc với mức 10-7mm, và với sự nghiên cứu này nĩ đƣợc ứng dụng vào những vấn đề của vật liệu. 2.2 Định luật Bragg Định luật Bragg, đƣợc W. L. Bragg thiết lập vào năm 1933, thể hiện mối quan hệ giữa bƣớc sóng của tia X và khoảng cách giữa các mặt nguyên tử [13,14]. 4
21. 0 Khi chiếu tia X cĩ bƣớc sĩng (10-4 – 102  ) tƣơng ứng với khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử vào vật rắn tinh thể sẻ xuất hiện các tia nhiễu xạ với cƣờng độ và các phƣơng khác nhau, các phƣơng nhiễu xạ phụ thuộc vào bƣớc sĩng của bức xạ tới và bản chất của mẩu tinh thể. Định luật Bragg thiết lập mối quan hệ giữa bƣớc sĩng tia X và khoảng cách giữa các mặt nguyên tử. Các giả thuyết : Các mặt phẳng nguyên tử phản xạ các bức xạ tới phải độc lập, các tia tới phải tán xạ hồn tồn. Giả sử hai mặt phẳng nguyên tử song song A-A’ và B-B’ cĩ cùng chỉ số Millier h,k,l và cách nhau bởi khoảng cách giữa hai mặt phẳng nguyên tử dhkl, chúng ta xem mặt tinh thể của tâm tán xạ nguyên tử là các mặt tinh thể và phản xạ giống nhƣ gƣơng đối với tia X. Hình 2.1: Nguyên lý nhiễu xạ theo điṇ h luâṭ Bragg Giả sử hai tia 1 và 2 đơn sắc, song song và cùng pha với bƣớc sĩng  chiếu vào hai mặt phẳng này dƣới một gĩc . Hai tia bị tán xạ bởi nguyên tử P và Q và cho hai tia phản xạ 1’ và 2’ cũng dƣới một gĩc  so với các mặt phẳng này, hình 2.1. Sự giao thoa của tia X tán xạ 1’ và 2’ xảy ra nếu hiệu quãng đƣờng 1-P-1’ và 2-Q-2’ , tức SQ + QT , bằng số nguyên lần bƣớc sĩng. Nhƣ vậy điều kiện nhiễu xạ là : n = SQ + QT (2.1) n = 2dhkl sin (2.2) Trong đĩ: n = 1 , 2 , 3 . . . đƣợc gọi là bậc phản xạ. 5