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本章提要：渗透检测（PT）属于表面检测技术，工程应用广泛，行业十分重视,有相关的国家标准。本课程简要介绍它们的基本原理、操作要点及适用性。第4章渗透检测(PT)•4.1概述•4.1.1渗透检测的定义、原理和作用•渗透检测是一种以毛细作用原理为基础的检测技术，主要用于检测非疏孔性的金属或非金属零部件的表面开口缺陷。•检测时，将溶有荧光染料或着色染料的渗透液施加到零部件表面，由于毛细作用，渗透液渗人到细小的表面开口缺陷中，清除附着在工件表面的多余渗透液，经干燥后再施加显像剂，缺陷中的渗透液在毛细现象的作用下被重新吸附到零件表面上，就形成放大了的缺陷显示，即可检测出缺陷的形貌和分布状态。第4章渗透检测(PT)•渗透检测技术已经成为制造业和维修领域中不可缺少的重要组成部分，广泛应用到现代工业的各个领域，是评价工程材料、零部件和产品的完整性、连续性的重要技术方法，也是实现质量管理、节约原材料、改进工艺、提高生产率的重要手段。第4章渗透检测(PT)•4.1.3渗透检测方法的分类•4.13.1根据渗透液的种类(所含的染料成分)分类•根据渗透液中所含染料的成分，渗透检测可分为着色法、荧光法和荧光着色法三大类。•着色法是渗透液中含有红色染料，在白光或日光下对缺陷进行观察的检测方法；•荧光法是渗透液中含有荧光染料，在紫外线的照射下观察缺陷处有黄绿色荧光显示的检测方法；•光着色法兼备荧光和着色两种方法的特点，即缺陷的显示图像在白光下显色，而在紫外线的照射下又能激发出荧光。第4章渗透检测(PT)•4.1.3.2根据表面多余渗透液的去除方法分类•根据表面多余渗透液的去除方法，可将渗透检测分为水洗型、后乳化型和溶剂清洗型兰大类。•渗透液中含有一定量的乳化剂，工件表面多余的渗透液可直接用水清洗掉，这种渗透检测方法称为水洗型渗透检测法。•后乳化型渗透检测法的渗透液中不含乳化剂，不能直接用水从工件表面清洗掉，必须有一道专门的乳化工序，使工件表面多余的渗透液乳化，之后才能用水清洗掉。第4章渗透检测(PT)•4.1.3.3根据渗透液的种类和去除方法分类•根据渗透液的种类和表面多余渗透液的去除方法，渗透检测方法主要分为:•本洗型荧光渗透检测、•亲油性后乳化型荧光渗透检测、•洛剂去除型荧光渗透检测、•亲水性后乳化型荧光渗透检测、•水洗型着色渗透检测、•后乳化型着色渗透检测、•溶剂去除型着色渗透检测等，•表4-l(p142)。第4章渗透检测(PT)•4.1.3.4根据显像方法分类•根据显像方法，渗透检测技术主要可分为:•干式显像法、•水基湿显像法、•非水至湿显像法、•特殊显像法,•自显像法等，如表4-2(p142)。第4章渗透检测(PT)•4.1.4渗透检测技术的优点和局限性•4.1.4.1渗透检测技术的优点•渗透检测方法可检查各种非疏孔性材料的表面开口缺陷，如裂纹、气孔、折叠、疏松、冷隔等。•渗透检测技术不受材料组织结构和化学成分的限制，不仅可以检查有色金属和黑色金属，还可以检查塑料、陶瓷及玻璃等。第4章渗透检测(PT)•渗透检测具有较高的检测灵敏度，超高灵敏度的渗透检测材料可清晰地显示宽0.5μm、深1μm、长1mm左右的细微裂纹。•而且，渗透检测的显示直观，容易判断，操作也非常快速、简便，一次操作即可检出一个平面上各个方向的缺陷。•此外，渗透检测还具有设备简单、携带方便、检测费用低、适应于野外工作等优点。•正是由于以上优点，渗透检测技术在工业领域得到了广泛的应用。第4章渗透检测(PT)•4.1.4.2渗透检测技术的局限性•首先是渗透检测不适于检查多孔性或疏松材料制成的工件或表面粗糙的工件，因为检测多孔性材料时，会使整个表面呈现强的荧光背景，以致掩盖缺陷显示；而工件表面太粗糙时，易造成假象，降低检测效果。•其次是渗透检测只能检出零部件的表面开口缺陷，被污染物堵塞或经机械处理(如喷丸、抛光和研磨等)后开口被封闭的缺陷则不能被有效检出。•另外，渗透检测只能检出缺陷的表面分布，难以确定缺陷的实际深度，因而很难对缺陷做出定量评价。第4章渗透检测(PT)•4.2渗透检测物理基础•4.2.1表面张刀和表面张刀系数•4.2.1.1表面张力•由于表面层分子受到内部分子的吸引，都趋向于挤入液体内部，以使溶体表面层尽量缩小，结果在表面的切线方向上便有一种缩小表面积的力。•可以做一个实验:把棉线挽成一个圈系在金属丝做成的环上，然后使环布满肥皂薄膜，此时薄膜上的线圈是松的，线两边受到大小相等方向相反的力作用，处于平衡状态，图4-1(a)所示。第4章渗透检测(PT)•如果用针刺破环内的薄膜，棉线两边的作用力将不再平衡，环便被拉成圆形，如图4-1(b)所示。第4章渗透检测(PT)•这个现象说明，这种作用力是沿着液面和液面相切、使液面缩小的一种力。•如果液面是水平的，这种作用力也是水平的；•如果液面是弯曲的，作用力的方向就是曲面的切线方向。•液体表面的这种作用力称做表面张力。第4章渗透检测(PT)•4.2.1.2表面张力系数•1.表面张力系数•通过图4-2的实验可以求出表面张力的表达式。•把一肥皂膜铺在铁丝框上，若铁丝A可以移动，则必须有一个外力f作用，才能保持液体表面不向内收缩。•外力f的存在，说明液体本身有一个与f方向相反且沿着液体表面切线方向的力，这个力就是表面张力。第4章渗透检测(PT)•实验指出，力f的大小与AB的长度l成正比，但与肥皂膜ABCD的大小无关;第4章渗透检测(PT)•由此可知:•表面张力是施于液体表面单位长度上的力。沿着液体表面任一分界面上，这个力恰好使紧张的“表面膜”保持平衡。•表面张力的方向是与液体表面相切，•其单位是N·m-1第4章渗透检测(PT)•2.表面张力与比表面自由能•在等温等压下，若将图4-2中的AB可逆地移动一个距离Δλ(图4-3)，这时膜的表面积增加了Δs，同时环境消耗了功，这时由液面增加引起的表面自由能的增量ΔE就等于外力所做的功Δw，(p144)•由此可知，表面张力的另一物理意义是单位表面所具有的表面自由能。•所以又称α为比表面自由能(比表面能)，•单位是J.m-1。第4章渗透检测(PT)•3.影响表面张力的因素•表面张力系数与液体的种类和温度有关，一定成分的液体，在一定的温度和压力下有一定的α值；不同液体的α值也不同。•同一液体，表面张力系数α随温度的上升而下降;•但有少数熔融液体的表面张力系数α随温度的上升而增高，例如铜、镉等金属的熔融液体;•含有杂质的液体比纯净的液体的表面张力系数要小。•液体表面张力系数越小，液体表面能越小，液体越容易挥发。•部分液体的表面张力系数如表4-3。第4章渗透检测(PT)•4.2.2润湿现象•4.2.2.1润湿和不润湿•在干净的玻璃上滴一滴水，这滴水会很快沿着玻璃表面展开，成为凸镜的形状，图4-4(b)所示。•若将水滴在一块石蜡上，则不能展开，基本上保持球状，但由于重力的影响，会形成一扁球形，图4-4(a)所示。•液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿。•上面两种情况，通常说:水能润湿玻璃，但不能润湿石蜡。第4章渗透检测(PT)•水润湿的物质叫亲水物质，如玻璃、石英、方解石、长石等;•不能被水润湿的物质叫疏水物质，如石蜡石墨、硅黄等。第4章渗透检测(PT)•4.2.2.2接触角和润湿方程•润湿和不润湿不是截然分开的，因此必须进行定量描述.在定量描述时常用到接触角的概念。•接触角是指固、液、气三相接触达到平衡时，从三相接触的公共点沿液一气界面作切线，此切线与固一液界面的夹角，常用θ表示，图4-4所示。•液体在固体的平面上有三种界面:液-气、固-气、固-液界面:•与三种界面对应存在三种界面张力(图4-4):第4章渗透检测(PT)•液-气界面上的液体表面张力，它使液滴表面收缩，用λ表示；•固-气界面上存在的固体与气体的界面张力，它力图使液滴表面铺开，用fs表示；•固-液界面上存在固体与液体的界面张力，它也力图使液滴表面收缩，用fsl表示。•气、液、固三相的公共点A处，同时存在上述三种界面张力，当液滴停留在固体平面并处于平衡状态时，三种界面张力相平衡，存在下列关系式:•（4-2)p146第4章渗透检测(PT)•式(4-3)得到润湿的基本公式，即润湿方程•接触角θ可用于表示液体的润湿性能,即可用于判定润湿以何种方式进行。习惯上将θ等于90。时作为判定润湿与否的标准。•当θ90。时称为润湿，θ角越小，润湿性越好，液体越容易在固体表面展开。•当θ90。时称为不润湿，θ角越大，润湿性越不好，液体越不容易在固体表面展开，越容易收缩至接近呈圆球状。•当θ=90。或180。时，分别称为完全润湿和完全不润湿。第4章渗透检测(PT)•应当说明的是，以上只是习惯上的区分。其实只是润湿程度有所不同而已。•常见润湿形式图4-5。第4章渗透检测(PT)•液体的表面张力系数α对润湿性能的好坏有较大的影响，表面张力系数α越大，fl越大，cosθ越小，θ越大，则润湿效果差;•反之，表面张力系数α越小，fl越小，cosθ越大，θ越小，润湿效果越好。•某些固体与液体接触时，其接触角θ的实测数据如表4-4所列。第4章渗透检测(PT)•固体表面的粗糙度也会导致接触角θ发生变化，当θ90.时，表面粗糙度大，将使接触角变小；•当θ90.时，表面粗糙度变小将使接触角增大。•渗透检测中，渗透液对工件表面的良好润湿是进行渗透检测的先决条件。•只有当渗透液能充分润湿工件表面时，渗透液才能向狭窄的缝隙内渗透。•此外，渗透液还必须能润湿显像剂，以便将缺陷内的渗透液吸出，显示缺陷。•因此渗透液的润湿性能是衡量渗透液的重要指标。第4章渗透检测(PT)•4.2.3毛细现象•4.2.3.1毛细管和毛细现象•如果把内径小于Imm的玻璃管(毛细管)插入盛有水的容器中，由于水能润湿玻璃，水在管内形成凹液面，对内部液体产生拉应力，故水会沿着管内壁自动上升，使玻璃管内的液面高出容器的液面。第4章渗透检测(PT)•管子的内径越小，里面上升的水面也越高，如图4-6(a)所示。•如果把细玻璃管插入装有水银的容器里，所发生的现象正好相反。由于水银不能润湿玻璃，管内的水银面形成凸液面，对内部液体产生压应力，使玻璃管内的水银液面低于容器里的液面。•管子的内径越小，里面的水银面就越低。图4-6所示。第4章渗透检测(PT)•润湿的液体在毛细管中凹面且上升，不润湿的液体在毛细管中凸面且下降的现象，称毛细现象。第4章渗透检测(PT)•4.2.3.2毛细现象的液面高度第4章渗透检测(PT)•由上式可知:•液体在毛细管中上升的高度与表面张力系数和接触角的余弦的乘积成正比，与毛细管的内径和液体的密度成反比。•应当注意:•α与cosθ是密切相关的，α表征表面张力的大小，而θ则表征表面张力的方向，αcosθ表征表面张力在θ角方向上的分力的大小，两者是密不可分的。第4章渗透检测(PT)•实际上，对某一液体而言，α增大，润湿效果差，接触角θ变大，cosθ减小;反之，α减小，cosθ增大;•可见两者是矛盾的，因此不能将两者分开讨论，误认为h与α成正比，第4章渗透检测(PT)•实际渗透检测中，渗透液的α要适当，太大或太小都是不利的。•若液体能完全润湿管壁，即属于铺展润湿，此时cosθ=1，•则式(4-4)可简化为（4-5）•如液体不能润湿管壁，则液体在管内形成下降的球形凸液面，液面下降的高度也可以用式(4-4)进行计算。第4章渗透检测(PT)•2.两平行平板间的液面高度•润湿的液体在间距很小的两平行板间也会产生毛细现象，图4-8所示，该润湿液体的液面为柱形凹液面，产生拉应力，管内液面上升。•若两平行极间的间距为2r，用与上述相同方法，可推导出板内液面升高的公式为(4-6)第4章渗透检测(PT)第4章渗透检测(PT)•如果液体不润湿平板，则两平行板间的液面为柱形凸液面，产生压应力，使版内液面降低，其液面降低的高度同样可用式(4-6)进行计算。•比较式(4-4)和式(4-6)可知，在相同的条件下，毛细现象中柱形液面上的高度仅为球形液面的1/2。第4章渗透检测(PT)•4.2.3.3缺陆内液面高度•上面的计算公式只