第五章渗透检测

第五章渗透检测渗透检测是一种检测材料（或零件）表面或近表面开口缺陷的无损检测技术。它几乎不受被检部件的形状、大小、组织结构、化学成分和缺陷方位的限制，可广泛适用于锻件、铸件、焊接件等各种加工工艺的质量检验，以及金属、陶瓷、玻璃、塑料、粉末冶金等各种材料制造的零件的质量检测。渗透检测受被检物体表面粗糙度的影响较大，不适用于多孔材料及其制品的检测。5.1渗透检测的基本原理5.1.1渗透检测的基本原理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。将溶有荧光染料或着色染料的渗透液施加到被检对象的表面，由于毛细作用，渗透液渗入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，即可检查出缺陷的形貌和分布状态。5.1.2渗透检测的特点1.不受材料组织结构和化学成分的限制有色金属、黑色金属、塑料、陶瓷及玻璃等。2.灵敏度高可清晰地显示宽0.5μm、深10μm、长1mm的裂纹。3.设备简单、携带方便、检测费用低、适于野外工作4.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5.只能检测表面开口缺陷6.只能检出缺陷表面分布，不能定量5.2渗透检测的物理基础5.2.1表面张力和表面张力系数5.2.1.1表面张力由于表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，称为表面张力。表面张力产生的原因：液体表面分子受内部液体分子的吸引力大于气体对其的吸引力，使其合力为向下的力，此合力即表面张力，方向指向液体内部，力图使液体表面积收缩到尽可能达到的最小程度。5.2.1.2表面张力系数表面张力与液面的长度l成正比f＝σl，σ＝f/l，称为表面张力系数，单位N/m。因此，表面张力是施于液体表面单位长度上的力。表面张力系数与液体的种类和温度以及有无杂质有关。一般，易挥发液体的表面张力系数比不易挥发的液体的表面张力系数小；同种液体，温度越高，表面张力系数越小，表面张力也越小；当液体中含有杂质时，会使表面张力系数降低。5.2.2润湿现象5.2.2.1润湿和不润湿能被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做疏水物质，如石蜡、石墨、硅黄等。5.2.2.2接触角和润湿方程1.接触角θ液面在接触点的切线与包括该液体的固体表面之间的夹角（从三相交点向液体表面做切线，与固液界面之间的夹角即为接触角。）2.润湿方程:cosθ=(FS-FSL)/FL（这是因为FS=FLcosθ+FSL）5.2.3.2毛细现象中的液面高度2.两平行板间的液面高度5.2.4表面活性和表面活性剂5.2.4.1定义能使溶剂表面张力降低的性质称为表面活性。具有表面活性的物质称为表面活性物质。当在溶剂中加入少量的表面活性物质时，能明显的降低溶剂的表面张力，改变溶剂的表面状态，产生润湿、乳化、起泡及增溶等一系列作用，这种表面活性物质称为表面活性剂。5.2.4.2表面活性剂的种类和特点1.离子型2.非离子型水溶液中不电离，稳定性高，具有较好的溶解性能，在一般固体表面上也不发生强烈吸附。渗透检测中常用的是非离子型表面活性剂。5.2.4.3表面活性剂在溶液中的特性1.胶团化作用表面活性剂在溶液中的浓度超过一定值时，会从单体缔合形成胶态聚集物，形成胶团。形成胶团时，亲油基聚集于胶团之内，亲水基朝外。2.吸附作用表面活性剂在两相界面上发生的相对聚集的现象。吸附使表面活性剂分子形成定向排列，极性的亲水基朝向水或水溶液，亲油基朝外。3.增溶作用指水溶液中表面活性剂的存在能使原来不溶或微溶于水的有机化合物的溶解度显著增加。在未达到临界胶团浓度以前，并没有增溶作用。表面活性剂在溶液中的浓度越大，胶团形成越多，增溶作用越显著。4.亲水性表面活性剂是否溶于水是衡量表面活性剂的一项重要指标。亲水性用亲憎平衡值表示：H.L.B＝（亲水基部分的分子量/表面活性剂的分子量）×205.2.5乳化作用5.2.5.1乳化现象和乳化剂由于表面活性剂的作用，使本来不能混合到一起的两种液体能够混合在一起的现象称为乳化现象。具有乳化作用的表面活性剂称为乳化剂。5.2.5.2乳化作用的机理1.改变界面的性质和状态，降低界面张力，使油滴的表面能不会急剧增加；2.在分散的液滴表面形成一种具有一定强度的保护膜，防止液滴重新聚集。5.2.5.3乳化形式1.水包油型（O/W）H.L.B在8－18之间的表面活性剂的乳化剂，又称为亲水性乳化剂，如牛奶。2.油包水型（W/O）H.L.B在3.6－6之间的表面活性剂的乳化剂，又称为亲油性乳化剂，如原油。5.2.7可见度和对比度5.3渗透探伤试剂、试块和装置渗透检测试剂主要有渗透液、显像剂和去除剂三大类组成。试块主要有铝合金淬火裂纹试块、不锈钢镀铬裂纹试块、黄铜镀铬裂纹试块以及其它灵敏度试块。渗透探伤装置分为携带式和固定式两大类。5.3.1渗透液5.3.1.1理想渗透液应具有的性能1.润湿性能好；2.渗透能力强，渗透速度快；3.色泽好，对比度高；4.化学稳定性好；5.闪点燃点高，安全性好；6.不易挥发，容易清除；7.对工件无腐蚀，对人体无害，价格合理。5.3.1.2渗透液的分类与组成1.着色渗透液（1）水洗型着色渗透液a水基型着色渗透液以水作为渗透溶剂，在水中溶解染料，可直接用水清洗。价格便宜、易清洗、安全无毒、不可燃、不污染环境。渗透能力差，检测灵敏度低，检测对灵敏度要求不高、渗透液与工件发生反应而破坏工件及同油类接触易爆炸的部件。b自乳化型着色渗透液由油基溶剂、互溶剂、红色染料、乳化剂等组成。渗透能力强，灵敏度比水基着色渗透液高，成本低，本身含有乳化剂，可以直接用水清洗，也因此称为水洗型着色渗透液。易吸收空气中的水分产生浑浊、沉淀。（2）后乳化型着色渗透液基本成分为油基渗透溶剂、互溶剂、染料、增光剂、润湿剂等。渗透能力强，灵敏度高，毒性低，不含乳化剂因而不能直接用水清洗，需经过乳化工序后才能用水清洗。不适于检测表面粗糙、有盲孔或带螺纹的工件检验，渗透液中乙酸已酯有难闻的刺激性气味。适于检查浅而细微的表面缺陷。（3）溶剂去除型着色渗透液基本成分是红色染料、油性溶剂、互溶剂润湿剂等。着色渗透能力强，用丙酮等有机溶剂直接清洗，灵敏度较高。常装在喷灌中，与清洗剂、显像剂配套出售。适于大型工件的局部检测和无电无水的野外作业，但检查成本高，效率低，有毒性。2.荧光渗透液（1）水洗型荧光渗透液a水基型荧光渗透液基本成分是荧关染料和水，特点及适用范围与水基型着色渗透液基本相同，但灵敏度高。b自乳化型荧光渗透液基本成分是荧光染料、油性溶剂、渗透溶剂、乳化剂等。渗透能力强，可直接用水冲洗，成本低，检测灵敏度高。（2）后乳化型荧光渗透液基本成分为荧光染料、油性溶剂、渗透溶剂、互溶剂、润湿剂等。缺陷中的渗透液不易清洗，所含溶剂的比例比自乳化型荧光渗透液高，目的在于溶解更多的染料。密度比水小，抗水污染能力强，不受酸或碱的影像。检测灵敏度高，特别适于检测浅而细微的表面缺陷，适用于要求较高的工件检测，同样要求工件表面光洁、无盲孔和螺纹等。3.溶剂去除型荧光渗透液（2）化学反应渗透液将无色或淡黄色的染料溶解在无色的溶剂中形成。这种渗透液在与配套的无色显像剂接触时会发生化学反应，产生鲜艳的颜色，在紫外灯照射下发出明亮的荧光，从而形成清晰的缺陷显示。化学反应型渗透液缺陷显示清晰，不污染操作者的衣服及皮肤，也不会污染零件和工作场地，冲洗出的废水也是无色的，避免了颜色污染。（3）过滤性微粒渗透液是一种悬浮液，将粒度大于裂纹宽度的染料悬浮在溶剂中配制而成。当渗透液流进裂纹时，染料微粒不能流进裂纹，微粒就会聚集在开口的裂纹处，提供裂纹显示的信息。微粒可根据实际需要进行选择着色或荧光的。不需显像剂。染料微粒必须适当。5.渗透液的选择原则（1）灵敏度满足探伤要求；（2）渗透液对被检工件无腐蚀；（3）价格低，毒性小，易清洗；（4）化学稳定性好，能长期使用；（5）使用安全，不易着火；5.3.2清洗液、乳化剂与显像液5.3.2.1清洗液（去除剂）用来去除被检工件表面多余渗透液组成的溶剂。水、乳化剂和水、有机溶剂。去除剂应对渗透溶液中的染料有较大的溶解度，对渗透溶剂有良好的互溶性，且不与渗透液起化学反应，不应猝灭荧光染料的荧光。5.3.2.2乳化剂1.作用用于乳化不溶于水的渗透液，使其便于用水清洗。2.性能要求乳化效果好，化学性质稳定，对工件无腐蚀，对人体无害，颜色与渗透液有明显区别，凝胶作用强，便于清洗。3.乳化剂的选择根据H.L.B值及工件的材质、检验要求、渗透液种类进行选择。5.3.2.3显像液1.作用将缺陷内的渗透液吸附出来，形成清晰的缺陷图像，显示缺陷。2.组成吸附剂：白色的无机粉末，能吸附在工件表面上，如钛白、锌白、镁白等；溶剂：悬浮吸附剂，如丙酮、二甲苯、水等；限制剂：限制缺陷图像扩大，提高分辨力；附加成分：润湿剂、防绣剂、分散剂、稀释剂。3.对显像剂的要求（1）能被渗透液润湿，悬浮性强，分散性好，能均匀的覆盖在工件表面；（2）粒度细小，吸附力强，显像膜不易剥落，能形成细小的毛细管；（3）能与缺陷处吸出的渗透液形成较大的对比度；（4）化学稳定性好，挥发性强，对工件无腐蚀，对人体无害；（5）成本低，易清洗。4.显像剂的分类根据显像液的使用方式不同将其分为干式、湿式和速干式显像液三种。干式显像液只含有吸附剂，是一种白色的显像粉末，常与荧光渗透液配合作用。速干式显像液由吸附剂、悬浮剂、限制剂等组成，要求悬浮剂挥发性好，以缩短显像时间。湿式显像剂由吸附剂、悬浮剂、限制剂、润湿剂、防绣剂等组成。清洗方便，不可燃，使用安全，成本低，灵敏度比干式高。此外，还有塑料薄膜显像液和化学反应显像液。5.3.3试块5.3.3.1试块的作用也称灵敏度试块，是带有人工缺陷或自然缺陷的试件，用于衡量渗透检测灵敏度的器材。主要作用由：1.灵敏度试验；2.工艺性试验，鉴别各种探伤试剂的性能，确定渗透检测的工艺参数；3.比较不同工艺操作的灵敏度。常用到的试块主要有铝合金淬火裂纹试块、不锈钢镀铬裂纹试块、黄铜镀铬裂纹试块以及其它灵敏度试块。5.3.3.2铝合金淬火裂纹试块（A型）1.制作80×50×10mm的毛坯－磨光－加热－保温－水冷－开槽1.5×1.5。2.优点及缺点制作简单，缺陷天然，不可控制，重现性较差。3.清洗丙酮－沸水0.5h－干燥15m－浸泡。1.制作：100×70×4mm毛坯－磨光－镀镍－镀铬－反复弯曲－平行分布的疲劳裂纹－开槽。2.裂纹等级：0.5－2微米宽，2－50微米深的不同的裂纹。3.作用：系统性能检测和确定灵敏度的有效工具。4.优缺点5.清洗和保存5.3.4渗透探伤装置5.3.4.1携带式探伤装置1.组成渗透液喷灌、清洗剂喷灌、显像剂喷灌、灯、毛刷、金属刷组成。渗透液喷灌内还装有气雾剂。2.使用要求必须远离火源、热源、不能暴晒；喷嘴应与工件表面保持一定距离；遗弃空罐时必须破坏其密封性。5.3.4.2固定式渗透检测装置1.组成预清洗装置、渗透装置、乳化装置、显像装置、干燥装置和后处理装置登。2.使用要求（1）预清洗装置所使用的液体对人体有害，禁止烟火；（2）采用荧光法检测时，必须有暗室，备有便携式黑光灯。5.3.4.3黑光灯5.4渗透检测技术5.4.2渗透探伤的一般工艺过程渗透探伤的一般工艺过程是预清理、渗透、乳化、清洗、干燥、显像、观察、后处理、记录与报告。5.4.2.1预清理工件表面的油污、铁锈、氧化皮、油漆、飞溅物、腐蚀物等等会妨碍渗透液进入缺陷，必须进行预清理。1.机械清理：打磨、吹砂2.化学清理：酸洗、碱洗3.溶剂清洗：三氯乙烯蒸汽除油4.其它清除方法：如去漆剂，超声波方法等5.工件表面预清理范围：外扩25mm5.4.2.2渗透1.作用2.方法（1）喷涂法（2）刷涂法（3）浸涂法（4）浇涂法3.渗透时间及温度控制温度一般在15－40摄氏度。渗透时间是指渗透液充分渗入缺陷所需的时间，包括施