kc0106013渗透检测专业知识1

渗透检测通用技术主讲：万立皓1渗透检测基础知识1.1渗透探伤定义PenetrantTesting简称PT(Penetrate)渗透探伤是以毛细管作用原理为基础的检查表面开口缺陷的一种常规的无损检测方法。1.2渗透探伤的工作原理和操作步骤工作原理：零件表面被施加含有荧光染料或着色染料的渗透液后，在毛细管作用下，经过一定时间的渗透，渗透液可以渗进表面开口缺陷中；经去除零件表面多余的渗透液和干燥后；再在零件表面施加显象剂；同样，在毛细管作用下，显象剂将吸引缺陷中的渗透液，即渗透液回渗到显象剂中；在一定的光源下（黑光或白光），缺陷处的渗透液痕迹被显示（黄绿色荧光或红色），从而探测出缺陷的形貌及分布状态。操作步骤见图1-1渗透检测可以检查金属、非金属零件或材料的表面开口缺陷，例如裂纹、疏松、气孔、夹渣、冷隔、折叠等。渗透探伤不受零件化学成分限制，不受零件结构限制，也不受缺陷形状限制。可以检查磁性材料，也可以检查非磁性材料；可以检查黑色金属，有色金属，也可以检查非金属；可以检查焊接件，铸件，锻件和机加工件；只需要一次探伤，即可把零件表面各个方向及形状的缺陷全部检查出来。但是，渗透探伤不适用于检查表面是吸收性的零件或材料，例如粉末冶金零件。渗透检测的重复性差，污染较严重。1.3渗透探伤的分类1根据染料分类：荧光法、着色法和荧光着色法渗透探伤的适用范围2根据去除方式分类：水洗型、后乳化型和溶剂去除型3根据显象方式分类：干式、湿式、速干式、自显象（一般分类）显象剂的种类：干式显象剂、湿式显象剂湿式显象剂包括：水溶式，水悬浮式，溶剂悬浮式（速干式），塑料薄膜式（干粉悬浮于树脂清漆中）4各种渗透探伤方法的优缺点着色法只需在白光或日光下进行，在没有电源的场合下也能工作，荧光法需要配备黑光灯和暗室，无法在没电的场合下工作。水洗型渗透适于检查表面较粗糙的零件（铸造件、螺拴、齿轮、键槽等），操作简便，成本较低，特别适合批量零件的渗透检测。而对于水基渗透液可以检查不能接触油类的特殊零件（液氧容器）后乳化型渗透适于表面光洁，灵敏度要求高的零件，例如发动机涡轮片，涡轮盘等，特别是后乳化型荧光法配合速干式显象被认为是灵敏度最高的一种渗透方法。溶剂去除型着色法由于可以使用在没有水和电的场合，因而应用非常广泛，特别是喷罐使用，可简化操作，适用于大型零件的局部检测（如锅炉、压力容器的焊缝检测等），该法成本较高，不适于大批量零件的渗透检测。1.4渗透探伤与磁粉探伤和涡流探伤的比较P.7表1-22渗透探伤的物理化学基础液体分子间作用力表面张力弯曲液面附加压强毛细管现象2.1分子论2.1.1分子运动论宏观物体由大量分子组成、分子在永不停息地运动、分子间存在互相作用力2.1.2最小能量理论分子动能、分子势能、物体的内能2.1.3自然界的三种物质形态气态、液态和固态不同的物质介质相接触，出现界面。一般存在如下几种界面：液－－气界面、固－－气界面、液－－液界面和液－－固界面。人们习惯于把有气相参与组成的相界面叫表面，其他的相界面称界面。因此常称液－－气界面为液体表面，固－－气界面为固体、表面。在液－－气表面，把跟气体接触的液体薄层称为表面层。在液－－固界面，把跟固体接触的液体薄层称附着层。表面层的分子，一方面收到液体内部分子的作用，另一方面受到气体分子的作用。附着层的分子，一方面受到液体内部分子的作用，另一方面，受到固体分子的作用。2.2表面张力和表面张力系数体积一定的几何形体中，球体的表面积最小。因此，一定量的液体从其它形状变为球形时，就伴随着表面积的减小。另外，液膜也有自动收缩的现象。这些都说明液体表面有收缩到最小面积的趋势。这是液体表面最基本的特性。根据力学知识，液体能够从其它形状变为球形是由于有力的作用。把这种存在于液体表面，使液体表面收缩的力称为液体的表面张力。表面张力一般用表面张力系数表示。表面张力系数α为任一单位长度上的收缩表面的力，也常称为表面张力。它和液体表面相切且垂直于液体边界。它是液体的基本性质之一，以牛顿/米（N/m）为单位。一定成分的液体，在一定的温度下有一定的表面张力系数α值。不同的液体，α值是不同的。一般液体的α值随温度上升而下降；少数金属熔融液体（铜、镉）的表面张力系数随温度上升而增高。容易挥发的液体，表面张力系数更小，含有杂质的α值也小。表面张力的产生机理液体分子作用间的作用力液体表面层分子和内部分子互相作用示意图间图2-1。图2-1液体表面层和内部分子的互相作用分子作用半径r：分子作用力所能达到的最大距离，图2-1分子作用球：半径为r的球形作用范围。在图2-1中，MN为液体与气体的分界面，A、B及C为液体中处于不同位置的分子。分子A处于液体内部，分子B靠近液体表面，分子C处于液体表面。分子B距液体表面MN的距离小于分子作用半径r，分子C距表面MN的距离为0，即分子作用球只有一半部分在液体内部，而另一半部分在液体之外。在液体之外，分子作用力就是液面上的气体分子对分子B和C的作用力，其大小与液体内分子作用力相比可以忽略不计。在液体内部，分子B、C的分子作用球内的分子，对分子B、C的作用力较大，不能忽略。因此，分子B、C的合力不为零。合力R的方向指向液体内部。分子距离液面MN距离越小，合力R就越大。分子A处于液体内部，在液体中有大量的其它分子处于分子A的分子作用球内，这些分子作用于分子A上的引力指向各个不同方向，总体上这些引力是互相抵消的，其合力为零。•所以，在图2-1中，R1R2R3综上所述，每一个到液体表面的距离小于分子作用半径r的分子，都受到一个指向液体内部的力的作用，而这些分子组成的表面层，即由表面分子及近表面分子组成的液体表面层，都受到垂直于液面而且指向液体内部的力的作用。这种作用力就是液体表面层对整个液体施加的压力，其实质是液体分子间的作用力。液体表面越小，受到这种力作用的分子数目越少，系统的能量相应越低，系统就越稳定。于是液体表面有自行收缩的趋势。另外，处于液体表面的分子，分布比较稀疏，表面分子间存在互相吸引的力，这样，就使得液体表面能够实现自行收缩。这些就是液体表面张力产生的机理。因此，液体分子间的互相作用力是表面张力产生的根本原因。表面过剩自由能表面过剩自由能是单位面积表面分子的自由能与单位面积内部分子的自由能的差值。表面张力系数是单位液体方面的过剩自由能，常称为表面过剩自由能，它是将液体表面扩大（缩小）单位面积，表面张力所作的功。界面张力与界面能正如液体的自由表面具有表面张力与表面能一样，液－－液界面与液－－固界面等两相之间的界面也有类似的界面张力与界面能。对于界面而言，两相之间的化学特点越接近，它们之间的界面张力就越小；界面张力值总是小于两相各自的表面张力之和，这是因为两相之间总会有某些吸附力。同液体的表面张力一样，界面张力也有使其界面自发减少的趋势2.3润湿现象1润湿（或不润湿）现象润湿作用是一种表面及界面过程。普遍而言，表面上的一种流体被另一种流体所取代的过程就是润湿。因此，润湿作用必然涉及三相，而其中至少两相为流体。一般情况下，润湿是指固体表面上的气体被液体取代，有时是一种液体被另一种液体所取代。润湿现象是固体表面结构与性质，固－－液两相分子间相互作用等微观特性的宏观表现。润湿液体装在容器里，靠近容器壁处的液面呈凹面，不润湿液体装容器里，零件容器壁处的液面呈凸面，容器的内径越小，这种现象越显著。见图2-2所示。因为水或水溶液是特别常见的取代气体的液体，所以，一般就把能增强水或水溶液取代固体表面空气的物质称为润湿剂。2润湿方程与接触角图2-3，将一滴液体滴在固体平面上，可有三种界面，即液－－气，固－－气及固－－液界面。与该三种界面一一对应，存在三种界面张力。液－气界面张力实际上是液体的表面张力，它力图使液体表面收缩，用γL表示，固－气界面存在固体与气体的界面张力，它力图使液滴表面铺开，用γS表示，固－液界面存在固体与液体的界面张力，它力图使液滴表面收缩，用γSL表示。接触角：液－固界面经过液体内部到液－气表面之间的夹角，用θ表示。当液滴停留在固体平面上时，三种界面张力相平衡，它们之间的关系为：此式是润湿的基本公式，常称为润湿方程。cosLSLS经变换，可公式变为：3润湿的三种方式和四个等级沾湿润湿、浸湿润湿、铺展润湿当θ≤180º时，发生沾湿润湿；当θ≤90º，发生浸湿润湿；当θ≤0º，发生铺展润湿。当接触角θ为0º，即cosθ＝1时，液滴在固体表面接近于薄膜的形态，此情况称为完全润湿。当接触角θ在0º和90º之间，即0cosθ1时，液滴在固体表面上成为小于半球形的球冠，这种情况称为润湿。LSLScos当接触角θ在90º和180º之间，即－1cosθ0时，液滴在固体表面上成为大于半球形的球冠，这种情况称为不润湿。当接触角θ为180º，即cosθ＝－1时，液滴在固体表面上成为球形，它与固体之间仅有一个接触点，这种情况称为完全不润湿。同一种液体，对不同的固体而言，它可能是润湿的，也可能是不润湿的。在液体中加入表面活性剂，则液体的表面张力变小，接触角变小，润湿性能提高。润湿现象所反映的润湿性能综合反映了液体的表面张力和接触角两种物理性能指标。2.4毛细现象2毛细现象（1）圆管中的毛细管现象润湿液体在毛细管中呈凹面并且上升，不润湿液体在毛细管中呈凸面并且下降的现象，称为毛细管现象。毛细现象并不局限于一般意义上的毛细管，例如两平行板间的夹缝，各种各样的棒、纤维、颗粒堆积物的空隙都是特殊形式的毛细管。2弯曲液面的附加压强由于液体表面张力的存在，弯曲的液面会产生附加的压强。液体的表面张力系数越大，弯曲液面的曲率半径越小，则产生的附加压强越大。任意形状的弯曲液面下的附加压强的拉普拉斯公式：)11(21RRP3毛细现象中的液面高度毛细管在润湿液体中，由于润湿作用，靠近管壁的液面就会上升，形成表面凹下，在弯曲液面的附加压强下，液体表面向上收缩，而形成平面；随后，润湿作用又起主导作用，靠近管壁的液面又上升，重新形成表面凹下的弯曲液面，弯曲液面在附加压强的作用下又上升。如此循环，使毛细管的液面逐渐上升，一直到向上的弯曲液面附加压强的作用力与毛细管内升高的液柱重量相等时，达到平衡，才停止上升。毛细管中上升力F上，为毛细管内壁弯曲液面的附加压强产生的压力：F上＝α·cosθ·2πrα－液体的表面张力系数，θ－接触角，r－毛细管内壁半径。毛细管中下降力F下，等于液柱的重量：F下＝πr2•d•g•hg－重力加速度，d－液体密度，h－液体在管中上升的高度。液面停止上升时，上升力与下降力平衡，F上＝F下，即α·cosθ·2πr＝πr2•d•g•h整理，得从上式可以看出，毛细管曲率半径越小，管子越细，则上升高度越高。如果液体不润湿管壁，则管内液面是下降的凸液面，该弯曲液面gdrhcos2对液体的附加压强是指向液体内部，使管内液面将低于管外液面，所下降的高度同样可用该公式计算。（2）两平行板间的毛细现象润湿液体在间距很小的两平行板间也会产生毛细现象，如图2-6所示。其上升高度的公式为缺陷内液面高度以长a，宽C，深b的狭长细槽作零件上的裂纹模型来分析讨论渗透探伤时渗透液渗入裂纹的毛细现象。裂纹模型如下图，为开口于零件表面的裂纹，但不穿透。当渗透液施加于有表面开口裂纹的零件表面时，具有足够润湿性能的渗透液将润湿裂纹内表面，裂纹内将形成向液体内凹陷的弯曲液面，并在弯曲凹面上产生指向液体外部（裂纹）的附加压强P。裂纹宽度越小，附加压强越大。这个附加压强迫使渗透液向裂纹内渗透的同时，就压缩裂纹内已被渗透液封闭的气体。随着渗透液的不断渗透，裂纹内气体体积将越来越小，而气体的反压强P气将越来越大，直到气体的反压强与液面上的附加压强完全平衡为止。如果考虑零件外部大气压强P0，平衡时有：P＋P0＝P气要使渗透液完全占有裂纹空间，就必须将裂纹内气体完全排除。（采取一定的措施）渗透探伤中的毛细现象（1）渗透与毛细作用渗透过程中，渗透液对受检表面开口缺陷的渗透作用；实质上是液体的毛细作用。例如，渗透液对表面点状缺陷