171-第六单元 渗透检测.ppt
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1、第六单元 渗透检测,1 渗透检测基础知识 1.1 渗透探伤定义 Penetrant Testing 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
2、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,2
3、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
4、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1-2,2 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
5、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
6、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 值。 不同的液体, 值是不同的。一般液体的 值
7、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 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
8、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,
9、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
10、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
11、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
12、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L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S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SL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 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。,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180时,发生沾湿润湿; 当90 ,发生浸湿润湿; 当0 ,发生铺展润湿。 当接触角为0,即cos
13、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。 当接触角在0和90 之间,即 0cos1 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。,当接触角在90和180 之间,即 1cos0 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。 当接触角为180,即 cos1 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
14、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:,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,
15、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cos2r,液体的表面张力系数, 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r2d g h g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 c
16、os2r r2d 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,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
17、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
18、是液体的毛细作用。例如,渗透液对表面点状缺陷(如气孔、 砂眼等)的渗透,就类似于渗透液在毛细管内的毛细作用;渗透液 对表面条状缺陷(如裂纹、夹渣和分层等)的渗透,就类似于渗透 液在间距很小的两平行板间的毛细作用。 (2)显像与毛细作用 显象过程中,渗透液从缺陷中回渗到显象剂中形成缺陷显示痕 迹,也是由于毛细作用。 显像剂通常有两个基本功能: 吸附足量的从缺陷中回渗到工件表面的渗透剂 通过毛细作用将渗透剂在工件表面横向扩展,放大缺陷显示 提供一个可观察的背景,2.5 吸附现象 1 固体表面的吸附(固液界面和固气界面) 吸附:物质自一相内部富集于界面的现象即为吸附现象。 吸附现象在各种界面上都可发
19、生。当固体和液体或气体接触时,凡 能把液体或气体中的某些成分聚集到固体表面上来的现象,就是固 体的吸附现象。能起吸附作用的固体称为吸附剂,例如显象剂粉 末、活性碳、硅胶、分子筛等;被吸附在固体表面上的液体或气体 称为吸附质。例如显象过程中,显象剂粉末吸附缺陷中回渗的渗透 液,显象剂粉末是吸附剂,渗透液是吸附质。 用吸附量衡量吸附剂的吸附能力,是指单位质量的吸附剂所吸附 的吸附质质量,有时也指吸附剂单位表面积上所吸附质量。吸附量 数值越大,吸附剂吸附能力越强。 固体被用作吸附剂,是因为固体吸附剂有很大的表面积和很大的 比表面。,2 液体表面的吸附 吸附现象不仅发生在固体表面,还可发生在液体表面
20、(液液界面和液气界面)。在溶液吸附中(溶液是 吸附剂),作为吸附质使用最广的是能降低表面张力和界面张力的 表面活性剂。 表面活性剂吸附在水表面上(液气界面)上,能降低水表面的 表面张力;表面活性剂吸附在油水界面上,能降低油水界面的 界面张力。 3 物理吸附和化学吸附 按照吸附现象的本质,可将吸附分为物理吸附和化学吸附。,4 渗透探伤中的吸附现象 显象过程中显象剂粉末吸附从缺陷中回渗的渗透液, 从而形成缺陷显示。此吸附现象属于固体表面(固液界面)的吸 附,显象剂粉末是吸附剂,回渗的渗透液是吸附质。显象剂粉末越 细,比表面越大,吸附量越多,缺陷显示越清晰。另外,由于吸附 为放热过程如果显象剂中含有
21、常温下易挥发的溶剂,当溶剂在显象 表面迅速挥发时,能大量吸热,从而促进了显象剂粉末对缺陷中回 渗的渗透液的吸附,加快并加剧了吸附显象,可提高显象灵敏度。 自乳化渗透法或后乳化渗透法,表面活性剂被当作乳化剂使 用,吸附在渗透液水界面,降低了界面张力,使零件表面多余 的渗透液得以顺利乳化清洗。表面活性剂分子的“两亲”性质,使其 能吸附在油水界面上,降低油水界面的界面张力,使乳化清 洗顺利进行。,2.6 溶解现象 2.6.1 溶解现象及溶解度 2.6.2 渗透剂的浓度 2.6.3 相似相溶经验法则 化学结构相似的物质,彼此容易相互溶解;极性相似的物质彼此 容易相互溶解。 2.6.4 渗透检测与溶解度
22、、浓度 1 着色(荧光)强度 显象剂中的白色粉末构成毛细管,产生毛细作用,吸附渗透液。 但是,吸附上来同样数量的渗透液,有的看得见,有的看不见,这 是由于渗透液的着色强度或荧光强度不同所致。,所谓着色强度或荧光强度,实际上是缺陷内被吸附出来 的一定数量的渗透液在显象后显示色泽的能力。它与渗透 液中着色染料或荧光染料的种类有关,与染料在渗透液中 溶解度有关。 着色(荧光)强度用两种方法来度量,一种是用渗透液的消光值 K来度量(着色),另一种是用渗透液的临界厚度来度量。 渗透液的消光值越大,着色强度就越大,缺陷显示就越清晰。提 高渗透液的浓度,就可增大消光值K。(对着色液而言) 渗透液的临界厚度,
23、是指被显象剂吸附上来的渗透液,厚度到达 某一值时,在增加其厚度,该渗透液的着色(荧光)强度不再增 加,此时的液层厚度叫做渗透液的临界厚度。可见,临界厚度越 小,着色(荧光)强度就越大,越有利于缺陷的显示。,2.7 表面活性与表面活性剂 1 表面活性:凡能使溶剂的表面张力降低的性质。 2 表面活性剂:是这样一种物质,它在加入量很少时, 能大大将低溶剂(一般为水)表面张力或液液界面张力, 改变体系界面状态,产生润湿、乳化、起泡及加溶等一系列作用, 从而达到实际使用的要求。 在右图中,曲线1和2 为表面活性物质,曲线1 为表面活性剂,3为非 表面活性物质。 表面活性剂的种类 渗透检测常用非离子型,表
24、面活性剂的分子结构 表面活性剂分子一般总是由非极性的亲油疏水的碳氢链 部分和极性的亲水疏油的基团共同组成的,而且这两部分 分处两端,形成不 对称的结构。因此,表面活性剂分子是 一种两亲分子,具有既亲水又亲油的两亲性质。这种两亲分子能吸 附在油水界面上,降低油水界面的界面张力;能吸附在水溶液表面 上,降低水溶液的表面张力。 表面活性剂的亲水性 亲水性大小是表面活性剂的一项非常重要的指标。 非离子型表面活性剂的亲水性,可用亲水基的分子量大小来表 示,称为亲憎平衡值,即H.L.B值: 亲水基部分的分子量 100 H.L.B= 表面活性剂的分子量 5 H.L.B值越高,亲水性越强。,由于经济上及其它一
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