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1、5 渗透检测5-1 渗透检测基本原理 很早以前，人们就掌握了把水置于容器内检查容器是否有泄漏这类探伤技术。也有人利用工件表面铁锈的来检查缺陷，为在室外存放的钢板，由于水分渗入裂纹、而形成氧化物，使裂纹处的铁锈比邻近区域要多。,渗透检测的基本原理就是在被检材料或工件表面上浸涂渗透力比较强的液体，利用液体对微细孔隙的渗透作用，将液体渗入孔隙中。然后，用水和清洗液清洗材料或工件表面的剩余渗透液。最后再用显示材料喷涂在被检工件表面，借助毛细管的作用原理、将孔隙中的渗透液吸出来并加以显示。,渗透检测具有以下特点 A)工作原理简单，对操作者的技术要求不高 B)应用面广，可用于多种材料的表面检测，而且基本上
2、不受工件形状和尺寸的限制 C)显示不受缺陷方向的限制，一次检测可同时探测不同方向的表面缺陷；D)检测用设备简单、成本低廉、使用方便,渗透检测的局限性，主要是只能检测开口的表面缺陷，工序比较多，探伤灵敏度受人为因素的影响比较多。渗透检测对各种材料的开口式缺陷(如裂纹、气孔、分层、夹杂物、折叠、熔合不良、泄漏等)都能进行检查。,特别是某些表面无损检测方法难以工作的非铁磁性金属材料和非金属材料工件。但对工件表面粗糙度有一定要求，因为表面过于粗糙及多孔的材料和工件上的剩余渗透液很难完全清除，以致使真假缺陷难以判断。,(1)渗透 渗透检测用的渗透剂绝大部分为液体，故必须研究渗透过程中的毛细管现象、清洗剩
3、余渗透液过程中的乳化现象、显象过程中的毛细吸附。渗透检测中不同液体向固体孔隙中的渗透能力不同，称为液体的渗透力，其强度将明显影响发现缺陷的能力。,液体的渗透力取决于液体的表面张力、液体与固体表面间的润湿角的大小、缺陷的形状和大小以及渗透液的粘度等因素。液体的表面张力决定于液体的性质，同一种液体，其表面张力大小与温度有关。,液体和固体表面间的润湿角，就是液固体间的界面与通过气体、液体、固体交点，向液体表面所作切线之间的夹角(含液体部分)，如图所示。,图中A点处于液、固、气三相交界处，有三种界面张力作用于该点，即固体与气体之间FS、气体与液体之间FL以及固体与液体之间FSL,当液滴处于平衡时，则
4、可见，FS-FSL=FL时，则 cos=1，=0o，此时液体在固体界面上完全润湿 当FS-FSL0o，液体对固体的润湿程度随 的增大而减小 当 90o 时，液体在固体表面润湿不良,式中FL是液体表面张力，故润湿作用与液体的表面张力有关，表面张力愈小则 cos愈大即润湿角减小，液体对固体的润湿程度增加。可以采用在液体中加入表面活性剂来降低表面张力，以达到提高润湿能力的效果。当然液体在固体表面的润湿程度不仅与液体本身有关，而且与被润湿的固体表面性质有关。,细管中液面的高度和形状随液体对管壁的润湿情况不同而变化的观象称为液体的毛细观象,若液体与毛细管壁之间接触角小于90o，液体润湿管壁，管中液面为凹
5、面，液体上升，如图a,如果=90o，不发生毛细上升或下降(图b)。90o，液体被压低，不润湿，液面为凸面(图c),在毛细上升的情况下，液体沿管手上升是靠凹面上表面张力的分布使紧靠弯液面下的静压力下降，毛细管外部自由表面上的大气压力通过液体传递而把毛细管内的液体上升。图中清楚地显示出了引起液体在毛细管内上升的几种力的情况。,液面在细管中的上升高度正比于液体的表面张力和接触角的余弦，而与液体的密度和毛细管的直径成反比，可用下式计算式中-液体表面张力系数，-液体润湿角，d-细管直径，-液体密度，g-重力加速度,如果毛细管是封闭的，有润湿力的液体在管内仍然是会上升的。但由于被压缩在封闭端中的空气和蒸汽
6、会产生附加压力，所以液面的上升高度相对比较低。润湿液体在间隔距离很小的两块平行板之间也会产生毛细观象，液体表面的上升高度为式中 d-两块平行板之间的距离,由此可见，在间距为d 的平行板之间，其润湿液体的上升高度恰为直径为d 的细管内同样液体上升高度的1/2,实际检测中，渗透液对材料或工件表面的渗透作用本质上就是液体的毛细作用。对开口于表面的点状缺陷的渗透就相当子渗透液在细管内的毛细作用。对于表面条状缺陷的渗透就相当于渗透液在间距很小的两块平板间的毛细作用。,对固体窄间隙内液体薄层的研究表明，固体表面附近的液体分子表现出一定方位的倾向性，具有固体分子的性质，能承受剪力和拉力。液体层具有类似结晶物
7、质的性质，边界层厚度为0.1m时，液体层不能视为连续均匀的。,毛细现象随孔径变窄而增强有两个前提 A)由附加压强产生的毛细现象是一种连续介质的流体动力学现象 B)孔隙内固-气、固-液、气-液三个界面张力必须与孔隙宽度无关 因此，当固体窄间隙的宽度小于0.1m时，毛细作用大大减弱。,由于固体分子表面与液体的相互作用，液体流经固体表面时存在着静止不动层，液体吸附在固体表面上，其厚度约为510-7cm，使液体渗透受到妨碍。可以认为0.1m是渗透检测中渗透液的最小渗透宽度，是渗透检测所能达到的最高灵敏度。,渗透液的粘度大小对渗透能力影响不大，但对渗透速度有直接影响，粘度愈大、渗透速度愈、渗透时间愈长。
8、同时、粘度大的渗透液也将使工件或材料表面上剩余渗透液的清洗增加困难,所以非常粘的液体不宜用作渗透液。但粘度过小，则在清洗时容易把缺陷中的渗透液洗掉。因此，一般渗透液常用的粘度范范围是(410)10-7m2/s(38时)。,(2)清洗 完成渗透过程后，紧接着就是除液清洗过程，因为材料或工件被检表面剩余渗透液的除净与否将直接影响到判仿的正确性。一般用水清洗最方便。但由于渗透液的主要成分为油液，因此，单纯用水清除被检工件表面上的渗透液很困难。,在水中加入一些乳化剂，清洗就比较容易，因为油水之间互不相溶，加入乳化剂后，乳化剂吸附在油水两相界面上，亲油基与油相连，从而防止了它们的相互排斥作用。表面活性剂
9、具有乳化油水的作用，水中表面活性剂的浓度不必过大，在0.020.4%左右。,在渗透检测的除液清洗过程中，主要利用非离子型或阴离子型表面活性剂，这种表面活性剂又称乳化剂，其中最常用的是水包油型乳化剂。在清洗被检工件表面剩余渗透液的同时。如果连同已渗入缺陷内的渗透液也被清洗，就会影响检测缺陷的能力，降低检测灵敏度和可靠性。因此，渗透液在缺陷中不致被清洗掉的能力愈强，则检测灵敏度和可靠性愈高。这种能力称为渗透液在缺陷中的残留性能。,对于水洗型渗透液采用具有凝胶现象的非离子型乳化剂就能提高这一性能。因为非离子型乳化剂与水混合时，其粘度随含水量的大小而变化。,从图可以看出，在一定范围内，水和乳化剂混合液
10、的粘度可以变得极大。,当实际检测中用水清洗时，由于缺陷(特别是裂纹)的开口处与水的接触面有限，混合液含水量容易处在形成凝胶的范围内，封住了裂纹开口处，使已渗入缺陷的渗透液不被水冲掉。而被检工件表面上的剩余渗透液因接触的水量大，因此，其粘度很小，很容易被水冲洗掉。,在配制渗透液时，应在其组成中适当添加这些物质，如煤油、汽油、二甲苯、二甲基萘等。当然，在配制显象液时应与此相反，应适当添加破胶能力大的物质，以使缺陷中的渗透液容易被显象膜吸附出来并扩展成象，常用的破胶物质有丙酮、乙醇等。,(3)显象 显象过程利用的也是渗透作用，当工件表面的一层渗透液被清除以后，缺陷中的剩余渗透液将回渗到工件表面，这看
11、起来似乎与前面讲到的渗透浓渗入缺陷右矛盾。实际上是当表面多余的渗透液被去除后，缺陷内剩余的渗透液失去平衡，其中一部分会被吸到工件表面上来，利用的还是固体与液体间的附着力的作用，直至达到新的平衡。,在平衡状态下，表面渗透液中渗透液含量已足以被检测到，但为了提高检测的灵敏度，一般都要采用显象剂。显象剂一般都是由白色粉末和一些容易挥发的溶剂所组成，白色粉末的颗粒度在几个微米或更小的数量级范围，例如 0.250.70m，它比缺陷缝隙的开口宽度要小得多。,当这些粉末微粒覆盖在缺陷缝隙上时，会形成非常细的无规则的毛细通道。已被显象剂破胶的渗透液就会向粉末微粒缝隙中渗透。这是因为由毛细观象可知，毛细管的半径愈小，则附加压强愈大。因此，缺陷中的渗透液势必会被显象剂微粒充分吸附上来并加以扩展，这样，被检工件表面上的微细缺陷得到放大显示，使人眼容易看到。,使用显象剂的缺点是 A)由于渗透液在显象剂中扩展而放大显示，必然引起分辨力的下降，使两个互相靠近的缺陷难以分清 B)渗透液在显象剂中迁移的结果，必然冲淡了染料或荧光添加剂的浓度，影响检测灵敏度 C)如果显象剂层厚超过某一最佳厚度，缺陷检出的可能性必然下降。,由于渗透检测时 渗透液的荧光与着色强度大小对检测灵敏度影响比较大。因此，要求尽可能提高渗透液中染料或荧光物质的浓度，以有利于缺陷的显示。,
