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1、5 渗透检测渗透检测5-1 渗透检测基本原理渗透检测基本原理 很很早早以以前前，人人们们就就掌掌握握了了把把水水置置于于容容器器内内检检查容器是否有泄漏这类探伤技术。查容器是否有泄漏这类探伤技术。也也有有人人利利用用工工件件表表面面铁铁锈锈的的来来检检查查缺缺陷陷，为为在在室室外外存存放放的的钢钢板板，由由于于水水分分渗渗入入裂裂纹纹、而而形形成氧化物，使裂纹处的铁锈比邻近区域要多。成氧化物，使裂纹处的铁锈比邻近区域要多。渗渗透透检检测测的的基基本本原原理理就就是是在在被被检检材材料料或或工工件件表表面面上上浸浸涂涂渗渗透透力力比比较较强强的的液液体体，利利用用液液体体对对微细孔隙的渗透作用，
2、将液体渗入孔隙中。微细孔隙的渗透作用，将液体渗入孔隙中。然然后后，用用水水和和清清洗洗液液清清洗洗材材料料或或工工件件表表面面的的剩余渗透液。剩余渗透液。最最后后再再用用显显示示材材料料喷喷涂涂在在被被检检工工件件表表面面，借借助助毛毛细细管管的的作作用用原原理理、将将孔孔隙隙中中的的渗渗透透液液吸吸出出来并加以显示。来并加以显示。渗透检测具有以下特点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工作原理简单，对操作者的技术要求不高 B)应应用用面面广广，可可用用于于多多种种材材料料的的表表面面检检测测，而而且基本上不受工件形状和尺寸的限制且基本上不受工件形状和尺寸的限制 C)
3、显显示示不不受受缺缺陷陷方方向向的的限限制制，一一次次检检测测可可同同时时探测不同方向的表面缺陷；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面缺陷，工序比较多，探伤灵敏度受人为因素的影响比较多。影响比较多。渗渗透透检检测测对对各各种种材材料料的的开开口口式式缺缺陷陷(如如裂裂纹纹、气气孔孔、分分层层、夹夹杂杂物物、折折叠叠、熔熔合合不不良良、泄泄漏漏等等)都能进行检查。都能进行检查。特别是某些表面无损检测方法难以工作的
4、非铁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。磁性金属材料和非金属材料工件。但但对对工工件件表表面面粗粗糙糙度度有有一一定定要要求求，因因为为表表面面过过于于粗粗糙糙及及多多孔孔的的材材料料和和工工件件上上的的剩剩余余渗渗透透液液很很难难完全清除，以致使真假缺陷难以判断。完全清除，以致使真假缺陷难以判断。(1)渗透渗透 渗渗透透检检测测用用的的渗渗透透剂剂绝绝大大部部分分为为液液体体，故故必必须须研研究究渗渗透透过过程程中中的的毛毛细细管管现现象象、清清洗洗剩剩余余渗渗透透液液过程中的乳化现象、显象过程中的毛细吸附。过程中的乳化现象、显象过程中的毛细吸附。渗渗透透检
5、检测测中中不不同同液液体体向向固固体体孔孔隙隙中中的的渗渗透透能能力力不不同同，称称为为液液体体的的渗渗透透力力，其其强强度度将将明明显显影影响响发发现缺陷的能力。现缺陷的能力。液液体体的的渗渗透透力力取取决决于于液液体体的的表表面面张张力力、液液体体与与固固体体表表面面间间的的润润湿湿角角的的大大小小、缺缺陷陷的的形形状状和和大大小小以及渗透液的粘度等因素。以及渗透液的粘度等因素。液液体体的的表表面面张张力力决决定定于于液液体体的的性性质质，同同一一种种液液体，其表面张力大小与温度有关。体，其表面张力大小与温度有关。液液体体和和固固体体表表面面间间的的润润湿湿角角，就就是是液液固固体体间间的
6、的界界面与通过气体、液体、固体交点，向液体表面所面与通过气体、液体、固体交点，向液体表面所作切线之间的夹角作切线之间的夹角(含液体部分含液体部分)，如图所示。，如图所示。图图中中A点点处处于于液液、固固、气气三三相相交交界界处处，有有三三种种界界面面张张力力作作用用于于该该点点，即即固固体体与与气气体体之之间间FS、气气体体与液体之间与液体之间FL以及固体与液体之间以及固体与液体之间FSL 当液滴处于平衡时，则当液滴处于平衡时，则 可可见见，FS-FSL=FL时时，则则 cos =1，=0o，此此时液体在固体界面上完全润湿时液体在固体界面上完全润湿 当当FS-FSLFL时时，则则0 cos0o
7、，液液体对固体的润湿程度随体对固体的润湿程度随 的增大而减小的增大而减小 当当 90o 时，液体在固体表面润湿不良时，液体在固体表面润湿不良式式中中FL是是液液体体表表面面张张力力，故故润润湿湿作作用用与与液液体体的的表表面面张张力力有有关关，表表面面张张力力愈愈小小则则 cos愈愈大大即即润润湿湿角角减小，液体对固体的润湿程度增加。减小，液体对固体的润湿程度增加。可可以以采采用用在在液液体体中中加加入入表表面面活活性性剂剂来来降降低低表表面面张力，以达到提高润湿能力的效果。张力，以达到提高润湿能力的效果。当当然然液液体体在在固固体体表表面面的的润润湿湿程程度度不不仅仅与与液液体体本本身有关，
8、而且与被润湿的固体表面性质有关。身有关，而且与被润湿的固体表面性质有关。细细管管中中液液面面的的高高度度和和形形状状随随液液体体对对管管壁壁的的润润湿湿情情况不同而变化的观象称为液体的毛细观象况不同而变化的观象称为液体的毛细观象 若若液液体体与与毛毛细细管管壁壁之之间间接接触触角角小小于于90o，液液体体润湿管壁，管中液面为凹面，液体上升，如图润湿管壁，管中液面为凹面，液体上升，如图a 如果如果=90o，不发生毛细上升或下降，不发生毛细上升或下降(图图b)。90o，液体被压低，不润湿，液面为凸面，液体被压低，不润湿，液面为凸面(图图c)在在毛毛细细上上升升的的情情况况下下，液液体体沿沿管管手手
9、上上升升是是靠靠凹凹面面上上表表面面张张力力的的分分布布使使紧紧靠靠弯弯液液面面下下的的静静压压力力下下降降，毛毛细细管管外外部部自自由由表表面面上上的的大大气气压压力力通通过过液液体体传传递递而而把把毛毛细细管管内内的的液体上升。液体上升。图图中中清清楚楚地地显显示示出出了了引引起起液液体体在在毛毛细细管管内内上上升升的的几几种种力的情况力的情况。液液面面在在细细管管中中的的上上升升高高度度正正比比于于液液体体的的表表面面张张力力和和接接触触角角的的余余弦弦，而而与与液液体体的的密密度度和和毛毛细细管管的的直直径成反比，可用下式计算径成反比，可用下式计算式中式中-液体表面张力系数，液体表面张
10、力系数，-液体润湿角，液体润湿角，d d-细管直径，细管直径，-液体密度，液体密度，g g-重力加速度重力加速度 如如果果毛毛细细管管是是封封闭闭的的，有有润润湿湿力力的的液液体体在在管管内内仍然是会上升的。仍然是会上升的。但但由由于于被被压压缩缩在在封封闭闭端端中中的的空空气气和和蒸蒸汽汽会会产产生生附加压力，所以液面的上升高度相对比较低。附加压力，所以液面的上升高度相对比较低。润润湿湿液液体体在在间间隔隔距距离离很很小小的的两两块块平平行行板板之之间间也也会产生毛细观象，液体表面的上升高度为会产生毛细观象，液体表面的上升高度为式中式中 d d -两块平行板之间的距离两块平行板之间的距离 由
11、由此此可可见见，在在间间距距为为d d 的的平平行行板板之之间间，其其润润湿湿液液体体的的上上升升高高度度恰恰为为直直径径为为d d 的的细细管管内内同同样样液液体上升高度的体上升高度的1/2 实实际际检检测测中中，渗渗透透液液对对材材料料或或工工件件表表面面的的渗渗透透作用本质上就是液体的毛细作用。作用本质上就是液体的毛细作用。对对开开口口于于表表面面的的点点状状缺缺陷陷的的渗渗透透就就相相当当子子渗渗透透液在细管内的毛细作用。液在细管内的毛细作用。对对于于表表面面条条状状缺缺陷陷的的渗渗透透就就相相当当于于渗渗透透液液在在间间距很小的两块平板间的毛细作用。距很小的两块平板间的毛细作用。对对
12、固固体体窄窄间间隙隙内内液液体体薄薄层层的的研研究究表表明明，固固体体表表面面附附近近的的液液体体分分子子表表现现出出一一定定方方位位的的倾倾向向性性，具具有固体分子的性质，能承受剪力和拉力。有固体分子的性质，能承受剪力和拉力。液液体体层层具具有有类类似似结结晶晶物物质质的的性性质质，边边界界层层厚厚度度为为m时，液体层不能视为连续均匀的。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毛细现象随孔径变窄而增强有两个前提 A)由由附附加加压压强强产产生生的的毛毛细细现现象象是是一一种种连连续续介介质质的流体动力学现象的流体动力学现象 B)孔孔隙隙内内固固-气气、固固-液液、气气
13、-液液三三个个界界面面张张力力必须与孔隙宽度无关必须与孔隙宽度无关 因因此此，当当固固体体窄窄间间隙隙的的宽宽度度小小于于m时时，毛毛细细作作用大大减弱。用大大减弱。由由于于固固体体分分子子表表面面与与液液体体的的相相互互作作用用，液液体体流流经经固固体体表表面面时时存存在在着着静静止止不不动动层层，液液体体吸吸附附在在固固体体表表面面上上，其其厚厚度度约约为为510-7cm，使使液液体体渗渗透透受受到妨碍。到妨碍。可可以以认认为为m是是渗渗透透检检测测中中渗渗透透液液的的最最小小渗渗透透宽宽度，是渗透检测所能达到的最高灵敏度。度，是渗透检测所能达到的最高灵敏度。渗渗透透液液的的粘粘度度大大小
14、小对对渗渗透透能能力力影影响响不不大大，但但对对渗渗透透速速度度有有直直接接影影响响，粘粘度度愈愈大大、渗渗透透速速度度愈愈、渗透时间愈长。渗透时间愈长。同同时时、粘粘度度大大的的渗渗透透液液也也将将使使工工件件或或材材料料表表面面上上剩剩余余渗渗透透液液的的清清洗洗增增加加困困难难,所所以以非非常常粘粘的的液液体不宜用作渗透液。体不宜用作渗透液。但但粘粘度度过过小小，则则在在清清洗洗时时容容易易把把缺缺陷陷中中的的渗渗透透液液洗洗掉掉。因因此此，一一般般渗渗透透液液常常用用的的粘粘度度范范范范围围是是(410)10-7m2/s(38时时)。(2)清洗清洗 完完成成渗渗透透过过程程后后，紧紧接
15、接着着就就是是除除液液清清洗洗过过程程，因因为为材材料料或或工工件件被被检检表表面面剩剩余余渗渗透透液液的的除除净净与与否否将直接影响到判仿的正确性。将直接影响到判仿的正确性。一一般般用用水水清清洗洗最最方方便便。但但由由于于渗渗透透液液的的主主要要成成分分为为油油液液，因因此此，单单纯纯用用水水清清除除被被检检工工件件表表面面上上的渗透液很困难。的渗透液很困难。在在水水中中加加入入一一些些乳乳化化剂剂，清清洗洗就就比比较较容容易易，因因为为油油水水之之间间互互不不相相溶溶，加加入入乳乳化化剂剂后后，乳乳化化剂剂吸吸附附在在油油水水两两相相界界面面上上，亲亲油油基基与与油油相相连连，从从而而防
16、防止了它们的相互排斥作用。止了它们的相互排斥作用。表表面面活活性性剂剂具具有有乳乳化化油油水水的的作作用用，水水中中表表面面活活性剂的浓度不必过大，在性剂的浓度不必过大，在0.4%左右。左右。在在渗渗透透检检测测的的除除液液清清洗洗过过程程中中，主主要要利利用用非非离离子子型型或或阴阴离离子子型型表表面面活活性性剂剂，这这种种表表面面活活性性剂剂又又称乳化剂，其中最常用的是水包油型乳化剂。称乳化剂，其中最常用的是水包油型乳化剂。在在清清洗洗被被检检工工件件表表面面剩剩余余渗渗透透液液的的同同时时。如如果果连连同同已已渗渗入入缺缺陷陷内内的的渗渗透透液液也也被被清清洗洗，就就会会影影响响检测缺陷
17、的能力，降低检测灵敏度和可靠性。检测缺陷的能力，降低检测灵敏度和可靠性。因因此此，渗渗透透液液在在缺缺陷陷中中不不致致被被清清洗洗掉掉的的能能力力愈愈强强，则则检检测测灵灵敏敏度度和和可可靠靠性性愈愈高高。这这种种能能力力称称为为渗透液在缺陷中的残留性能。渗透液在缺陷中的残留性能。对对于于水水洗洗型型渗渗透透液液采采用用具具有有凝凝胶胶现现象象的的非非离离子子型型乳乳化化剂剂就就能能提提高高这这一一性性能能。因因为为非非离离子子型型乳乳化化剂剂与水混合时，其粘度随含水量的大小而变化。与水混合时，其粘度随含水量的大小而变化。从从图图可可以以看看出出，在在一一定定范范围围内内，水水和和乳乳化化剂剂
18、混混合合液的粘度可以变得极大。液的粘度可以变得极大。当当实实际际检检测测中中用用水水清清洗洗时时，由由于于缺缺陷陷(特特别别是是裂裂纹纹)的的开开口口处处与与水水的的接接触触面面有有限限，混混合合液液含含水水量量容容易易处处在在形形成成凝凝胶胶的的范范围围内内，封封住住了了裂裂纹纹开开口口处处，使已渗入缺陷的渗透液不被水冲掉。使已渗入缺陷的渗透液不被水冲掉。而而被被检检工工件件表表面面上上的的剩剩余余渗渗透透液液因因接接触触的的水水量量大，因此，其粘度很小，很容易被水冲洗掉。大，因此，其粘度很小，很容易被水冲洗掉。在在配配制制渗渗透透液液时时，应应在在其其组组成成中中适适当当添添加加这这些些物
19、质，如煤油、汽油、二甲苯、二甲基萘等。物质，如煤油、汽油、二甲苯、二甲基萘等。当当然然，在在配配制制显显象象液液时时应应与与此此相相反反，应应适适当当添添加加破破胶胶能能力力大大的的物物质质，以以使使缺缺陷陷中中的的渗渗透透液液容容易易被被显显象象膜膜吸吸附附出出来来并并扩扩展展成成象象，常常用用的的破破胶胶物物质质有丙酮、乙醇等。有丙酮、乙醇等。(3)显象显象 显显象象过过程程利利用用的的也也是是渗渗透透作作用用，当当工工件件表表面面的的一一层层渗渗透透液液被被清清除除以以后后，缺缺陷陷中中的的剩剩余余渗渗透透液液将将回回渗渗到到工工件件表表面面，这这看看起起来来似似乎乎与与前前面面讲讲到到
20、的的渗渗透浓渗入缺陷右矛盾。透浓渗入缺陷右矛盾。实实际际上上是是当当表表面面多多余余的的渗渗透透液液被被去去除除后后，缺缺陷陷内内剩剩余余的的渗渗透透液液失失去去平平衡衡，其其中中一一部部分分会会被被吸吸到到工工件件表表面面上上来来，利利用用的的还还是是固固体体与与液液体体间间的的附附着着力的作用，直至达到新的平衡。力的作用，直至达到新的平衡。在在平平衡衡状状态态下下，表表面面渗渗透透液液中中渗渗透透液液含含量量已已足足以以被被检检测测到到，但但为为了了提提高高检检测测的的灵灵敏敏度度，一一般般都都要采用显象剂。要采用显象剂。显显象象剂剂一一般般都都是是由由白白色色粉粉末末和和一一些些容容易易
21、挥挥发发的的溶溶剂剂所所组组成成，白白色色粉粉末末的的颗颗粒粒度度在在几几个个微微米米或或更更小小的的数数量量级级范范围围，例例如如 m，它它比比缺缺陷陷缝缝隙隙的的开口宽度要小得多。开口宽度要小得多。当当这这些些粉粉末末微微粒粒覆覆盖盖在在缺缺陷陷缝缝隙隙上上时时，会会形形成成非常细的无规则的毛细通道。非常细的无规则的毛细通道。已已被被显显象象剂剂破破胶胶的的渗渗透透液液就就会会向向粉粉末末微微粒粒缝缝隙隙中中渗渗透透。这这是是因因为为由由毛毛细细观观象象可可知知，毛毛细细管管的的半半径愈小，则附加压强愈大。径愈小，则附加压强愈大。因因此此，缺缺陷陷中中的的渗渗透透液液势势必必会会被被显显象
22、象剂剂微微粒粒充充分分吸吸附附上上来来并并加加以以扩扩展展，这这样样，被被检检工工件件表表面面上上的微细缺陷得到放大显示，使人眼容易看到。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使用显象剂的缺点是 A)由由于于渗渗透透液液在在显显象象剂剂中中扩扩展展而而放放大大显显示示，必必然然引引起起分分辨辨力力的的下下降降，使使两两个个互互相相靠靠近近的的缺缺陷陷难难以分清以分清 B)渗渗透透液液在在显显象象剂剂中中迁迁移移的的结结果果，必必然然冲冲淡淡了了染料或荧光添加剂的浓度，影响检测灵敏度染料或荧光添加剂的浓度，影响检测灵敏度 C)如如果果显显象象剂剂层层厚厚超超过过某某一一最最佳佳厚厚度度，缺缺陷陷检检出的可能性必然下降。出的可能性必然下降。由由于于渗渗透透检检测测时时 渗渗透透液液的的荧荧光光与与着着色色强强度度大大小小对对检检测测灵灵敏敏度度影影响响比比较较大大。因因此此，要要求求尽尽可可能能提提高高渗渗透透液液中中染染料料或或荧荧光光物物质质的的浓浓度度，以以有有利利于于缺缺陷的显示。陷的显示。