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1、第 4 章 渗透检测技术 n4 1 概述 n4 2 渗透检测物理基础 n4 3 渗透检测材料 n4 4 渗透检测设备 n4 5 渗透检测技术 n4 6 显示的解释和缺陷评定 4 1 1渗透检测的定义 原理和作用 是一种以毛细作用原理为基础的检测技术 主要用于检测非疏松多孔性的金属或非金属零部 件的表面开口缺陷 渗透剂 缺陷痕 迹 4 1 概 述 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
2、查出缺陷的形貌和分 布状态 渗透检测的作用 n是制造业和维修领域中的重要组成部分 n评价工程材料 零部件和产品的完整性 连续性的重要方法 n质量管理 节约原材料 改进工艺 提高 生产率的重要手段 4 1 2渗透检测技术的发展过程 n始于20世纪初 是目视检测外应用最早的检测方法 n 铁锈观察 油 白垩法 n20世纪六七十年代 闪烁荧光渗透检测材料 n水基渗透液 水洗法渗透检测技术和闭路检测技术 n20世纪50年代 国产技术开始起步 六七十年代有 了自己研制的渗透液 n发展趋势 低毒 高灵敏度渗透剂的研制成功 4 1 3 渗透检测方法的分类 参考教材P141 n根据渗透液的种类 所含的染料成分
3、分类 n根据表面多余渗透液的去除方法分类 n根据渗透液的种类和去除方法分类 n根据显像方法分类 4 1 4 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 5 m 深10 m 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 4 2 渗透检测物理基础 在介绍液体渗透检测的基本原理之前 首 先要介绍两种物理现象 润湿作用 毛细现象 4 2 1表面张力和表面张力系数 4 2 1 1表面
4、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 4 2 1 2 表面张力系数 表面张力与液面的长度l成正比 f l 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
5、 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 常用液体材料的表面张力系数见表4 3 液体与固体交界有两种现象 第一种是液体分子之间的作用力大于液体和固 体分子之间的作用力 称之为固体不被液体润湿 如水银在玻璃表面收缩成水银珠那样 第二种是液体分子之间的相互作用力小于液体 分子和固体分子之间的作用力 称之为固体被液体 润湿 如水滴滴在干净的玻璃板上 水滴会慢慢散 开 4 2 2 润湿现象 4 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 4 2 2 2 接
6、触角和润湿方程 1 接触角 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 cos FS FSL FL 这是因为FS FL cos FSL 90度 称为不润湿 渗透检测中 渗透 液对工件表面的良好 润湿是进行渗透检测 的先决条件 只有当 渗透液能充分润湿工 件表面时 渗透液才 能向狭窄的缝隙内渗 透 此外 渗透液还 必须能润湿显像剂 接触角的实测数据见表4 4 将一根很细的管子 插入盛有液体的容 器中 如果液体能 润湿管子 那么液 体会在管子内上升 使管内的液面高 于容器的液面 如 果液体不能润湿管 子 管内的液面
7、就 会低于容器的液面 4 2 3 毛细现象 4 2 3 1 毛细管和毛细现象 4 2 3 毛细现象 4 2 3 1 毛细管和毛细现象 润湿的液体在毛细管 中呈凹面并且上升 不润湿的液体在毛细 管中呈凸面并且下降 的现象 称为毛细现 象 4 2 3 2 毛细现象中的液面高度 1 毛细管内的液面高度 管内液体形成凹面 产 生拉应力使管内液面上 升 FU 2 r2 R 2 rcos 管内液体自重 FD r2hg 则 h 2 cos r g 2 两平行板间的液面高度 润湿的液体在间距 很小的两平行板间 也会产生毛细现象 同样有 h cos r g 柱形液面上升的 高度与球形液面上 升的高度 可将零件表
8、面的 开口缺陷看作是毛细 管或毛细缝隙 由于 所采用的渗透液都是 能润湿零件的 因此 渗透液在毛细作用下 能渗入表面缺陷中去 使缺陷附近的表面 有所不同 此时可以直接进 行观察 而如果使用 显像剂进行显像 灵 敏度会大大提高 显像过程也是利用渗透的作 用原理 显像剂是一种细微粉末 显像 剂微粉之间可形成很多半径很小 的毛细管 这种粉末又能被渗透 液所润湿 所以当清洗完零件表 面多余的渗透液后 给零件的表 面敷散一层显像剂 根据上述的 毛细现象 缺陷中的渗透液就容 易被吸出 形成一个放大的缺陷 显示 4 2 4 表面活性和表面活性剂 4 2 4 1 定义 能使溶剂表面张力降低的性质称为表面活性
9、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 4 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
10、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 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 20 4 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
11、乳化现象 具有乳化作用的表面活性剂称为乳化剂 4 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 4 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 4 2 6 渗透检测中的光学知识 4 2 6 1可见光和紫外线 1 可见光 白色光 着色渗透检测时 白光下可观察到缺陷的 显示 白色光波长400 760nm 日光 白
12、炽灯 或高压水银灯均可发出白色光 2 紫外线 黑光 荧光渗透检测时 在紫外线照射下 缺陷 发出明亮的荧光 在暗场才可以观察到 紫外 线波长330 390mm 4 2 6 2光致发光 被紫外线激发而发光的现象 称为光致发 光 光致发光物质分为磷光物质和荧光物质 前者在外界光源停止照射后 仍可持续发 光 后者则立刻停止发光 光致发光现象是原子从高能级轨道跃迁 到低能级轨道时产生的 4 2 7 可见度和对比度 1 可见度 可见度是观察者相对于背景 外部条件下 能看到显示的一种特征 是用来衡量缺陷 能否被观察到的指标 2 对比度 某一个显示和围绕这个显示周围的表面背 景之间的亮度或颜色之差 对比度可用
13、某 个显示和显示的表面背景之间的反射光或 发射光的相对量来表示 这个相对量称为 对比率 4 3 渗透检测材料 渗透检测试剂主要有渗透液 显像剂 和去除剂三大类组成 4 3 1 渗透液 4 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 4 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
14、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
15、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
16、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 基本成分为荧光染料 油性溶剂 渗 透剂 增光剂等 直接用有机溶剂清洗 灵敏度较高 可用于无水的地方检验 4 其它渗透液 1 着色荧光渗透液 在灯光下或日光下呈暗红色 在紫外灯 下发出明亮的荧光 它是由特殊的染料 溶剂 渗透剂及某些附加成分组成 并不 是着色染料与荧光染料混在一起 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
