Е. А. Богданов Основы технической
жүктеу/скачать 6.94 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 4.1. Физическая сущность капиллярного контроля
| 4. КАПИЛЛЯРНЫЙ КОНТРОЛЬ
Неразрушающий контроль проникающими веществами основан на проникновении веществ в полости дефектов контролируемого объекта. Контроль проникающими веществами, как вид неразрушающего контроля, в зависимости от типа выявляемых дефектов разделяют на два подвида: капиллярный — для выявления поверхностных дефектов; течеискание — для выявления сквозных дефектов. В свою очередь капиллярный контроль и течеискание разделяют на методы в зависимости от вида первичного информативного параметра (типа проникающего вещества) и способа получения первичной информации (см. табл. 1.3). В качестве проникающего вещества могут использоваться как жидкости, так и газы. Последние применяются в различных методах течеискания, основанных на законах термодинамики, акустики и др. Методы выявления дефектов с помощью жидких проникающих веществ используются как в течеискании, так и в капиллярном контроле и основаны на таких физических явлениях при взаимодействии жидкости с твердыми телами, как смачивание, капиллярные и сорбционные явления. 4.1. Физическая сущность капиллярного контроля Капиллярный контроль осуществляется путем нанесения жидких проникающих веществ, называемых пенетрантами, их проникновения в полости поверхностных и сквозных дефектов и регистрации образующихся на поверхности объекта контроля индикаторных следов. Важнейшим свойством пенетрантов является их способность к смачиванию материала объекта контроля. Явление смачивания вызывается силами взаимного притяжения атомов или молекул жидкости либо твердого тела. Молекулы, находящиеся внутри однородного вещества, испытывают одинаковое притяжение с разных сторон и находятся в состоянии равновесия. Молекулы, находящиеся на поверхности, испытывают разные притяжения с внутренней и наружной стороны, граничащей с поверхностью среды. Равновесие при этом достигается при минимуме свободной энергии молекул на поверхности. В связи с этим они стремятся приобрести форму с минимальной наружной поверхностью. В твердом теле этому препятствуют явления упругости формы, а жидкость в невесомости под влиянием этого явления приобретает форму шара. Таким образом, поверхности жидкости и твердого тела стремятся сократиться и возникают силы поверхностного натяжения [4]. Рис. 4.1. Смачивание (а) и несмачивание (6) поверхности твердого тела жидкостью При контакте жидкости с твердым телом возможны два случая: смачивание и несмачивание поверхности (рис. 4.1). При смачивании жидкость растекается по поверхности, а при несмачивании собирается в каплеобразную форму. При погружении капиллярной трубки в смачиваемую или несмачиваемую жидкость в трубке соответственно образуется вогнутый или выпуклый мениск (рис. 4.2). Рассмотрим каплю жидкости, лежащую на поверхности твердого тела [3, 4]. Выделим на рис. 4.1 элементарный цилиндр в точке А, где соприкасаются твердое тело, жидкость и окружающий газ. На единицу длины этого цилиндра действуют три силы поверхностного натяжения: твердое тело—газ Fтг твердое тело—жидкость Fтж и жидкость—газ Fжг. Когда капля находится в состоянии покоя, равнодействующая проекций этих сил на поверхность твердого тела равна нулю: Угол называеют краевым углом смачивания. Если > , то угол. Это значит, что жидкость смачивает твердое тело (см. рис. 4.2, а) : чем меньше , тем сильнее смачивание. Предельный случай будет соответствовать полному смачиванию, т.е. растеканию жидкости по всей поверхности твердого тела. Рис. 4.2. Образование вогнутого (а) и выпуклого (б) менисков в капиллярной трубке, наполненной соответственно смачивающей и несмачивающей жидкостями. Рис. 4.3. Схема к расчету капиллярного давления Если > , то , следовательно, угол (см. рис. 4.2, а). Это означает, что жидкость не смачивает твердое тело. В пределах > + , что соответствует полному несмачиванию. Для большинства хорошо смачивающих веществ близок к единице. Например для границы стекла с водой = 0,685, с керосином = 0,90, с этиловым спиртом =0,955. Большое влияние на смачивание поверхности оказывает наличие загрязнений. Например, слой масла на поверхности стали или стекла резко ухудшает смачивание ее водой, и при этом становится отрицательным. Разница сил и называется силой смачивания, действующей на единицу длины поверхности: - = При попадании смачивающей жидкости в полости дефектов малых размеров жидкость под действием силы смачивания проникает внутрь этих полостей. В качестве примера рассмотрим капиллярную трубку диаметром 2r, погруженную в смачивающую жидкость (рис. 4.3). Под действием сил смачивания жидкость в трубке образует вогнутый мениск и поднимается на некоторую высоту h над поверхностью. Суммарная сила смачивания, действующая на длине окружности мениска, в состоянии равновесия уравновешивается весом столба жидкости: Где – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения. Оценим давление P, создаваемое силой смачивания. Для этого разделим обе части равенства на площадь трубки: , Отсюда . Таким образом, чем меньше радиус капилляра, тем больше капиллярное давление P и высота подъема h. Рис.4.4. Схемы проникновения жидкости в глубь тупиковой трещины (а) и проявления индикаторных следов дефектов (б) Рассмотрим процесс проникновения смачивающей жидкости (пенетранта) в глубь тупиковой трещины [3, 13]. После пропитки объекта контроля и удаления излишков пенетранта с его поверхности в тупиковой трещине образуются два мениска (рис. 4.4): в устье радиусом r, и вблизи вершины трещины — радиусом r2 при этом Р2 > Р1. Разность давлений, вызванных различием r1 и r2 составляет: Дальнейшему продвижению пенетранта в глубь трещины под действием Р препятствует давление сжатого воздуха в замкнутом объеме вблизи вершины трещины, уравновешивающее Р. Величина Р определяет чувствительность метода и возрастает с увеличением различия радиусов менисков r1, и r2. Отсюда следует, что глубокие, расширяющиеся к устью дефекты будут выявляться лучше. Смачивающие жидкости (пенетранты) заполняют узкие полости дефектов любой формы. Необходимым условием заполнения является то, что размеры этих полостей должны быть настолько малы, чтобы жидкость могла образовать мениск сплошной кривизны без плоских участков. Если на мениск, распложенный в устье трещины, наложить какое-нибудь пористое вещество, то он исчезнет, и вместо него образуется система малых менисков различной формы и большой кривизны с малыми ri каждый из которых создает свое капиллярное давление Р1. Равнодействующая созданных менисками капиллярных давлений существенно превышает давление Р2 и действует в противоположном ему направлении. Под действием суммы давлений , пенетрант из полости трещины поднимается на поверхность контролируемого объекта, несколько расплываясь над дефектным участком и образуя так называемый индикаторный след. Угол зрения на трещину при этом увеличивается, и индикаторный след можно наблюдать невооруженным глазом или в лупу с небольшим увеличением (рис. 4.4, б). Вещества, вытягивающие пенетранты из полостей дефектов, называют проявителями. Здесь действуют явления сорбции, т. е. поглощения. Различают адсорбцию — поглощение вещества на границе разрыва фаз, и абсорбцию — поглощение вещества всем объемом поглотителя. Если сорбция происходит преимущественно в результате физического взаимодействия, то ее называют физической. Поглощение пенетранта на поверхности частиц проявителя путем их смачивания — явление физической адсорбции. Реже используется химическое взаимодействие пенетранта с веществом снаружи и внутри проявителя. Это явление химической абсорбции. Индикаторные следы на контролируемой поверхности, образующиеся в результате взаимодействия пенетранта и проявителя, определяют положение соответствующих дефектов. Для повышения визуального восприятия в пенетрант вводят люминофоры, обладающие способностью люминесцировать при воздействии ультрафиолетового излучения, либо цветовые добавки, придающие индикаторному рисунку высокий яркостный и цветовой контраст по сравнению с фоном. жүктеу/скачать 6.94 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|