渗透探伤

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。
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。
h
cos
rd g
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。
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
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。
当接触角θ 为0º ，即cosθ ＝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θ 在0º 和90º 之间，即 0<cosθ <1 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θ 在90º 和180º 之间，即 －1<cosθ <0 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θ 为180º ，即 cosθ ＝－1 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 角两种物理性能指标。
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。
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。
整理，得
2 cos h rd g
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
2 .2 表面张力和表面张力系数
体积一定的几何形体中，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α 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α 值。 不同的液体，α 值是不同的。一般液体的α 值随温度上升而下 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α 值也小。
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 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 毛细管现象 表面张力 弯曲液面附加压强
S SL L cos
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：
S SL cos L
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θ ≤180º 时，发生沾湿润湿； 当θ ≤90º ，发生浸湿润湿； 当θ ≤0º，发生铺展润湿。
所以，在图2-1中，R1>R2>R3
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，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
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