узз. Калиниченко ПВК 2019 23 09 19. Аттестационный региональный центр специалистов неразрушающего контроля (ооо арц нк) Н. П. Калиниченко, А. Н. Калиниченко
 Скачать 5.63 Mb.
|
|
2.2.2. Смачивающая способность проникающих жидкостей по отношению к конструкционным материалам и в зависимости от шероховатости контролируемой поверхности В таблицах приводятся данные сравнительной оценки смачиваю- щей способности (растекаемости) пенетрантов по отношению к некото- рым конструкционным материалам и в зависимости от шероховатости контролируемой поверхности. Сравнивались пенетранты фирм Sherwin и Bycotest. Результаты эксперимента показывают, что: • пенетрант фирмы BYCOTEST обладает лучшей растекаемостью по сравнению с пенетрантом SHERWIN; • смачивающая способность лучше у одних и тех же материалов с большей величиной шероховатости. 39 Таблица 2.1 Диаметры пятен жидкостей SHERWIN и BYCOTEST в зависимости от времени растекания для различных материалов (шероховатость поверхности – вариант 1) Время SHERWIN BYCOTEST Дюрал ю- м ин ий Оргс те кло Фоль ги ро- ва нн ый ст ек лот ек- ст оли т Не рж а- ве ю ща я ст аль В ин ип ла ст Дюрал ю- м ин ий Оргс те кло Фоль ги ро- ва нн ый ст ек лот ек- ст оли т Не рж а- ве ю ща я ст аль В ин ип ла ст Диаметр, мм 10 с 14 13 13 12 11 18 18 16 13 13 20 с 17 15 15 13 12 19 19 18 14 15 30 с 18 16 17 14 13 21 21 19 15 17 1мин 19 17 18 15 14 22 22 20 15 18 2 мин 21 18 20 15 16 23 22,5 20 16 21 3 мин 22 19 21 15 17 23 23 20 16 22 4 мин 23 20 22 15 18 23 23 20 17 22 Таблица 2.2 Шероховатость поверхности (вариант 1) Материал R a , мкм R z , мкм Дюралюминий 0,450 2, 369 Нержавеющая сталь 0,155 0,925 Оргстекло 0,135 0, 823 Фольгированное стекло 0, 130 0, 532 Винипласт 0, 170 1, 058 Таблица 2.3 Диаметры пятен смачивающих жидкостей SHERWIN и BYCOTEST в зависимости от времени растекания для различных материалов (шероховатость поверхности – вариант 2) Время SHERWIN BYCOTEST Дюрал ю- м ин ий Оргс те кло С те клот ек- ст оли т фол ьги ро- ва нн ый Не ржа ве ю- ща я с та ль В ин ип ла ст Дюрал ю- м ин ий Оргс те кло С те клот ек- ст оли т фол ьги ро- ва нн ый Не ржа ве ю- ща я с та ль В ин ип ла ст Диаметр, мм 10 с 17 16 17 15 17 31 21 27 27 23 20 с 20 18 18 17 19 37 31 30 33 27 30 с 21 20 20 18 21 40 34 34 34 29 1мин 24 21 21 19 24 41 36 40 40 34 2 мин 26 22 24 20 29 45 40 42 45 40 3 мин 28 23 26 21 32 46 41 43 46 42 4 мин 29 25 27 22 35 47 42 44 48 43 40 Таблица 2.4 Шероховатость поверхности (вариант 2) Материал R a , мкм R z , мкм Дюралюминий 1,406 6,77 Нержавеющая сталь 0,401 2,146 Оргстекло 1,449 5,99 Стеклотекстолит фольгированный 0,664 3,48 Винипласт 2,042 8,06 Рис. 2.5. Зависимость от времени растекаемости пенетрантов на поверхности дюралюминия Дюралюминий Оргстекло Нержавеющая сталь Фольгированный стеклотекстолит Рис. 2.6 2.3. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – вещества, способные накапливаться на поверхности раздела двух тел (сред, фаз), снижая ее свободную энергию. В капиллярной дефектоскопии они применяются 0 20 40 60 10 20 30 60 120 180 240 SHERWIN BYCOTEST время, с 41 для улучшения свойств дефектоскопических материалов и используют- ся главным образом для реализации следующих задач: • для улучшения смачивания контролируемой поверхности жид- костями, которые ее очищают, повышая качество и производительность очистки; • с целью стабилизации однородности суспензионных проявите- лей и других многокомпонентных сред. ПАВ используются при проведении практически всех технологиче- ских процессов капиллярного контроля, но особо активную роль играют при получении многофазных сред, диспергировании и эмульгировании. Диспергирование (от лат. dispergo – рассеиваю, рассыпаю) – тон- кое измельчение твердых тел и жидкостей в некоторой другой среде, приводящее к образованию дисперсных систем: порошков, суспензий, эмульсий. Процесс диспергирования используется в капиллярной дефекто- скопии прежде всего для получения дефектоскопических материалов, таких как порошковые проявители. Степень дисперсности частиц проявителя значительно влияет на чувствительность капиллярного контроля. Диспергирование производят с помощью мельниц различной конструкции (шаровых, вибрационных, коллоидных, струйных и др.), звуковых и ультразвуковых вибраторов. Дисперсные системы, состоящие из частиц твердого тела, распре- деленных в жидкой дисперсной среде, называют суспензиями. В ос- новном суспензии получают диспергированием твердых тел в жидкой среде и смешением сухих порошков с жидкостями. Суспензии неустой- чивы, частицы твердого тела довольно быстро выпадают в осадок или всплывают. В капиллярной дефектоскопии используется суспензия окрашен- ных или люминесцирующих частиц размером от нескольких до десят- ков микрометров. Один из методов так и называется – метод фильт- рующих суспензий. Дисперсия жидкостей в жидкой дисперсной среде называется эмульсией (взвеси капелек дисперсной фазы в дисперсионной среде), а процесс образования последней – эмульгированием. Классический пример эмульсии – молоко, состоящее из мельчай- ших капелек жира, взвешенных в воде и стабилизированных белками. Эмульсии, как известно, неустойчивы. Для активизации эмульгирования и сохранения эмульсии в стабильном состоянии применяют специаль- ные вещества – эмульгаторы (поверхностно-активные вещества). Процессы образования многофазных сред, суспензий и эмульсий играют очень важную роль и используются прежде всего при подготов- ке детали к контролю. Результатом этих процессов является измельче- 42 ние всевозможных загрязнений, их отрыв от детали, переход в связан- ное состояние в виде эмульсий и суспензий и удаление последних с контролируемой поверхности. Особый случай представляет собой мелкодисперсная суспензия (кол- лоид) магнитных частиц размером от 30 до 150 ангстрем в жидких средах (вода, нефтепродукты, спирты), называемая магнитной жидкостью. Она обладает высокой устойчивостью, обусловленной тем, что каждая частица магнетика покрыта тонким слоем поверхностно-активного вещества и благодаря этому частицы не слипаются и не выпадают в осадок. Магнитные жидкости как среды, управляемые магнитным полем, перспективны для ускорения и увеличения глубины заполнения капил- лярных несплошностей, например, специальным пенетрантом на основе магнитной жидкости. Использование магнитных полей при проявлении гарантирует ускорение процесса и увеличение степени извлечения пе- нетранта из дефекта, т. е. повышение чувствительности метода. 2.4. Адгезия и когезия Физическая сущность смачивания особенно хорошо определяется с помощью понятий адгезии и когезии. Адгезия– это энергия молекулярной связи между поверхностями двух соприкасаемых фаз. Количественно ее определяют работой, затра- чиваемой на разделение тел в расчете на единицу площади. Сцепление же между молекулами (атомами, ионами) в объеме тела называется когезией. Соответственно силы, действующие между молекулами, находя- щимися в разных фазах, называют силами адгезии, а внутри фазы – си- лами когезии. Различают адгезию между двумя жидкостями или твердыми тела- ми, а также между твердыми телами и жидкостью. Характер последнего типа адгезии оказывает большое влияние на процессы капиллярного контроля, поскольку от него зависит смачивание пенетрантом контро- лируемой поверхности. Адгезионные силы стремятся растянуть каплю жидкости на твер- дой поверхности, а когезионные силы – стянуть ее, препятствуя растя- жению. Разность S = W a – W к определяет коэффициент растекания, и его величина играет важную роль при теоретическом исследовании процес- сов растекания жидкости по твердой поверхности. Величина работы адгезии имеет большое значение при очистке контролируемой поверхности от загрязнений. Например, изменение свободной поверхностной энергии при отрыве частицы загрязнений от поверхности определяется как 43 E = σ зж + σ иж – σ из , где σ зж , σ иж , σ из – соответственно удельная поверхностная энергия на межфазных границах «загрязнение–жидкость», «изделие–жидкость» и «изделие–загрязнение». Отрыв частицы возможен при E > 0, откуда следует необходимое условие очистки поверхности от загрязнений: σ из = σ зж + σ иж , следовательно для уменьшения адгезии загрязнений к поверхности нужно максимально уменьшить σ зж и σ иж , сохраняя постоянной или да- же увеличивая величину σ иж Исходя из этого, в качестве моющих добавок необходимо выбирать поверхностно-активные вещества, адсорбирующиеся как на поверхно- сти раздела «изделие–жидкость», так и на поверхности раздела «загряз- нение–жидкость». 2.5. Сорбционные явления Сорбционные явления (от лат. sorbeo – поглощаю) – это физико- химические процессы, в результате которых происходит поглощение каким-либо веществом газа, пара или растворенного вещества из окру- жающей среды. Рассмотрим например, поверхность твердого тела на границе с га- зом. Внутри твердого тела взаимодействия частиц (атомов, ионов или молекул) уравновешены. На поверхности же они не уравновешены, по- этому поверхность твердого тела притягивает молекулы из соседней га- зовой фазы. При этом концентрация молекул газа становится вблизи по- верхности больше, чем в его объеме, т. е. газ адсорбируется поверхно- стью твердого тела. Явление концентрации вещества на поверхности раздела фаз назы- вается адсорбцией. Вещество, на поверхности которого происходит ад- сорбция, называется адсорбентом, а поглощаемое из объемной фазы ве- щество – адсорбтивом (или адсорбатом). Адсорбент поглощает из объем- ной фазы тем больше вещества, чем больше его поверхность. Следова- тельно, высокодисперсные порошковые проявители, используемые в ка- пиллярном контроле, являются весьма активными адсорбентами. Кроме явления концентрирования вещества в поверхностном слое у границы раздела фаз (адсорбции) существует также явление объемно- го поглощения вещества – абсорбция. Оба процесса объединяет общее понятие сорбции – совокупности физико-химических процессов, в результате которых происходит как поверхностное, так и объемное поглощение телом газов, паров или рас- творенных веществ из окружающей среды. 44 При постоянной температуре физическая адсорбция увеличивается с ростом давления газа или концентрации раствора. Увеличение темпе- ратуры приводит к адсорбции, т. к. при этом возрастает число молекул адсорбтива, способных преодолевать притяжение к поверхности, и про- исходит десорбция. В качестве отрицательной роли адсорбции следует упомянуть на- пример удержание на поверхности контролируемых изделий жиров, ма- сел и других загрязнений, снижающих эффективность капиллярного контроля. 2.6. Гидродинамика заполнения жидкостями капилляров и проявление дефектов. Явление капиллярности При нанесении проникающей жидкости (пенетранта) на поверх- ность детали она вследствие высокой смачивающей способности про- никает в полости поверхностных дефектов. Как только жидкость каса- ется краев дефекта, например трещины, появляются условия для прояв- ления эффекта капиллярности. Опыт. В широкий сосуд с жидкостью опускаются тонкие трубки. Если материал капилляра смачивается жидкостью, то жидкость подни- мается гораздо выше уровня в сосуде. Высота капиллярного подъема определятся формулой: h = 2σcosθ/ρgR, где R – радиус капилляра; ρ – плотность жидкости; g – ускорение сво- бодного падения; σcosθ– смачиваемость. Как видно из формулы, чем больше смачивание (σcosθ), тем боль- ше капиллярный подъем. R капилляра обратно пропорционален h, т. е. чем меньше радиус, тем больше капиллярный подъем. Из этого следует, что чем тоньше трещина, тем более глубоко будет проникать в нее дефектоскопическая жидкость. А при операции проявления очень важно, как следует из этой фор- мулы, чтобы поры (капилляры) проявителя были как можно меньше. Тогда индикаторная жидкость будет извлечена капиллярными силами из дефекта и образует след на поверхности слоя проявителя, т. е. дефект можно будет обнаружить. По указанной формуле для любых жидкостей (σcosθ, ρ) можно подсчитать радиус трубки, при котором явление капиллярности не на- блюдается, т. е. подъем смачиваемой жидкости так мал, что его не вид- но. Для ацетона, например, капиллярность в стеклянных трубках диа- метром около 1,2 мм уже не наблюдается невооруженным глазом, 45 то есть капиллярами условно можно считать трубки диаметром менее 1,0 мм, и соответственно дефекты (трещины, поры и др.) с капиллярным раскрытием менее 1 мм будем считать тоже капиллярами. 2σcosθ h gR Рис. 2.7. Влияние радиуса капилляра на высоту капиллярного подъема смачивающий капилляр жидкости: h а , h б , h в – высота капиллярного подъема; R а , R б , R в – внутренний радиус капилляра Если жидкость не смачивает капилляр, наблюдается опускание уровня жидкости по сравнению с уровнем в сосуде. Рис. 2.8. Случай не смачивания твердой поверхности жидкостью Однако, формула h = 2σcosθ/ρgR пригодна и для расчетов разницы уровней h и в случае несмачивания. Для всех случаев при контакте жидкости с твердой плоской по- верхностью или стенками капилляра всегда граница «раздела жид- кость – твердая стенка – газ» искривляется. Для капиллярных трубок жидкость прогибается (точнее, граница га- за и жидкости) с некоторым радиусом r, образуется полусфера, которую называют мениском. В капилляре для случая смачивания мениск вогну- тый, для случая несмачивания – выпуклый. 46 Рис. 2.9. Случай смачивания твердой поверхности жидкостью Дефектоскопическая жидкость может заполнять дефекты любой формы. Важно только, чтобы радиус капилляра (R) или ширина дефекта (b) обеспечивали образование мениска сплошной кривизны. При этом в дефекте развивается капиллярная сила P к , определяемая по формуле: P к = σcosθ(1/R 1 + 1/R 2 ), где σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости; – краевой угол смачивания жидкостью стенок капилляра; R 1 и R 2 – радиусы кри- визны мениска в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Для жидкостей хорошо смачивающих поверхность металла ≈ 0, а cosθ ≈ 1. Под действием капиллярной силы P 1 проникающая жидкость за- полняет открытые полости поверхностных дефектов типа нарушение сплошности – трещин различного происхождения, волосовин, расслое- ний и пр. Рис. 2.10. Схема заполнения жидкостью полости трещины 47 Полости трещин как правило имеют форму узкого клина, вершина которого обращена внутрь материала детали. После удаления жидкости с поверхности детали над полостью трещины возникает второй мениск. При этом пенетрант в полости трещины будет иметь 2 мениска, вызы- вающих появление капиллярного давления и сил, действующих в прямо противоположных направлениях – в трещину и из трещины. Однако давление Р 1 > P 2 . Поэтому жидкость продолжает проникать в полости трещины. В устье трещина имеет ширину b 2 . Капиллярное давление создает силу Р 2 = 2σcosθ/b 2 В глубине трещины, где ее ширина равна b 1 , создается сила Р 1 = 2σcosθ/b 1 В глубине мениска радиус кривизны меньше. Поэтому капиллярная сила Р 1 , направленная внутрь трещины больше, чем Р 2 ,действующая в направлении из трещины. Рис. 2.11. Схема проникновения жидкости вглубь полости трещины при отсутствии жидкости на поверхности детали: 1 – жидкость; 2 – деталь; b 1 и b 2 – ширина полости трещины в месте расположения менисков; Р 1 и Р 2 – силы капиллярного давления Под действием разницы капиллярных сил Р 1 и Р 2 проникающая жидкость не только удерживается в полости дефекта капиллярными си- лами, но и перемещается в глубь дефекта до того момента, как равно- действующая капиллярного давления станет равной давлению воздуха, защемленного и сжатого в глубине дефекта. 48 2.7. Гидродинамика заполнения жидкостью сквозного капилляра Существуют два вида капилляров сквозные и тупиковые. Сквозной капилляр имеет доступ жидкости к обоим его концам. Поэтому любой дефектоскопический материал (ДМ) может беспрепят- ственно заполнять контролируемую трещину под действием капилляр- ных сил. Наиболее важными характеристиками кинетики заполнения дефектов ДМ является глубина проникновения жидкости в трещину l и время t ее заполнения на заданную глубину. Зависимость от времени глубины впитывания жидкости в сквозной цилиндрический капилляр имеет вид: 2 σcosθ , 2μ R l t где μ – коэффициент вязкости; σ – коэффициент поверхностного натя- жения; θ – краевой угол смачивания; R – радиус капилляра. Для сквозного капилляра с плоскими параллельными стенками, расположенными на расстоянии Н друг от друга, глубина проникнове- ния будет определяться по формуле: 2 σcosθ , 3μ H l t где μ – коэффициент вязкости; σ – коэффициент поверхностного натя- жения; θ – краевой угол смачивания; Н – ширина капилляра. Таким образом, для сквозных цилиндрических и плоских щелей постоянного поперечного сечения имеет место квадратическая зависи- мость для кинетики заполнения: t = Kl 2 , где 2μ σcosθ K R – для цилиндрического канала; 3μ σcosθ K H |