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 F_тг твердое тело—жидкость F_тж и жид­кость—газ F_жг. 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 r_i 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.