Физические явления, происходящие при капиллярной дефектоскопии

Наиболее важными явлениями, которые имеют место при КМК, являются следующие.

Поверхностное натяжение и смачивание. Смачивание вызывается взаимным притяжением атомов и молекул жидкости и твердого тела. Известно, что между молекулами жидкости действуют силы взаимного притяжения. Молекулы, находящиеся внутри вещества, испытывают со стороны других молекул в среднем одинаковое действие по всем направлениям. Молекулы же, находящиеся на поверхности, подвергаются неодинаковому притяжению со стороны внутренних слоев жидкости и со стороны, граничащей с поверхностью.

Поведение совокупности молекул определяется условием минимума свободной энергии, т. е. той частью потенциальной энергии, которая изотермически может преобразоваться в работу. Свободная энергия молекул на поверхности жидкости и твердого тела больше, чем внутренняя, когда жидкость или твердое тело находятся в газе или вакууме. В связи с этим они стремятся приобрести форму с минимальной наружной поверхностью. В твердом теле этому препятствует явление упругости формы, а жидкость в невесомости под влиянием этого явления приобретает форму шара. Таким образом, поверхности жидкости и твердого тела стремятся сократиться, вследствие чего возникает давление поверхностного натяжения.

Величина поверхностного натяжения определяется работой, необходимой для образования единицы площади поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз. Натяжение рассматривают как результат действия распределенной силы, приложенной к периметру площадки, на которой контактируют рассматриваемые фазы. Направление сил — по касательной к границе раздела и перпендикулярно периметру контактной зоны. Силу, отнесенную к единице длины периметра контактной зоны, называют силой поверхностного натяжения. Два равноправных определения поверхностного натяжения соответствуют двум применяемым для его измерения единицам: Дж/м² = Н/м.

Рассмотрим каплю жидкости, лежащую на поверхности твердого тела (рис. 6.2). Выделим элемент жидкости в точке А, где в контакте друг с другом находятся твердое тело, жидкость и газ. На этот элемент действуют три силы поверхностного натяжения: твердое тело — газ о_т., твердое тело — жидкость о_тж и жидкость — газ о_жг. Когда капля находится в состоянии покоя, равнодействующая проекций этих сил на поверхность твердого тела равна нулю: отсюда.

Угол 0 называют краевым углом смачивания. Если о^. > а_тж, то есть угол 0 < 90°, то жидкость хорошо смачивает твердое тело (рис. 6.1, а). Чем меньше угол 0, тем лучше смачиваение. В предельном случае, когда 0 = 0, имеет место полное смачивание твердого тела жидкостью, то есть жидкость растекается по поверхности твердого тела до толщины молекулярного слоя. Если о_тг< о_тж, т. е. 0 > 90° (рис. 6.2, б), то жидкость плохо или полностью не смачивает твердое тело.

Поверхностное натяжение о характеризует свойства самой жидкости, a ocosO — смачиваемость этой жидкостью поверхности данного твердого тела. Составляющую силы поверхностного натяжения acos0, «растягивающую» каплю по поверхности КО, называют силой смачивания. Для большинства хорошо смачивающих жидкостей cos0 близок к единице. Например, при взаимодействии воды со сталью он равен 0,685, керосина со сталью — 0,9, этилового спирта со сталью — 0,955.

Сильное влияние на смачивание оказывает чистота поверхности. Например, слой масла на поверхности стали резко ухудшает ее смачиваемость и cos0 становится отрицательным. Он практически полностью исключает возможность применения для контроля пенетранта на водной основе.

Микрорельеф (шероховатость) поверхности КО вызывает увеличение площади смачиваемой поверхности. В этом случае оценку величины краевого угла смачивания 0_ш на шероховатой поверхности проводят по формуле

где 0 — краевой угол смачивания для гладкой поверхности; а — истинная площадь шероховатой поверхности с учетом неровности ее рельефа, а а₀ — проекция ее на плоскость.

Растворение. Растворение представляет собой поглощение молекул растворяемого вещества молекулами растворителя. В КМК растворение имеет место при подготовке КО к операции контроля и при растворении газа (обычно воздуха), собравшегося у конца тупикового капилляра (дефекта) в пенетранте, что существенно повышает глубину проникновения пенетранта внутрь дефекта.

Сорбция. Это физико-химический процесс, в результате которого происходит поглощение каким-либо веществом газа или растворенного вещества из окружающей среды. Различают адсорбцию — поглощение вещества на поверхности раздела фаз и абсорбцию — поглощение вещества всем объемом поглотителя. Если сорбция происходит преимущественно в результате физического взаимодействия веществ, то ее называют физической.

В капиллярном методе контроля для проявления используют главным образом явление физической адсорбции жидкости (пенетранта) на поверхности твердого тела (частиц проявителя). Это же явление вызывает осаждение на дефекте контрастных веществ, растворенных в жидкой основе пенетранта.

Диффузия. Проявляется при движении частиц (атомов, молекул) в какой-либо среде. В результате диффузии происходит перенос вещества и выравнивание концентрации частиц в данной среде. В КМК явление диффузии наблюдается при взаимодействии пенетранта с воздухом, сжатым в тупиковом конце капилляра. В данном случае этот процесс неотличим от растворения воздуха в пенетранте.

Важное проявление диффузии при КМК — обнаружение дефектов с помощью проявителей типа быстросохнущих лаков и красок. Частицы пенетранта, заключенного в капилляре, входят в контакт с проявителем (в первый момент жидким, а после затвердевания — твердым), нанесенным на поверхность КО, и диффундируют через тонкую пленку проявителя к противоположной его поверхности. Таким образом, здесь происходит диффузия молекул жидкости сначала через жидкое, а затем через твердое тело. Скорости диффузии атомов или молекул через границу раздела сред контролируются коэффициентом диффузии, который является постоянным для данной пары веществ. Скорость процесса диффузии возрастает с повышением температуры.

Заполнение сквозного капилляра. Рассмотрим известный из физики опыт: капиллярная трубка диаметром 2г вертикально погружена одним концом в жидкость (рис. 6.3, а). Под действием сил смачивания жидкость в трубке поднимается на высоту / над поверхностью. Силы смачивания действуют на единицу длины окружности мениска. Суммарная их величина.

Этой силе противодействует вес столба жидкости рgm², где р — плотность, ag — ускорение силы тяжести. В состоянии равновесия:

Тогда высота подъема жидкости в капилляре:

Отсюда можно получить величину капиллярного давления, которая будет равна отношению действующей на жидкость в капилляре силы F к площади поперечного сечения трубки:

Капиллярное давление увеличивается с увеличением смачиваемости и уменьшением размера капилляра.

Для капилляра (трещины) шириной b с плоскопараллельными стенками.

Явление проникновения жидкости в капилляр имеет место при заполнении дефектов пенетрантом.

Под действием капиллярного давления мениск жидкости движется в направлении открытого конца. Пройденное расстояние / связано с временем t зависимостью:

где р—коэффициент динамической вязкости жидкости. Время прохождения пенетрантом через сквозную трещину тем меньше, чем меньше вязкость и больше смачивающая способность пенетранта. Ориентировочная зависимость / от t показана на рис. 6.3, 6 (кривая 1).

Заполнение тупикового капилляра. Процесс заполнения тупикового капилляра пенетрантом отличается от предыдущего случая тем, что газ (воздух), сжатый вблизи тупикового конца дефекта (трещины), ограничивает глубину проникновения пенетранта (кривая 2, рис. 6.3, б).

Предельную глубину заполнения трещины пенетрантом рассчитывают, исходя из равенства давлений на пенетрант снаружи и изнутри капилляра. Наружное давление складывается из атмосферногор_г и капиллярного р_к. Для капилляра постоянного сечения:

или

где /₀ — полная глубина капилляра, a S — площадь его поперечного сечения. Из равенства давлений находим.

Посколькур_к" р_а, глубина заполнения капилляра, рассчитанная по формуле (6.12), составляет не более 10% полной глубины капилляра. Реально предельная глубина заполнения тупикового капилляра оказывается, как правило, больше расчетного значения. Это происходит за счет того, что воздух, сжатый вблизи конца капилляра, частично растворяется в пенетранте, диффундирует в него (диффузионное заполнение).