4.Фізичні основи контролю проникаючими речовинами. Матеріали для проведення контролю проникаючими речовинами.

Капілярний метод контролю (КМК) побудований на капілярному проникненні індикаторних рідин у порожнину несуцільностей матеріалу об'єкта контролю і реєстрації індикаторних слідів, що утворюються, візуально або за допомогою перетворювача. Метод дозволяє виявляти поверхневі і наскрізні дефекти, які можуть бути виявлені також при візуальному контролі. Такий контроль, проте, потребує великих витрат часу, особливо при виявленні слаборозкритих дефектів, коли виконують ретельний огляд поверхні з застосуванням засобів збільшення. Перевага КМК полягає у багатократному прискоренні процесу контролю [3].

ОСНОВНІ ФІЗИЧНІ ЯВИЩА, ЯКІ ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ В КАПІЛЯРНІЙ ДЕФЕКТОСКОПІЇ

Поверхневий натяг і змочування. Найважливішою характеристикою індикаторних рідин є їхня здатність до змочування матеріалу виробу. Змочування викликається взаємним притягуванням атомів і молекул (надалі – молекул) рідини і твердого тіла.

Як відомо, між молекулами середовища діють сили взаємного притягування. Молекули, які знаходяться всередині речовини, відчувають з боку інших молекул в середньому одинакову дію в усіх напрямках. Молекули ж, які знаходяться на поверхні, піддаються неоднаковому притягуванню з сторони внутрішніх шарів речовини і зі сторони, що межує із поверхнею середовища.

Поведінка системи молекул визначається умовою мінімуму вільної енергії, тобто тієї частини потенційної енергії, що ізотермічно може перейти в роботу. Вільна енергія молекул на поверхні рідини і твердого тіла більша, ніж внутрішніх, коли рідина або тверде тіло знаходяться в газі або вакуумі. У зв'язку з цим вони намагаються набути форми з мінімальною зовнішньою поверхнею. У твердому тілі цьому перешкоджає явище пружності форми, а рідина в невагомості під впливом цього явища набуває сферичної форми. Таким чином, поверхні рідини і твердого тіла прагнуть скоротитися, і виникає тиск поверхневого натягу.

Розглянемо краплю рідини, яка лежить на поверхні твердого тіла (рис.8.2). Силою ваги знехтуємо. Виділимо елементарний циліндр у точці А, де стикаються тверде тіло, рідина і навколишній газ. На одиницю довжини цього циліндра діють три сили поверхневого натягу: тверде тіло-газ тг, тверде тіло-рідина тр і рідина-газ рг=. Коли крапля знаходиться в стані спокою, то рівнодійна проекцій цих сил на поверхні твердого тіла дорівнює нулю:

 соs +тр‑тг=0; cоs =(тг‑тр)/. (8.1)

Кут  називають крайовим кутомом змочування. Якщо тг>тр, то він гострий. Це означає, що рідина змочує тверде тіло (рис.8.2,а). Чим менше , тим сильніше змочування. При тг>тр+ відношення (тг-тр)/ в (8.1) більше одиниці, чого не може бути, тому що косинус кута завжди по модулю менше одиниці. Граничний випадок =0 буде відповідати повному змочуванню, тобто розтіканню рідини по поверхні твердого тіла до товщини молекулярного прошарку. Якщо тр>тг, то соs  негативний, отже, кут  тупий (рис.8.2,б). Це означає, що рідина не змочує тверде тіло.

Рисунок 8.2 – Змочування (а) і незмочування (б) поверхні рідиною.

Поверхневий натяг  характеризує властивість самої рідини, а соs – змочуваність цією рідиною поверхні даного твердого тіла. Складову сили поверхневого натягу соs, “що розтягує” краплю уздовж поверхні, іноді називають силою змочування.

Розчинення полягає в розподілі молекул розчинюваної речовини серед молекул розчинника. У капілярному методі контролю розчинення застосовують при підготуванні об'єкта до контролю (для очищення порожнини дефектів). Розчинення газу (звичайно повітря), яке зібралося в кінця тупикового капіляра (дефекту) у пенетранті, істотно підвищує граничну глибину проникнення пенетранта в дефект.

Для оцінки взаємної розчинності двох рідин застосовують емпіричне правило, згідно якого “подібне розчиняється в подібному”. Наприклад, вуглеводні добре розчиняються у вуглеводнях, спирти в спиртах і т.д. Взаємна розчинність рідин і твердих тіл у рідині, як правило, збільшується при підвищенні температури. Розчинність газів, як правило, зменшується з підвищенням температури і покращується при підвищенні тиску.

Сорбція (від лат. sorbeo—поглинаю) – це фізико-хімічний процес, у результаті якого відбувається поглинання якою-небудь речовиною газу, пари або розчиненої речовини з навколишнього середовища. Розрізняють адсорбцію ‑ поглинання речовини на поверхні розділу фаз і абсорбція ‑ поглинання речовини всім об’ємом поглинача. Якщо сорбція відбувається переважно в результаті фізичної взаємодії речовин, її називають фізичною.

Дифузія (від лат. diffusio ‑ поширення, розтікання) – переміщення частинок (молекул, атомів) в середовищі, що приводить до перенесення речовини, яка вирівнює концентрацію частинок різного сорту. В капілярному методі контролю явище дифузії спостерігається при взаємодії пенетранта з повітрям, стиснутим у закритому кінці капіляра. Тут цей процес не відрізняеться від розчинення повітря в пенетранті.

Процес дифузії обумовлений тепловим рухом молекул (атомів) або їхніх асоціацій (молекулярна дифузія). Швидкість перенесення через межу визначається коефіцієнтом дифузії, який є постійним для даної пари речовин. Дифузія зростає з підвищенням температури.

Диспергування (від лат. dispergo ‑ розсіюю) – тонке роздрібнення якогось тіла в навколишньому середовищі. Диспергування твердих тіл у рідині має велике значення при очищенні поверхні від забруднень.

Емульгування (від лат. emulsio — видоєний) – утворення дисперсної системи з рідкою дисперсною фазою, тобто диспергування рідини. Приклад емульсії – молоко, яке складається з дрібних крапель жиру, завислих у воді. Емульгування відіграє істотну роль при очищенні, видаленні надлишків пенетранту, готуванні пенетрантів, проявників. Для активізації емульгування і зберігання емульсії в стабільному стані застосовують речовини – емульгатори.

Поверхнево-активні речовини (ПАР) -речовини, спроможні нагромаджуватись на поверхні зіткнення двох тіл (середовищ, фаз), знижуюючи їх вільну енергію. ПАР додають у засоби для очищення поверхні ОК, вводять у пенетранти, очисники, оскільки вони є эмульгаторами.

Суспензія (від лат. supspensio — підвішують) — грубо-дисперсійна система з рідким дисперсним середовищем і твердою дисперсною фазою, частинки якої достатньо значні і досить швидко випадають в осад або спливають. Суспензії готують звичайно механічним роздрібненням і розмішуванням.

Люмінесценція (від лат. lumen — світло) – світіння деяких речовин (люмінофорів), надлишкове над тепловим випромінюванням, що триває 1-10 с і більше. Вказівка на кінцеву тривалість потрібна, щоб відрізняти люмінесценцію від інших оптичних явищ, наприклад, від розсіювання світла.

У капілярному методі контролю люмінесценцію використовують як один із засобів контрасності для візуального виявлення індикаторних пенетрантів після прояву. Для цього люмінофор або розчиняють в основній речовині пенетранту, або сама речовина пенетранту є люмінофором.