§ 2.1. Смачивание и поверхностное натяжение

Смачивание детали дефектоскопическими материалами - главное условие капиллярного контроля. Смачивание определяется взаимным притяжением молекул жидкости и твердого тела.

Как известно, на границе двух сред, например, жидкость-воздух, силы взаимного притяжения между молекулами жидкости и воздуха отличаются от сил притяжения между молекулами внутри воды и внутри воздуха. Контактирующие среды вблизи поверхности обладают некоторым избытком потенциальной энергии по сравнению с молекулами, находящимися внутри. Этот избыток называется свободной энергией поверхности. Свободная энергия молекул на поверхности больше чем у молекул внутри.

В связи с тем молекулы стремятся уйти внутрь и в результате среда вынуждена приобретать форму с минимальной наружной поверхностью. Так жидкость в невесомости под влиянием этого явления приобретает форму шара. В результате поверхности стремятся сократиться, и возникает сила поверхностного натяжения.

Величину поверхностного натяжения определяют работой, измеряемой в Дж/м², необходимой для образования единицы площади поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз. Величину поверхностного натяжения часто называют силой поверхностного натяжения. Если на границе раздела сред выделить произвольную площадку, то натяжение рассматривают как результат действия распределенной силы, приложенной к периметру этой площадки. Направление сил - по касательной к границе раздела и перпендикулярно периметру. Силу, отнесенную к единице длины периметра, называют силой поверхностного натяжения, измеряют в Н/м и обозначают σ.

Два равноправных определения поверхностного натяжения соответствуют двум применяемым для его измерения единицам: Дж/м² и Н/м. С повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается. Ниже, в таблице 2.1. даны величины поверхностного натяжения для наиболее распространенных дефектоскопических материалов при температуре 20°С и нормальном атмосферном давлении. Как видно из таблицы, в капиллярной дефектоскопии используются жидкости с относительно низким поверхностным натяжением.

Таблица 2.1. Величины поверхностного натяжения для некоторых дефектоскопических

жидкостей при температуре 20° С и нормальном атмосферном давлении

Жидкость	Поверхностное натяжение , 10-2 Н/м
Вода	7.28
Ацетон	2.37
Пентан	1.50
Толуол	2.85
Бензол	2.90
Ксилол	2.90
Этиловый спирт	2.28
Бутиловый спирт	2.46
Пенетрант ЛЖ-6А	2.97

Для иллюстрации природы явления смачивания рассмотрим каплю жидкости, лежащую на поверхности твердого тела (рис. 2.1). Силой тяжести пренебрегаем, т.к. капля мала. На единицу длины периметра, где соприкасаются твердое тело, жидкость и газ, действуют три силы поверхностного натяжения, направленные по касательным к соответствующим границам раздела: твердое тело - газ σ_тг, твердое тело - жидкость σ_тж и жидкость-газ σ_жг. Как правило, во всех справочниках для σ _г принято обозначение σ. Когда капля находится в состоянии покоя, равнодействующая проекций этих сил на поверхность твердого тела равна нулю:

σ∙cos θ + σ_тж - σ_тг = 0; cos θ = (σ_тг - σ_тж ) / σ (2.1)

Угол θ называют краевым углом смачивания. Он измеряется со стороны жидкости. Если σ_тг > σ_тж, то он острый. Из рис. 2.1 видно, что при этом жидкость смачивает твердое тело. Чем меньше θ, тем сильнее смачивание. Предельный случай θ = 0 будет соответствовать полному смачиванию, т.е. растеканию жидкости по поверхности твердого тела до толщины молекулярного слоя. Если σ_тг < σ_тж, то угол θ > 90^о тупой и cos θ отрицателен (рис. 2.2). Это означает, что жидкость не смачивает твердое тело. Формальным пределом смачивания и несмачивания взят угол θ = 90^o (смачивание 0< θ <90° и несмачивание 90°< θ <180°). При этом в первом случае жидкость будет подниматься в капилляре, а во втором - опускаться ниже уровня в сосуде (рис. 2.2).

Поверхностное натяжение характеризует свойство самой жидкости, а σ∙cos θ − смачиваемость этой жидкостью поверхности твердого тела. Составляющую силы поверхностного натяжения σ∙cos θ "размазывающую" каплю по поверхности, иногда называют силой смачивания. Для большинства хорошо смачивающих веществ cos θ близок к единице, например, для границы стекла с водой он равен 0.685, с керосином - 0.90, с этиловым спиртом - 0.955.

Рис. 2.1. Смачивание (θ < 90 ) поверхности твердого тела жидкостью: σ_тж - поверхностное натяжение на границе ТВЕРДОЕ ТЕЛО - ЖИДКОСТЬ; σ _тг - поверхностное натяжение на границе ТВЕРДОЕ ТЕЛО - ГАЗ; σ _жг - поверхностное натяжение па границе ЖИДКОСТЬ- ГАЗ; θ - краевой угол смачивания (измеряется со стороны границы раздела жидкость - твердое тело)

Рис. 2.2. Несмачивание (θ > 90°) поверхности твердого тела жидкостью

Сильное влияние на смачивание оказывает состояние поверхности, ее микрорельеф и чистота. Например, слой масла на поверхности стали или стекла резко ухудшает ее смачиваемость водой, σ∙cos θ становится отрицательным. Поэтому понятна роль очистки поверхности от жиров, масел и других загрязнений детали перед капиллярным контролем.