3. КАПИЛЛЯРНЫЙ МЕТОД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

3.1. Физическая основа метода

Неразрушающий контроль проникающими веществами основан на проникновении веществ в полости дефектов контролируемого объекта. Контроль проникающими веществами как вид неразрушающего контроля в зависимости от типа выявляемых дефектов разделяют на два подвида:

•капиллярный – для выявления поверхностных дефектов;

•течеискание – для выявления сквозных дефектов.

Всвою очередь капиллярный нерузрушающий контроль (КНК)

итечеискание разделяют на методы в зависимости от вида первичного информативного параметра (типа проникающего вещества) и способа получения первичной информации.

КНК обычно используют для обнаружения дефектов, не видимых невооруженным глазом. Его абсолютную чувствительность определяют средним раскрытием дефекта типа трещин длиной 3–5 мм, выявляемого с заданной вероятностью (рис. 3.1).

Индикаторные рисунки, образующиеся при контроле, либо обладают способностью люминесцировать в ультрафиолетовых лучах, либо имеют окраску, вызываемую избирательным поглощением (отражением) части падающих на них световых лучей. Линии индикаторного рисунка имеют ширину от 0,05 до 0,3 мм, яркостный контраст 30–60% и более, а также высокий цветовой контраст. Это значительно выше соответствующих параметров поверхностных дефектов, обнаруживаемых визуально.

При КНК ставятся следующие задачи: обнаружение дефекта, определение направления дефекта относительно конфигурации детали, определение размеров и формы дефекта.

Основными объектами КНК являются неферромагнитные материалы: детали приборов и аппаратов нефтяной и химической промышленности (например, для выявления поверхностных дефектов корпусов вертлюгов, щек талевых блоков, буровых крюков и др.), лопатки турбин из никелевых сплавов, в том числе авиационных турбин; титановый крепеж для летательных и космических аппаратов; литые детали из цветных металлов для электроники и систем автоматического управления.

35

Капиллярные методы контроля предназначены для обнаружения невидимых или слабовидимых невооруженным глазом дефектов, выходящих на поверхность, и позволяют контролировать изделия любых форм и размеров, изготовленных как из металлических, так и неметаллических материалов. Имеют ограниченное применение для сварных швов, так как требуют предварительной механической обработки их поверхности с целью удаления чешуйчатости, брызг, окалины и обеспечения плавных переходов между основным и наплавленным металлом.

Рис. 3.1. Трещина на образце, обнаруженная КНК в процессе испытаний на усталость

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 [1]. Глубина дефектов, обнаруживаемых КНК, должна значительно превышать их ширину. Если ширина поверхностного повреждения больше его глубины (риска, царапина), то оно легко заполняется пенетрантом и так же легко удаляется из повреждений. Такие дефекты, как правило, КНК не выявляются. Важнейшим свойством пенетрантов является их способность к смачиванию материала объекта контроля. Явление смачивания вызывается силами взаимного притяжения атомов или молекул жидкости либо твердого тела.

При контакте жидкости с твердым телом возможны два случая: смачивание и несмачивание поверхности (рис. 3.2). При смачивании жидкость растекается по поверхности, а при несмачивании собирается в каплеобразную форму. При погружении капиллярной трубки в

36

смачиваемую или несмачиваемую жидкость в трубке соответственно образуется вогнутый или выпуклый мениск (рис. 3.3).

а б

Рис. 3.2. Смачивание (а) и несмачивание (б) поверхности твёрдого тела жидкостью

Рассмотрим каплю жидкости, лежащую на поверхности твёрдого тела. В точке А соприкасаются три фазы – твёрдая, жидкая и газообразная. Соответственно возникают три поверхностные силы: твёрдое тело–газ – Fтг, твёрдое тело–жидкость – Fтж и жидкость–газ – Fжг. Когда капля находится в состоянии покоя, равнодействующая проекций этих сил на поверхность равна нулю:

где – краевой угол смачивания.

Если Fтг>Fтж, то угол 900 . Это значит, что жидкость смачивает твёрдое тело (рис. 3.3, а) – чем меньше , тем сильнее смачивание. Предельный случай будет соответствовать полному смачиванию, т.е. растеканию жидкости по всей поверхности твёрдого тела.

Если Fтж>Fтг, то угол cos <0, следовательно, угол 900 (рис. 3.3, б). Это означает, что жидкость не смачивает твёрдое тело.

Для большинства хорошо смачивающих веществ cos близок к единице. Например, для границы стекла с водой cos =0,685, с керо-

сином cos =0,90, с этиловым спиртом cos =0,955.

Большое влияние на смачивание поверхности оказывает наличие загрязнений. Например, слой масла на поверхности стали или стекла резко ухудшает смачивание ее водой, и cos G при этом становится отрицательным. Разница сил Fтг и Fтж называется силой смачивания, действующей на единицу длины поверхности:

37

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 2·r, погруженную в смачивающую жидкость (рис. 3.4). 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 Р, создаваемое силой смачивания. Для этого

разделим обе части равенства на площадь трубки:

Таким образом, чем меньше радиус капилляра, тем больше капиллярное давление Р и высота подъема h.

Рассмотрим процесс проникновения смачивающей жидкости (пенетранта) вглубь тупиковой трещины [5, 8]. После пропитки объекта контроля и удаления излишков пенетранта с его поверхности в тупиковой трещине образуются два мениска (рис. 3.5): в устье радиусом r1 и вблизи вершины трещины – радиусом r2, при этом Р2 > Р1. Разность давлений, вызванных различием r2, и r1 составляет

38

Дальнейшему продвижению пенетранта вглубь трещины под действием P препятствует давление сжатого воздуха в замкнутом объеме вблизи вершины трещины, уравновешивающее P. Величина P 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.

аб

Рис. 3.5. Схемы проникновения жидкости вглубь тупиковой трещины (а) и проявления индикаторных следов дефектов (б)

Если на мениск, распложенный в устье трещины, наложить ка- кое-нибудь пористое вещество, то он исчезнет, и вместо него образуется система малых менисков различной формы и большой кривизны с малыми радиусами ri, каждый из которых создает свое капиллярное

39

давление Pi . Равнодействующая сил P Pi , созданных менисками капиллярных давлений, существенно превышает давление P2 и действует в противоположном ему направлении. Под действием суммы давлений Pi 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. 3.5, б). Вещества, вытягивающие пенетранты из полостей дефектов, называют проявителями.

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.

где у – ширина устья дефекта, a b – ширина выделившегося пенетранта, как показано на рис. 3.6.

40