Теоретические основы. Капиллярные методы контроля основаны на процессах смачивания и капиллярного течения жидкостей

Капиллярные методы контроля основаны на процессах смачивания и капиллярного течения жидкостей. Смачивание является одной из первых стадий физико-химического взаимодействия жидкости с твердым телом и характеризует степень этого взаимодействия. При попадании капли жидкости на твердое тело, она может растекаться по нему или образовывать не растекающуюся каплю. Это зависит от соотношения поверхностных натяжений на границе раздела: жидкость, газ, твердое тело. Под поверхностным натяжением понимается сила, возникающая на поверхности раздела сред, направленная по касательной к поверхности и стремящаяся сократить свободную поверхность жидкости. Возникает она из-за разности сил взаимодействия частиц жидкости, находящихся на поверхности раздела, с частицами собственного тела и частицами окружающей среды (рис. 1).

Рис 1. Схема равновесия векторов сил поверхностного натяжения капли жидкости на поверхности твердого тела: 1 - газ, 2 - жидкость, 3 - твердое тело

При растекании капли жидкости по плоской поверхности твердого тела условия ее равновесия могут быть выражены в виде равновесия векторов или поверхностного напряжения в точке на границе трех фаз (рис. 1). Этой границей является периметр поверхности смачивания.

σ 1, 3 = σ 2, 3 + σ 1, 2 ⋅ cos(θ), (2)

где σ 1, 3 - поверхностное натяжение между твердым телом и газовой средой, действующее на каплю по периметру ее основания;

σ 2, 3 - поверхностное натяжение жидкости на границе с твердым телом;

σ 1, 2 - поверхностное натяжение жидкости на границе с газовой средой.

Из выражения (2) следует, что

сos (θ) = (σ 1, 3 - σ 2, 3)/ σ 1, 2. (3)

Косинус угла θ, характеризующий смачивающую способность жидкости, называется коэффициентом смачивания. В том случае, если 0° < θ < 90° жидкость смачивает поверхность твердого тела. Когда же 0° > θ > 90° жидкость практически не смачивает поверхность твердого тела. Полное смачивание поверхности твердого тела происходит при cos θ = 0.

Рис. 2. Изменение уровня жидкости в узких трубкахкапиллярах при смачивании и несмачивании его стенок

Капиллярное давление обратно пропорционально радиусу кривизны мениска (рис. 2).

PК = σ 1, 2 ⋅ cos(θ)/rК. (4)

Смачивающие жидкости под действием капиллярного давления заполняют полости любой формы. Несмачивающие жидкости выталкиваются из полостей (рис. 2).

При наличии жидкости на поверхности детали в полости трещины образуется один мениск, при этом капиллярное давление равно (рис. 3)

P₂ = 2 ⋅ σ 1, 2 ⋅ cos(θ)/rК. (5)

Рис. 3. Заполнение полости трещины смачивающей жидкостью

Если с поверхности детали удалить жидкость, то в полости трещины возникнут два мениска, которые вызовут появление ка пиллярных сил, действующих в противоположных направлениях (рис. 4).

Рис. 4. Положение жидкости в полости трещины при отсутствии жидкости на поверхности твердого тела

В рассматриваемом случае жидкость будет проникать в полость трещины под действием разности давлений

Pк1 – Pк2 = 2 ⋅ σ 1, 2 ⋅ cos(θ) ⋅ (1/ rК1 – 1/ rК2). (6)

Жидкость, заполнившая полость трещины, будет удерживаться в ней капиллярным давлением даже в случае удаления этой жидкости с поверхности детали.

Рис. 5. Заполнение жидкостью пор и несплошностей проявителя

Если на поверхности жидкости поместить порошкообразное вещество, то на границе раздела каждой частицы порошка и жидкости начинают действовать явления сорбции, т. е. прилипания жидкости к поверхности твердого тела (рис. 5). Благодаря явлениям физической адсорбции жидкость вытягивается порошком на поверхность, и это явление лежит в основе индикации или проявления капиллярного дефекта, выходящего на поверхность детали. В качестве порошков применяются так же вещества, вступающие в химическую реакцию с жидкостью. Это явление называется химической адсорбцией. Когда вместо порошков используются пленки или красящий проявитель, передача жидкости из капилляра на пленку или в другую жидкость осуществляется по принципу диффузии. Индикаторная жидкость в капиллярных методах дефектоскопии называется пенетрантом.

Основными документами, регламентирующими применение метода, являются ГОСТ 18442-80 «Контроль неразрушающий. Капиллярные методы контроля», ГОСТ 23349-78 «Дефектоскопы капиллярные. Общие технические требования и методы испытаний» и ГОСТ 24522-80 «Контроль неразрушающий капиллярный. Термины и определения».