Физические основы и сущность цветного метода

Капиллярные методы основаны на использовании различных физико-химических явлений: смачивания, капиллярно­сти, сорбции и диффузии.

Смачивание является одной из первых стадий физико­химического взаимодействия жидкости с твердым телом и харак­теризует степень этого взаимодействия. Оно зависит как от свойств жидкости, так и от свойств твердого тела. Если силы взаимодей­ствия между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем между молекулами самой жидкости, то жидкость хорошо смачи­вает поверхность твердого тела, прилипает к нему.

Смачивание проявляется в способности жидкости растекаться по горизонтальной поверхности твердого тела. Смачивание бывает статическим (равновесным), при котором линейная граница сма­чивания неизменна, и кинетическим (неравновесным), когда гра-

ница смачивания перемещается по поверхности твердого тела. При статическом смачивании капля жидкости принимает на по­верхности тела форму линзы (рис. 3.1). Мерой смачивания яв­ляется косинус краевого угла смачивания 0, образованного по­верхностью твердого тела и плоскостью, касательной к поверхно­сти жидкости в точке границы смачивания. Косинус краевого угла определяется из условия равновесия капли на поверхности:

v* / V *

а (ат. в ят. ж)

Здесь «, ат. в, ат. ж — поверхностное натяжение на границе жид­кость — воздух, твердое тело — воздух и твердое тело — жидкость. Чем больше cos©, тем меньше краевой угол и лучше смачивание. При cos0=1 статическое смачивание переходит в кинетическое, полное; избыток жидкости безгранично растекается по поверхно­сти твердого тела. Если cos0=—I, жидкость не вступает в фи­зико-химическое воздействие с твердым телом, не смачивает его.

Капиллярные явления также обусловлены наличием поверхностного натяжения жидкостей. Наиболее простые из них — это всасывание жидкостей в узкие трубки — капилляры (рис. 3.2), щели и поры со смачиваемыми стенками. Всасывание (рис. 3.2, а) происходит под действием капиллярного давления р, т. е. разно­сти давлений по обе стороны искривленной поверхности жидко­сти—мениска. Капиллярное давление прямо пропорционально кривизне поверхности жидкости:

2а COS в

р~—’—’

где г—радиус средней кривизны мениска, который равен радиусу капилляра.

Смачивающие жидкости заполняют полости любой формы. Важно только, чтобы размеры полостей обеспечивали образова­
ние жидкостью мениска сплошной кривизны, без плоских участ­ков. Несмачивающие жидкости выталкиваются из полостей (рис. 3.2, б).

а

Под действием капиллярных сил смачивающие жидкости за­полняют полости трещин и других поверхностных дефектов (рис. 3.3). При наличии жидкости на поверхности детали в поло­сти трещины образуется один мениск (рис. 3.3, а). Капиллярное давление при этом равно

2a cos 0

Р ~ Ъ ’

где Ь — ширина трещины на уровне мениска.

Если жидкость с поверхности удалить или если она испарится (рис. 3.3, б), то в полости трещины возникнут два мениска, кото­рые вызовут появление двух капиллярных сил, действующих в прямо противоположных направлениях. В этом случае жидкость будет продолжать продвижение в полость трещины под действием разности давлений

А—Р2 = 2асозв(Д—1),

где Ь и Ь2 — ширина трещины на уровне расположения первого и второго менисков. »

Жидкость, заполнившая полость трещины, будет удерживаться в ней капиллярным давлением даже в том случае, если се пред­намеренно удалять с поверхности детали. Однако если на второй"

мениск, расположенный у поверхности, наложить пористое веще­ство (например, в виде порошка или краски), то вместо него в порах наложенного вещества образуется система малых менисков

Рис. 3.3. Заполнение жидкостью / полости трещины 3 при наличии (а) и отсутствии (б) смачиваю­щей жидкости и пористого веще­ства 4 (в) на поверхности дета­ли 2

различной формы и большой кривизны (рис. 3.3, в). При этом каждый мениск создает капиллярное давление pj, которое суще­ственно превышает давление pi и действует в противоположном

п

ему направлении. Под действием суммы давлений SР} жид­кость покидает полость трещины и поднимается на поверхность детали. Здесь п — количество менисков, образовавшихся в порах наложенного вещества.

Выход жидкости из полости дефекта под действием капилляр­ных давлений сопровождается явлениями сорбции и диффузии.

В общем случае сорбцией называют физико-химический процесс поглощения каким-либо телом (поглотителем) газов, па­ров или растворенных веществ из окружающей среды. Если погло — — щение веществ происходит только на поверхности поглотителя,
явление называют адсорбцией, а если вещества поглощаются всем объемом поглотителя—а бсорбцией. Характер сорбци­онных процессов зависит от типа и физических свойств жидкости и пористого вещества — поглотителя.

Диффузией называют самопроизвольно протекающий про­цесс выравнивания в некотором объеме концентрации молекул, ионов, коллоидных или других взвешенных или растворенных ча-

стиц под влиянием их теплового хаотического движения. При по­вышении температуры растет количество диффундирующего ве­щества. Если при этом жидкость в полости трещины и в поглоти­теле не испаряется, то ее количество в пористом веществе увели­чивается.

Контроль деталей КЦ методом состоит в следующем (рис. 3.4). На поверхность детали, сначала наносят окрашенную смачиваю­щую (проникающую) жидкость. После небольшой выдержки, до­статочной для полного заполнения полостей дефектов под дейст­вием капиллярных сил, жидкость удаляют с поверхности детали и на ее поверхность наносят поглотитель (белую проявляющую краску). Проникающая жидкость, оставшаяся в полостях дефек­тов под действием новых капиллярных сил, а также в результате сорбционных и диффузионных процессов поглощается проявляю­щей краокой. На белом фоне краски образуется окрашенный ин­дикаторный рисунок, свидетельствующий о наличии дефекта и дающий представление о его форме, протяженности и месте рас­положения.