渗透检测的概论和基本知识

1、渗透检测的概论和基本知识第一章 渗透检测的概论1.1 渗透检测的发展简史和现状1.1.1 渗透检测的定义和作用 是一种以毛细作用原理为基础的检查表面开口缺陷的无损检测方法。 渗透检测是产品制造中实现质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产率的重要手段，也是设备维护中不可或缺的手段。1.1.2 渗透检测的发展简史19世纪初,金属加工者使用:淬火液或清洗液;19世纪末期，铁道车轴、车轮、车钩的“油-白法”检查；1930-1940年代：有色染料作为渗透剂如美国的“斯威策”1941-荧光染料的应用，紫外线显示，吸收剂应用1950-煤油与滑油的混合物作为荧光液1.1.3 国外渗透检测的现状闪烁荧光渗

2、透法,减少环境污染,水基渗透液和水洗法技术的出现控制危害元素含量,对氟、氯、硫的控制50年前代后推出ASTM,AMS(美国宇航材料规范)以及MIL (美国军用标准)QPL-25135渗透检测材料目录 质量符合MIL-I-25135 渗透检测材料QPL-AMS2644渗透检测材料目录 质量符合AMS2644 渗透检测材料1.1.4 国内渗透检测的现状50年代:煤油、滑油的使用（发浅蓝色的白色荧光）发光强度低60年代:荧光黄的采用（发光强度提高，稳定性差，清洗性能差）70年代以后：荧光染料YJP-15出现 自乳化型荧光剂（ZB-1,2,3) 后乳化型荧光液的生产(HA-1,2、HB-1,2)但是荧

3、光渗透剂性能不够稳定,易产生分层及沉淀;对氟、氯、硫的控制不过关工艺方法和质量标准水平有待提高.1.2 渗透检测的基础知识1.2.1 工作原理（T2） 是基于液体的毛细作用和固体染料在一定条件下发光的现象。 渗透探伤工作原理:渗透剂在毛细作用下,渗入表面开口缺陷内;在去除工件表面多余的渗透剂并干燥后,通过显象剂的毛细管作用将缺陷内的渗透剂吸附到工件表面，在一定的光源下，形成痕迹而显示缺陷的存在。基本步骤：渗透去除显像检查1.2 渗透检测的基础知识1.2.2 渗透检测方法的分类(按JB/T4730.5-2005)1.2 渗透检测的基础知识1.2.3 操作步骤(T3) 预清洗 后处理1.2.4 渗

4、透检测工作质量及体系 渗透检测工作质量取决于渗透检测体系的灵敏度、分辨力及可靠性。 渗透检测体系包括设备仪器、渗透检测剂、工艺方法、环境条件及操作水平。（可靠性的范围）灵敏度：指发现缺陷大小的能力；分辨力：探测缺陷几何特性的能力，痕迹宽度影响 分辨力。可靠性：检出缺陷与真实缺陷之间的对应性。1.2.5 渗透检测优点和局限性（T4） 渗透检测的优点(或适用范围) 不受材料的限制（金属、非金属材料）；不受工件化学成分的限制（磁性、非磁性材料）；不受工件结构的限制（焊接、锻造、轧制等加工方式）；不受缺陷形状、尺寸和方向的限制 具有较高的灵敏度（可发现：宽缺陷）； 显示直观、操作方便、检测费用低。 渗

5、透检测的局限性 它只能检出表面开口的缺陷； 不适于检查多孔性疏松材料制成的工件和表面粗糙的工件； 渗透检测只能检出缺陷的表面分布，难以确定缺陷的实际深度，因而很难对缺陷做出定量评价。检出结果受操作者的影响也较大。1.3 表面缺陷无损检测方法的比较渗透检测磁粉检测涡流检测工作原理毛细管作用磁力作用电磁感应作用应用范围探伤探伤探伤、测厚、材质分选检测对象表面开口缺陷表面及近表面缺陷表面及表层缺陷检测材料任何非多孔材料铁磁性材料导电材料检测制件铸、焊、锻、压铸、焊、锻、压、机加、管棒管、线材检测速度较慢快最快检测缺陷类别裂纹裂纹、发纹、夹渣裂纹、材质、厚度缺陷显示直观直观不直观缺陷显示方式渗透液、显

6、象剂痕迹磁粉痕迹电平变化缺陷显示器材渗透液、显象剂磁粉电压表、示波器检测灵敏度高高较低污染高高低1.3 表面缺陷无损检测方法的比较 磁粉检测对铁磁性材料工件的表面和近表面缺陷有较高的检测灵敏度，可发现微米级宽度的小缺陷，所以承压设备对铁磁性材料工件的表面和近表面缺陷的检测宜优先选择磁粉检测，确因结构原因，方可使用渗透检测或涡流检测。 为什么锅炉、压力容器优先选用磁粉检测？(T5)第二章 渗透检测的物理化学基础2.1 分子论分子运动论 运用分子运动和分子的相互作用来论述物质的某些性质的理论叫分子运动论.1、宏观物体由大量分子组成。（分子之间存在空隙）2、分子在永不停息地运动。3、分子间存在相互作

7、用力。（同时存在引力和斥力）最小能量理论（动能、势能、内能）能量最小，从而使各系统变得最稳定的趋势。自然界的三种物质形态表面和界面2.2 表面张力与表面张力系数概念液体表面分子受力状态的进一步分析:当液面受拉力作用使其面积扩大时,表面层分子分布稀疏,分子间距离r大于r0,故分子相互间存在吸引力,使分子间距趋于平衡，面积恢复到正常状态，此时表面具有收缩趋势。分析结论：当液体表面积增加时，该表面产生收缩趋势，使表面积收缩到平衡状态（最小面积），使其收缩的力称为表面张力。表面张力定义：存在于液体表面，使液面紧缩的作用力称为液体表面张力。表面张力系数定义：单位长度上的表面张力。 一般而言，表面张力系数

8、与液体的种类和温度有关。同一液体，表面张力系数值随温度上升而下降。容易挥发的液体比不容易挥发的液体的表面张力系数要小。含有杂质的液体比纯净的液体的表面张力系数要小。物理意义：将液面缩小单位面积，表面张力所做的功。2.2 表面张力与表面张力系数2.2.2 表面张力的产生机理1、液体的表面层 是指在液-气界面上与气体接触的液体薄层，由液体表面分子和液体近表面分子组成的。相邻分子间作用力所能达到的最大距离叫分子作用半径r。 2、液体的表面层对液体整体施加的压力 在液体内部，分子A、B、C的分子作用球内的分子对分子的引力的合力是不同的，分子A的合力为0，分子B、C的合力不为0，合力方向指向液体内部。分

9、子距液面越近，合力越大。2.2.2 表面张力的产生机理2.2.2 表面张力的产生机理3、液体表面分子之间表现为相互吸引力 液体表面张力是跟液面相切的4、液体分子之间的相互作用力是表面张力产生的原因 液体表面的分子受到一种垂直指向液体内部的压力，液体的表面越小，则受到这种压力的分子的数目就越小，系统的能量就越低，于是液体表面有自行收缩的趋势；另外，处于液体表面的分子，分布比较稀疏，表面分子间存在相互吸引的力，这样使得液体表面能够实现自行收缩。2.2.3 表面过剩自由能 表面过剩自由能是单位面积表面分子的自由能与单位面积内部分子的自由能的差值。物理意义：增加（或减少）单位表面面积时,自由能的增值（

10、或减值）。2.2.4 界面张力与界面能 两相之间的化学性质越接近，他们之间的界面张力越小。水银-苯 357mN/m，水-苯 35mN/m界面张力值总是小于两相各自的表面张力之和。2.3 润湿现象 2.3.1 润湿(或不润湿)现象 液体在固体表面不呈球形，且能覆盖固体表面，此现象称润湿现象，表明液体能润湿这种固体。 液体在固体表面呈球形，不能覆盖固体表面，此现象称为不润湿现象，表明液体不能润湿这种固体。 能增强水或水溶液取代固体表面空气的物质称为润湿剂2.3.2 润湿方程和接触角如图所示，将一滴液体洒在固体的平面上，可有三种界面：存在三种界面张力。也就是液-气界面上的液体表面张力，它使液滴表面收

11、缩，用表示。固-气界面上存在固体与气体的界面张力，它力图使液滴表面铺开用S表示。固-液界面上存在固体与液体的界面张力，它也力图使液滴表面收缩，用表示。 在液-固界面与界面处液体表面的切线所夹的角，称为接触角，用表示。S- SL= Lcos2.3 润湿现象2.3.3 润湿的四个等级 当接触角为0时，液滴在固体表面接近于薄膜的形态，这种情况称为完全润湿。当接触角在0和90之间时，液滴在固体表面上成为小于半球的球冠，这种情况称为润湿。当接触角在90和180之间时，液滴在固体表面上成为大于半球的球冠，这种情况称为不润湿。当接触角在180时，液滴在固体表面上成为球形，这种情况称为完全不润湿。2.3 润湿

12、现象 固体材料的表面粗糙，会导致角的变化，角小于90时，表面粗化将使角变小；角大于90时，表面粗化将使角变大。 只有当渗透剂充分润湿被检工件表面时，才能渗入狭窄的缝隙；此外，还要求能润湿显像剂，以便将缺陷内的的渗透剂吸出从而显示缺陷。因此润湿性能是渗透剂的重要指标，综合反映了液体的表面张力和接触角两种物理性能指标。2.4 毛细现象毛细现象 如果把内径小于1mm的玻璃管（称毛细管），插入盛有水的容器中，水会沿着管内壁自动地上升，使玻璃管内的液面高出容器的液面，管子的内径越小，它里面上升的水面也越高， 毛细现象：润湿液体在毛细管中呈凹面并且上升，不润湿液体在毛细管中呈凸面并且下降的现象。毛细现象产

13、生的原因：弯曲液面的附加压力。弯曲液面的附加压强弯曲液面的一个根本特性就是曲面两侧存在压力差。 任何弯曲液面薄膜对液体都将施以附加压强。 任意形状的弯曲液面的附加压强：P=a(1/R1+1/R2) 球形液面的附加压强：P=2a/R 柱状液面的附加压强：P=a/R 平面液面的附加压强：0 附加压强与曲面面积无关，与液体表面张力系数a成正比，与液面的曲率半径成反比。 表面张力的存在是弯曲液面产生附加压强的原因。毛细现象中的液面高度1、毛细管内的液面高度 如图，毛细管插在润湿的液体中，由于润湿作用，靠内壁的液面上升而形成凹面，从而扩大液体的表面，在弯曲面表面张力的作用下，液体表面向上收缩而形成平面，

14、随后，润湿又起主导作用，重新形成凹面，而表面张力又使其收缩成平面，如此循环，使毛细管内的液面逐渐上升，直至表面张力沿管壁方向的上升分力与管内液体重量相等时，达到平衡，液面不再升高。液体在毛细管中上升的高度，可用以下公式计算： h = 2 *cos/rg 毛细现象中的液面高度2、两平行平板间的液面高度 在间距为2r的两平行平板间，润湿液体上升高度恰好是直径为2r的毛细管内同样液体上升高度的一半： h = *cos/rg 毛细现象中的液面高度3、缺陷内液面高度 气孔为圆柱形，液面为球形液面；裂纹可认为两平行平板间的毛细现象。 附加压强P+大气压强=裂纹内气体的反压强 P气2.4 毛细现象2.4.4

15、 毛细现象的产生机理 是附着层的收缩力或推斥力与表面张力共同作用的结果。2.4.5 渗透检测中的毛细现象 1、渗透与毛细作用 渗透剂对受检工件表面开口缺陷的渗透，实质是渗透剂的毛细作用。毛细作用的产生是由缺陷处的渗透剂附着层的推斥力和渗透剂的表面张力共同作用的结果。 毛细作用使渗透剂渗透到细小而清洁的裂纹中的速度比它渗透到宽裂纹的速度更快。裂纹中如果含有某种污染物，则会使表面张力减小。 2、显像与毛细作用2.5 吸附现象吸附现象在各种界面上皆可发生2.5.1 固体表面的吸附现象1.概念：二种物质的混合物澄清后形成的物质自一相迁移到界面并富集于界面的现象称为固体表面的吸附现象。2.吸附剂和吸附质

16、吸附剂：起吸附作用的固体称吸附剂。吸附质：被吸附的液体或气体中的某种成分称为吸附质。3.例：白土煤油白土能够吸附煤油中的棕黄色物质 白土吸附剂；棕黄色物质吸附质显象剂渗透液显象剂能够吸附缺陷中的渗透液显象剂吸附剂 渗透液吸附质衡量吸附剂的吸附能力，用比表面积。2.5 吸附现象2.5.2 液体表面的吸附现象1.概念：一种液体与另一种液体（或气体）接触时，能够将被接触的液体或气体中的某些成分吸附到该液体表面的现象称为液体表面的吸附现象。2.例： 水-油界面+表面活性剂,降低水-油界面的界面张力;在溶液吸附中，吸附能降低表面张力和界面张力的表面活性剂。2.5.3 物理吸附和化学吸附 物理吸附多在低温

17、下发生，随着温度升高，吸附量下降，没有选择性； 化学吸附在高温下建立平衡，随着温度升高，吸附量先增加，继续升高温度将发生脱附现象。2.5 吸附现象2.5.4 吸附现象的产生机理1.固体表面的吸附：表面不均匀，引起不同的表面过剩自由能。2.液体表面的吸附：表面活性剂吸附在液体表面，降低液体表面张力；表面活性剂吸附在液液界面,降低界面张力;2.5.5 渗透检测中的吸附现象1.乳化过程中的吸附:渗透液+乳化剂，表面活性剂吸附在渗透剂和水界面，降低了界面张力，便于清洗2.渗透过程中的吸附:工件表面和其中的缺陷吸附渗透剂3.显象过程中的吸附:显象剂吸附渗透液 渗透检测全过程所发生的吸附现象，主要是物理吸

18、附。2.6 溶解现象2.6.1 溶解现象及溶解度 溶解：一种物质均匀分散于另一物质的过程。所组成的均匀物质叫做溶液，通常把分子较大的一种或液体物质称为溶剂，较小的一种或固体物质称为溶质。 溶解现象：这种溶质粒子溶解在溶剂中，同时溶解的溶质粒子可能重新吸附到未溶解的的溶质粒子的现象。溶解现象包括溶解和结晶两个过程。 溶解度：在一定的温度和压力下，一定量的溶剂中，染料溶解达到饱和状态时，已溶解了的染料的量。2.6.2 渗透剂的浓度 渗透剂的浓度：一定量渗透剂里所含着色（荧光）染料的量。 表示渗透剂浓度的方法主要是质量分数和物质的量浓度。2.6 溶解现象2.6.3 相似相溶经验法则 化学结构相似或极

19、性相似的物质彼此容易相互溶解。2.6.4 渗透检测与溶解度、浓度1、着色（荧光）强度 缺陷内被吸附出来的一定数量的渗透剂，在显像后能显示色泽的能力。它与着色染料或荧光染料的种类有关，与染料在渗透剂中的溶解度有关。 消光值K=lg(I0/IL)=acL K越大,强度越大,显示越清晰. 临界厚度越小,强度越大,显示越清晰.2、荧光发光效率：荧光染料吸收紫外线转换成可见荧光的效率。表面活性和表面活性剂2.7.1 定义P331.溶液浓度与溶液表面张力的关系如图所示。 曲线1表示：在浓度较稀时，表面张力随浓度的增加而急剧下降，但降至一定程度后（此时溶液的浓度仍然很低），下降减慢或不再下降，有的溶液还会出

20、现表面张力最低值的情况（如图中下坠曲线所示）。肥皂、洗涤剂等物质的水溶液就具有这样的特性。 曲线2表示：表面张力随溶液浓度的增加而下降，如乙醇、醋酸等物质的水溶液。 曲线3表示：表面张力随溶液浓度的增加而缓慢上升，如氯化钠，硝酸等物质的水溶液。 2.概念：使溶液的表面张力降低的性质称为表面活性。表面活性和表面活性剂3、表面活性剂的定义 表面活性剂是随其浓度增加可使溶剂表面张力下降比较急剧的表面活性物质。 表面活性剂分子一般总是由非极性的亲油疏水的碳氢链部分和极性的亲水疏油的基团共同构成。 这种两亲分子能吸附在油水界面上，降低油水界面的界面张力；能吸附在水溶液表面上，降低水溶液的表面张力。表面活

21、性和表面活性剂2.7.2 表面活性剂的值表面活性剂的亲水性用亲憎平衡值（）来表示。非离子型表面活性剂的H.L.B 值可以用下式计算： 亲水基部分的分子量 100 H.L.B=- 表面活性剂的分子量 5表面活性剂的H.L.B 值和其作用的大概关系如图所示，从图可知：表面活性剂具有润湿、洗涤、乳化、增溶、消泡等作用。从图中还可以看出： 值越高，亲水性愈好； 值越低，亲油性愈好。表面活性和表面活性剂2.7.3 表面活性剂的作用2.7.4 乳化作用1、乳化现象及乳化剂一、分散体系（1）概念：一种或几种物质分散存在于另一种物质之中，所形成的物质体系称为分散体系。被分散物质：称为分散相、内相、不连续相分散

22、物质：称为分散介质（2）分散程度：分散相在分散介质内的分散程度取决于分散相的尺寸，分散相尺寸愈小，分散程度愈高。 表面活性和表面活性剂二、乳化现象和乳化剂（1）乳化现象 由于表面活性剂的作用使一种物质（分散相）稳定地分散在另一种物质（分散介质）中的现象称为乳化现象。 具有乳化作用的表面活性剂称为乳化剂。例：油和水不相溶，加入某种物质后油珠能很好的分散在 水中即乳化现象。 （2）乳状液概念：一种液体以细小的液珠形式稳定地分散在另一种与它互不相溶的液体之中所形成的体系，称为乳状液。表面活性和表面活性剂2、乳化形式类型：分散相/分散介质 分散相大小：10-510-3 水包油型（O/W型）：油分散在水

23、中，如牛奶 油包水型（W/型O）：水分散在油中，如含水的原油3、乳化作用的机理 降低界面张力和形成保护膜是乳状液稳定形成的两个 主要因数，也是乳化现象产生的机理。 值越高，亲水性愈好；值越低，亲油性愈好。值在1115范围内的乳化剂，既具有乳化作用，又有洗涤作用。表面活性和表面活性剂2.7.5 表面活性剂在溶液中的特性1、 表面活性剂的内部性质（胶团性质）溶液形成胶团时的浓度，称为临界胶团浓度（cmc）。结构模型：浓度不是很大，胶团大多呈球状； 浓度十倍于cmc，胶团呈棒状； 当浓度更大时，形成巨大的层状胶团。利用表面活性剂的凝胶现象可提高渗透检测的灵敏度。2、 表面活性剂的表面性质（吸附） 水

24、溶液表面，油水界面 水溶液中表面活性剂的存在能使原来不溶或微溶于水的有机化合物的溶解度显著增加，此为增溶作用。第三章 渗透检测的光学基础3.1. 光的本性3.1.1 光是一种电磁波 频率不同3.1.2 光子说3.1.1 光的波粒二象性3.2. 发光及光致发光3.2.1 发光（发光的物体称为光源）冷光源：利用化学能、电能或光能激发的光源。如荧光和磷光热光源：利用热能激发的光源。自发发光：物体自身发光，如太阳光化学发光：化学能激励发光，如磷的氧化发光场致发光：激发能来自外加电场的；光致发光：激发能来自紫外线、可见光或红外线的如荧光辐射致发光：激发能来自X、射线的。3.2. 发光及光致发光3.2.2

25、 光致发光荧光：当外辐射源停止作用后，经过极短时间就消失了。磷光：当外辐射源停止作用后，经过很长的时间才停止发光。荧光渗透剂中的荧光染料是一种荧光物质。3.2.3 渗透检测用光着色渗透检测，使用白光，波长范围为400760nm；荧光渗透检测，使用紫外线，波长范围为330390nm；UV-A: 315400nm，又称长波紫外线，因为看不见，又称黑光，中心波长 365nm;UV-B: 280315nm，又称中波紫外线，能使皮肤变红，引起晒斑；UV-C: 100280nm，又称短波紫外线，有光化、杀菌作用。荧光渗透检测常用的荧光，其波长为510550nm，呈黄绿色。3.2. 发光及光致发光3.2.4

26、 发光机理（荧光渗透发出荧光） 当紫外线照射到荧光渗透剂时，荧光物质便吸收紫外线能量。较低能级的离原子核较近的轨道上的电子受激发而跳跃到离较远的轨道上，处于不稳定的激发状态，又自发地跃迁到较低能级，并发出光子，其波长为510nm550nm，为黄绿色荧光。3.3 光度学 1发光强度：光源向某方向单位立体角发射的光通量，单位坎德拉（cd）;2光通量：是能引起眼睛视觉强度的辐射通量。单位“流明”（lm）3辐射通量是指辐射源单位时间内向给定方向所发射的光能量，即以辐射的形式发射、传播和接受的功率。单位是瓦特（W）。4. 辐射强度：单位面积上的辐射通量。单位是瓦特/米2（W/m2）。5. 光视效能：表示

27、辐射通量产生光通量的效率。人眼对波长为一定值的黄绿色光最敏感。 6. 照度：被照射物体单位面积上所接受的光通量，单位为lux. 烛光：发光强度单位,表示发光的强弱。 标准规定：直径的鲸油蜡烛，质量为克，火焰高，每小时燃烧克，沿水平方向的发光强度为1烛光。(cd) 流明：光通量单位，表示单位时间内通过某一面积的光能。如果从一烛光的点光源为中心，作半径为1m的球面，那么通过球面上每一平方米面积的光通量就是1流明。（lm）3.3 光度学 7. 勒克司：照度单位，表示物体被照亮的程度。被均匀照射的物体，1平方米面积上所得到的光通量为1流明时，它的照度就是1勒克司。（lux）8. 坎德拉：国际单位制的发

28、光强度单位，记以cd，又名新烛光。1cd是指某给定单色光源（频率为5401012Hz，波长为）在给定在给定方向上（该方向上辐射强度为（1/683）瓦特/球面度）的发光强度。 发光强度为1cd的光源在1个球面度内的光通量为1流明。9.照度、流明和勒克司的关系 关系：E=F/S E：照度 S：面积 F：光通量 渗透检测要求较高的照度。被检物表面上可见光照度应在1000lx以上。3.4 对比度和可见度 3.4.1 对比度1.对比度：某个显示和围绕这个显示的表面背景之间的亮度和颜色之差。2. 对比度可用缺陷显示和缺陷周围的表面背景之间反射光或发射光的相对量来表示。这个相对量称对比率。白色反射率：98%

29、 黑色反射率：3% 红色反射率： 16%白黑对比率：98：3=33：1 白红对比率：98：16=6：1 实际上黑白对比率要达到33比1是极不容易的。黑色染料显示与白色显像剂背景之间的对比率为90比10，即9比1，这已是很高的比率了。红色染料显示与白色显像剂背景之间的对比率只有6比1。荧光显示与不发光的背景之间的对比率高达： 300：1 - 1000：1 由于着色渗透检测时的对比率远小于荧光渗透检测，因此荧光渗透检测有较高的灵敏度。3.4 对比度和可见度 3.4.2 可见度1. 可见度：相对于背景及外部光等条件，渗透剂形成可用人眼直接观察到的缺陷显示的能力。强白光：人眼对光强度的微小差别不敏感，

30、对颜色和对比度差别的辨别能力强。暗光中：人眼对光强度的微小差别敏感，对颜色和对比度差别的辨别能力差。 从明亮处进入黑暗处，必须过段时间，才能看见周围的东西，这种现象称为黑暗适应。时间一般为5min.3.5 缺陷显示及裂纹检出能力3.5.1 缺陷显示 缺陷容积越大，它容纳的渗透剂就越多，留在缺陷中输送给显像剂形成显示的渗透剂就越多，缺陷显示越明显。 缺陷越窄，越浅，越短，越不易被发现，所需的渗透停留时间越长。 渗透检测检出表面开口缺陷的检出率，主要取决于表面开口缺陷的开口宽度，其次取决于深度及长度。 渗透检测的最高灵敏度，实验结果是。3.5 缺陷显示及裂纹检出能力3.5.2 裂纹检出能力渗透检测的裂纹检出能力取决于渗透剂染料中的分子大小、缺陷显示图形色彩反差，以及形成目视可见显示所需的渗