毕业设计（论文）-渗透检测缺陷类型对渗透能力的影响研究.doc

毕业设计（论文）题 目： 渗透检测缺陷类型对渗透能力影响的研究 学 院： 测试与光电工程学院专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二O一五 年 六月 毕业设计（论文）任务书I、毕业设计(论文)题目：渗透检测缺陷类型对渗透能力的影响研究II、毕 业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：1、原始资料：毛细玻璃管；渗透剂；计算机2、毕设要求： (1)查找渗透检测技术缺陷检测的资料； (2) 理论分析研究缺陷类型对渗透能力的影响； (3)研究典型缺陷对渗透剂渗透能力的影响； (4)数据处理。III、毕 业设计(论文)工作内容及完成时间：1、查阅渗透检测技术缺陷检测的相关资料并撰写开题报告； 03.0903.202、理论分析研究缺陷类型对渗透能力的影响； 03.2104.153、研究典型缺陷对渗透剂渗透能力的影响； 04.1605.154、数据处理； 05.1605.315、总结并撰写论文，答辩。 06.0106.16 、主 要参考资料：1 杨诚成, 裂纹的渗透机理研究 J无损探伤，19952 李兴卫，缺陷渗透理论分析J. 无损检测, 2007, 12 3 U Zhenggan, LIU Siming. Nondestructive Evaluation of Early Stage Plasticity and Fatigue Damage of Aluminum Alloy Using Nonlinear Ultrasonic Method J.Journal of Mechanical Journal of Mechanical Engineering, 2011, 47(8): 41-46.4 金信鸿. 渗透检测M. 北京：机械工业出版社 ，2014.5B.F. Larson, FAA Report Study of the Factors Affecting the Sensitivity of LiquidPenetrant Inspections: Review of Literature Published from 1970 to 1998. 测试与光电工程 学院 测控技术与仪器 专业类 班学生（签名）： 日期： 自 2015 年3 月 9 日 至 2015 年 6 月 26 日指导教师（签名）： 助理指导教师(并指出所负责的部分)：测控技术与仪器 系（室）主任（签名）：附注:任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 日期：导师签名： 日期：渗透检测缺陷类型对渗透能力影响的研究学生姓名： 班级：指导老师：摘要：渗透检测是五大常规无损检测方法之一，是一种用于检测非多孔性固体材料的表面开口缺陷的无损检测方法。渗透检测具有不受工件形状、大小和缺陷方向的限制，设备和操作简单，缺陷显示直观，因此在航空、航天、原子能工业和造船等方面的无损检测中得到了广泛应用。 本文通过分析渗透剂渗入缺陷内渗透深度的影响因素，研究了缺陷类型对渗透剂渗透能力的影响。渗透剂的渗透能力是用渗透剂在毛细管中上升的高度来衡量。根据渗透检测中缺陷类型建立了九种典型的缺陷模型，根据实验的需要对渗透剂在这九种缺陷模型中的渗透高度进行理论推导。实验中将缺陷理想化为具有一定倾斜角的贯穿型和非贯穿型毛细玻璃管，进行毛细管渗透实验。为此选取内径为0.3mm、0.6mm、0.9mm的毛细玻璃管，两种荧光渗透剂和一种着色渗透剂，热熔胶对毛细玻璃管封口模拟非贯穿型缺陷。利用Matlab软件作出毛细玻璃管中爬高-倾斜角图像，根据理论与实验结果研究分析渗透检测缺陷类型对渗透能力的影响。研究的结果具有一定的指导意义。 关键词：渗透检测 毛细玻璃管 渗透剂 爬高 Matlab指导老师签名：Penetrant inspection of the defect type Impact on penetration capability Student name: Class: Supervisor:Abstract：The penetration detection is one of the five conventional nondestructive detection methods, and is a nondestructive method for detecting the surface defect of non porous solid materials. Penetrant testing are not limited by the restriction to the workpiece shape, size and the direction of the defects, simple equipment and operation, defect of visual display, therefore in the aviation, aerospace, atomic to industry and shipbuilding and other nondestructive testing has been widely used. In this paper, the influence factor of penetration depth of penetration penetration is analyzed, and the effect of the defect type on the penetration ability of the osmotic agent is studied. The osmotic ability of the osmotic agent is measured by the height of the capillary rise in the capillary. According to the defect types in the penetration detection, nine typical defect models are established, and the penetration height of the osmotic agents in the nine defect models is deduced according to the experimental needs. In the experiment, the defect was idealized as the penetrating and non - penetrating capillary tubes with a certain inclination angle, and capillary permeation experiments were carried out. This paper selects diameter 0.3mm, 0.6mm, 0.9mm capillary glass tube and two fluorescent osmotic agent and a coloring penetrant, hot melt adhesive of glass capillary tube sealing simulation non through type defects. Using MATLAB software to make capillary glass tube in the runup - angle image, according to analyzing the penetrant testing of defect types on the penetration ability of the results of theoretical and experimental research. The results of the study have some guidance.Key words： penetrant testing glass capillary penetrant climb Matlab Signature of Supervisor:目录1 绪论1.1 渗透检测缺陷类型对渗透能力影响的研究的背景及意义11.2 国内外研究概况及发展趋势21.3 研究内容及意义42 渗透检测原理和方法2.1 毛细现象62.2 附加压强72.2.1 附加压强的产生72.2.2 附加压强与曲率半径的关系93.影响渗透剂渗入缺陷深度的因素3.1 渗透剂113.1.1 渗透剂的构成123.1.2 渗透剂的渗透能力123.2 缺陷类型及位置、大气压强等123.3 工件表面污染程度124.渗透剂在典型缺陷中的渗透高度4.1 浸润液体在毛细玻璃管中的高度134.2 几种典型缺陷中渗透剂的高度144.2.1贯穿型缺陷中渗透剂的渗透高度144.2.2非贯穿型缺陷中渗透剂的渗透高度174.3 渗透剂在与水平面有一定夹角的缺陷中的渗透高度224.3.1 具有一定倾斜角的贯穿型孔状缺陷中渗透剂的渗入高度224.3.2 具有一定倾斜角的非贯穿型孔状缺陷中渗透剂的渗入高度235.实验研究5.1 不同类型的渗透剂在不同类型毛细玻璃管中的爬高255.1.1荧光渗透剂ZL-60D在不同类型毛细玻璃管中的爬高255.1.2荧光渗透剂ZL-67在不同类型毛细玻璃管中的爬高265.1.3着色渗透剂HP-ST在不同类型毛细玻璃管中的爬高265.2 实验数据的处理275.2.1 同一渗透剂在贯穿型毛细玻璃管中的爬高-倾斜角图像275.2.2 同一渗透剂在非贯穿型毛细玻璃管中的爬高-倾斜角图像285.2.3 不同渗透剂在贯穿型毛细玻璃管中的爬高-倾斜角图像295.2.4 不同渗透剂在贯穿型毛细玻璃管中的爬高-倾斜角图像305.2.4 对实验图像的分析315.3毛细玻璃管中渗透剂爬高-倾斜角理论图像315.3.1 三种渗透剂密度的测量315.3.2 理论图像的绘制及分析316.结论33参考文献34致谢35南昌航空大学2015届学士学位论文1 绪论1.1 渗透检测缺陷类型对渗透能力影响的研究的背景及意义众所周知渗透检测是无损检测中五大常规检测手段之一，随着工业的发展、先进材料和方法不断出现，渗透检测在航空、航天、兵器、造船、原子能工业，铝合金、镁合金、钛合金、高温合金、玻璃钢、塑料零件等非铁磁性材料的应用越来越广泛，使得渗透检测在产品无损检测的比例大大提高，应用更加广泛2。渗透检测是基于液体毛细作用来检测非疏孔固体材料表面开口缺陷的一种无损检测方法。其基本原理是：首先在被测零件（材料）表面上施涂一层含有荧光染料或着色染料的液体(称之渗透剂)，由于这类液体渗透能力较强，对微细孔隙具有渗透作用，渗透剂就深入到表面开口的缺陷中去；然后用水或乳化剂（或清洗剂）清洗零件（或材料）表面上多余的渗透剂4。再用吸附介质（称之显像剂）喷或涂于被检零件表面，缺陷中的渗透剂在毛细作用下重新被吸附到零件表面上来，形成放大了的缺陷显示，从而探测出缺陷的形貌及分布状态。图1.1 渗透检测基本过程 渗透检测可用于检测各种类型的裂纹、折叠、气孔、疏松、冷隔及其他开口于表面的缺陷4。而从渗透检测的原理可以知道渗透剂渗入孔隙的深度对渗透检测缺陷的判断和评定至关重要，其中缺陷类型对渗透能力的影响是一个重要因素，因此研究渗透检测缺陷类型对渗透能力的影响是很有必要的9。图1.2 渗透检测中发现的裂纹1.2 国内外研究概况及发展趋势：渗透检测是一种用于检测非多孔性固体材料的表面开口缺陷的无损检测方法。早在20世纪初，人们把煤油和重油的混合液施加于被检零件表面上，经过一段时间后再擦去表面多余的油，并在表面上涂上一层悬浮着白粉的酒精，酒精挥发后剩下一层白粉，如果零件上有表面开口缺陷，缺陷中的油将被吸附到白色的涂层上，形成可见的黑色痕迹，这就是最早的着色探伤法4。二十世纪三十年代，当时许多关键性零件（如电机、杆、轴等零件）是铁磁性材料，随着磁粉检测方法的出现，因其检测灵敏度高效率高以及重复性好而逐渐代替了渗透检测方法。从三十年代到四十年代初，随着航空工业的发展，许多不能被磁化的有色金属和非铁磁性材料大量使用，对检测非铁磁性金属材料提出了更高要求，这促进了渗透检测的发展。美国人斯威策（Robert Switzer）对渗透剂进行了大量的试验研究，他有色染料加入到渗透剂中，增加了裂纹显示的颜色对比度。1941年，斯威策把荧光染料加到渗透剂中，利用显象粉显象，在紫光灯下检测缺陷，从而显著地提高检测灵敏度，使液体渗透检测进入到了一个崭新阶段。于是，液体渗透检测与射线检测、磁粉检测一起成为当时最广泛应用的三种无损检测方法9。我国的渗透检测技术起步于20世纪50年代，在新中国成立的第一个五年计划期间，航空、机械等行业的大型国有企业开始筹建渗透检测部门。开展渗透检测专业的同时，我国技术，又无设备和器材，渗透检测采用最原始的“油-白”方法，所用渗透液是由检测人员用煤油和滑油配制而成的黑色液体，在白光下检测，检测灵敏度很低4。20世纪60年代，通过系统研究渗透检测原理、渗透技术、显象技术、乳化技术以及相应材料，国内成功研制出系列（低、中、高和超高）灵敏度渗透液（着色/荧光）、乳化剂、清洗法除剂、显像剂等渗透检测用材料，各项性能接近或达到国外同类产品水平。研制出的YC-2型等牌号荧光磁粉的检测，灵敏度达到国外同类产品的水平4。图2.2 DPT-5着色渗透剂、显像剂、清洗剂2000年以来，随着数字话技术的发展，渗透检测技术开始进入半自动化/自动化和图像化时代1。随着数字化技术的发展和我国经济实力的提高，检测人员的劳动条件和环境保护受到重视，自动化/自动化检测技术、检测废水处理技术的研究得到广泛开展，开发成功大半半自动渗透检测和废水处理设备，获得广泛应用。图2.3 全自动水洗型荧光渗透探伤检测流水线 目前，渗透检测作为五大常规无损检测手段之一已经得到了更为广泛的应用。研究渗透检测缺陷类型对渗透能力影响对于选择合适的无损检测方法来检测被检工件或设备有重要意义。目前国内研究者已经对各种规则或不规则缺陷的渗透深度进行了深入研究11。1.3 研究内容及意义本文主要理论性地对各类渗透检测缺陷类型对渗透能力的影响进行研究。然后选取几类特殊缺陷类型进行定量分析，之后进行讨论分析，进一步定性分析得出最终结论。在定量分析的过程中，将实际各种不同类型不同尺寸的缺陷先近视为毛细管进行分析。然后根据特定形状将其进一步近视为更一般的模型，以裂纹类模型分析渗透能力，裂纹可分为贯穿性裂纹和非贯穿性裂纹加以定量分析。而且对不规则裂纹角度对渗透深度的影响进行了定量的计算分析。最后由特殊到一般，对缺陷类型对渗透深度的影响进行定性分析，得出一般性的结论。在建立数学模型的过程中，详细分析了渗透检测原理、毛细现象、附加压强以及渗透液在规则和不规则裂纹中渗透深度与裂纹的关系。在假设理想条件的情况下：在毛细管内液柱上升过程中忽略液体密度，运用流体力学方法导出动态渗透参数公式；在裂纹模型渗透过程中，气体质量和温度均不变，利用热力学定律导出了裂纹模型渗透液渗进量。在分类讨论典型缺陷对渗透剂渗透影响的过程中碰到表面缺陷有孔状，条状，贯穿，非贯穿型。对于贯穿型缺陷的渗透，讨论下方渗透和上方渗透两种情形。对于非贯穿型缺陷，讨论钻孔朝上，工件上方开槽，工件侧面钻孔，工件侧面开槽，工件底面钻孔，工件底面开槽这六种情况进行讨论。利用渗透检测实验来实际研究渗透检测缺陷类型对渗透深度的影响。设计实验不同渗透剂在不同内径毛细管内的爬高。利用不同渗透剂和不同内径的毛细管进行实验，观察在毛细现象的作用下，渗透剂在毛细管中渗透的高度来模拟渗透剂在不同类型缺陷中的渗透深度。根据实验所得结果，把实验结果和理论分析结果进行对比，通过实验验证理论分析。进而得出渗透检测中不同缺陷类型对渗透检测能力的研究的一般性结论。2 渗透检测原理和方法渗透检测是基于液体毛细作用来检测非疏孔固体材料表面开口缺陷的一种无损检测方法。其基本原理是：首先在被测零件（材料）表面上施涂一层含有荧光染料或着色染料的液体(称之渗透剂)，由于这类液体渗透能力较强，对微细孔隙具有渗透作用，渗透剂就深入到表面开口的缺陷中去；然后用水或乳化剂（或清洗剂）清洗零件（或材料）表面上多余的渗透剂。再用吸附介质（称之显像剂）喷或涂于被检零件表面，缺陷中的渗透剂在毛细作用下重新被吸附到零件表面上来，形成放大了的缺陷显示，从而探测出缺陷的形貌及分布状态。如图2.1、2.2所示分别是着色渗透检测操作步骤和荧光渗透检测操作步骤。图2.1着色渗透检测操作步骤图2.2 荧光渗透检测操作步骤 渗透检测的最基本步骤是渗透、清洗、显像和观察等四个阶段。 渗透过程：把被检零件的表面处理干净（预清洗）之后，让荧光渗透剂或着色渗透剂与零件接触，使渗透及渗入零件表面开口缺陷中去的过程称为渗透过程。清洗过程：用水或溶剂或乳化剂清洗零件表面附着的残存多余渗透剂的过程称为清洗过程。显像过程：清洗过的零件给干燥后（或不干燥），施加显像剂，使渗入缺陷中的渗透剂吸出到零件的表面。这一过程称为显像过程。观察过程：被吸出的渗透剂在紫外线的照射下发出明亮的荧光，或在白光照射下显出颜色，从而显示出缺陷的图像，这一过程称为观察过程。渗透检测一般应在冷热加工之后，在喷丸、吹砂、涂层、镀层、阳极化、氧化或其他表面处理工序之前进行以及工件所有加工完成之后进行。2.1 毛细现象 内径很小的管子被称为毛细管。把毛细管插入可润湿的水中，毛细管中水面高度会上升，并且毛细管内径越小，液面上升得越高；然而，把毛细管插入不可润湿的水银中，毛细管中水银面高度会降低，并且毛细管内径越小，水银面将降得越低，这类现象就被称为毛细现象。毛细现象是由毛细管中弯曲的液面的附加压强引起的。如果将内径较大的玻璃管插筋可以润湿的水中，虽然管内的水面在接近管壁处有些隆起，但管内的水面大部分是平的，不会形成明显的曲面，不会产生附加压强，故管内外液面处于相同高度。但是，如果插入水中的是毛细圆管，则管内的液面便形成上凹的弯月面，对内部液体产生拉应力，管内的液面高出容器的液面，如图2.3左所示。毛细玻璃管插入水银中，管内水银面形成凹液面，对管内液体形成压应力，管内水银的液面会低于容器里面的液面，如图2.3左所示。图2.3 毛细现象2.2 附加压强 液体表面存在着是液体表面收缩的力，我们称之为液体表面张力，它与液体表面相切，是液体的一种特性。这种力使液体表面对其下液体产生压强，我们称之为附加压强。2.2.1 附加压强的产生 由于表面张力的作用，在弯曲表面下的液体或气体与在平面下的情况不同，前者受到附加压强。现在分析处于平衡状态下的各液面的受力情况。1. 平液面 在图2.4中液面是平的，则表面张力F也是水平的。在液体表面上取一小面积,由于液面水平表面张力沿水平方向，平衡时，其边界表面张力相互抵消，承受外界环境压力与平面下液体受到的总压力相等： (2-1)图2.4 平液面下的附加压强2.弯曲液面1)凹液面，如图2.5周界上表面张力的合力指向外部，好像被拉出，液面内部压力小于外部压力，凹液面下液体受到的总压力: (2-2)图2.5 凹液面下的附加压强2）凸液面时，如图2.6周界上表面张力沿切线方向，合力指向液面内，好像压紧在液体上，使液体受一附加压强，由力平衡条件，凸液面下液体受到的总压力： (2-3)图2.6 凸液面下的附加压强 总之，由于表面张力的作用，在弯曲表面下的液体与平面不同，在曲界面两侧有压力差，或者说表面层处的液体分子总是受到一种附加的指向凹面内部（球心）的附加压强。从而使凸液面对液体内部产生压应力，凸液面表面层处液体分子所受到的压力必大于外部压力;凹液面对液体内部产生拉应力，凹液面表面层处的液体分子所受到的压力将小于外部压力，即在曲率中心这一边的体相的压力总是比曲面另一边体相的压力大。 在一定温度下，对于同一种液体，由于液面曲率半径不同，附加压力不相同；对于不同的液体，在液体曲率半径一定的情况下，由于表面张力的不同，附加压力也不相同。2.2.2 附加压强与曲率半径的关系在表面张力的作用下，弯曲液面两边存在压力差，称为附加压力，附加压力的方向总是指向弯曲液面的曲率中心。曲面上某点的曲率，是与该点相切之圆的半径R的倒数。凸液面的曲率为正，凹液面的曲率为负，平液面的曲率为零。对规则的球体，球的半径为曲率半径。弯曲液面下附加压力与曲率半径及表面张力有一定的数量关系。图2.7中曲面是由相互垂直的平面截取的一个大曲面的一部分，其边长分别为x和y，主曲率半径分别为及，体积扩大dV时，液面扩大dA,面积元变为.相应地边长由x变为x+dx，边长由y变为y+dy扩张距离为dz，于是曲面表面积增量dA为：； .此过程的表面自由能增量，式中是表面张力系数，这个能量增量是由曲面上的压力差使表面外移所做体积功的补充，所以有：;； （2-4）由图2.7，由三角形相似得 （2-5） 图2.7 附加压强与曲率半径的关系将dx、dy的关系式（2-5）代入式（2-4），得 （2-6）式（2-6）是拉普拉斯公式。如果液滴不是圆的，而在液面上某点的主曲率半径为和，则该点之下的附加压强可由上面公式求得，拉普拉斯公式表达了任意弯曲液面下的附加压强。此式有几种常见的特殊情况：（1） 平面：，则，可知平面液面上不存在压力差。（2） 圆柱面，因为有：,所以有： = (2-7)其中是柱面的圆形底面半径。（3） 球面：，则 （2-8）其中凸液面中,凹液面中。拉普拉斯公式说明，由于液体表面张力的存在，弯曲液面对内相有附加压力，此附加压力的大小与液体表面张力和液面曲率有关：当液面为凹形时，弯曲液面曲率半径为负值，为负值，即液体内压小于外压；当液面为凸形时，弯曲液面半径为正值，为正值，即液体内压大于外压。弯曲液面的内外压差存在使得体相的一些性质随液滴大小和曲面形状而变化。3.影响渗透剂渗入缺陷深度的因素3.1 渗透剂渗透剂是一种含有荧光染料或着色染料并且具有极强渗透能力的溶液。渗透检测是由显像剂渗入到表面开口缺陷的渗透剂吸附出来，从而显示缺陷的痕迹。渗透剂是渗透检测中最关键的材料。渗透剂按所含染料成分分类，可分为荧光渗透剂和着色渗透剂与荧光着色渗透剂三大类。按多余渗透剂的去除方法分类，可将渗透剂分为水洗型渗透剂、后乳化型渗透剂和溶剂去除型渗透剂三种。各类型渗透剂由能清晰显现缺陷标志的着色剂和溶解着色剂并使其充分渗入缺陷内部的溶剂构成。水洗型渗透剂除上述基本成分外，还含有表面活性剂（乳化剂），清洗时通过自乳化促进水洗。3.1.1 渗透剂的构成渗透剂的成分如表3-1所示。表3-1 渗透剂的构成渗透剂种类荧光染料着色染料溶剂表面活性剂荧光渗透剂水洗型后乳化型溶剂去除型着色渗透剂水洗型后乳化型溶剂去除型：根据需要有时使用代用溶剂3.1.2 渗透剂的渗透能力 宏观上由于液体表面存在表面张力，都有自发收缩的趋势。表面张力是液体表面物理性质的表征量，它的大小取决于表面张力系数,这是影响渗透剂渗透能力的因素之一。当液体与固体接触时，会形成极薄的一层附着层。由于附着层的分子既要受到液体内部分子的吸引力，又要受到固体内部分子的吸引力，所以它的物理性质不同于单一的单相液体或者固体。当附着层中分子相互作用表现为排斥力时，附着层会有扩散的趋势，液体就能浸润固体的表面。用接触角表示固体、液体两相接触界面的物理性质，接触角也是影响渗透能力的因素之一。渗透检测中常用静态渗透参数（）来表征渗透剂的渗透能力。静态渗透参数（）用下式表示： （3-1）3.2 缺陷类型及位置、大气压强等 缺陷渗透原理是利用毛细原理。毛细管直径越细，毛细现象越明显；环境的大气压强也会影响渗透剂在缺陷中的渗透深度的深浅；工件实际的缺陷类型和形状（如分层、裂纹、发纹、缩孔等）与理想毛细管形状区别较大；渗透时缺陷的空间位置（如开口上下、水平、铅直、倾斜等）都会影响渗透剂渗入缺陷的深度。3.3 工件表面污染程度 如淬火件被淬火介质填塞、在役工件疲劳裂纹内被油污填塞、晶间腐蚀裂纹被腐蚀物填塞等都会影响渗透剂在缺陷中的渗透深度。4.渗透剂在典型缺陷中的渗透高度4.1 浸润液体在毛细玻璃管中的高度毛细玻璃管刚插入水中时，由于水能浸润毛细玻璃管，接触角小于，这时毛细玻璃管内的液体显现凹液面，如图4.1所示，,、为等高点，但是,所以液体不会静止，管内液面将上升，直至为止，此时：；，其中.式中 -渗透高度 -液体表面张力系数 -液体同管壁的接触角 -液体密度 -重力加速度 -毛细玻璃管内径 图4.1 浸润液体在毛细玻璃管中的高度4.2 几种典型缺陷中渗透剂的高度实际渗透检测中所遇工件表面开口缺陷是多种多样的。分为贯穿型和非贯穿型；根据形状不同，又可分为条状和孔状等；根据缺陷位置的不同，缺陷随机分布在被检工件的侧面、下方和上方。下面针对实际渗透检测中对缺陷位置的九种分类对渗透剂在实际缺陷中的渗透的高度（深度）进行理论分析并得出计算公式。4.2.1贯穿型缺陷中渗透剂的渗透高度(1)竖向贯穿型缺陷中渗透剂由下方向上渗透的情况图4.2 竖向贯穿型缺陷中渗透剂由下方向上渗透 如图4.2在竖向贯穿型缺陷工件的下方喷涂渗透剂或是把竖向贯穿型缺陷工件的下方的局部浸入渗透剂内，其渗透原理与普通浸润液体在毛细管中渗透的毛细现象相似。此时，渗透剂在竖向贯穿型缺陷中由下向上渗透的高度可以由下等式表示： （4-1）式中 -渗透高度 -渗透剂表面张力系数 -液面同缺陷壁的接触角 -渗透剂密度 -重力加速度 -孔状缺陷半径（2） 竖向贯穿型缺陷中渗透剂由上方向下渗透的情况图4.3 竖向贯穿型缺陷中渗透剂由上方向下渗透如图4.3在竖向贯穿型缺陷的工件的上方喷涂渗透剂，竖向贯穿型缺陷中渗透剂的液面受到表面张力和重力的双重作用。在窄而小的缺陷中，渗透剂液面的表面张力作用大于重力作用，渗透剂液面呈凹液面，点处压强低于点压强，随着缺陷宽度和截面面积的增加，重力的作用也逐渐增加，直到大于表面张力的作用，此时渗透剂液面会逐渐呈现出凸液面。但是不管那个力的作用大，缺陷中渗透剂液面都受到一个向下的合力，而无法维持平衡。渗透剂液面不断渗透，直到从下方的开口流出。（3）横向贯穿型缺陷中渗透剂渗透的情形图4.4 横向贯穿型缺陷中渗透剂渗透 如图4.4在横向贯穿型缺陷的工件中如果在工件的侧面喷涂渗透剂，横向贯穿型缺陷中渗透剂液面因为浸润工件而形成凹液面，点处压强小于点处压强。这时渗透剂液面在表面张力的作用下产生附加压强，在附加压强的作用下，依然无法维持平衡，从工件的一侧渗透到另一侧。4.2.2非贯穿型缺陷中渗透剂的渗透高度 非贯穿型缺陷的渗透检测情况比较多，即使是无阻塞、无污染的裂纹、孔穴，由于是开口型缺陷，缺陷中的空气存在就是一个大问题。渗透时，封闭在非贯穿型缺陷内的空气会受到渗透剂的压力，封闭空气的体积逐渐减小，自身压强逐渐增大，会阻碍渗透的速度。本文主要选取处于不同位置的规则的钻孔和开槽，在不考虑分子间互相分散的情况下理论分析了渗透剂在各类缺陷中的渗透高度（深度）。（1）工件非贯穿型缺陷钻孔朝上的情况图4.5 工件非贯穿型缺陷钻孔朝上 如图4.5所示，渗透剂渗透时，当渗透剂封闭钻孔时，在渗透剂的压力下，钻孔内空气的体积由变成，高度由变成，一旦压力平衡之后，钻孔中渗透剂的液面呈现凹液面，这时钻孔中的大气压强为，渗透剂凹液面处压强为。 可以得出下式成立： (4-2)根据理想气体状态方程，我们把钻孔中的空气当作理想气体，并且假设在渗透剂渗透的过程中环境温度保持不变，可以得出下式成立： (4-3)联立（4-2）、（4-3）得方程组：式中, 由（4-3）得代入（4-2）得： （4-4）(2)工件非贯穿型缺陷上方开槽的情况图4.6 工件非贯穿型缺陷上方开槽如图4.6所示，根据（1）中情况的分析，可得下列方程组：其中式中: -矩形渗透剂液面的附加压强-槽的长度-槽的宽度-大气压强由方程组可得： （4-5）（3）工件非贯穿型缺陷侧面钻孔的情况 图4.7 工件非贯穿型缺陷侧面钻孔 如图4.7所示，在这一种情况中，渗透剂的重力也可以忽略不计。渗透剂液面受到表面张力的作用向钻孔中渗透，渗透剂液面呈现凹液面。因为钻孔内空气被压缩，钻孔内压强增大，渗透剂渗透速度减慢，渗透剂液面处逐渐处于平衡状态。这是渗透剂液面点处压强为:同时有 所以可以得到下列方程组：由方程组可得： （4-6）（4）工件非贯穿型缺陷侧面开槽的情况图4.8 工件非贯穿型缺陷侧面开槽如图4.8所示，根据（3）中情况分析可得下列方程组： 由方程组可得： (4-7)(5) 工件非贯穿型缺陷底面钻孔的情况图4.9 工件非贯穿型缺陷底面钻孔如图4.9所示，在对工件非贯穿型底面的钻孔进行渗透时，渗透剂在表面张力的作用下，渗透剂的液面是凹液面。渗透剂的附加压强使钻孔内的空气压缩。液面逐渐上升，钻孔内液面高度为。随着钻孔中空气压强的逐渐增大，渗透剂的渗透速度逐渐减慢，直到平衡为止，于是可以得到下列方程组：由方程组可得： （4-8）（6） 工件非贯穿型缺陷底面开槽的情况图4.10 工件非贯穿型缺陷底面开槽如图4.10所示，根据（5）中的分析可得下列方程组： 由方程组可得： (4-9)4.3 渗透剂在与水平面有一定夹角的缺陷中的渗透高度 根据对以上九种典型缺陷的分析，为了便于对实验过程的分析，下面理论研究具有一定倾斜角的孔状缺陷中渗透剂的渗入高度。4.3.1 具有一定倾斜角的贯穿型孔状缺陷中渗透剂的渗入高度图4.11 具有一定倾斜角的贯穿型孔状缺陷如图4.11，渗透剂渗入具有一定倾斜角的贯穿型孔状缺陷，图中、处压强分别为和。由渗透平衡时所具有的压强方程可得： 其中 （4-10） 式中 -渗透高度 -渗透剂表面张力系数 -液面同缺陷壁的接触角 -渗透剂密度 -重力加速度 -孔状缺陷半径 -孔状缺陷倾斜角4.3.2 具有一定倾斜角的非贯穿型孔状缺陷中渗透剂的渗入高度图4.12 具有一定倾斜角的非贯穿型孔状缺陷如图4.12，当在工件底部进行渗透的时候，渗透液在表面张力的作用下，渗透液表面形成凹面，在附加压强的作用下，使得缺陷内的空气得到压缩。随着持续渗透的进行，缺陷内的缺陷持续被压缩，压强不断的增加，渗透的速率减慢，直到最后的停下来，达到平衡状态。这时缺陷内的空气的压强为，凹面出的压强为：则下式成立：假设缺陷的气体为理想气体，而且假设在渗透液渗入缺陷的过程中，温度保持不变，则：其中： 联立方程组可解得： （4-11）式中 -渗透高度 -渗透剂表面张力系数 -液面同缺陷壁的接触角 -渗透剂密度 -重力加速度 -孔状缺陷半径 -孔状缺陷倾斜角 -缺陷内剩余高度 5.实验研究通过上述的理论分析可以知道在理想情况下影响渗透检测缺陷内渗透剂渗透高度的因素，下面选取将特殊类型的贯穿型和非贯穿型钻孔缺陷近似为贯穿型和非贯穿型毛细玻璃管来利用毛细现象进行对不同类型的渗透剂在毛细玻璃管中的爬高实验。根据实验来分析实际情况中渗透检测的缺陷类型对渗透深度的影响。在这一实验中，我们选取了ZL-60D、ZL-67两种荧光渗透剂和HP-ST着色渗透剂，选取内径分别为0.3mm、0.6mm、0.9mm的毛细玻璃管，并分别通过热熔胶对毛细玻璃管封口与不封口将毛细玻璃管分为非贯穿型和贯穿型毛细玻璃管，将毛细玻璃管倾斜成不同角度（30、45、60、75、90）观察毛细玻璃管中的爬高，并用游标卡尺测量其爬高。图5.1 荧光渗透剂ZL-67图5.2 三种不同内径的毛细玻璃管5.1 不同类型的渗透剂在不同类型毛细玻璃管中的爬高5.1.1荧光渗透剂ZL-60D在不同类型毛细玻璃管中的爬高我们将未封口的内径分别为0.3mm、0.6mm、0.9mm的毛细玻璃管置于荧光渗透剂ZL-60D中，并倾斜以30、45、60、75、90的角度，等待一段时间使毛细现象达到平衡状态，观察在各毛细玻璃管中渗透剂的爬高，并用游标卡尺测量，将实验数据记录于表5.1中。表5.1 贯穿型毛细玻璃管中荧光渗透剂ZL-60D中的爬高/mm 倾斜角 /内径/mm30456075900.364.8050.6043.1037.0033.400.647.2636.6833.2630.4026.620.923.8618.0016.8815.1813.28 我们将用热熔胶封口的内径分别为0.3mm、0.6mm、0.9mm的毛细玻璃管置于荧光渗透剂ZL-60D中，并倾斜以30、45、60、75、90的角度，等待一段时间使毛细现象达到平衡状态，观察在各毛细玻璃管中渗透剂的爬高，并用游标卡尺测量，将实验数据记录于表5.2中。表5.2 非贯穿型毛细玻璃管中荧光渗透剂ZL-60D的爬高/mm 倾斜角 /内径/mm30456075900.310.508.246.183.322.240.69.127.104.622.841.300.98.206.885.121.760.825.1.2荧光渗透剂ZL-67在不同类型毛细玻璃管中的爬高我们将未封口的内径分别为0.3mm、0.6mm、0.9mm的毛细玻璃管置于荧光渗透剂ZL-67中，并倾斜以30、45、60、75、90的角度，等待一段时间使毛细现象达到平衡状态，观察在各毛细玻璃管中渗透剂的爬高，并用游标卡尺测量，将实验数据记录于表5.3中。表5.3贯穿型毛细玻璃管中荧光渗透剂ZL-67的爬高/mm 倾斜角 /内径/mm30456075900.366.5050.4041.1240.6239.600.656.4837.2835.2033.2032.000.924.0017.4016.6016.4816.30 我们将用热熔胶封口的内径分别为0.3mm、0.6mm、0.9mm的毛细玻璃管置于荧光渗透剂ZL-67中，并倾斜以30、45、60、75、90的角度，等待一段时间使毛细现象达到平衡状态，观察在各毛细玻璃管中渗透剂的爬高，并用游标卡尺测量，将实验数据记录于表5.4中。表5.4非贯穿型毛细玻璃管中荧光渗透剂ZL-67的爬高/mm 倾斜角 /内径/mm30456075900.39.007.423.201.0000.68.126.102.84000.96.104.241.24005.1.3着色渗透剂HP-ST在不同类型毛细玻璃管中的爬高我们将未封口的内径分别为0.3mm、0.6mm、0.9mm的毛细玻璃管置于着色渗透剂HP-ST中，并倾斜以30、45、60、75、90的角度，等待一段时间使毛细现象达到平衡状态，观察在各毛细玻璃管中渗透剂的爬高，并用游标卡尺测量，将实验数据记录于表5.5中。表5.5贯穿型毛细玻璃管中着色渗透剂HP-ST的爬高/mm 倾斜角 /内径/mm30456075900.381.4043.6042.4039.0036.340.657.4235.0030.5829.1228.50