Методы контроля проникающими веществами. Модуль 2. Капиллярная дефектоскопия. Курс лекций

Б.Г. Маслов, А.Л. Ремизов, А.А. Дерябин

Методы контроля 
проникающими веществами

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

Модуль 2 
Капиллярная дефектоскопия

Курс лекций

Учебное пособие

2-е издание

УДК 681.2
ББК 34.9
 
М31

ISBN 978-5-7038-5192-0

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019

Издание доступно в электронном виде по адресу
ebooks.bmstu.press/catalog/46/book2036.html

Факультет «Машиностроительные технологии» 
Кафедра «Технологии сварки и диагностики»

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Рецензенты:
канд. техн. наук М.Е. Комов
канд. техн. наук доцент Ю.Ю. Инфимовский

Маслов, Б. Г.
Методы контроля проникающими веществами. Модуль 2. Капиллярная 
дефектоскопия. Курс лекций : учебное пособие / Б. Г. Маслов, 

ISBN 978-5-7038-5192-0

Издание содержит материалы лекций по курсу «Методы контроля проникающими 
веществами». Представлены сведения о физических основах капиллярных 
методов контроля. Подробно рассмотрены физические основы методов капиллярной 
дефектоскопии, оборудование и технология капиллярной дефектоскопии. 
В приложении даны варианты типовых заданий для проведения промежуточной 
аттестации студентов.

УДК 681.2
ББК 34.9

М31

Для студентов кафедры «Технологии сварки и диагностики» МГТУ 
им. Н.Э. Баумана.

А. Л. Ремизов, А. А. Дерябин. — 2-е изд. — Москва : Издательство МГТУ 
им. Н.Э. Баумана, 2019.— 49, [3] с. : ил.

Предисловие

Капиллярные методы контроля нашли широкое применение в машиностроении. 
Разнообразие методов капиллярной дефектоскопии позволяет 
использовать их для различных объектов (от трубопроводов до лопаток 
авиа ционных двигателей).
Большая работа по развитию технологий контроля проникающими веществами 
была проведена как отечественными, так и иностранными учеными: 
В.М. Карташовым, Н.Г. Березкиной, И.О. Лейпунским, М.Н. Ларичевым, 
А.Н. Горбачевым, А.С. Боровиковым, П.П. Прохоренко, Н.В. Дежкуно-
вым, К.С. Касаевым, Л.И. Будариным, П.П. Прохоренко, Н.П. Мигуном, 
А.М. Секериным, G.W. Lopez (Northeastern University, USA) и многими другими.

Заметный вклад в развитие капиллярных методов внесли отечественные 
ученые. Так, в ходе совместных с НПО «Молния» работ по созданию методов 
неразрушающего контроля конструкционных и теплозащитных элементов 
ВКС «Буран» в ИНЭПХФ РАН были разработаны новейшие методы контроля 
проникающими веществами, не оставляющие следов дефектоскопических 
материалов на поверхности деталей после контроля. Отличительная 
черта этих методов — регистрация выходящих из дефектов диффузионных 
потоков индикаторного газа (аммиака или углекислого газа) специально 
разработанными индикаторными бумагами.
Несмотря на кажущуюся простоту капиллярного контроля, в основе 
каж дой схемы заложены сложные физические явления.
Цель учебного пособия — изучение физических основ и основных схем 
капиллярной дефектоскопии. В результате студенты смогут самостоятельно 
разрабатывать схемы и рассчитывать режимы контроля.
Материал, представленный в учебном пособии, входит в Модуль 2 курса 
«Методы контроля проникающими веществами». В результате освоения материалов 
модуля студенты будут уметь определять характеристики смачивания, 
поверхностного натяжения, вязкости жидкостей и газов, капиллярного 
давления в несплошностях при испытаниях жидкостями, параметры капиллярных 
методов контроля и способы оценки чувствительности методов контроля 
и течеискания.
Все вышеуказанное позволит слушателям:
• овладеть основами расчета и проектирования элементов и устройств 
различных физических принципов действия;
• участвовать в работах по доводке и освоению технологических процессов, 
технологических машин и комплексов в ходе подготовки производства 
новой продукции, проверять качество монтажа и наладки при испы-

таниях и сдаче в эксплуатацию новых образцов изделий, узлов и деталей 
выпускаемой продукции;
• применять стандартные методы расчета деталей и узлов изделий 
машиностроения, используемых в конструкциях технологических машин 
и комплексов;
• подготавливать технические задания на разработку проектных решений, 
разрабатывать эскизные, технические и рабочие проекты технологических 
машин, технологической оснастки, специального оборудования, 
средств механизации и автоматизации с использованием средств 
автоматизации проектирования и передового опыта разработки конкурентоспособных 
изделий, участвовать в рассмотрении различной технической 
документации, подготавливать необходимые обзоры, отзывы, 
заключения;
• разрабатывать рабочую проектную и техническую документацию, 
оформлять законченные проектно-конструкторские работы с проверкой 
соответствия разрабатываемых проектов и технической документации стандартам, 
техническим условиям и другим нормативным документам, проводить 
патентные исследования с целью обеспечения патентной чистоты 
новых проектных решений и их патентоспособности с определением показателей 
технического уровня проектируемых изделий.
Контроль качества усвоения знаний осуществляется посредством письменной 
контрольной работы. Максимальное число баллов за контрольную 
работу — 40, минимальное — 25. Примеры билетов представлены в приложении.

Письменные работы оцениваются с помощью тестов по материалам 
лекций (тесты на освоение модулей):
40–35 баллов — теоретическое содержание модуля освоено полностью, 
без пробелов, необходимые практические навыки работы с освоенным материалом 
сформированы;
34–29 баллов — теоретическое содержание модуля освоено полностью, 
без пробелов, некоторые практические навыки работы с освоенным материалом 
сформированы недостаточно, некоторые виды заданий выполнены 
с ошибками;
28–25 баллов — теоретическое содержание модуля освоено частично, 
но пробелы не носят существенного характера, необходимые практические 
навыки работы с освоенным материалом в основном сформированы, некоторые 
из выполненных заданий содержат ошибки;
24 балла и менее — теоретическое содержание модуля не освоено, 
не обходимые практические навыки работы не сформированы, дополнительная 
самостоятельная работа над материалом дисциплины не приведет 
к какому-либо значимому повышению качества выполнения учебных заданий.
Для более качественного усвоения материала студентам рекомендуется 
проводить самостоятельную работу согласно следующему алгоритму:
• перед лекционным занятием предварительно прочитать содержание 
учебного пособия, выделив материал, который вызывает вопросы;

• во время лекционного занятия задать вопросы по выделенным материалам (
темам), которые вызвали непонимание или требуют дополнительной 
информации;
• после лекционного занятия ответить на контрольные вопросы, которые 
прилагаются в конце каждой лекции; при необходимости воспользоваться 
литературой, указанной в учебном пособии;
• если требуется дополнительная информация (для выполнения курсового 
проекта или расширения кругозора), задать вопрос преподавателю 
на следующей лекции;
• обязательно следует выучить определения и запомнить основные тезисы 
лекций.
Для подготовки к письменным контрольным работам необходимо в обязательном 
порядке уверенно уметь отвечать на контрольные вопросы.
Перед освоением данного курса лекций рекомендуется повторить материал 
по ультразвуковым методам неразрушающего контроля, изложенный 
в курсе лекций «Контроль качества сварных соединений», который читается 
в седьмом семестре. Для более полного усвоения рекомендуется использовать 
материалы, изложенные в учебной литературе [1–10], и пользоваться 
информацией из интернет-источников [11–14].

Основные термины и определения

Верхний предел чувствительности — максимальная величина раскрытия 

несплошности (трещины), ограничивающей ее выявляемость в результате 
интенсивного вымывания пенетранта из устья дефекта при очистке от пе-
нетранта.
Герметичность — свойство конструкции или материала препятствовать 
проникновению через них газа, жидкости или пара.
Индикаторное (пробное) вещество — жидкость или газ, предназначенные 

для проникновения через течи в конструкциях при их испытаниях.

Контроль герметичности — вид неразрушающего контроля, состоящий 

в измерении или оценке суммарного потока проникающего вещества через 
течи для сравнения с допускаемым по техническим условиям значением.

Люминофоры — вещества, способность которых светиться под воздействием 
внешних факторов используется для практических целей.
Нижний предел чувствительности — минимальная величина раскрытия 

трещины, ограничивающей ее выявляемость вследствие потери пенетрантом 
индикаторной способности, обусловленной малым количеством пенетран-
та, попавшего в полость дефекта (при данной толщине слоя проявителя).

Очищающая жидкость — жидкость для удаления пенетрантов с поверх-

ности изделий в процессе контроля.

Пенетрант — раствор или суспензия красителя или люминофора в смеси 

органических растворителей, керосина, масел с добавками поверхностно-активных 
веществ (ПАВ), снижающих поверхностное натяжение находящейся 
в полостях дефектов воды и улучшающих проникновение пенетрантов в полости.

Пороговая чувствительность течеискателя — наименьший поток или кон-

центрация пробного вещества, которые могут быть обнаружены и измерены 
данным прибором. Настройку течеискателей на требуемый уровень чувствительности 
выполняют по контрольным течам, с помощью которых получают 
заданный постоянный во времени поток индикаторного вещества.

Проявители — вещества, способные извлекать пенетранты из полостей 

дефектов для образовывания индикаторных рисунков и создания на поверхности 
изделий фона, облегчающего рассмотрение этих рисунков.
Рабочее вещество — жидкость или газ, которым заполняют конструкцию 

в процессе эксплуатации.

Степень герметичности — количественная характеристика герметично-

сти, выраженная в единицах потока проникающего вещества.

Течеискание — вид неразрушающего контроля, состоящий в обнаруже-

нии и измерении отдельных (единичных) течей путем регистрации потока 
индикаторного вещества через течь.
Чувствительность течеискания — наименьший поток пробного вещества, 

который может быть обнаружен при течеискании.

Лекция № 1

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КАПИЛЛЯРНОЙ 
ДЕФЕКТОСКОПИИ1

1.1. Поверхностная энергия

Наиболее характерным свойством жидкого состояния является наличие 

резкой границы, разделяющей жидкость и ее пар. Поверхностный слой жидкости, 
представляющий переход от жидкости к ее пару, отличается особыми 
свойствами, облегчающими изучение сил молекулярного сцепления в жидкости.

Сравним состояние молекулы жидкости, находящейся вблизи границы 

жидкости и газа, с состоянием молекулы, находящейся вдали от этой границы, 
внутри жидкости (рис. 1.1). Молекула внутри жидкости окружена другими 
молекулами со всех сторон (А). Молекулу же, находящуюся на границе 
с газом, молекулы жидкости окружают только с одной стороны (В), со стороны 
газа молекул почти нет. Притяжение, испытываемое молекулой со стороны 
соседних, в случае «внутренних» молекул взаимно уравновешивается; 
для молекул, расположенных у поверхности, сложение всех сил дает равнодействующую, 
направленную внутрь жидкости. Поэтому для того чтобы перевести 
молекулу из внутренних слоев к поверхности, требуется совершить 
работу против указанной равнодействующей 
силы. Иначе говоря, каждая молекула, находящаяся 
вблизи поверхности жидкости, обладает 
некоторым избытком потенциальной 
энергии по сравнению с молекулами, находящимися 
внутри жидкости. Чем больше 
площадь поверхности жидкости, тем большее 
число молекул обладает этой избыточной 
потенциальной энергией. Следовательно, 
при увеличении площади поверхности 
данной массы жидкости (например, при 
раздроблении воды в мелкую водяную пыль) 
энергия жидкости увеличивается. Это один 
из случаев изменения внутренней энергии 
тел. В этом случае внутренняя энергия тела 

1 Материал лекции изложен на основе учебника [10].

Рис. 1.1. Различное поведение 

молекул в жидкости:

молекула А окружена со всех сторон 
другими молекулами и притягивается 
ими по всем возможным направлениям; 
молекула В притягивается другими 
молекулами внутрь жидкости

пропорциональна размерам поверхности, поэтому ее называют поверхностной 
энергией.

Вследствие стремления молекул уйти внутрь жидкости с ее поверхности 

жидкость принимает такую форму, при которой ее свободная поверхность 
имеет наименьшее возможное значение.

1.2. Поверхностное натяжение

Известно, что поверхностный слой жидкости обладает дополнительной 

энергией. Эту энергию, приходящуюся на единицу поверхности жидкости, 
называют поверхностным натяжением и обычно обозначают буквой σ. Сказанное 
означает, что для увеличения поверхности жидкости на S единиц без 
каких-либо других изменений состояния жидкости (в частности, без изменения 
ее температуры) необходимо совершить работу, равную σS.

Возьмем плоскую проволочную рамку, одна из сторон которой, представляющая 
собой перемычку длиной l, может перемещаться, оставаясь 
параллельной самой себе (рис. 1.2). Окунем рамку в раствор мыла 

в воде. В результате она окажется затянутой тонкой 
пленкой жидкости, ограниченной с обеих 
сторон поверхностным слоем. Вследствие стремления 
поверхностных слоев сократиться пленка 
будет перемещать перемычку. Чтобы предотвратить 
перемещение перемычки, к ней нужно приложить 
силу, которая уравновесит силу F', действующую 
на перемычку со стороны пленки. Увеличивая 
силу F на ничтожно малую величину, переместим 
очень медленно перемычку в направлении силы F 
на расстояние b. При этом сила F совершит работу, 
равную Fb. В результате совершения этой работы 
поверхностный слой жидкости увеличится на 2lb 
(поверхностный слой имеется с обеих сторон 
пленки), что приведет к приращению поверхностной 
энергии на 2lbσ.
Приравняв приращение поверхностной энергии работе, совершенной 
силой Р, получим соотношение 2lbσ = Fb, откуда

F = 2lσ.

Полученное выражение означает, что поверхностный слой, стремясь 

сократиться, действует на единицу длины своей границы с силой, равной 
σ. Это позволяет дать другое определение поверхностного натяжения как 
силы, действующей со стороны поверхностного слоя на единицу длины 
контура, ограничивающего этот слой. Поверхностное натяжение в СИ выражается 
в ньютонах на метр (Н/м). Значения поверхностного натяжения 
различных веществ представлены в табл. 1.1.

Рис. 1.2. Рамка, затянутая 
мыльной пленкой

Таблица 1.1

Поверхностное натяжение различных жидкостей

Жидкость
Температура, °C
Поверхностное 
натяжение, Н/м

Вода (чистая)
20
0,07250

Жидкий водород
–253
0,00210

Жидкий гелий
–269
0,00012

Золото (расплавленное)
1300
1,10200

Раствор мыла в воде
20
0,04000

Ртуть
20
0,47000

Спирт
20
0,02200

Эфир
25
0,01700

Обратим внимание на то, что у легко испаряющихся жидкостей 

(эфира, спирта) поверхностное натяжение, а следовательно, и молекулярные 
силы меньше, чем у жидкостей нелетучих (например, у ртути). 
Очень мало поверхностное натяжение у жидкого водорода и особенно 
у жидкого гелия. У жидких металлов поверхностное натяжение, на- 
оборот, очень велико. Различие в поверхностном натяжении жидкостей объясняется 
различием в силах сцепления их молекул.

Измерения показывают, что поверхностное натяжение жидкостей зави-

сит только от природы жидкости и от ее температуры. Оно никак не зависит 
от того, велика поверхность жидкости или мала, подвергалась эта поверхность 
предварительно растягиванию или нет. Другими словами, работа 
по вытягиванию каждой новой молекулы на поверхность никак не зависит 
от того, каковы размеры этой поверхности. Это показывает, что поверхностный 
слой жидкости нельзя уподоблять тонкой упругой пленке, например 
резиновой пленке. При растягивании резиновой пленки по мере увеличения 
ее поверхности растягивающая сила становится все больше и больше, 
и, следовательно, работа, затрачиваемая на увеличение этой поверхности на 
единицу площади, тоже увеличивается. При увеличении поверхности жидкости 
ничего подобного не наблюдается.

1.3. Смачивание и несмачивание

В случае соприкосновения с твердым телом силы сцепления молекул 

жидкости с молекулами твердого тела начинают играть существенную роль. 
Поведение жидкости будет зависеть от того, что больше: сцепление между 
молекулами жидкости или сцепление молекул жидкости с молекулами твердого 
тела. В случае ртути и стекла силы сцепления между молекулами ртути 
и стекла малы по сравнению с силами сцепления между молекулами ртути, 
и ртуть собирается в каплю. В случае воды и стекла (или ртути и цинка) 

силы сцепления между молекулами жидкости и твердого тела превосходят 
силы сцепления, действующие между молекулами жидкости, и жидкость 
растекается по твердому телу.

Почему же одно и то же твердое вещество в одних случаях смачивается 

жидкостью, а в других не смачивается?

Объяснение в следующем. Молекулы многих веществ довольно сложны; 

благодаря этому различные части такой молекулы могут обнаруживать различные 
силы сцепления при взаимодействии с другими молекулами. Если 
каким-либо образом расположить подобные молекулы так, что в одну сторону 
будут обращены концы, сильно взаимодействующие с водой, а в другую — 
слабо взаимодействующие, то получится пластинка, одна поверхность 
которой будет смачиваться водой, а другая — нет. Парафин на горячей воде 
плавится, и молекулы жидкого парафина поворачиваются, притягиваясь 
своими сильно взаимодействующими с водой концами к поверхности воды. 
В таком положении они и застывают, когда вода охлаждается, и в результате 
получается та двусторонняя пластинка, свойства которой мы обнаружили 
в описанном опыте.

Наиболее сильно влияние определенного расположения молекул в по-

верхностном слое у маслянистых веществ, обладающих смазочным действием. 
На основании химических исследований этим молекулам приписывают 
удлиненную форму, причем на одном ее конце находится группа атомов 
СООН (так называемая карбоксильная группа). Эта группа и обусловливает 
сцепление молекул маслянистых веществ с поверхностями твердых тел (активные 
концы). Другие концы тех же молекул дают очень малые силы сцепления (
инертные концы).
Такое представление дает возможность объяснить 
смазочное действие очень тонких слоев масел. 
Слой смазки между двумя твердыми (например, 
металлическими) поверхностями разделяется 
на слои, обращенные друг к другу попеременно 
активными и инертными концами, как показано 
на рис. 1.3. К твердым телам примыкает слой молекул, 
прикрепившихся к нему своими активными 
концами. Эти молекулы располагаются подобно 
щетине на щетке. При движении происходит 
скольжение между инертными концами молекул 
смачивающего вещества.

При этом скольжении не получается больших 

сил, ему препятствующих, так как силы сцепления 
у этих концов молекул малы. Поэтому и трение 
получается весьма малым.

Отметим, что у жидкостей, не обладающих 

смазочным действием в тонких слоях, молекулярная 
картина течения жидкости вблизи твердого 
тела имеет иной характер.

Рис. 
1.3. 
Расположение 
молекул масляной 
смазки вблизи твердого 
тела А (активные концы 
молекул обозначены черным, 
инертные — белым; 
скольжение происходит 
в местах В и D, в месте С 
скольжения нет)