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磁粉检测物理基础,广东省产品质量监督检验中心 陈玉宝,1 磁粉探伤基础知识 1.1 磁粉探伤与磁性检测（分类方法） 漏磁场探伤：是利用铁磁性材料或工件磁化后，在表面和近表面 如有不连续性（材料的均质状态即致密性受到破坏）存在，则在不 连续性处磁力线离开工件和进入工件表面发生局部畸变产生磁极， 并形成可检测的漏磁场进行探伤的方法。漏磁场探伤包括磁粉探伤 和利用检测元件探测漏磁场。其区别在于，磁粉探伤是利用铁磁性 粉末磁粉，作为磁场的传感器，即利用漏磁场吸附施加在不连续 性处的磁粉聚集形成磁痕，从而显示出不连续性的位置、形状和大 小。利用检测元件探测漏磁场的磁场传感器有磁带、霍尔元件、磁 敏二极管和感应线圈等。 利用检测元件检测漏磁场：录磁探伤法、感应线圈探伤法、霍 尔元件检测法、磁敏二极管探测法。,1.2 磁粉探伤 Magnetic Particle Testing，简称 MT 基本原理是：,铁磁性材料和工件被磁化后，由于 不连续性的存在，使工件表面和近表 面的磁力线发生局部畸变而产生漏磁 场，吸附施加在工件表面的磁粉，形 成在合适光照下目视可见的磁痕，从 而显示出不连续性的位置、形状和大 小。如图11所示。 1.3 磁粉探伤的适用性和局限性 适用性： 磁粉探伤适用于检测铁磁性材料表面和近表面尺寸很小、间隙极窄（如可检测出长0.1mm、宽为微米级的裂纹），目视难以看出的不连续性。,磁粉检测可对原材料、半成品、成品工件和在役的零部件检测探伤，还可对板材、型材、管材、棒材、焊接件、铸钢件及锻钢件进行检测。 马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢具有磁性，可进行MT。 MT可发现裂纹、夹杂、发纹、白点、折叠、冷隔和疏松等缺陷。,局限性： MT不能检测奥氏体不锈钢材料和用奥氏体不锈钢焊条焊接的焊缝，也不能检测铜、铝、镁、钛等非磁性材料。对于表面浅的划伤、埋藏较深的孔洞和与工件表面夹角小于20的分层和折叠难以发现。 1.4 磁粉探伤方法与其他表面探伤方法的比较 P.5 表 1-1 1.5 磁粉探伤中使用的单位、SI单位与CGS制的换算关系 磁场强度H A/m Oe 磁通量 Wb Mx 磁感应强度 B T Gs,2 磁粉探伤的物理基础,2.1 磁粉探伤中的相关物理量 2.1.1 磁的基本现象 磁性、磁体、磁极、磁化 磁性：磁铁能够吸引铁磁性材料的性质叫磁性。 磁体：凡能够吸引其他铁磁性材料的物体叫磁体。 磁极：靠近磁铁两端磁性特别强吸附磁粉特别多的区域称为磁极。 每一小块磁体总有两个磁极。 磁化：使原来没有磁性的物体得到磁性的过程叫磁化。 2.1.2 磁场：具有磁性作用的空间 磁场的特征、显示和磁力线 磁场的特征：是对运动的电荷（或电流）具有作用力，在磁场变化 的同时也产生电场。 磁场的显示：磁场的大小、方向和分布情况，可以利用磁力线来表 示。,2.1.3磁力线,磁力线在每点的切线方向代表磁场的方向，磁力线 的疏密程度反映磁场的大小。 磁力线具有以下特性： 磁力线在磁体外，是由N极出发穿过空气进入S极，在磁体内是由S极到N极的闭合线； 磁力线互不相交； 同性磁极相斥，因同性磁极间间磁力线有互相排挤的倾向； 异性磁极相吸，因异性磁极间磁力线有缩短长度的倾向。,2.1.4 磁场强度、磁通量与磁感应强度 磁场强度： 磁场具有大小和方向，磁场大小和方向的总称叫磁场 强度H，通常也把单位正磁极所受的力称为磁场强度。 单位为A/m（SI）和Oe（CGS）。,磁通量：简称磁通，它是磁场中垂直穿过某一截面的磁力线的条 数，用符号表示。单位为Wb（SI）和Mx（CGS）。 磁感应强度：将原来不具有磁性的铁磁性材料放入外加磁场内，便得到磁化，它除了原来的外加磁场外，在磁化状态下铁磁性材料本身还产生一个感应磁场，这两个磁场叠加起来的总磁场，称为磁感应强度B。 单位是T （SI）和Gs （CGS）。磁感应强度是矢量，有大小和方向，可用磁感应线来表示，磁感应强度的大小等于穿过与磁感应线垂直的单位面积上的磁通量，所以磁感应强度又称为磁通密度。 磁感应强度不仅有外加磁场有关，还与被磁化的铁磁性材料的性 质有关，BH。,2.2磁介质 2.2.1 磁介质分类 能影响磁场的物质称为磁介质。各种宏观物质 都是磁介质。 磁介质分为：顺磁质、逆磁质（抗磁质）和铁磁质。 磁粉探伤只适用于铁磁性材料，通常把顺磁性材料和逆磁性材 料都列入非磁性材料。 2.2.2磁导率 磁感应强度B与磁场强度H的比值称为磁导率，或称为绝对磁导 率，用符号表示，表示材料被磁化的难易程度，单位 H/m 不是常数，随磁场大小不同而改变，有最大和最小值。 真空磁导率 o 在真空中，磁导率是常数， o 410-7 H/m,相对磁导率 r 材料的磁导率与真空磁导率的比值 r/o 无单位 此外，磁粉探伤中还用到材料磁导率、最大磁导率、有效磁导 率和起始磁导率。 材料磁导率：材料磁导率是在磁路完全处于材料内部情况下所测得的B/H，主要用于周向磁化。 最大磁导率：在磁化曲线上，B/H值最大时对应拐点处的磁导率称为最大磁导率m 有效磁导率（表观磁导率）：有效磁导率是指工件在线圈中磁化产生的B与空载线圈产生的H的比值。有效磁导率不完全有材料的性质决定，在很大程度上与零件的形状有关，它对纵向磁化很重要。 起始磁导率：在B和H接近零时测得的磁导率称为起始磁导率 a。,2.2.3磁极化强度 磁极化强度J：为了衡量物质的磁化程度，采用了磁极化强度这个 物理量，物质的磁化程度愈高，磁极化强度愈大。磁极化强度J表 示单位体积内分子的磁偶极矩的矢量和。 式中 j磁偶极矩，V单位体积 磁极化强度的物理意义是： 由于被磁化的铁磁性材料内部存在磁 畴，如果在磁介质中各点的磁极化强度矢量大小和方向都相同，则 该磁化是均匀磁化，否则为非均匀磁化。 磁介质未被磁化时， 0，J0；磁介质被磁化后， ，则， J是磁畴磁矩矢量在外加磁场作用下， 由无序排列到有序排列。分子磁偶极矩j定向有序排列的程度越高， 矢量和的数值就越大，磁极化强度，矢量J也就越大。 2.3 铁磁性材料 2.3.1磁畴 铁磁性材料内部自发磁化的大小和方向基本均匀一致的小区域称,为磁畴，其体积约为10-3mm3 ，在这个小区域内，含有大约 10121015个原子，各原子的磁化方向一致，对外呈现磁性。 2.3.2 磁化过程 用磁畴理论来解释 当把铁磁性材料放到外加磁场中去时，磁畴就会受到外加磁场的 作用，一是使磁畴磁矩转动，二是使畴壁发生位移，最后全部磁畴 的磁矩方向转向与外加磁场方向一致，铁磁性材料被磁化，显示出 很强的磁性。 高温情况下，磁体中分子热运动会破坏磁畴的有规则排列，使磁 体的磁性削弱。超过居里点后，磁性全部消失，变为顺磁质。,2.3.3 磁化曲线 磁化曲线是表征铁磁性材料磁特性的曲线，用以表示外加磁场强度H与磁感应强度B的变化关系。 BH曲线的测绘方法: 采用如图所示的装置,曲线特征：,2.3.4 磁滞回线 饱和磁场强度 Bm 矫顽力 Hc,典型磁化材料 （30CrMnSiA） 磁化曲线的 认识与应用,铁磁性材料的特性： 高导磁性 磁饱和性 磁滞性 根据矫顽力Hc大小分为软磁材料（Hc=8000A/m） 软磁材料与硬磁材料的特征 2.4电流的磁场 2.4.1通电圆柱导体的磁场 磁场方向：与电流方向有关，用右手定则确定。 磁场大小：安培环路定律计算 根据上式，通电直长导体表面的磁场强度为：,H磁强强度（A/m） I电流强度（A） R圆柱导体半径（m） 导体外r处（rR）和导体内部r处（rR 时 rR时 CGS单位制的公式，连续法（I=8D）和剩磁法（I=25D）经验公式 的来源理论计算应用 直圆柱导体内、外及 表面的磁场强度分布 如右图所示：,钢棒通电法磁化 磁场强度分布特点，交流和直流分布特点，磁感应强度的分布特点,钢管通电法磁化 用交流和直流电磁化同一钢管时，钢管内部H=0，B=0，钢管内部 没有磁场存在，磁场是从钢管内壁到表面逐渐上升到最大值。 设管内外半径分别为R1和R2，通直流电磁化，由安培环路定律得 （ ） ( ),钢管中心导体法磁化 钢管中心导体法磁化时，在 通电中心导体内、外磁场分 布与图2-17相同，由于中心 导体为铜棒，其 ，所 以只存在H。在钢管上由于 ，所以能感应产 生较大的磁感应强度。并且 钢管内壁的磁场强度和磁感 应强度都比外壁大。 理论计算及应用,2.4.2 通电线圈的磁场 磁场方向： 右手定则,磁场大小： 空载通电线圈中心的 磁场强度可用下式计算,H磁场强度（A/m） N线圈匝数 L线圈长度（m） D线圈直径（mm） 线圈对角线与轴线的夹角 线圈纵向磁化的磁化力用安匝（IN）来表示。 线圈的分类 a 按结构分 电缆缠绕线圈和螺管线圈 b 按填充系数 低填充 中填充 高填充 c 按L/D 短螺管线圈 LD,线圈内磁场分布特点： 在有限长螺管线圈内部的 中心轴线上，磁场分布较均 匀，线圈两端处的磁场强度 为内部的1/2左右，见右图。,在线圈横截面上，靠近线圈 内壁中心的磁场强度较线圈中 心强，见右图。 无限长螺管线圈LD 内部磁场分布均匀，并且磁场 只存在于线圈内部，磁力线方向 与线圈的中心轴线平行。 理论计算 P.21 例1 例2,2.5退磁场 2.5.1 退磁场定义 把铁磁性材料磁化时，由材料中磁极所产生的磁场称为退磁 场，它对外加磁场有削弱作用，用符号H表示。 退磁场与材料的磁极化强度成正比。 H退磁场 J磁极化强度 o真空磁导率 N退磁因子,2.5.2 有效磁场 铁磁性材料磁化时，只要在工件上产生磁极，就会产生退磁场，它 削弱了外加磁场，所以工件上的有效磁场用H表示，等于外加磁场 减去退磁场。其数学表达式为： H有效磁场（A/m） Ho外加磁场（A/m） H退磁场（A/m） 经过推导： 2.5.3 退磁因子N N 主要与工件的形状有关（L/D），对于完整的闭合的环形试样N=0；对于球体，N=0.333；对于圆钢棒，L/D愈小，N愈大。 影响试件退磁场大小的因素： 退磁场大小与外加磁场大小有关，外加磁场增大，退磁场也增大；退磁场与L/D有关，L/D增大，退磁场减小；工件磁化时，如果不产生磁极，就不会产生退磁场。,如果工件的截面为非圆形，设截面面积为S，则有效直径为： 则 退磁场的计算 计算结果讨论： 当L/D=2时，退磁场影响很大，工件磁化需要很大的外加磁场 强度。只有当外加磁场强度Ho远远大于有效磁场强度H时，才足以 克服退磁场的影响，对工件进行有效的磁化。但实际上通电线圈很 难产生上千Oe的外加磁场强度，所以通常采用延长块将工件接长， 以增大L/D值，减小退磁场的影响。,2.6 磁路与磁感应线的折射 磁力线通过的闭合路径叫磁路。 磁路定律：,2.6.2磁感应线的折射 当磁通量从一种介质进入另一种介质时，它的量不变。 但是如果这两种介质的磁导率不同，那么这两种介质中的磁感应强 度就会不同，方向也会改变，这称为磁感应线的折射，并遵循折射 定律： 当磁感应线由钢铁进入空气，或者由空气进入钢铁，在空气中磁 感应线实际上是垂直的。 磁感应强度的边界条件: （方向分量连续） （切向分量连续）,2.7 漏磁场 2.7.1 漏磁场的形成 所谓漏磁场，就是铁 磁性材料磁化后，在不 连续性处或磁路的截面 变化处，磁感应线离开 和进入表面时形成的磁 场。如右图 图23 两磁极间漏磁场分布,漏磁场形成的原因，是由于空气的磁导率远远低于铁磁性材料的磁 导率。如果在磁化了的铁磁性工件上存在着不连续性或裂纹，则磁 感应线优先通过磁导率高的工件，这就迫使不部分磁感应线从缺陷 下面绕过，形成磁感应线的压缩。但是，工件上这部分可容纳的磁 感应线数目也是有限的，又由于同性磁感应线相斥，所以，不部分 磁感应线从不连续性中穿过，另一部分磁感应线遵从折射定律几乎 从工件表面垂直地进入空气中去绕过缺陷又折回工件，形成了漏磁 场。 2.7.2 缺陷的漏磁场分布 缺陷产生的漏磁场可以分解为水平分量Bx和垂直分量By，水平分 量与工件表面平行，垂直分量与工件表面垂直。假设有一矩形缺 陷，则在矩形中心，漏磁场的水平分量有极大值，并左右对称。而 垂直分量为通过中心点的曲线，其示意图见图2-32，图中（a）为 水平分量，（b）为垂直分量，如果将两个分量合成，则可得到如 图（c）所示的漏磁场。,2.7.3 漏磁场对磁粉的作用力 漏磁场对磁粉的吸附可看成是磁极的作用，如果有磁粉 在磁极区通过，则将被磁化，也呈现出N极和S极，并沿 着磁感应线排列起来。当磁粉的两极与漏磁场的两极互相 作用时，磁粉就会被吸附并加速移到缺陷上去。漏磁场的 磁力作用在磁粉微粒上，其方向指向磁感应线最大密度 区，即指向缺陷处。 见下页 图2-33。 漏磁场的宽度要比缺陷的实际宽度大数倍至数十倍， 所以磁痕对缺陷宽度具有放大作用，能将目视不可见的缺 陷变成目视可见的磁痕使之容易观察出来。,图233 磁粉受漏磁场吸引,2.7.4 影响漏磁场的因素 （1）外加磁场强度的影响 缺陷的漏磁场大小与工件磁化程度有关。一般说 来，外加磁场强度一定要大于产生最大磁导率m 对应的磁场强度Hm，使磁导率减小，磁阻增大， 漏磁场增大。 当铁磁性材料的磁感应强度达到饱和值的80%左 右时，漏磁场便会迅速增大。,（2）缺陷位置及形状的影响 a 缺陷埋藏深度的影响 影响很大 同样的缺陷，位于工件表面 时，产生的漏磁场大；若位于工件的近表面，产生的漏磁场显著减 小；若位于工件表面很深处，则几乎没有漏磁场泄漏出工件表面。 b 缺陷方向的影响 缺陷垂直于 磁场方向，漏磁场最大，也最有 利于缺陷的检出；若与磁场方向 平行则几乎不产生漏磁场；当缺 陷与工件表面由垂直逐渐倾斜成 某一角度，而最终变为平行，即 倾角等于0时，漏磁场也由最大 下降至零，下降曲线类似于正弦 曲线由最大值降至零值的部分。 c 缺陷深宽比的影响 缺陷的深 宽比是影响漏磁场的一个重要因 素，缺陷的深宽比愈大，漏磁场 愈大，缺陷愈容易发现。,（3）工件表面覆盖层的影响 （4）工件材料及状态的影响 晶粒大小的影响 含碳量的影响 热处理的影响 合金元素的影响 冷加工的影响,3 磁化方法与磁化电流 3.1 磁化方法选择与分类方法 磁化方法选择依据：磁场方向与缺陷方向垂直 选择磁化方法应考虑的因素 工件的尺寸大小；工件的外形结构；工件的表面状态； 根据工件过去断裂的情况和各部位的应力分布，分析可能产生缺陷 的部位和方向，选择合适的磁化方法。 磁化方法的分类 根据工件的几何形状，尺寸大小和欲发现缺陷方向而在工件上建 立的磁场方向，将磁化方法一般分为周向磁化、纵向磁化和多向磁 化（复合磁化）。 3.2 周向磁化方法的选择及使用中注意事项 周向磁化是指给工件直接通电，或者使电流流过贯穿空心工件孔 中的导体，旨在工件中建立一个环绕工件的并与工件轴垂直的周向 闭合磁场，用于发现与工件轴平行的纵向缺陷，即与电流方向平行 的缺陷。,轴向通电法 定义：P.32 如果工件截面是圆形，便产生圆形磁场；长方形截面则产生椭圆形 磁场；电流方向和磁场方向的关系遵从右手定则。 另有直角通电和夹钳通电法 通电法产生打火烧伤的原因及预防措施；通电法的优缺点和适用范围。P.33 中心导体法（芯棒法） 定义：P.33 是感应磁化，可用于检查空心工件内、外表面与电流 平行的纵向不连续性和端面的径向不连续性。 空心件用直接通电法不能检查内表面的不连续性，因为内表面的,磁场强度为零；但用中心导体法能更清晰地发现工件内表面的缺 陷，由于内表面比外表面具有更大的磁场强度。 导体材料一般用铜棒或铝棒，当采用钢棒时，应避免与工件接触 而产生磁泻。 中心导体法的优缺点和适用范围。P.34 偏置芯棒法 适用于中心导体法检验时，设备功率达不到的大型环和管子的检 验。偏置芯棒法采用适当的电流值磁化，有效磁化范围约为导体直 径D的4倍。检查时要转动工件，以检查整个圆周，并要保证相邻检 查区域有10%的重叠。 触头法（支杆法） 定义 ：P.34 触头间距 75200mm，两次应重叠25mm。（按标准） 当触头间距为200mm时，通以800A的交流电，则有效的磁化范 围宽度约为（3L/8+3L/8），如图3-6 P.35。 在两触头的连线上， 产生的磁场强度最大，愈远离该连线，磁场强度愈小。,触头法不适用于抛光工件，触头材料用钢或铝，不用铜，因为铜会 渗入工件。也可用低熔点的Al-Sn合金。 触头法的优缺点和适用范围。P.35 平行电缆法（标准已删掉） 是将电缆放在被检部位（如焊缝）附近进行局部磁化的方法，如 P.45图3-29示。用于发现与电缆平行的不连续性。 使用注意：a 通电电缆应紧贴于被检工件表面或焊缝边缘。 b 返回电流的电缆应尽量远离受检表面，以防不同方向的磁场互相抵消。 c 电缆应绝缘并防止与工件接触。 其优缺点。P.43 感应电流法 把环形工件当成变压器的次级线圈，当交流电在闭合回路上产生 交变磁通时，由于磁通变化在工件上产生感应电流对工件进行磁化 的方法，也叫磁通贯通法。 感应电流法配合一个辅助的有相移的交流励磁电流，可以显示出 工件表面上各个方向的不连续性，这是感应电流的复合磁化形式。,感应电流法的优点：P.36 感应电流法适用于直径与壁厚之比大于5的薄壁环形件、齿轮和不 允许产生电弧及烧伤的工件。 环形工件绕电缆法 3.3纵向磁化方法的选择及使用中注意事项 纵向磁化是指将电流通过环绕工件的线圈，使工件沿纵长方向磁 化的方法，工件中的磁力线平行于线圈的中心轴线。用于发现与工 件轴垂直的周向缺陷。利用电磁轭和永久磁铁磁化，使磁力线平行 于工件纵轴的磁化方法也是纵向磁化。 将工件置于线圈中进行纵向磁化，称为开路磁化，开路磁化在工 件两端产生磁极，因而产生退磁场。 将工件夹在电磁轭的两极之间，对工件进行整体磁化，或利用便 携式电磁轭或永久磁铁的两极与工件接触，使工件得到局部磁化， 称为闭路磁化，闭路磁化不产生退磁场。,1 线圈法：定义P.37 包括螺管线圈法和绕电缆法两种。 线圈法纵向磁化的要求 a、 L/D2 b、 工件的纵轴平行于线圈的轴线 c、 工件紧贴线圈内壁放置磁化 d、长工件分段磁化，10%的重叠 e、有效磁化区的确定 f、 对于工件截面复杂的，用 （S为截面面积）取代D g、对于大型工件，采用绕电缆法,线圈法的优缺点：P.39 快速断电的影响 快速切断施加于线圈中的三相全波整流电，使通过工件中的磁场 迅速消逝为零，在工件内部形成非常大的低频涡流，同时在工件表 面建立一种封闭的环形磁场，称为“快速断电效应”，利用这种效 应，有利于检测工件端面的径向不连续。 2 磁轭法 是用固定式电磁轭两磁极夹住工件进行整体磁化，或用便携式电 磁轭两磁极接触工件表面进行局部磁化，用于发现与两磁极连线垂 直的不连续性。在磁轭法中，工件不闭合磁路的一部分，在磁极间 对工件感应磁化，所以磁轭法也称为极间法，属于闭路磁化，如图 3-17和图3-18 P.39。 磁轭法分为整体磁化和局部磁化。,整体磁化的要求： a 磁极截面大于工件截面 b 工件与电磁轭之间应无空气隙 c 极间距大于1m时，磁化效果不好 d 形状复杂而且较长的工件，不宜采用整体磁化。 局部磁化的要求： a 有效磁化范围的确定 b 工件上的磁场分布 c 活动关节的影响 d 通过测量提升力来控制探伤灵敏度 e 磁极与工件间隙的影响 f 交流电的趋肤效应的影响 g 直流电对近表面的灵敏度较高 h 直流电磁轭不适用厚工件的探伤 I 永久磁铁的使用 磁轭法的优缺点和适用范围。P.40 3.4 多向磁化 多向磁化： 指通过复合磁化，在工件中产生一个大小和方向随时间,成圆形、椭圆形或螺旋形变化的磁场。因为磁场的方向在工件上不 断地变化着，所以可发现工件上所有方向的缺陷。 多向磁化是根据磁场强度叠加原理，在工件中某一点的磁场强度 等于几种磁化方法在该点分别产生的磁场的矢量和，或者是不同方 向的磁场在工件上的轮流交替磁化。 1交叉磁轭法 使用交叉磁轭可在工件表面产生选择磁场，可以一次检测出工件 表面所有方向的缺陷，检测效率高。,旋转磁场形成的原理：用两个幅值相等、相互交叉、并具有一 定电流相位差的交流磁场对工件磁化，其矢量合成的磁场为随时间 变化的旋转磁场，在平面上的轨迹呈圆形或椭圆形。 旋转磁场只能用于连续法检验。 2 直流磁轭与交流通电法 工件用直流电磁轭进行纵向磁化，并同时用交流通电法进行周向 磁化，如P.42 图3-25所示。直流电磁轭产生的纵向磁场HxHo， 大小保持不变，交流通电法产生的周向磁场 ， 大小随时间变化，其合成磁场是一个在45之间不断摆动的螺旋 形磁场，所以又叫摆动磁场。交流磁场值比直流磁场值愈大，则摆 动的范围愈大。 3有相移的整流电磁化法 在工件的两个互相垂直的方向上同时通以不同相位的单项半波整 流电，或者在采用三相电源时，其中两个单相半波整流电流在工件 的两个互相垂直的方向上通过，另一个单相半波整流电流通入绕在,工件上的线圈中，均可使工件得到复合磁化。 3.5 磁化电流 3.5.1 磁化电流分类 磁粉探伤采用的磁化电流有交流电、整流电（包括单相半波整流 电、单相全波整流电、三相半波整流电和三相全波整流电）、直流 电和冲击电流，其中最常用的磁化电流是交流电、单相半波直流电 和三相全波整流电。 3.5.2 交流电 概念：峰值、有效值、平均值、趋肤效应、趋肤深度（穿透深度） 交流电的趋肤效应：导体表面电流密度大，内部电流密度小 产生的原因是电磁感应产生了涡流。 电流从表面值下降到1/e0.37的深度称为趋肤深度，可由下式求 出： 磁导