磁粉探伤在钢材零部件质量检测中的应用

1磁粉探伤在钢材零部件质量检测中的应用磁粉探伤在钢材零部件质量检测中的应用磁粉探伤在钢材零部件质量检测中的应用

摘要近年来，中国工业自动化正在迅速发展中，正逐步跟上世界工业自动化的发展。那么在机械零部件的生产过程中，又或者在高温高压中工作，零部件很有可能出现表面裂纹。当裂纹从小慢慢变大，零部件就会因此损坏。根据大量的数据，大部分的机械零部件都是由于疲劳损坏造成的。因此，及时检测零部件的缺陷很重要。磁粉检测技术作为五种常规的无损检测技术之一，有着其自己特有的优点，磁粉检测技术的灵敏度高而且操作也简单方便。这是区别于其他检测技术所没有的。因此，磁粉检测技术常被用在钢材零部件的质量检测中。由此，展开本文论文的研究，以40Cr钢大直径光身轴、Cr12MoV钢陶瓷模具等试件作为本文的研究对象，运用磁粉检测技术进行检测，选择便携式探伤仪磁化、反差增强剂、黑油磁悬液等运用湿法连续法磁粉检测进行缺陷检测。结果得出磁粉检测技术确实有着不错的灵敏度，能够清晰检测出试件表面的微小裂纹，操作也很方便简单。因此，很适合应用在各种钢材零部件的质量检测中。关健词：无损检测；磁粉探伤；铁磁性材料；缺陷

AbstractInrecentyears,China'sindustrialautomationisdevelopingrapidlyandkeepingpacewiththeworld'sindustrialautomation.Sointheproductionprocessofmechanicalparts,orinthehightemperatureandpressurework,partsarelikelytoappearsurfacecracks.Asthecracksgrowfromsmalltolarge,thepartscanbedamaged.Accordingtoalargenumberofdata,mostofthemechanicalpartsarecausedbyfatiguedamage.Therefore,itisimportanttotimelydetectthedefectsofparts.Magneticparticledetectiontechnology,asoneofthefiveconventionalnondestructivetestingtechnologies,hasitsownuniqueadvantages.Magneticparticledetectiontechnologyishighlysensitiveandeasytooperate.Thisisdifferentfromotherdetectiontechnologydoesnothave.Therefore,magneticparticledetectiontechnologyisoftenusedinthequalitydetectionofsteelparts.Therefore,theresearchofthispaperwascarriedout.Samplessuchas40CrsteellargediameterlightshaftandCr12MoVsteelceramicmoldwereusedastheresearchobjectsinthispaper.Magneticparticledetectiontechnologywasusedfordetection.Theresultsshowthatthemagneticparticledetectiontechnologyhasgoodsensitivityandcanclearlydetectthemicro-cracksonthesurfaceofthespecimen.Therefore,itissuitableforthequalityinspectionofvarioussteelparts.Keywords：NDT(nondestructivetesting)；Magneticparticleinspection；Ferromagneticmaterial；defects.

目录1绪论 绪论1.1题目的背景及目的随着科技的进步和工业的发展，对工业生产中使用的各种钢材零部件的要求是一天比一天更高了，极高的温度、高的压强和超高的负荷已经成为现代工业的重要标志。为了确保使用的刚才零部件的高的质量，那我们就必须采用不会破坏被检工件的形状、也不会改变它的使用性能的检测方法。对重要的零部件必须进行100%的检测，以确保它的可靠性和安全性，因此出现了新的检测技术——无损检测技术【2】。1.1.1磁粉检测技术的应用背景根据检测原理的不同，可以初步将无损检测技术进行简单的分类。在这其中以射线、超声波、渗透、涡流和磁粉检测技术作为五种常规检测方法。磁粉检测技术在这里面是使用最普及和方便的，也是发展历史最悠久的。主要应用于各种铁磁性材料制成的工件的质量检测中。由于磁粉检测技术不破坏试件，检测灵敏度高等特点，所以其应用日益广泛。目前，磁粉检测技术不仅应用于锅炉压力容器的制造检验和在用检验，而且在国内许多行业和部门都得到了广泛的应用。例如机械制造、冶金工业、航空航天领域、船舶制造、铁路建设、娱乐设备（过山车、大摆锤等）等等，都得到了广泛的应用，从以上列举的行业中，都是关系到国计民生，国民经济发展，人民生命和财产安全的行业。这其中绝大部分行业中，使用到的仪器设备或多或少都使用了钢材零部件，在工业生产中，设备中任何零部件出现问题都可能造成无法弥补的损失，磁粉检测技术不仅检测设备很简单，操作也相当的方便，同时还具有相当高的灵敏度，能够检测出微米级宽度的缺陷，所以磁粉检测技术在钢材零部件质量检测中的应用就显得尤为重要了。1.1.2目的无损检测技术的目的是定量地掌握试件缺陷与试件强度的关系，评价得出构件允许地负荷范围、构件的使用寿命或构件地剩余使用寿命等；检测出设备在工业制造和使用过程中因疲劳磨损或微裂纹等产生的结构不完整性及缺陷情况，以便及时的改进制造工艺，提高产品质量，及时发现故障，保证设备安全、高效可靠地运行【2】。简单的说，无损检测技术的目的主要有保证产品的质量、保障使用安全、改进工艺和降低成本四个方面。很显然这也是磁粉探伤在钢材零部件质量检测中应用的目的。1.2磁粉检测技术的发展历史和现状1.2.1磁粉检测技术的发展历史磁粉检测技术在工业领域中的应用已经有近百年的历史了。如果往前追溯，可以发现远在公元前3世纪的时候，“磁石吸铁”的现象就被人们发现了，并用磁石制成“司南勺”，应用于航海业中。（1）磁粉检测技术的雏形十八世纪，人们就开始了磁通检漏的实验。1868年，在英国工程杂志首先发表了利用罗盘仪来探查磁通以检测枪管上的缺陷的报告。1874年，Hering利用同样原理，用罗盘仪去检查钢铁轨道的缺陷，Hering因此获得了美国专利【2】。（2）磁粉检测技术的成形1922年，Hoke发现金属粉末会在由磁性夹具夹持的硬钢块表面上的裂纹区域形成一定的花样，这促使了磁粉检测技术的应用【2】；1928年，Forest研制出了周向磁化法；1930年，Forest和Doane将研制出的干磁粉成功的应用于焊缝及各种工件上的探伤；1934年，美国磁通公司创立，对磁粉检测的应用和发展起了很大的推动作用；1938年~1941年期间，无论是《无损检测论文集》和《磁通检验的原理》的出版，还是荧光磁粉的投入使用，都标志着磁粉检测技术已经初步形成了一种无损检测技术。（3）磁粉检测技术的成熟二十世纪五十年代，苏联的瑞加德罗研究了不同因素对磁粉检测技术灵敏度的影响，通过大量的实验，制定出了磁化规范，被世界许多国家认可并采用。我国通过引进前苏联、欧美等国家的磁粉检测技术，制定了我国的标准规范。磁粉检测设备也从固定式、移动式到便携式，从半自动、全自动的设备到专用设备，从单向磁化工件的方法到多向磁化工件的方法，磁粉检测设备已经成功系列化和商品化。1.2.2国内外研究现状（1）磁粉检测技术的研究进展磁粉检测技术的最新研究进展及产品主要集中在新型磁化技术、磁化方式、探伤耗材及仪器。新型磁化技术，PeterHirsch提出了脉冲磁化和退磁技术。RainerLink和NathanaelRiess提出了大型零件交叉、正交线圈磁化技术，实现大型、异型零件的非接触式周向和纵向磁化，避免打火，同时减少产品吊装、翻转的时间，提高工作效率。日本的MichitakaHori和ArihitoKasahara提出了一种新型的变频非接触式磁化技术。新型磁粉检测耗材，美国CircleSystem推出可以在200℃以上的环境进行磁粉检测的高温磁粉，降低产品生产成本。美国CircleSystem、德国KarlDeutsch等公司推出多光谱兼容磁粉，在白光、365nm紫外线和450nm蓝光下都可以使用。美国Sherwin推出了速干型可去除反差剂。新型磁粉检测仪器，英国Johnson＆Allen和上海磁海（CHiNDT）推出数字式智能高斯计。LED黑光灯是近几年表面无损检测相关仪器发展最快的产品。凭借寿命长、能耗低、发热量小，迅速在各行业得到普及，并且相关标准已经陆续推出。法国EFER推出的紫外线内窥镜，在航空业已经得到大量应用。乌克兰焊接协会推出万向轮永磁体磁化器。意大利CGM公司设备采用高清晰视觉辅助检测系统，检测时，人员不需要进入暗室，通过高清摄像头进行全表面扫视、展开和记录。英国Baugh＆Weedon公司推出桌面磁粉探伤机，可以放置在桌面上使用，被用于实验室或教学使用。（2）磁粉检测技术的国内外研究现状对比第一，目前国内缺少具有世界影响力的磁粉探伤设备厂家。在全球具有竞争力的磁粉探伤设备厂家包括意大利CGM、德国KarlDeutsch、美国Magnaflux等公司；这些公司在全球享有盛誉，并在世界各国具有很多应用案例。第二，美国磁粉设备以标准设备为主，各类调节以手动方式为主，设备简单可靠。欧洲制造商具有众多定制化设备磁粉设备，各类调节以电动为主，设备功能强大，做工和设计精细。而中国生产的磁粉探伤设备灵敏度已经较好，但是设备的可靠性还有待改进。第三，磁粉检测相关技术和标准依然是欧美发达国家首先提出并采用，国内逐步接受和模仿。目前国内磁粉探伤相关制造企业研发投入较少，原创性与开发性的成果较少，同质化竞争加剧。第四，国外磁粉探伤设备制造厂家普遍具有提供设备制造、生产、售后，仪器计量等一站式服务的能力，公司一般会有计量实验室，并为用户提供仪器计量服务。目前国内尚未有厂家具备提供设备制造和仪器计量一站式服务的能力。1.3课题的主要研究内容1.3.1磁粉检测技术磁粉检测技术，首先磁化铁磁性材料工件，假设工件上存在不连续性，则工件表面和近表面的磁力线会发生局部变形而产生漏磁场，吸附表面的磁粉,在合适的光照条件可以形成可见的磁痕,显示不连续程度的大小,位置,形状和分布严重程度等。磁粉检测技术只能用于铁磁性材料制成的工件；只能检测出工件表面或者近表面的缺陷；检测时，对缺陷方向性比较敏感；检测结果也能直观反映出缺陷所处的位置和表面的长度，但不能反映缺陷的深度。除了以上的局限性之外，磁粉检测技术还具有很多的优点。主要有以下几点。第一，检测结果能够清晰的显示出缺陷的形状大小和所处的位置，从而大致判断出缺陷的性质；第二，其检测灵敏度很高，可以检测缺陷的最小宽度可达到微米级；第三，磁粉检测技术几乎不受试件大小和形状的限制；第四，操作简单，仪器便于携带，检测速度很快、工艺简单、费用低廉等。1.3.2钢材零部件的无损检测技术选择综上所述，显然在工业生产制造中，材用磁粉检测的方法来检测铁磁性材料制成零部件的缺陷是非常合适的。磁粉检测技术属于无损检测中的一种，是五种常规检测手段之一。但是却比其他的无损检测有着其独特的优点，该方法的灵敏度高而且操作极为简单，所以磁粉检测技术被广泛应用在钢材零部件的表面、近表面的检测中。

2实验部分2.1实验的意义本实验主要是针对钢材零部件中典型检测技术-磁粉检测方法和技术展开研究，重点研究钢材零部件的缺陷和组织表征，并针对磁粉检测技术的设备进行选择、磁化方法、磁悬液的选择等展开研究，验证检测方法的可靠性，为工程实践中钢材零部件失效准确缺陷检测起到一定的参考作用。2.2磁粉检测技术的原理2.2.1磁粉探伤的原理由铁磁性材料制成的工件在外加磁场作用下被磁化后，当被检测的表面或者近表面存在缺陷时，即材料存在不连续性，则工件内的磁场会发生变化，会在有缺陷的表面产生漏磁场，磁性颗粒会吸附在工件表面形成可见的磁痕，表明缺陷的存在。简单地说，磁粉探伤的过程拥有三个必须的步骤。第一，待检测的工件需要通过合适的磁化方法加以磁化；第二，磁化后或磁化过程中，将合适的磁粉喷洒在检测的工件的表面上；第三，在被检测的工件表面形成的所有磁痕，都必须加以观察分析，得出结果。2.2.2磁粉探伤的应用特点磁粉检测技术适用于铁磁性材料制成的工件表面和近表面尺寸很小、间隙很窄，目视很难看的不连续性的检测。不管是制成的成品、半成品工件还是已经投入使用的零部件检测，又或者是板、型、管、棒材及焊缝、铸钢、锻钢工件的检测，等等这些全部都可以采用磁粉检测技术进行检测。它可以发现被检工件表面或者近表面的裂纹、夹杂、白点、折叠和疏松等缺陷。磁粉检测技术也有一定的局限性。它不能检测非铁磁性材料制成的工件，例如：奥氏体不锈钢材料、铜、铝、镁以及非金属材料等制成的工件，也不能检测采用奥氏体不锈钢焊条焊接的焊缝。2.3磁粉检测技术的物理基础2.3.1磁场（1）磁极磁铁能吸引铁物体的特性就叫做磁性。磁铁的不同部位具有不同的磁力。如果把磁铁棒或磁针放进铁粉里然后取出来，可以在靠近铁块末端的地方发现吸引的铁粉是最多的，那就是说明这个区域的磁场强度特别强，这个磁强特别强的区域就叫做磁极。如图2-1。图2-1磁铁条的磁极如果磁铁棒或条形磁铁中心处支承或悬浮状态，并且可以在水平面上自由运动，那么磁棒的两端总是分别指向地球的南北方向。我们称指向北方向的一端为北极(N)，对应的另一端就称为南极(S)。如果用另一块磁铁接近悬浮磁铁棒，就会发现相同的磁极相互排斥，相反的磁极相互吸引。由此可以推断，整个地球也是一个大磁铁。这个大磁铁的磁极与地球的地理磁极不一致，稍为有些不同。地球磁场的南极靠近地球的北极，地球磁场的北极靠近地球的南极。当一块条形磁铁被切割成小块时，每一块总是有两个磁极，如图2-2所示。因此，磁铁的极性是不能分离的。换句话说，一个孤立的极点实际上并不存在，杆的每一个北极（N极）都必须有一个对应的南极（S极）。长杆有时可能有两个以上的磁极，而钢环可以在磁化时没有磁极。图2-2折断后的条形磁铁形成的磁极示意图（2）磁力与磁化磁极与磁极之间相互排斥或者相互吸引的力称为磁力。最早的时候，法国物理学家库伦就对两个磁极间的作用力进行了定量研究，并由此推得了磁性定律：两个磁极间的磁力与两个磁极强度的乘积成正比，而与它们之间的距离的平方成反比。磁力为斥力还是吸力取决于两个磁极的极性。做一个简单的实验，如果你将一个没有磁性的铁磁性材料靠近一个磁铁，那么你会发现，铁磁性材料不仅会被磁铁吸引，还会被磁铁磁化。即使原先不拥有磁性的物体得到磁性的过程就叫做磁化。磁铁不仅吸引铁，而且磁铁对另一个磁铁施加力;当磁铁对铁或其他磁铁施加力时，它不需要彼此直接接触，因为磁铁附近有一个磁场。磁性能进入的任何空间都称为磁场。当磁场中每一个地方的磁场强度都一样，方向也相互平行的时候，我们就说这个磁场叫做均匀磁场。（3）磁场强度在磁场中的任意一点，放置一个单位磁极（N极），单位磁极受到的磁力大小就是这个点的磁力大小，此时磁力的方向就是这个点的磁场方向。磁场大小和方向的总称叫做磁场强度。因此，磁力等于磁极乘磁场强度，或者说，单位正磁极所受的力叫做磁场强度。如何判断某个点的磁场方向？可以准备一个小磁针或者小磁棒，将其悬吊放置在磁场内，等到小磁棒不动的时候，小磁棒北极所指的方向就是磁场方向。2.3.3磁介质（1）磁介质的分类做个有趣的实验，如果将铁块放入某个磁场中，会发现这个磁场会发生变化，铁块也会带有磁性。实际上，这些类似于铁块的东西可以改变磁场的物质，就叫磁介质。铁块带有磁性的过程就叫做磁化。根据磁介质的磁化效果不同，通常分为以下三种：抗磁质：抗磁质材料放在磁场中，磁化的磁性非常小，它们的附加磁场与外磁场方向相反。铜、铋、锑属于这一类物质。顺磁质：将顺磁质材料放在磁场中，其磁化的磁性也非常小，但是它磁化后产生的附加磁场跟外磁场方向是一致的。Al、Mn、Cr等就属于这一类物质。铁磁质：与抗磁质跟顺磁质不同，如若将铁磁质材料放在某个磁场中，它磁化效果会非常的好，产生的附加磁场很强，且方向与外磁场相同。生活中常见的Fe、Ni等金属及其它们的合金都是铁磁质材料。在工程上，习惯将铁磁质称为磁性物质，而把抗磁性和顺磁性称为非磁性物质。磁粉检测技术只适用于铁磁性材料的缺陷检测。（2）磁感应强度将铁磁质材料置于某个磁场中，铁磁质材料就会被磁化产生一个附加磁场，跟原先已有的磁场方向相同，这两个磁场叠加起不断扩大总磁场，用磁感应强度这样一个物理量来表示，其符号为B.磁感应强度和磁场强度一样，也是一个矢量，而且也同样地可以用力线表示，这种线称为磁感应线。磁感应强度值的大小等于穿过垂直力线的单位面积上的磁感应线的根数，所以，磁感应强度又称磁通密度。磁感应强度的法定单位符号为韦/米2，即单位名称为特[斯拉]，符号为特(T)。每平方米面积上通过一条磁感应线代表1韦/米2的磁感应强度，一条磁感应线就是1韦。在工程上，磁感应强度的单位还用高斯(G或Gs)表示。1韦/米2=1特=103亳特(mT)1特=104高斯（4）磁导率前面说过，不带磁性的材料是可以通过磁化过程带有磁性的。但是不同材料要被磁化肯定会有难易之分，这主要是因为它们的导磁情况不相同。所以，用磁导率大小来区分不同材料的导磁效果。符号为u，单位符号是特*米/安，即亨/米，单位名称为亨[利]每米。在真空中，磁导率是一个不变的恒定数值，用符号μ0表示。QUOTE类似于海拔高度以水平面为标准，这里以真空磁导率为参考，用材料的磁导率与真空磁导率的比值表达其导磁能力，用μr表示。式中，μr为一纯数。2.3.4铁磁性材料（1）磁畴我们知道，任何物质都是有很多微观粒子组成，这些微观粒子通常是指分子和原子。原子是由带正电的原子核跟带负电的核外电子组成。电子绕着原子核在旋转的同时，它还会进行自旋。电子带着负电荷，原子核带着正电荷，因此，这两种运动都会产生磁效应。这些原子跟分子内电子的运动产生的总磁效应，就形成了分子电流，这是物质具有磁性和能被磁化的基本来源。主要是说铁磁性材料。在铁磁性材料基于前面的原理，会在材料内部形成很多的自发磁化小区域，每个小区域的分子电流的磁矩方向相同，称之为磁畴，体积大约10-3立方厘米。如图2-9所示，反映了铁磁性材料在外加磁场中的磁化过程中，各阶段的磁畴方向。由图2-9（a）可知，在没有将铁磁性材料放置在磁场中时，其内部的磁畴的磁矩方向是没有规律的，在外加磁场作用下，磁畴磁矩方向转动，磁畴壁位移；全部磁畴磁矩方向变成了一致，且与外加磁场方向相同。极铁磁性材料的磁化过程，如图2-9(b)所示。最后，将外加磁场撤出，磁畴磁矩方向会发生部分变化，但仍有部分保持不变，即剩余磁性，如图2-9（c）所示。图2-9铁磁性材料的磁畴方向有时候，工件残留的剩磁会影响使用，因此必须退磁。可以通过给工件高温加热，这是内部的磁畴磁矩方向就会发生变化，破坏其规则排列。不同材料有不同的临界温度，当超过这个临界温度后，磁畴磁矩方向规则排列就会被彻底打乱，使材料磁性全部消失。这样，就能达到退磁的效果。这-临界温度称为居里点。从居里点以上的高温冷却下来时，只要没有外磁场的影响，材料仍然处于退磁状态。（2）磁化曲线有某环形样品是由铁磁性材料做成的，缠绕上线圈，通电，具体如图2-10所示。由图分析可知，只要读出电流表读数I，就可以得到该铁磁性材料内部的磁场强度H。绘制该铁磁性材料的B-H曲线，如图2-11所示。这个曲线同时也是这个铁磁性材料的磁化曲线，反映了特定材料在不同的外加磁场作用下的磁化程度。图2-10图2-11铁磁性材料的B-H曲线分析图2-11中的曲线，刚开始外加磁场为0，这个时候铁磁性材料还没有被磁化；随后，由于电流的增大，外加磁场开始逐渐增大，铁磁性材料开始被磁化，但磁化程度很小，即图中oa曲线段；紧接着，电流继续增大，这时铁磁性材料B增加得很快，即图中ab段；到达bm段，铁磁性材料B有变成了缓慢增加；m点过后，就算电流继续变大，B也基本不会变大了。即材料的饱和，此时铁磁性材料的磁畴磁矩方向全部统一且与外加磁场方向一致。由此可以看出，铁磁材料的磁感应强度B乃是外磁场和铁磁性材料附加的磁场强度之和，实质上，就是铁磁材料内部的合成磁场强度。B-H曲线上每一点的B与H之比是在该磁场值下材料的磁导率，因此，铁磁材料的磁导率μ不是常数，相对磁导率μr也不是常数。如果将一块还没被磁化的铁磁性材料磁化，直到图2-11中的m点，然后减小H，会发现铁磁性材料的B并不会沿om曲线减小，这是因为这是铁磁性材料残留了剩余的磁感应强度。如此，做一个循环就可以得到图2-12，称之为铁磁性材料的磁滞回线。图2-12（3）铁磁性材料的特点根据前文中的分析，可以简单总结出以下几点特点。存在高导磁性材料：顾名思义，在外加磁场的作用下，它产生的附加磁场是非常强的，即磁导率很高。磁饱和铁磁性材料：即铁磁性材料在外加的磁场的作用被磁化，产生的附加磁场并不会一直随外加电流的增大而增大，而是当达到图2-11中的m点的时候，就会达到磁饱和。此时，铁磁性材料中，磁畴磁矩方向已经全部统一，且与外加磁场的方向相同，附加磁场强度不会在增加了。铁磁性材料的磁滞性：如图2-12所示，当外加磁场强度减小到为零的时候，铁磁性材料的磁性并不会随之消失，而是会保留一定的剩余磁感应强度。铁磁材料根据矫力He的大小可分为软磁材料和硬磁材料两大类。图2-13a为软磁材料:图2-13b为硬磁材料。其性能特点如下：软磁材料的特点是矫顽力很小，剩余磁感应强度B很小，也就是相对硬磁材料来说，更容易退磁，即磁滞性不强。它的磁滞回线比较狭长，具体见图2-13a。硬磁材料特点是矫顽力很大，剩余磁感应强度B也大，相应的硬磁材料退磁就会比较难，即磁滞性很强。磁滞回线所包围的面积大，具体见图2-13b。很适合做永久磁铁。图2-132.3.5漏磁场（1）漏磁场的形成磁铁之所以能够吸引铁磁性材料，是因为磁铁产生了磁场，但是，其实只有在磁感应线从磁铁发出的地方以及回去的地方才可以吸引。前文介绍过，一块磁铁不可能只有一个磁极，但可以存在一个磁极都没有的情况。比如一个环形磁铁，是不存在磁感应线的发出和回去的，即不会吸引铁制物体。当其表面存在裂纹的时候，情况就不一样了。环形磁铁会在裂纹的两端形成磁极。此时，如若施加适当的磁粉，裂纹周围便会吸引铁粉，即形成了漏磁场。就是在环形磁铁的缺陷处，产生了磁感应线的发出和回去，形成新的磁极所产生的磁场就是漏磁场。那么漏磁场形成的原因就很容易得出了，主要是由于铁磁性材料表面或近表面产生缺陷，进入了空气，而空气的磁导率要比铁磁性材料的低很多。因而，磁感应线会优先通过磁导率高的铁磁性材料。这就形成当磁感应线来到缺陷处时会绕开空气，选择从缺陷下方通过。下方本身就有磁感应线通过了，这就会磁感应线的压缩。因此，无法所有的磁感应线都从缺陷下方绕过，会有一部分还是通过缺陷，一部分从下方绕过去也有的会从表面上方的空气通过；还有一部分磁感应线遵循折射定律运动，这所有的磁感应线就形成了漏磁场。（2）缺陷的漏磁场缺陷的漏磁通密度可以分解为水平分量Bx和垂直分量By，水平分量与钢材表面平行，垂直分量与钢材表面垂直。假设缺陷为矩形，则在矩形中心，漏磁通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2-14，图中a)为水平分量，b)为垂直分量。如果将两个分量合成，则可画出如图c)所示的漏磁通。图2-14本论文所研究的磁粉检测技术正是利用这里缺陷形成的漏磁场来进行工件的探伤的。磁场跟电场一样都是我们肉眼看不见的，因此，需要使用适当的磁粉吸附在漏磁场表面，形成磁痕显示出来，达到检测缺陷的目的。当铁磁性材料工件再外加磁场作用下被磁化后，在工件表面会由于缺陷存在，在缺陷处形成磁极；磁粉也因为在外加磁场的作用下被磁化，也形成了磁极。在同磁极相斥，异磁极相吸的作用下，磁粉加速移动到缺陷处，沿着漏磁场形成磁痕显示，如图2-15所示。图2-15磁粉受漏磁场吸引形成磁痕显示为什么这么微小的缺陷可以形成肉眼可见的磁痕呢？这是因为在缺陷表面形成的漏磁场的宽度要比缺陷的宽度大数倍甚至数十倍，可以将肉眼无法识别的微小缺陷很有效的放大，变成可见的磁痕。（3）影响漏磁场的因素从前面介绍，漏磁场在磁粉检测中的应用具有相当重要的地位，对磁粉探伤的灵敏度影响也很大。实际上工件产生的真实缺陷，往往不是我们所期望的有规律可循，而是千奇百怪的。因此，要是想通过这个来得出其对应的漏磁场形状是不科学的。但是能够研究影响漏磁场的因素也是很有意义的。其实，主要影响因素可以总结为以下几点。真实的缺陷具有复杂的几何形状，计算其漏磁场是难于实现的。但是研究影响漏磁场的各种因素，进而了解影响检出灵敏度的各种因素是很有意义的。但是影响漏磁场的因素很多，测量结果又常常由于实验条件不同而有差异，这里只定性地讨论一般的规律。主要有以下几点。检测过程中外加磁场强度的大小。很明显漏磁场的形成就是因为外加磁场的作用，外加磁场跟工件的磁化程度有关，而工件的磁化程度会影响漏磁场的形成。简单的说，当外加磁场的磁感应强度越大，那么相对应的缺陷产生的漏磁场也越大。缺陷所处的位置。这里缺陷的位置不是说缺陷处在工件表面的水平位置，是说缺陷在工件所处的深度。我们知道，磁粉是施加在工件表面的。也就是说，当缺陷能够更好的在表面形成漏磁场，磁粉检测就能更好的检测出来。当相同大小的缺陷所处的位置越深，就越难有漏磁场在表面形成，就无法被检测出来。所以，只有表面跟近表面的缺陷能很好在表面形成漏磁场。缺陷的深宽比。第二点主要说的是内部缺陷与表面缺陷的比较。这里缺陷的深宽比说的就是缺陷自身的宽度和深度了。假设工件表面同时存在两个宽度相同的缺陷，它们的深度却不相同。在相同的外加磁场作用下，深度更深的缺陷会产生更大的漏磁场。在一定深度范围内，当深度越深，形成的漏磁场强度就会越大。达到某个临界值后，增加就变得缓慢了。缺陷的扩展方向。磁粉探伤时，需要外加磁场磁化工件，对于微小缺陷事先是无法判断出缺陷大概的走向的。如果正好外加磁场的磁场方向与缺陷方向垂直，那么此时产生的漏磁场最大。因此，在实际检测中，尽可能先判断出缺陷的扩展方向是很有必要的。如果无法判断，在检测时就应该多次磁化，做重复实验。工件表面覆盖层的影响。在检测工件的表面如果有一层覆盖层，在磁化过程中，覆盖层过于厚会掩盖缺陷形成的漏磁场，导致缺陷无法检测出来。若只有一层较薄的覆盖层，还能产生磁痕显示，但不够清晰。被检测工件的材料及状态。磁粉检测必须磁化工件，如工件的材料是没有磁性的无法磁化，就不能形成漏磁场，检测缺陷。比如：若要检测奥氏体不锈钢就不能采用磁粉检测技术，因为它不具有磁性。2.4磁化方法和磁化规范2.4.1磁化电流磁粉检测技术核心步骤，必须磁化被检工件。用一块磁铁的磁场去磁化工件很明显是不够的，这里就要借助电流的磁效应了。那么我们在磁化被检工件的过程中，所使用的电流就是磁化电流。常见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）、直流电以及冲击电流等。其中经常使用的是交流电、单相半波整流电和三相全波整流电【5】。2.4.2磁化方法常见的磁化方法主要有以下几种，具体见图2-16。通电法磁化工件夹紧在探伤仪的两个夹紧之间。电流通过工件，形成圆周磁场。可以发现平行于当前方向的缺陷。（2）正中心导体法磁化在空心部件中放入某导体，通电，那么在导体表面便会形成圆周磁场，用于检测平行于电流方向的空心部分内外表面的缺陷。（3）偏置中心导体法磁化当导体放入里的空心部分且偏离轴线,当前通过导体和中间形成一个不规则的环形磁场部分，可以发现两触头连线平行方向的表面缺陷。（4）环形件绕电缆法磁化用软电缆穿绕环形件通电磁化，形成周向磁场，用于检验与电流方向平行的不连续性。（5）线圈法将工件用通电线圈内或用柔性电缆磁化，形成纵向磁场，有利于发现垂直于线圈轴线方向的缺陷。（6）磁轭法工件夹在待磁化电磁铁的两极之间，或工件的部分用马蹄形磁铁磁化。垂直于两个磁极连接方向的缺陷可以被找到。（7）感应电流法磁化基于磁通量变化的原理，在被检件表面产生对应的感应磁场，可检测出与感应电流方向平行的缺陷。（8）多向磁化法施加在被检件的外加磁场方向不断变化着，只需磁化一次就可检测出不同方向的缺陷。图2-162.4.3磁化规范磁粉检测中，必须对被检件进行磁化。那么就需要选择相应的磁化电流或者是磁场强度，选择时需要遵守相应的规则即为磁化规范。（1）周向磁化规范直接通电法、正中心导体法、偏置中心导体法周向磁化规范推荐如下：连续法I=12-20D(检验高磁导率制件的开口性缺陷)I=20-32D(检验高磁导率制件的夹杂物等非开口性缺陷及低磁导率制件的开口性缺陷)I=30-40D(检验较低磁导率制件的夹杂物等非开口性缺陷)剩磁法I=30-45D(检验矫顽力HC≥1kAm,剩磁B≥0.8T材料的开口性缺陷)式中：I一磁化电流，AD一制件直径,mm；对非圆柱形制件D=周长/π；偏置中心导体法制件直径应为中心导体的直径加两倍制件壁厚触头法周向磁化:连续法：I=3.5-4.5L(板厚δ<19mm)I=4.0-5.0L(板厚δ≥19mm)式中I一磁化电流,AL一两触头间距mm(推荐触头间距为150-200mm)环形件电缆法磁化规范按2.4.2a计算，但要求用安匝数IN代替I(N为穿过制件空腔的软电缆匝数)（2）纵向磁化规范(详见有关磁粉探伤检验标准)连续法：IN=4500/(L⁄D)式中：IN一线圈安匝数，ATL—制件长度，mmD—制件直径或横截面上任意两点间的最大距离，mm剩磁法：;L/D>2-5磁场强度为24kA/mL/D>5-10磁场强度为16kA/mL/D>10磁场强度为12kA/m圆盘制件磁场强度为36kA/m制件外离线圈每端的有效磁化长度为200mm。（3）磁轭法磁化规范采用标准试片检查其磁场强度是否符合要求，也可采用毫特斯拉计测量正切磁场，要求≥2.4kA/m。2.5磁粉检测设备与磁粉检测材料2.5.1磁粉检测设备的选择（1）检测设备的分类磁粉检测设备有很多种。具体有磁化电流、工件夹持装置、指示装置以及磁粉和磁悬液喷洒装置等组成。如果根据其结构来细分，可分为一体型和分立型。一体型即所有组成部分都为一体的磁粉探伤机；分立型是各个部分有独立装置，在进行检测的时候组合使用。磁粉检测技术广泛应用在各行各业，如果根据其重量和用途还可分为：便携式探伤机、移动式探伤机、固定式探伤机以及专用检测系统等。固定式探伤机固定式探伤仪，顾名思义通常是固定在某个地方的，因为它的体积都很大、重量也很重。通常用于湿法磁粉检测技术。由于其体积巨大，安装的装置也是比较全面的，有照明、退磁、磁悬液的喷洒、磁化夹头和工作台等装置。功能齐全，能使用多种磁化方法，广泛应用于批量检测中小工件的工作中。移动式探伤机移动式探伤仪就不像固定式一样拥有全面的功能，移动式的重心主要是磁化装置，能提供多种磁化电流，使用多种磁化方法。一般能在一定的空间内移动，比如一个车间、一个实验室等。适合于对大型不方便移动的工件进行探伤。但由于其有一个核心的电源装置，移动上也会受到限制，不如便携式移动方便。携带式探伤机前面说，固定式探伤仪功能齐全，移动式探伤仪拥有一个主体的磁化电源。那便携式探伤仪就要显得很简陋了。其实就是一种手持式的电磁铁。体积很小，质量也很轻，非常方便携带。通常应用在一些高空作业检测中，或者某个大容器内部的缺陷检测和大型工件的局部检测等。也很方便带出野外作业。也存在一定不足，磁化电流单一，不可调节等。专用检测设备专用检测设备顾名思义是指针对某种工件或者某些行业专门生产出来的检测设备。严格来说，也是磁粉探伤仪的一种，只不过在基础的检测功能上，对其添加了很多检测辅助功能。如：自动清洗工件的功能、退磁等。都是为了方便实际工作中检测工件。基本都是做到自动化或半自动检测的。优点就是应用在某行业生产中，能很有效的提高检测效率，减少工作量等。（2）其它磁粉探伤辅助器材除了主要使用的磁粉探伤仪外，在磁粉检测过程中，往往还需要根据实际情况选择其他的辅助器材。这些有毫特斯拉计、袖珍磁强计、弱磁场测量仪和观察磁痕用放大镜等器材。2.5.2磁粉检测材料的选择磁粉探伤材料主要包括磁粉、载液、磁悬液、反差增强剂、标准试块和试片。在磁粉探伤过程中，要想达到良好的检测效果，那么对于它们的选择就不能忽视。以下是对磁粉探伤材料的基本介绍。磁粉磁粉是磁粉探伤中显示缺陷的媒介，磁粉的质量、纯度都会直接影响到检测过程。可将其分为荧光和非荧光两种磁粉。其中非荧光磁粉常用黑色Fe3O4和红褐色r-Fe2O3磁粉。可以直接使用作为干法用磁粉，也可跟载液形成磁悬液，即湿法用磁粉。（2）载液前面说到的载液正是这里介绍的。通常由油、水和乙醇作为载液配制磁悬液。使用不同的载液会有不同的标准要求。如水载液要相应的加入防锈、润湿等试剂。其他要求可查阅相关文献。（3）磁悬液磁悬液分为荧光磁悬液和非荧光磁悬液。磁悬液浓度对缺陷检测影响很大，浓度低，容易导致漏检；浓度高则会掩盖相关显示。（4）标准试块和试片标准试块是用来检验磁粉探伤系统的灵敏度标准试片是用来估计受检制件磁化时的表面磁场强度大小和方向。JB/T6065、JB/T6066对它们分别作了规定。2.6实验方案2.6.1实验用试件介绍（1）样品一：40Cr钢大直径光身轴，如图2-17。外形尺寸大小约为∅280mm×1300mm，大直径光身轴经过调质处理后，接着对其端面切削加工时发生异常开裂【3】。图2-1740Cr钢大直径光身轴样品二：Cr12MoV钢陶瓷模具生产过程中异常开裂，如图2-18。图2-18Cr12MoV钢陶瓷模具已知此模具的制造工艺：①外购已改锻和球化退火的模块毛坯，其尺寸为225mm×225mm×50mm，②机加工模块至210mm×210mm×45mm，③外协淬火回火热处理，硬度为62～58HRC，④平面磨削模块的基准平面和4个侧面，⑤电火花线切割加工出模具的双圆弧状工作面，⑥钳工精整【4】。2.6.2具体实验方案（1）仪器设备1、磁粉探伤仪选用便携式探伤仪，型号ES-X，AC：220/240V-50/60HZ，如图2-19。电流采用交流电，因为交流电有趋肤效应，便于近表面缺陷的检出，磁化方法采用湿法连续法。图2-19便携式探伤仪图2-19便携式探伤仪2、使用载液为油的黑油磁悬液，HD-BO型，如图2-20所示。图2-20黑油磁悬液3、灵敏度试片选用A1型标准试片，如图2-20所示。使用时将试片无人工缺陷的表面朝上，使试片与被检面接触良好，用透明胶带将其整体贴在被检面上，但人工缺陷处不得贴覆。试验时边磁化边施加磁悬液，以人工缺陷清晰显示来确定磁化规范、磁化方向和有效磁化范围。图2-21灵敏度试片图2-21灵敏度试片4、反差增强剂，FC-5型，如图2-22所示。图2-22反差增强剂（2）具体流程1、预处理样品试件表面处理：清除焊缝表面氧化皮及污渍等，使试件表面露出金属光泽，并保证被检区域光滑。2、在被检试件表面均匀喷涂一层反差增强剂。3、磁化施加磁悬液：通电磁化的同时喷洒磁悬液，在磁化过程中保持有效磁化区域内始终处于润湿状态；磁化过程：调整电磁轭的活动关节，保证磁极与工件接触良好；每次通电磁化时间1~3s，停止喷洒磁悬液至少1s后再断电停止磁化，根据需要可重复磁化几次。4、磁痕的观察与记录在缺陷磁痕形成后立即观察，采用照相法进行记录。5、退磁两个试件均不需要退磁。5、后处理清洗掉工件表面的磁粉以及反差增强剂等。实验流程图如图2-23所示。图2-23连续法磁粉检测操作流程

3实验结果分析3.1磁痕分析（1）40Cr钢大直径光身轴的磁痕分析如图3-1为40Cr钢大直径光身轴磁粉检测结果的磁痕显示情况。很明显在图3-1中有一条明显的裂纹，仔细观察，还能发现在图中圈出部分有两条微小裂纹。局部放大图如3-2所示。磁痕分析：观察发现，三条磁痕线都呈现出直线状，磁痕浓密清晰。再结合40Cr钢大直径光身轴已知的加工工艺，可以初步判断，裂纹可能是在热加工工艺过程中由于热应力导致产生的裂纹。图3-140Cr钢大直径光身轴磁痕显示图图3-2局部放大图（2）Cr12MoV钢陶瓷模具的磁痕分析如图3-3所示，即为Cr12MoV钢陶瓷模具磁粉探伤的磁痕显示情况。磁粉检测结果发现，除了图3-3中1处的明显裂纹以外，在表面还分布着许多微小裂纹，主要集中在图中标出的三处地方。磁痕分析：局部放大图如图3-4、图3-5和图3-6所示。整体看磁痕样子有点像树枝状，细看每一处磁痕，可以发现大部分以直线或弯曲的线状为主。且磁痕都不怎么浓密。结合Cr12MoV钢陶瓷模具的加工工艺分析，可能是在回火加工的时候，回火不足导致开裂。图3-3Cr12MoV钢陶瓷模具的磁痕显示图图3-41处局部放大图图3-52处局部放大图图3-63