《无损检测概论》课件-第5章磁粉检测

第五章磁粉检测天津海运职业学院胡春亮机械工业出版社2020版无损检测概论1Copyright©2020/磁粉检测原理漏磁场+目视检测01磁粉检测系统磁粉探伤机、磁粉或磁悬液、标准试片、照明设备等02磁粉检测方法连续法、剩磁法03磁粉检测应用不同磁化方法的典型应用04目录2Copyright©2020/磁粉检测是利用磁现象来检测工件中缺陷的方法17世纪法国著名物理学家对磁力作了定量的研究；19世纪初期，丹麦科学家奥斯特发现了电流周围存在着磁场。1918年，美国人霍克发现铁粉末聚集于工件表面的裂纹区域，在表面形成与缺陷形状有关联的图形，于是他第一个提出，可以利用磁铁吸引铁屑的物理现象来进行检测。1928年，美国人Forest为解决油井钻杆断裂，研制出了周向磁化，使用了尺寸和形状受控并具有磁性的磁粉，获得了可靠的检测结果。1934年，生产磁粉检测设备和材料的美国磁通公司创立，一台用来演示磁粉检测技术的实验性的固定式磁粉探伤设备问世。1938年，德国发表了《无损检测论文集》，对磁粉检测的基本原理和装置进行了描述。1940年2月，美国编写了《磁通检验原理》的教科书，1941年荧光磁粉投入使用。磁粉检测从理论到实践，初步形成一种无损检测的方法。3Copyright©2020/磁粉检测历史发展电磁铁试验装置（1928，英格兰斯特兰德）磁的基本现象磁铁能够吸引铁磁性材料的特性叫磁性凡能够吸引其他铁磁性材料的物体叫磁体，磁体是能够建立或有能力建立外磁场的物体。磁体分为永磁体、电磁体和超导磁体等，永磁体是不需要外力维持其磁场的磁体；电磁体是需要电源维持其磁场的磁体；超导磁体是用超导材料制成的磁体。磁铁各部分的磁性强弱不同，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。磁极间相互排斥或吸引的力称为磁力。使原来没有磁性的物体得到磁性的过程叫磁化。5.1磁粉检测原理4Copyright©2020/磁现象和磁场磁场磁体间的相互作用是通过磁场来实现的。磁场，是指具有磁力作用的空间。磁铁或通电导体的内部和周围存在着磁场。磁体间的相互作用是通过磁场来实现的。5.1磁粉检测原理5Copyright©2020/磁现象和磁场磁力线磁力线也称磁感线，是用以形象地描绘磁场的大小、方向和分布情况的曲线。磁力线每点的切线方向与该点的磁场方向一致。磁力线的疏密程度反映磁场的大小，磁场大小与单位面积磁力线数目成正比。故磁力线密集的地方磁场大，磁力稀疏的地方磁场小。磁力线特性：①磁力线是具有方向性的闭合曲线；②磁力线互不相交；③磁力线可描述磁场的大小和方向；④磁力线总是沿着磁阻最小的路径通过。5.1磁粉检测原理6Copyright©2020/磁现象和磁场表征磁场方向和大小的量称为磁场强度，常用符号H表示，磁场强度的方向由载电流的小线圈在磁场中取稳定平衡位置时线圈法线的方向确定；磁场强度的大小则由线圈法线垂直于磁场强度方向的位置时作用于线圈上的力偶矩来决定。磁场强度的法定计量单位为安〔培〕每米，A/m，等于与一根通以1A电流的长导线相距（π/2）m的地方发生的磁场强度。5.1磁粉检测原理7Copyright©2020/磁场强度将原来不具有磁性的铁磁性材料放入外加磁场中，便得到了磁化，它除了外加磁场外，在磁化状态下铁磁性材料自身还产生一个感应磁场，这两个磁场叠加起来的总磁场，称为磁感应强度用符号B表示。磁感应强度的法定计量单位为特〔斯拉〕，T，等于每平方米面积上通过一条磁感应线的磁感应强度。先前所用的单位高斯（Gs）已废除，1Gs≈10-4T。5.1磁粉检测原理8Copyright©2020/磁感应强度5.1磁粉检测原理9Copyright©2020/磁导率磁导率又叫导磁系数，是衡量在材料中建立磁通量的容易程度的材料属性。可由下式表达：可见，磁导率是磁滞回线任意点的切线的斜率。书中或论文中我们所见到的磁导率值都是材料的最大磁导率值或是最大的相对磁导率值。最大值点在材料未被完全磁化的曲线oa上，通常取通过原点的直线与oa线相切的点。相对磁导率是：材料感受外加磁场对其的磁作用，即磁感应。而材料中因磁感应所建立的磁场也将反作用于外加磁场。不同材料对外加磁场的影响反应不同。根据磁感应能力的不同，可将材料分为抗磁性材料、顺磁性材料和铁磁性材料。抗磁性材料：仅有极弱的感受力，磁导率μ＜1，而且没有剩磁。元素周期表中的大部分元素为抗磁性，包括铜（Cu）、银（Ag）及金（Au）等。顺磁性材料：有较低的感受力，磁导率μ＞1，亦无剩磁。包括镁（Mg）、钼（Mo）、锂（Li）及钽（Ta）等。铁磁性材料：有很强的感受力，磁导率μ＞＞1，有剩磁。包括铁（Fe）、钴（Co）及镍（Ni）。5.1磁粉检测原理磁性材料的分类10Copyright©2020/铁磁性材料获得磁性不仅是因为其原子中运动的电子具有磁矩，而且是由于此类材料是由许多磁畴组成。磁畴可由磁力显微镜观察。在磁畴中的众多原子自动排列而表现出某一方向的强磁场效应。但是，材料整体却不表现出磁性，这是因为众多磁畴的磁方向是随机的。在外加磁场作用或通以电流情况下，磁畴有规律地排列从而表现出磁性。外加磁场强度越大磁性越大，但非一味线性增加，因有磁饱和。热轧碳钢中的磁畴5.1磁粉检测原理磁性材料的分类11Copyright©2020/一块未被磁化的铁磁性材料放入外磁场中时，随着外磁场强度H的增大，材料中的磁感应强度（B）开始时增加是很快的，如图5-1中曲线OP1所示；而后增加较慢直至达到饱和点P1。当磁场强度逐步回到零时，材料中的磁感应强度（B）不为零而是保持为Br值，这时的磁感应强度称为剩余磁感应强度（剩磁）。要使材料中的磁感应强度减少到零，必须施加反向磁场，使B减少到零所须施加的反向磁场强度的大小Hc称为矫顽力。如果反向磁场强度继续增大，B可再次达到饱和值点P2，当H从负值回到零时，材料具有反方向的剩磁，磁场强度经过零点沿正方向增加时，曲线经过一个循环回到P1点，完成的闭合曲线称为材料的磁滞回线。5.1磁粉检测原理12Copyright©2020/磁化过程随着磁场强度H的增加，磁感应强度B增加。到达点则几乎所有磁畴已规则排列，再增加H仅能稍提高B，即点是饱和点。如果降低H至0，则B由点降到点。可见，有一定的磁通存在于材料中即有剩磁。也就是有些磁畴仍保持着规则排列而有些则不是，即点是剩磁点。随着磁场方向的改变，由点到达点，此时B为0，点称为矫顽力点。aaabbcbc随着反向磁场强度的增加，由点到达点，即反向饱和点。降低H至0，则由点到达点，即反向剩磁点。再正向增加H则由点到达点，即反向矫顽力点，此时B为0。如果继续增加H，则由点回到点，形成闭合回线。ddecefaf磁滞回线较宽的材料具有：较低的磁导率较高的剩磁较高的矫顽力较高的磁阻较高的残留磁性磁滞回线较窄的材料具有：较高的磁导率较高的剩磁较低的矫顽力较低的磁阻较低的残留磁性磁滞回线磁化过程13Copyright©2020/电流通过的导体内部及其周围都存在着磁场，这些电流产生的磁场同样可以对磁铁产生作用力，这种现象称为电流的磁效应。磁场的方向与电流的方向之间存在着一定的关系，即满足右手螺旋法则。5.1磁粉检测原理14Copyright©2020/电流的磁场设圆柱导体半径R，均匀通入电流I。P为导体内任一点，距中心轴线为r；Pˊ为导体外任一点，距离中心轴心线为rˊ。15Copyright©2020/通电圆柱导体的磁场电流的磁场直圆柱导体内、外及表面的磁场强度分布如图所示。通电螺管线圈中存在着磁场，磁场的方向除了线圈的两端附近外，都是与线圈轴线方向平行的，并与磁化电流的方向有关。16Copyright©2020/通电线圈的磁场电流的磁场式中，H——螺管线圈中心轴线上P点的磁场强度；N——螺管线圈总匝数；L——螺管线圈总长度；I——通过线圈的电流；β1——P点轴线与线圈一端的夹角；β2——P点轴线与线圈另一端的夹角。在螺管线圈轴线中心，其磁场强度为：线圈匝数与电流的乘积NI称为线圈的磁通势，简称磁势，单位为安匝。从一种介质通向另一种磁介质时，如果两种磁介质的磁导率不同，那么，这两种磁介质中磁感应强度将发生变化，即磁感应线将在两种介质的分界面处发生突变，形成所谓折射，这种折射现象与光或声波的传播规律相似，并遵从折射定律：5.1磁粉检测原理17Copyright©2020/漏磁场磁感应线的折射折射定律表明，在两种磁介质的分界面处磁场将发生改变，磁感应线不再沿着原来的路径行进而发生折射。折射角与两种介质的磁导率有关。当磁感应线由磁导率较大的介质进入磁导率较小的介质时，磁感应线将折向法线，而且变得稀疏。反之，当磁感应线由磁导率较小的介质进入磁导率较大的介质时，磁感应线将折离法线，而且变得密集。在磁性材料不连续性处或磁路的截面变化处形成磁极，磁感应线溢出磁性材料表面所形成的磁场，称为漏磁场。磁通量从一种介质进入另一种介质时，因其磁导率的不同，磁感应线将发生折射，磁力线方向在界面处发生改变。可见，漏磁场是由于介质磁导率的变化而使磁通漏到缺陷附近的空气中所形成的磁场。5.1磁粉检测原理18Copyright©2020/漏磁场外加磁场强度漏磁磁感应强度随工件磁感应强度的增加而增加。当外加磁场使材料的磁感应强度达到饱和值的80%时,漏磁场强度急剧上升。工件材料及状态工件材料及状态主要包括材料的含碳量、合金化、冷加工及热处理状态等方面。随合金的含碳量增加，碳钢矫顽力增大，最大相对磁导率减小，漏磁场增大；合金化增大钢材的矫顽力，使其磁性硬化，漏磁场增大；退火和正火态钢材磁特性差别不大，而淬火后的钢材矫顽力变大，漏磁场增大；晶粒越大，钢材的磁导率越大，矫顽力越小，漏磁场减小；钢材的矫顽力和剩磁将随压缩变形率的增大而增加，漏磁场也增大。19Copyright©2020/影响缺陷漏磁场的因素漏磁场缺陷位置和形状同样的缺陷，位于表面时漏磁场最强；若位于距表面很深的地方，则几乎没有漏磁场；缺陷的宽深比越小，漏磁场越强；当缺陷垂直于工件表面时，磁力线与缺陷平面接近垂直时，漏磁场最强；缺陷平面与工件表面平行时，则几乎不产生漏磁通。缺陷平面与磁力线夹角小于20度时，很难检出。被检材料表面的覆盖层如图所示，材料表面有覆盖层时（如涂料等），降低缺陷漏磁场强度。20Copyright©2020/影响缺陷漏磁场的因素漏磁场工件表面覆盖层对磁痕的影响当被磁化的铁磁性材料表面或近表面存在缺陷，或组织状态发生变化时，导致该处的磁阻变化足够大时，在材料表面空间可形成漏磁场，如图5-7所示。将微细的铁磁性粉末（磁粉）施加在此表面上，漏磁场吸附磁粉形成磁痕，显示出缺陷的存在及形状，这就是磁粉检测的原理。5.1磁粉检测原理21Copyright©2020/磁粉检测原理和特点1-内部气孔2-裂纹3-磁粉4-漏磁场5-近表面气孔6-工件7-磁感应线不连续性处漏磁场的分布和磁粉检测的原理磁粉法的优点是：①能直观显示缺陷的形状、位置、大小，并可大致确定其性质；②具有高的灵敏度，可检出的缺陷最小宽度约为1μm；③几乎不受试件大小和形状的限制；④检测速度快，工艺简单，费用低廉。局限性是：①只能用于铁磁性材料；②只能发现表面和近表面缺陷，可探测的深度一般在1～2mm；③磁化场的方向应与缺陷的主平面相交，夹角应在45°～90°，有时，还需从不同方向进行多向磁化；④不能确定缺陷的埋深和自身高度；⑤宽而浅的缺陷难以检出；⑥也不是所有铁磁性材料都能采用，铁素体钢当磁场强度H≤2500A/m时，相对磁导率应是μr＝300，不锈钢的铁素体含量应大于70％；⑦检测后常需退磁和清洗；⑧试件表面不得有油脂或其他能粘附磁粉的物质。5.1磁粉检测原理22Copyright©2020/磁粉检测原理和特点磁粉检测优点和局限性磁粉法的优点是：①能直观显示缺陷的形状、位置、大小，并可大致确定其性质；②具有高的灵敏度，可检出的缺陷最小宽度约为1μm；③几乎不受试件大小和形状的限制；④检测速度快，工艺简单，费用低廉。局限性是：①只能用于铁磁性材料；②只能发现表面和近表面缺陷，可探测的深度一般在1～2mm；③磁化场的方向应与缺陷的主平面相交，夹角应在45°～90°，有时，还需从不同方向进行多向磁化；④不能确定缺陷的埋深和自身高度；⑤宽而浅的缺陷难以检出；⑥也不是所有铁磁性材料都能采用，铁素体钢当磁场强度H≤2500A/m时，相对磁导率应是μr＝300，不锈钢的铁素体含量应大于70％；⑦检测后常需退磁和清洗；⑧试件表面不得有油脂或其他能粘附磁粉的物质。5.1磁粉检测原理23Copyright©2020/磁粉检测原理和特点磁粉检测优点和局限性按设备重量和可移动性分为固定式、移动式和便携式三种5.2磁粉检测系统24Copyright©2020/磁粉检测设备磁粉探伤机

（a）便携式磁粉探伤仪（b）固定式磁粉探伤机

磁粉探伤机黑光灯主要由水银灯泡和滤光镜组成，它们装在一个手持式反光组件中，由稳压电源或变压器供电。灯的光强必须定期检查，在离滤光镜38cm处测量，光强必须至少达到1000uW/cm2。当汞弧没有充分预热时达不到最大光强至少要求预热5分钟，在检验中黑光灯正常工作时就应该一直开着，因为过多的开关会减少灯的使用寿命。黑光灯检验时，要求在黑暗中进行以获得最佳效果。工作完后要进行定期清理，来清除灰尘油污和脏物，否则会影响灯的光强。5.2磁粉检测系统25Copyright©2020/磁粉检测设备黑光灯

5.2磁粉检测系统26Copyright©2020/磁粉和磁悬液磁粉

磁粉一般是纯铁粉或氧化铁粉，一般用颜料着色以便增强对比度。一般应具有高的磁导率和低的矫顽力。高的磁导率保证其很容易被较弱的漏磁场磁化并吸引，低的矫顽力保证磁粉间以及磁粉和表面不紧密粘附，磁化后易于分散并有利于反复使用。分为干式混合粉即干粉以及将干粉与水或油混合而成磁悬液即湿粉。干粉一般有红、黑、灰、黄色，尺寸有50μm左右直径的细粉和150μm左右的粗粉。形状方面，一般为细长粉和圆形粉混合，混合比例一般为1～2倍。这是因为细长粉容易形成磁粉链条有利于缺陷显示，而圆形粉流动性强有利于定位缺陷。5.2磁粉检测系统27Copyright©2020/磁粉和磁悬液磁悬液磁悬液比干粉的检测灵敏度高，这是因为磁粉的移动性更好而且可以使用更细的磁粉的缘故。而且大面积的喷洒均匀性更加优良。不仅可以使用普通粉还可以使用荧光粉。荧光粉表面涂有荧光颜料，当紫外线照射时将发出荧光。磁粉直径为10μm或更小甚至可为0.1μm，也是细长粉和圆形粉的混合粉。载液有水和油。水液显示快但灵敏度低，成本低、无火灾危险、无石油化工产品的难闻气味，容易清洁等，一般加有防腐剂以免腐蚀零件，还加有除油污剂从而需附加消泡剂，而且容易蒸发故需时常维护。油液正相反，而且在钢表面的润湿性好于水，闪点高于200℉（93℃）。5.2磁粉检测系统28Copyright©2020/标准试件标准试片有A1型、C型、D型和M1型。标准试片适用于连续磁化法，使用时，应将试片无人工缺陷的面朝外。为使试片与被检面接触良好，可用透明胶带将其平整粘贴在被检面上，并注意胶带不能覆盖试片上的人工缺陷。标准试片表面有锈蚀、皱褶或磁特性发生改变时不得继续使用。磁场指示器是一种用于表示被检工件表面磁场方向、有效检测区以及磁化方法是否正确的一种粗略的校验工具，但不能作为磁场强度及其分布的定量指示。5.3磁粉检测方法29Copyright©2020/磁化电流5.3磁粉检测方法30Copyright©2020/磁化方法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。5.3磁粉检测方法31Copyright©2020/磁化方法纵向磁化是指将电流通过环绕工件的线圈，沿工件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。用于发现与工件轴向垂直的周向缺陷（横向缺陷）。5.3磁粉检测方法32Copyright©2020/磁化方法多向磁化是指通过复合磁化，在工件中产生一个大小和方向随时间成圆形、椭圆形或螺旋形轨迹变化的磁场。因为磁场的方向在工件上不断地变化着，所以可发现工件上多个方向的缺陷。33Copyright©2020/周向磁化磁化方法1电流2缺陷3工件4电极5中心导体（a）通电法（b）中心导体法

通电磁化和中心导体磁化

34Copyright©2020/周向磁化磁化方法（a）固定触头间距（b）非固定触头间距触头法35Copyright©2020/纵向磁化磁化方法（a）线圈法（b）磁轭法纵向磁化方法36Copyright©2020/多向磁化磁化方法交叉磁轭法5.3磁粉检测方法37Copyright©2020/磁粉检测灵敏度和磁化规范磁粉检测灵敏度检测时被检材料表面细小缺陷磁粉显现的程度叫做检测灵敏度，或叫磁粉检测灵敏度。根据工件上缺陷显现的情况，磁粉的显示可分为四种情况：显示不清。磁粉聚集微弱，磁痕浅而淡，不能显示缺陷全部情况，重复性不好，容易漏检，其检测灵敏度也是最低，不能作为判断缺陷的依据。基本显示。磁粉聚集细而弱，能显示缺陷全部形状和性质，重复性一般。其检测灵敏度表现亦欠佳，作为缺陷判断依据效果不佳。清晰显示。磁粉聚集紧密、集中、鲜明，能显示全部缺陷形状和性质，重复性良好，能达到需要的检测灵敏度。这是磁粉检测判断的标准。假显示。磁粉聚集过密，在没有缺陷的表面上有较明显的磁粉片或点状附着物。有时金属流线、组织及成分偏析、应力集中、局部冷作硬化等成分组织的不均匀现象也有所显示。伪显示影响缺陷的正常判断，是检测灵敏度显示过度的反映，应该注意排除。5.3磁粉检测方法38Copyright©2020/磁粉检测灵敏度和磁化规范影响磁粉检测灵敏度的主要因素有：正确的磁化参数；合适的检测时机；适当的磁化方法和检验方法；磁粉的性能和磁悬液浓度及质量；检测设备的性能；工件形状与表面粗糙度；缺陷的性质、形状和埋藏深度；正确的工艺操作；检测人员的素质；照明条件等。5.3磁粉检测方法39Copyright©2020/磁粉检测灵敏度和磁化规范磁化方向的选择磁场方向与发现缺陷的关系:与磁场方向垂直的缺陷最容易产生足够的漏磁场，也就最容易吸附磁粉而显现缺陷的形状。当缺陷方向与磁场方向大于45度角时，磁化仍然有效；当缺陷方向平行于或接近平行于磁场方向时，缺陷漏磁场很少或没有。使缺陷方向与磁场方向垂直或接近垂直，能获得最大的漏磁场。选择工件磁化方法实际就是选择工件的最佳磁化方向。一般考虑几下因素：工件的尺寸大小；工件的外形结构；工件的表面状态；工件检测的数量；工件可能产生的缺陷的方向