涡流检测物理基础

1、涡流检测技术涡流检测技术材料工程系：马胜梅材料工程系：马胜梅第一章涡流检测的物理基础第一章涡流检测的物理基础复习1 1、涡流检测的基本原理？、涡流检测的基本原理？Conductive materialCoilCoils magnetic fieldEddy currentsEddy currents magnetic field复习2 2、涡流检测的优点、涡流检测的优点3 3、涡流检测适用范围？、涡流检测适用范围？ 铝合金锻件的热处理质量铝合金锻件的热处理质量、碳钢的材料分选碳钢的材料分选、 导电材料的表面缺陷导电材料的表面缺陷、铝铸件表面裂纹铝铸件表面裂纹、 钢表面淬火硬度不均匀度钢表面淬火

2、硬度不均匀度、铸钢中心部位孔穴、 钢焊缝的母材与熔敷金属界面钢焊缝的母材与熔敷金属界面、 金属表面涂层厚度的测定。金属表面涂层厚度的测定。 凡是有电荷的地方，周围就存在着电场。电场的基本性质凡是有电荷的地方，周围就存在着电场。电场的基本性质是，对处在场中的任何其他电荷都有作用力是，对处在场中的任何其他电荷都有作用力( (同性相斥、异同性相斥、异性相吸性相吸) )，称为电场力。同时，当带电体，称为电场力。同时，当带电体( (或电荷或电荷) )在电场中在电场中移动时，电场力要对它做功，这表示电场还具有能量。移动时，电场力要对它做功，这表示电场还具有能量。电场电场表征电场能量性质的物理量叫电位，是个

3、数量，用表征电场能量性质的物理量叫电位，是个数量，用U U表示。表示。电场中某点的电位，它的大小等于单位正电荷从该点移到电场中某点的电位，它的大小等于单位正电荷从该点移到无限远处时电场力所做的功。而电场中无限远处时电场力所做的功。而电场中abab两点之间电位的两点之间电位的差叫做电位差，也叫电压用差叫做电位差，也叫电压用UabUab来表示。来表示。 电位电位1.3 1.3 涡流检测的基础知识涡流检测的基础知识1.3.1 1.3.1 材料的导电性材料的导电性1.1.金属导电的物理本性金属导电的物理本性自然界中的物体按照电荷在其中是否容易转移或自然界中的物体按照电荷在其中是否容易转移或传导可以分为

4、传导可以分为导体、绝缘体和半导体导体、绝缘体和半导体三类。三类。导体：导体：凡是能够迅速转移或传导电荷的物体叫导凡是能够迅速转移或传导电荷的物体叫导体如金属等；体如金属等；绝缘体：绝缘体：几乎不能转移或传导电荷的物体叫绝缘几乎不能转移或传导电荷的物体叫绝缘体，如橡胶、玻璃等；体，如橡胶、玻璃等；半导体：半导体：而介于两者之间的叫半导体如石墨、硅、而介于两者之间的叫半导体如石墨、硅、锗等。锗等。 导体和绝缘体可以相互转化，玻璃常温下导体和绝缘体可以相互转化，玻璃常温下是绝缘体，高温熔化后变成了导体是绝缘体，高温熔化后变成了导体1.3.1 1.3.1 材料的导电性材料的导电性 如果在金属的两端提供

5、电位差，就会如果在金属的两端提供电位差，就会在金属中产生电场。于是，自由电子在金属中产生电场。于是，自由电子在这个电场的作用下就会从低电位移在这个电场的作用下就会从低电位移向高电位，从而形成电流。由于在金向高电位，从而形成电流。由于在金属中自由电子的数量多，很容易发生属中自由电子的数量多，很容易发生电荷的移动，因此，金属容易导电。电荷的移动，因此，金属容易导电。 欧姆定律即：欧姆定律即：金属为什么会金属为什么会导电呢？导电呢？金属金属原子的结合方原子的结合方式式 这种阻碍电荷移动的能力称为电阻。对于给定材这种阻碍电荷移动的能力称为电阻。对于给定材料的一段导体，它的电阻与长度（料的一段导体，它的

6、电阻与长度（L L）与横截面积）与横截面积(s)(s)成反比，即成反比，即 是一个仅与导体材料有关的物理量，叫材料的是一个仅与导体材料有关的物理量，叫材料的电阻率电阻率，单位是欧姆，单位是欧姆米。米。 电阻率的倒数电阻率的倒数称作称作电导率电导率 。1.3.1 1.3.1 材料的导电性材料的导电性1.3.1 1.3.1 材料的导电性材料的导电性 工程技术中还可用工程技术中还可用IACSIACS（国际退火铜标准）单（国际退火铜标准）单位来表示电导率位来表示电导率: : 电阻率的值越小电阻率的值越小, ,电导率的值越大电导率的值越大, ,材料的导材料的导电性能就越好常用金属材料的电阻率、电导率及电

7、性能就越好常用金属材料的电阻率、电导率及温度系数见表温度系数见表1-1(1-1(课本第课本第4 4页页) )。 100%()xIACS标准退火铜电阻率金属的电阻率1.3.1 1.3.1 材料的导电性材料的导电性 温度对电阻的影响温度对电阻的影响 金属的电阻随温度的升高而增大。当温度接金属的电阻随温度的升高而增大。当温度接近于熔点或接近近于熔点或接近0K0K时，电阻与温度呈下式所表时，电阻与温度呈下式所表示的线性关系：示的线性关系：3.3.影响金属导电性的主要因素影响金属导电性的主要因素 电阻温度系数随所选择的起始温度电阻温度系数随所选择的起始温度T0T0而异。而异。当电阻率与温度呈线性关系时，

8、对不同起始温当电阻率与温度呈线性关系时，对不同起始温度的电阻温度系数可用下式换算：度的电阻温度系数可用下式换算：1.3.1 1.3.1 材料的导电性材料的导电性1.3.1 1.3.1 材料的导电性材料的导电性 杂质对电阻的影响杂质对电阻的影响 纯金属具有规则的结纯金属具有规则的结晶格子，因此电阻率很晶格子，因此电阻率很小。杂质，即使含量极小。杂质，即使含量极少，也会导致金属晶格少，也会导致金属晶格的畸变，造成电子散射，的畸变，造成电子散射，电阻率增加。电阻率增加。1.3.1 1.3.1 材料的导电性材料的导电性 应力对电阻的影响应力对电阻的影响 弹性范围内单向拉伸或者扭转应力能提高金属的电阻弹

9、性范围内单向拉伸或者扭转应力能提高金属的电阻率，并存在下面的关系：率，并存在下面的关系： 单向拉单向拉应力使电阻率增加了，拉伸时使原子的间距增应力使电阻率增加了，拉伸时使原子的间距增大，同时晶格也发生了扭曲大，同时晶格也发生了扭曲。 单向压应力时电阻率有所降低。单向压应力时电阻率有所降低。0r0r(1); 无负荷时的电阻率应力系数拉应力1.3.1 1.3.1 材料的导电性材料的导电性 形变对电阻的影响形变对电阻的影响 金属冷加工引起的变形对电阻亦有影响，当冷变形度超金属冷加工引起的变形对电阻亦有影响，当冷变形度超过过1010时，电阻稍有增加，通常纯金属由冷变形引起的电时，电阻稍有增加，通常纯金

10、属由冷变形引起的电阻率的增加约为阻率的增加约为2626。1.3.1 1.3.1 材料的导电性材料的导电性 热处理对电阻的影响热处理对电阻的影响 导电金属经冷变形后，强度和硬度增高，导电性降低。导电金属经冷变形后，强度和硬度增高，导电性降低。退火后，其电导率可得到恢复。退火后，其电导率可得到恢复。非导电材料：橡胶、油漆、金属氧化物、塑料、搪瓷。非导电材料：橡胶、油漆、金属氧化物、塑料、搪瓷。导电性好的材料：银、铜、铝、铁、钛导电性好的材料：银、铜、铝、铁、钛半导体：石墨、硅、锗半导体：石墨、硅、锗4.4.典型材料的导电性典型材料的导电性 1.3.1 1.3.1 材料的导电性材料的导电性复习1 1

11、、电流和电阻的产生原理、电流和电阻的产生原理2 2、电阻率和电导率、电阻率和电导率3 3、国际退火铜标准国际退火铜标准表示电导率表示电导率4 4、影响金属导电性的因素、影响金属导电性的因素 温度、杂质、应力、形变、热处理温度、杂质、应力、形变、热处理1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性 磁铁能够吸引铁块是人所共知的磁现象。磁铁能够吸引铁块是人所共知的磁现象。每一块磁铁都有两个磁极一个叫每一块磁铁都有两个磁极一个叫N N极一个叫极一个叫S S极。极。两个相同的极就会互相排斥；不同的极则互相两个相同的极就会互相排斥；不同的极则互相吸引。这说明，磁铁的磁极之间有相互作用力吸引。这说明，磁

12、铁的磁极之间有相互作用力存在，叫做磁力。存在，叫做磁力。1.1.物质的磁特性物质的磁特性 磁力磁力1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性磁场磁场磁场不只是由磁铁产生，电流也能产生磁场磁场不只是由磁铁产生，电流也能产生磁场1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性磁场磁场1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性 一切物质都是由原子所构成的，而原子则是由原子核一切物质都是由原子所构成的，而原子则是由原子核和电子所组成，这些运动着的电子和电子所组成，这些运动着的电子( (它不仅绕核旋转，而它不仅绕核旋转，而且还有自旋且还有自旋) )相当于一个闭合回路的电流，这种特殊形式相当于

13、一个闭合回路的电流，这种特殊形式的电流在它自己的用围产生了磁场。因此物质的磁性是电的电流在它自己的用围产生了磁场。因此物质的磁性是电子在原子中的旋转运动所引起的。也就是说，自然界中没子在原子中的旋转运动所引起的。也就是说，自然界中没有非磁性的物质，它们毫无例外地都具有不同程度的磁性。有非磁性的物质，它们毫无例外地都具有不同程度的磁性。 1.1.物质的磁特性物质的磁特性 轨道磁矩轨道磁矩自旋磁矩自旋磁矩1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性1.1.物质的磁特性物质的磁特性 当原子中一个电子层已经排满时，这个层电子磁当原子中一个电子层已经排满时，这个层电子磁矩总和就等于零，该原子就没有磁

14、矩；若一个原子的矩总和就等于零，该原子就没有磁矩；若一个原子的电子层未被排满，电子磁矩的总和不为零，该原子就电子层未被排满，电子磁矩的总和不为零，该原子就有了磁矩。有了磁矩。 物体本身内部电子的自旋和轨道物体本身内部电子的自旋和轨道 磁矩和为零，对外不显示磁性，若磁矩和为零，对外不显示磁性，若 加上外加磁场就被磁化，会表现加上外加磁场就被磁化，会表现 出一定的磁性出一定的磁性。到底一个原子有没有磁矩？或者对外显到底一个原子有没有磁矩？或者对外显示磁性吗？示磁性吗？1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性 根据磁性的强弱，又可将物质分为根据磁性的强弱，又可将物质分为抗磁性、顺磁性抗磁性、

15、顺磁性和铁磁性和铁磁性三类。三类。 抗磁性物质：抗磁性物质：使磁场减弱的物质，磁化率为负。氢、水、使磁场减弱的物质，磁化率为负。氢、水、金、银、铜等；金、银、铜等； 顺磁性物质：顺磁性物质：使磁场略有增强的物质，磁化率为正。氧、使磁场略有增强的物质，磁化率为正。氧、空气、铝、铂等。高温下（高于居里温度时）铁、钴、空气、铝、铂等。高温下（高于居里温度时）铁、钴、镍具有顺磁性。镍具有顺磁性。 铁磁性物质：铁磁性物质：使磁场剧烈增加的物质，磁化率很大。铁、使磁场剧烈增加的物质，磁化率很大。铁、钴、镍等。钴、镍等。1.1.物质的磁特性物质的磁特性 1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性铁磁性

16、铁磁性的基本特点是的基本特点是自发磁化自发磁化和和磁畴磁畴。自发磁化自发磁化：由于物质自身的能量，使任一小区域内的所有：由于物质自身的能量，使任一小区域内的所有原子磁矩都按一定规则排列起来的现象。原子磁矩都按一定规则排列起来的现象。2.2.磁畴磁畴 磁磁畴畴：铁磁性物质铁磁性物质在不强的磁场作用下，就在不强的磁场作用下，就容易磁化到饱和，其原因是物质内部容易磁化到饱和，其原因是物质内部有磁畴存在。有磁畴存在。铁磁铁磁性物质在没有外磁性物质在没有外磁场作用时，原子磁矩已在一个个小的场作用时，原子磁矩已在一个个小的区域内按某一方向平行排列，每一个区域内按某一方向平行排列，每一个小域都达到了磁化饱和

17、的程度这种小域都达到了磁化饱和的程度这种小区域称为小区域称为磁畴磁畴。 畴壁畴壁1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性 磁化是通过磁畴的转动和磁畴畴壁的移动来完磁化是通过磁畴的转动和磁畴畴壁的移动来完成的。若铁磁性物质需要的磁化能量小，说明成的。若铁磁性物质需要的磁化能量小，说明它容易磁化，反之就难于磁化。它容易磁化，反之就难于磁化。 磁化磁化 若将铁磁性物质置于外磁场若将铁磁性物质置于外磁场中，磁场作用使磁畴的磁矩中，磁场作用使磁畴的磁矩从各个不同方向转到磁场的从各个不同方向转到磁场的方向或接近磁场的方向，因方向或接近磁场的方向，因此对外呈现较强或很强的磁此对外呈现较强或很强的磁性

18、。这一过程就是性。这一过程就是磁化磁化。1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性HB磁导率磁导率磁介质中磁感应强度与磁场强度之比。磁介质中磁感应强度与磁场强度之比。用用表示表示表征磁介质导磁性能的物理量表征磁介质导磁性能的物理量磁场强度磁场强度H H其实是指外加磁场的强度，乘以一个系数其实是指外加磁场的强度，乘以一个系数，得到因磁感应而磁化以后总磁场的强度得到因磁感应而磁化以后总磁场的强度B B，即磁感应强度，即磁感应强度1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性 各种铁磁性材料的磁导率由冷加工、淬火处理、杂质各种铁磁性材料的磁导率由冷加工、淬火处理、杂质等引起的晶格变化，阻碍畴

19、壁移动，会使磁导率降低。等引起的晶格变化，阻碍畴壁移动，会使磁导率降低。退火处理会使磁导率上升。退火处理会使磁导率上升。1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性 当没有外磁场作用时，铁磁物质内部各磁畴的磁矩当没有外磁场作用时，铁磁物质内部各磁畴的磁矩取向是杂乱无章的，磁矩是相互抵消的，因而对外不显取向是杂乱无章的，磁矩是相互抵消的，因而对外不显磁性。但当铁磁材料被置于外磁场中时，在磁场作用下，磁性。但当铁磁材料被置于外磁场中时，在磁场作用下，各个磁畴磁矩在一定程度上沿着磁场方向排列起来，这各个磁畴磁矩在一定程度上沿着磁场方向排列起来，这样在宏观上就对外显示出一定的磁性。样在宏观上就对外

20、显示出一定的磁性。 为了描述材料的磁化状态，定义一个称为为了描述材料的磁化状态，定义一个称为磁化强度磁化强度的的矢量，用矢量，用M M表示。它表示单位体积内所有磁矩的矢量和。表示。它表示单位体积内所有磁矩的矢量和。单位是单位是A/MA/M（安（安/ /米）。米）。体积。单个分子的磁矩；VmVmMiiV0lim3.3.铁磁性材料的磁化规律铁磁性材料的磁化规律 磁化强度磁化强度1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性 实验方法测定磁化曲线，实验方法测定磁化曲线，18711871年斯托列托夫最早测年斯托列托夫最早测定了铁的磁化曲线。定了铁的磁化曲线。 磁化场是由绕在环状铁芯磁化场是由绕在环状

21、铁芯上的螺管产生的，改变磁上的螺管产生的，改变磁场强度是通过改变电流大场强度是通过改变电流大小的方法得到的。小的方法得到的。磁化曲线磁化曲线1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性 磁化曲线：铁磁性材料的磁化曲线如图所示。磁化曲线：铁磁性材料的磁化曲线如图所示。铁磁性物质在外磁场作用下所具有的磁化规律，又称技术磁化曲线铁磁性物质在外磁场作用下所具有的磁化规律，又称技术磁化曲线饱和磁饱和磁化强度化强度HM）：相对磁导率（无量纲），：真空磁导率（），：磁导率（），磁感应密度（无量纲：磁化率磁场强度，：磁化强度rrrH/mH/mT:B1 )(,A/m)(:HA/m)(00HHBMHM磁化率磁

22、化率1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性磁化率大于和小于0分别表示什么？HB磁导率磁导率 在涡流检测中，对于非磁性材料在涡流检测中，对于非磁性材料可看作为常数，可看作为常数，不必考虑不必考虑的变化所带来的影响，而的变化所带来的影响，而铁磁铁磁性材料，不性材料，不仅仅r r很大，很大，实际上也是个变量，因此，需要考虑实际上也是个变量，因此，需要考虑的的变化所产生的效应。变化所产生的效应。材料。的金属称为铁磁性金属把材料。的金属称为非磁性金属通常把11rr1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性HBVmMiV0limHM磁性材料的

23、磁性是随着磁性材料的磁性是随着温度而改变的。温度而改变的。在在一定一定温度以上，材料的磁性温度以上，材料的磁性就完全消失，这个使磁就完全消失，这个使磁性材料完全失去磁性的性材料完全失去磁性的温度称为居里温度温度称为居里温度( (或或称居里点称居里点) )。它是强磁它是强磁性和顺磁性转变的温度，性和顺磁性转变的温度，也就是铁磁性材料使用也就是铁磁性材料使用温度的最高极限。温度的最高极限。1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性4 4. .居里温度居里温度 1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性 铁磁性材料在居里温度以上进行涡流检测可铁磁性材料在居里温度以上进行涡流检测可视为非铁

24、磁性材料视为非铁磁性材料1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性磁化后的剩余磁磁化后的剩余磁感应强度感应强度BrBr剩磁剩磁矫顽力用矫顽力用HcHc表示表示矫顽力矫顽力磁滞回线和磁滞现象磁滞回线和磁滞现象磁锻炼磁锻炼v 磁滞回线所包围的面积表示的铁磁性物质磁化与反磁化一磁滞回线所包围的面积表示的铁磁性物质磁化与反磁化一周的能量损耗，称为磁滞损失。周的能量损耗，称为磁滞损失。v 不同铁磁材料的饱和磁滞回线所包围的面积是不同的，软不同铁磁材料的饱和磁滞回线所包围的面积是不同的，软磁材料的磁滞回线狭窄，所包围的面积小，故磁化时损耗磁材料的磁滞回线狭窄，所包围的面积小，故磁化时损耗的能量小，磁

25、化容易；的能量小，磁化容易； v 硬磁材料的磁滞回线形状肥大，所包围的面积大，损耗的硬磁材料的磁滞回线形状肥大，所包围的面积大，损耗的能量多，故磁化困难。能量多，故磁化困难。v 非铁磁性材料，相同的磁场强度引起的变化要比铁磁性材非铁磁性材料，相同的磁场强度引起的变化要比铁磁性材料小得多，其回线是直线，没有饱和与滞后现象。料小得多，其回线是直线，没有饱和与滞后现象。v 磁滞现象是铁磁性材料磁化所特有的现象。磁滞现象是铁磁性材料磁化所特有的现象。1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性磁滞损失磁滞损失1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性HBTQTQ两点连线的斜率称两点连线的斜率

26、称为为增量磁导率。增量磁导率。局部磁滞回线局部磁滞回线 在检查铁磁性材在检查铁磁性材料的缺陷时，常用直料的缺陷时，常用直流磁化的方法将铁磁流磁化的方法将铁磁性材料磁化到饱和，性材料磁化到饱和，使磁导率的变化趋向使磁导率的变化趋向等于等于1 1的渐近线趋近，的渐近线趋近，故可作为非铁磁性材故可作为非铁磁性材料来对待。料来对待。1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性 主要有温度、形变以及材料的组织等。主要有温度、形变以及材料的组织等。 一般饱和磁化强度一般饱和磁化强度Ms随随温度温度的升高而下降，低的升高而下降，低温时温时Ms下降得较为缓慢，当温度接近居里点时下降得较为缓慢，当温度接近居

27、里点时Ms急剧下降，到居里点时为零。这种下降是由急剧下降，到居里点时为零。这种下降是由于原子的热运动产生的自旋无序倾向所造成的。于原子的热运动产生的自旋无序倾向所造成的。对于磁导率和温度的关系可分为两种情况，对于磁导率和温度的关系可分为两种情况，1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性 塑性形变塑性形变越大使磁导率下降，矫顽力增大，退火后磁导率提越大使磁导率下降，矫顽力增大，退火后磁导率提高，矫顽力降低。晶粒越细小磁导率越小，矫顽力越大。高，矫顽力降低。晶粒越细小磁导率越小，矫顽力越大。材料组织影响，晶粒大小和加工硬化的影响相同。材料组织

28、影响，晶粒大小和加工硬化的影响相同。铁素体晶粒越细小，磁导率越小，矫顽力越大。铁素体晶粒越细小，磁导率越小，矫顽力越大。纯度越高磁导率越大，矫顽力越小；纯度越高磁导率越大，矫顽力越小；晶界亚晶界、位错越少，磁导率越高，矫顽力越晶界亚晶界、位错越少，磁导率越高，矫顽力越小；小；应力越小，磁导率越高，矫顽力越小。应力越小，磁导率越高，矫顽力越小。1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性 在铁磁性金属中溶入抗磁性金属，可使磁在铁磁性金属中溶入抗磁性金属，可使磁化强度降低，并随着溶质原子浓度的增加而下化强度降低，并随着溶质原子浓度的增加而下降。溶质原子的原子价愈高，则磁化强度降低降。溶质原子的原子价愈高，则磁化强度降低得就愈剧烈，见得就愈剧烈，见下下图图 在铁磁性金属中溶入抗磁性金属在铁磁性金属中溶入抗磁性金属，铁钴镍是铁磁性物质，铁钴镍是铁磁性物质1.3.2 1.3.2 材料的磁特性材料的磁特性 铁磁物质溶入强顺磁性金属时，少量的溶质能铁磁物质溶入强顺磁性金属时，少量的溶质能使使MsMs增高，但溶质浓度增加得多时增高，但溶质浓度增加得多时，反而导致反而导致MsMs降低。降低。 两种铁磁性物质组成固溶体时，如两种铁磁性物质组成固溶体时，如FeNiFeNi和和NiCoNiCo，它们的，它们的MsM