磁粉检测物理基础1课件

磁粉检测物理基础广东省产品质量监督检验中心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

MagneticParticleTesting，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1－1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。

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HA/mOe磁通量ΦWbMx磁感应强度BTGs2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

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Φ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，B＝μH。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μ表示，表示材料被磁化的难易程度，单位H/mμ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μo在真空中，磁导率是常数，μo＝4π×10-7H/m2.2.3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，ΔV――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，J＝0；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1012～1015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。

B～H曲线的测绘方法:采用如图所示的装置

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（r>R）和导体内部r处（r<R）磁场强度：r>R时r<R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L>>D

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22.5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ΔH表示。

退磁场与材料的磁极化强度成正比。

ΔH――退磁场J――磁极化强度μo――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）ΔH――退磁场（A/m）

经过推导：2.5.3退磁因子NN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2－3两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2－33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μm对应的磁场强度Hμm，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75～200mm，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3-6P.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/D≥2b、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Dg、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3-18P.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.403.4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Hx＝Ho，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/e≈0.37的深度称为趋肤深度，可由下式求出：

――磁导率――电导率――电流的频率交流电的优点：a对表面缺陷检测灵敏度高b容易退磁c能够实现感应电流