磁粉检测(相关知识)

磁粉检测(相关知识)第1页，课件共49页，创作于2023年2月1磁粉检测原理自然界有些物体具有吸引铁、钻、镍等物质的特性。我们把这些具有磁性的物体称为磁体。使原来不带磁性的物体变得具有磁性叫磁化，能够被磁化的材料称为磁性材料。磁体各处的磁性大小不同，在它的两端最强。这两端称为磁极。每一磁体都有一对磁极即N极和S极。它们具有不可分割的特性，即使把磁体分割成无如小磁体，每一个小磁体同样存在N极和S极。一、磁粉检测原理：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所示。第2页，课件共49页，创作于2023年2月图1不连续性处漏磁场分布第3页，课件共49页，创作于2023年2月二、磁粉检测中的相关物理量1.磁场和磁力线磁场：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。如图2所示.第4页，课件共49页，创作于2023年2月（d）马蹄形磁铁被校直成条形磁铁后N极和S极的位置

（a）具有机加工槽的条形磁铁产生的漏磁场

（b）纵向磁化裂纹产生的漏磁场

(c)条形磁铁的磁力线分布

图2磁力线分布情况第5页，课件共49页，创作于2023年2月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：磁力线是具有方向性的闭合曲线。在磁体内，磁力线是由S极到N极，在磁体外，磁力线是由N极出发，穿过空气进入S极的闭合曲线。磁力线互不相交。磁力线可描述磁场的大小和方向。磁力线沿磁阻最小路径通过。第6页，课件共49页，创作于2023年2月3.磁感应强度B：设一电量为q的电荷在磁场中，以速度υ运动，其受到的最大磁力为Fm，则该点磁感应强度的大小为：磁感应强度B为矢量，其方向为该点处小磁针N极的方向，可以用右手螺旋法则来确定：由正电荷所受力Fm的方向，沿小于π的角度转向正电荷运动速度υ的方向，这时螺旋前进的方向便是该点B的方向，如图3所示；B的方向总是垂直于Fm和υ组成的平面。图3右手螺旋法则第7页，课件共49页，创作于2023年2月在国际单位制中，力Fm的单位用牛顿（N），电量q的单位用库仑（C），速度v的单位用米/秒（m/s），磁感应强度的单位定为N·s/（C·m）＝N/(A·m)，称为特斯拉，用T表示，即

1T=1N/(A·m)可以用磁感应线来描绘磁场的分布，并且规定：通过磁场中某点处垂直于B矢量的单位面积的磁感应线数等于该点B矢量的大小，该点磁感应线的切线方向为B矢量的方向。在任何磁场中，每一条磁感应线都是和闭合电流相互套链的无头无尾的闭合线，磁场较强的地方，磁感应线较密；反之，磁感应线就较疏，第8页，课件共49页，创作于2023年2月4.磁通量在磁场中，通过一给定曲面的总磁感应线，称为通过该曲面的磁通量，用Φ表示。

在曲面上取面积元ds，如图所示，ds的法线方向与该点处磁感应强度方向之间的夹角为θ，则通过面积元ds的磁通量为所以，通过有限曲面S的磁通量为磁通量的单位为T·m2，叫做韦伯（Wb）。因此，磁感应强度也称为磁通密度。第9页，课件共49页，创作于2023年2月

对闭合曲面来说，一般规定取向外的指向为正法线的指向，这样，磁感应线从闭合面穿出处的磁通量为正，穿入处的磁通量为负。由于磁感应线是闭合线，因此穿入闭合曲面的磁感应线数必然等于穿出闭合曲面的磁感应线数，所以通过任一闭合曲面的总磁通量必然为零，即上式称为磁场的高斯定理，是电磁场理论的基本方程之一。该定理说明，磁场是涡旋场，其磁感应线无头无尾，恒是闭合的。第10页，课件共49页，创作于2023年2月5.磁场强度它是表征磁化强度的物理量。空间任一点的磁场强度H等于导线中的电流（称为传导电流）所激发的磁场矢量和，称为安培环路定理：磁场强度为矢量，其单位为安/米（A/m）。安培环路定理表明H矢量的环流（沿任何闭合曲线的线积分）只和传导电流I有关，与磁介质的磁性无关。第11页，课件共49页，创作于2023年2月6.磁导率它是表征介质磁特性的物理量。式中为真空中的磁导率，。为相对磁导率。所有顺磁性材料、抗磁性材料的磁化率都很小，其相对磁导率几乎等于1，这说明它们对原磁场只产生微弱的影响。而铁磁性材料相对磁导率可达几十到几千。磁感应强度B，磁场强度H，磁导率三者之间有以下关系：由上式可知：在磁场强度H一定的情况下，不同介质中感生出的磁感应强度不同，铁磁性材料中的磁感应强度比非铁磁性材料大几百上千倍。第12页，课件共49页，创作于2023年2月三、铁磁性材料的磁化曲线1.铁磁性材料①磁畴在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域，称为磁畴。一个典型的磁畴宽度约为10-3cm，体积约为10-9cm3，内部大约含有1014个磁性原子。在没有外加磁场作用时，铁磁性材料内各磁畴的磁矩方向相互抵消，对外显示不出磁性，如下图a。

第13页，课件共49页，创作于2023年2月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。永久磁铁中的磁畴，在一个方向上占优势，因而形成N和S极，能显示出很强的磁性。在高温情况下，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。超过某一温度后，磁体的磁性也就全部消失而呈现顺磁性，实现了材料的退磁。铁磁性材料在此温度以上不能再被外加磁场磁化，并将失去原有的磁性的临界温度称为居里点或居里温度。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。a）不显示磁性；b）磁化 c）保留一定剩磁铁磁性材料的磁畴方向第14页，课件共49页，创作于2023年2月②磁化过程

(1)未加外加磁场时，磁畴磁矩杂乱无章，对外不显示宏观磁性，如图(a)(2)在较小的磁场作用下，磁矩方向与外加磁场方向一致或接近的磁畴体积增大，而磁矩方向与外加磁场方向相反的磁畴体积减小，畴壁发生位移，如图(b)。(3)增大外加磁场时，磁矩转动畴壁继续位移，最后只剩下与外加磁场方向比较接近的磁畴，如图(c)。(4)继续增大外加磁场，磁矩方向转动，与外加磁场方向接近，如图(d)。(5)当外加磁场增大到一定值时，所有磁畴的磁矩都沿外加磁场方向有序排列，达到磁化饱和，相当于一个微小磁铁或磁偶极子，产生N极和S极，宏观上呈现磁性，如图(e)。第15页，课件共49页，创作于2023年2月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

第16页，课件共49页，创作于2023年2月曲线特征：(1)oa段，称为起始磁化段，由于磁畴的惯性，当H增加时，B不能立即上升很快，使得这一阶段曲线较平缓。这时的磁化过程是可逆的；即当H退回到零，B也会退回到零。(2)ab段，称为直线段，随着H的增加很快。这个阶段的过程是不可逆的，即H退回到零，B并不沿原曲线减退。(3)bQ段，由于大部分磁畴已转向H方向，H增加只有少数磁畴转向，B增加变慢，曲线变缓。(4）m点以后，称为磁饱和阶段，由于磁畴儿乎全部转向H方向，H增加，B几乎不再增加。第17页，课件共49页，创作于2023年2月磁滞回线如果磁化电流是交流电，随着电流I的大小方向改变，H、B的大小方向也改变。表示循环交变过程H与B关系的曲线叫做磁滞回线，如右图所示。剩余磁感应强度Br矫顽力

Hc

第18页，课件共49页，创作于2023年2月铁磁性材料的特性：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<100A/m）和硬磁材料（Hc≥100A/m）。软磁材料与硬磁材料的特征

(1)软磁材料──是指磁滞回线狭长，具有高磁导率、低剩磁、低矫顽力和低磁阻的铁磁性材料。软磁材料磁粉检测时容易磁化，也容易退磁。软磁材料如电工用纯铁、低碳钢和软磁铁氧体等材料。

(2)硬磁材料──是指磁滞回线肥大，具有低磁导率、高剩磁、高矫顽力和高磁阻的铁磁性材料。硬磁材料磁粉检测时难以磁化，也难以退磁。硬磁材料如铝镍钴、稀土钴和硬磁铁氧体等材料。（3）矩磁材料──现代电机中常用的一种铁氧体材料的磁滞回线差不多呈矩形，故称矩磁材料。其特点是：一经磁化，其剩余磁感应强度接近于非常稳定的饱和值Bs。第19页，课件共49页，创作于2023年2月四、电流与磁场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：用安培环路定律计算通电直长导体表面的磁场强度为：第20页，课件共49页，创作于2023年2月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时直圆柱导体内、外及表面的磁场强度分布如右图所示：第21页，课件共49页，创作于2023年2月应用

钢棒通电法磁化

分别通交流和直流时，磁场强度和磁感应强度的分布特点

第22页，课件共49页，创作于2023年2月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、外磁场分布与上图相同，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。第23页，课件共49页，创作于2023年2月通电钢管的磁场

磁场方向：右手定则磁场大小：（1）钢管内表面H=0，B=0（直流和交流）（2）钢管外表面及外部

（3）钢管横截面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

()

钢管直接通电法磁化时，由于其内部磁场强度为零，所以不能用磁粉检测的方法来检测内表面即近表面的缺陷。

第24页，课件共49页，创作于2023年2月第25页，课件共49页，创作于2023年2月2.通电线圈的磁场磁场方向：右手定则确定磁场大小：H－－磁场强度（A/m）N－－线圈匝数L－－线圈长度（m）D－－线圈直径（m）－－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。第26页，课件共49页，创作于2023年2月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。

第27页，课件共49页，创作于2023年2月

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。第28页，课件共49页，创作于2023年2月五、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。第29页，课件共49页，创作于2023年2月（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。第30页，课件共49页，创作于2023年2月（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影响材料磁导率的因素都会对漏磁场产生影响第31页，课件共49页，创作于2023年2月2磁粉检测设备器材一、磁粉种类：荧光磁粉和非荧光磁粉荧光磁粉磁性氧化铁粉、工业纯铁粉或羰基铁粉为核心，在铁粉外面用树脂粘附一层荧光染料而制成。荧光磁粉发出510—550nm黄绿荧光，人眼最敏感的光。因而其对比度很高，从而可见度也高。纯白和纯黑在明亮环境中对比系数为：25：1，而黑暗中荧光的对比系数可达1000：1。荧光磁粉一般只适于湿法。第32页，课件共49页，创作于2023年2月非荧光磁粉四氧化三铁黑磁粉、三氧化二铁红磁粉、工业纯铁粉为原料粘附其它颜料的有色磁粉（如白磁粉等）、JCM系列空心磁粉（铁铬铝的复合氧化物，用于高温）共四种。前两种既适于湿法也适于干法，后两种只用于干法。磁粉的性能：①磁特性：高磁导率（易被吸附）、低矫顽力（易分散流动）、低剩磁（易分散流动）。②粒度：即磁粉颗粒的大小，影响悬浮性、吸附力。粗磁粉的磁导率较细磁粉的高。对干磁粉，粒度范围10-50μm，最大不超过150μm；对湿磁粉，粒度范围5-10μm，最大不超过50μm。③形状：保证好的磁吸附性能和流动性能。条形、椭圆形、球形。条形容易磁化形成磁极，易被吸附，但流动性不好。球形流动性好但不易被磁化（退磁场的影响）。理想的磁粉应由一定比例的条形、球形和其他形状的磁粉混合。④流动性：探伤时，磁粉的流动性要好。直流电不利于磁粉的流动，故直流电不适于干法检验；湿法时，磁粉的流动靠载液带动，故直交流电均可。⑤密度：对磁吸附性、悬浮性、流动性有影响。湿磁粉（黑、红）密度约4.5g/cm3,干磁粉8g/cm3，空心0.71-2.3g/cm3,荧光磁粉与其组成成分有关。⑥识别度：指磁粉的光学性能，包括颜色、荧光亮度、工件表面颜色的对比度。第33页，课件共49页，创作于2023年2月二、磁悬液磁粉和载液按一定比例混合而成的悬浮液体。磁悬液浓度：包括配制浓度（每升磁悬液中所含磁粉的重量g/L）和沉淀浓度（每100mL磁悬液中沉淀出磁粉的体积mL/L）。浓度与灵敏度关系：浓度高低都不好推荐的磁粉浓度（按JB4730－2005）磁粉类型 配制浓度（g/L）沉淀浓度（mL/100mL）非荧光磁粉10~251.2~2.4

荧光磁粉0.5~3.00.1~0.4第34页，课件共49页，创作于2023年2月三、标准试片和标准试块1.标准试片用途

①检验设备、磁粉、磁悬液的综合性能（系统灵敏度）。

②检测磁场方向、有效磁化范围、大致的磁场强度。

③考察所用的探伤工艺和操作方法是否妥当。

④确定磁化规范。分类（按JB/T4730.4－2005）常用试片—A1、C、D、M1型四种。所有试片的型号名称中的分数分子代表人工缺陷槽的深度，分母表示试片的厚度，单位为μm。

试片由退火电磁软铁制成。

试块使用时，将刻有人工槽的一面与被检工件表面贴紧，然后对工件进行磁化并施加磁粉，通过观察人工缺陷的磁痕显示判断灵敏度。第35页，课件共49页，创作于2023年2月四、磁力探伤机分类按体积重量，分为固定式、移动式、便携式；1.固定式探伤机一种车床式的卧式探伤机，最大磁化电流从1KA～10KA。主要用于中小零件的探伤，应用广泛。该类设备可以对被检零件用通电法和中心导体法进行周向磁化，用线圈法或固定式磁轭进行纵向磁化。还可进行各种形式的多向磁化，并能对工件退磁。该类设备常用湿法，还常常备有支杆触头和电缆，对大型零件进行磁化，荧光法时还配有荧光灯和遮光罩。2.移动式探伤机

一种装在小车上，可移动到现场的半固定式探伤机，磁化电流一般在500A～8KA。其主体是磁化电源，可提供交流和单相半波整流电。第36页，课件共49页，创作于2023年2月配合使用的附件有支杆触头、夹钳触头、开合式和闭合式磁化线圈和软电缆等。一般也具有退磁功能。检测对象一般为不易移动的大型工件。3.便携式探伤机体积小，重量轻，可随身携带，特别适用于野外和高空作业。包括：电磁轭、交叉磁轭、永久磁铁和小型磁粉探伤仪。电磁轭分交流和直流电磁轭，有一个多匝线圈包住软铁芯片组成，用可控硅调节磁化电流，磁极有活动关节，能调整间距，进行有效的检测。永久磁铁适用于没有电源的场合。小型磁粉探伤机，一般能提供500A～2000A的磁化电流，磁化电流用交流和单相半波整流电，带有支杆触头和电缆，可将电缆绕成线圈进行纵向磁化。带有自动衰减退磁器。锅炉压力容器现场磁粉探伤，最常用的是便携式磁粉探伤机，主要为电磁轭和交叉磁轭。第37页，课件共49页，创作于2023年2月3磁粉检测工艺要点一、磁化方法

常用的磁化方法如图所示，分为线圈法、磁轭法、轴通电法、中心导体法、触头法、旋转磁场磁化法等。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，将磁化方法分为纵向磁化、周向磁化、复合磁化。第38页，课件共49页，创作于2023年2月

1.周向磁化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。第39页，课件共49页，创作于2023年2月2.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）。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亦属于纵向磁化。

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。电磁轭整体磁化、电磁轭或永久磁铁的局部磁化，称为闭路磁化，闭路磁化不产生退磁场或退磁场很小。第40页，课件共49页，创作于2023年2月3.多向磁化（也叫复合磁化）

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。第41页，课件共49页，创作于2023年2月4.各种磁化方法的特点磁化工件的顺序，一般是先进行周向磁化，后进行纵向磁化；如果一个工件上横截面尺寸不等，周向磁化时，电流值分别计算，先磁化小直径，后磁化大直径。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。第42页，课件共49页，创作于2023年2月二、磁化规范

1磁化规范的制定磁化规范:工件磁化时，磁化电流值或磁场强度值。①制定磁化规范应考虑的因素首先根据工件的材料、热处理状态和磁特性，确定采用连续法还是剩磁法检验；还要根据工件的尺寸、形状、表面状态和欲检出缺陷的种类、位置、形状及大小，确定磁化方法、磁化电流种类和有效磁化区，制定相应的磁化规范。②制定磁化规范的方法

(1)用经验公式计算

(2)用毫特斯拉计测量工件表面的切向磁场强度施加在工件表面的切向磁场强度为2.4～4.8KA/m（3）利用材料的磁特性曲线（4）用标准试片确定

(形状复杂的工件，难以用计算法求得磁化规范时，把标准试片贴在被磁化工件不同部位，可确定大致理想的磁化规范。)

第43页，课件共49页，创作于2023年2月三、磁粉检测工艺

所谓磁粉工艺，是指从预处理、磁化工件、施加磁粉或磁悬液磁痕的观察与记录、缺陷评级、退磁和后处理等的全过程。只有正确执行磁粉探伤工艺要求，才能保证磁粉探伤的灵敏度，检出应检的缺陷。影响磁粉探伤灵敏度的因素主要有：磁场大小和方向的选择；磁化方法的选择；磁粉的性能；磁悬液的浓度；设备的性能；工件形状和表面粗糙度；缺陷的性质、形状和埋藏深度；工艺操作；人员水平；观察条件。

1.磁粉探伤方法的一般选择原则：

a连续法和剩磁法都可进行探伤时，优先选择连续法。

b对于湿法和干法，优先选择湿法。

c对于按磁化方法分类的六种探伤方法，选用要根据工件的形状、尺寸、探伤操作的困难程度进行。第44页，课件共49页，创作于2023年2月2.磁粉检测方法分类

磁粉检测的检测方法，一般根据磁粉检测所用的载液或载体不同，分为湿法和干法检测；根据磁化工件和施加磁粉或磁悬液的时机不同，分为连续法和剩磁法检测。根据不同分类条件，磁粉检测方法的分类为表1所示。表1磁粉检测方法分类分类条件磁粉检测方法施加磁粉的载体湿法（荧光磁粉、非荧光磁粉），干法（非荧光磁粉）施加磁粉的时机连续法检测，剩磁法检测磁化方法轴向通电法、触头法、线圈法、磁轭法、中心导体法、交叉磁轭法等第45页，课件共49页，创作于2023年2月3.磁粉检测的一般程序承压设备磁粉检测的七个程序是：

(1)预处理；(2)磁化；

(3)施加磁粉或磁悬液；(4)磁痕的观察与记录；

(5)缺陷评级；(6)退磁；

(7)后处理。

（1）预处理是把试件表面的油脂、铁锈、氧化皮等去掉，以免妨碍磁粉吸附到缺陷上。用干磁粉时还应该使试件表面干燥。组装的部件要拆开后检测。（2）磁化选定适当的磁化方法和磁化电流值，然后接通电源，对试件进行磁化操作。第46页，课件共49页，创作于2023年2月（3）施加磁粉按所选的干法或湿法施加干粉或磁悬液。磁粉的喷撒时间，按连续法和剩磁法两种施加方式。连续法是在磁化工件的同时喷撒磁粉，磁化一直延续到磁粉施加完成为止。