磁粉探伤基础理论.ppt

1、磁粉检测物理基础,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

2、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Magnetic Particle Testing，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11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。,磁粉检测可对原材料、半成品、成品工件和在役

3、的零部件检测探伤，还可对板材、型材、管材、棒材、焊接件、铸钢件及锻钢件进行检测。马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢具有磁性，可进行MT。MT可发现裂纹、夹杂、发纹、白点、折叠、冷隔和疏松等缺陷。,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。 1.5 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H A/m Oe 磁通量 Wb Mx 磁感应强度 B T Gs,2 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

4、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,（a）马蹄形磁铁被校直成条形磁铁后N极和S极的位置,（b）具有机加工槽的条形磁铁产生的漏磁场 （c）纵向磁化裂纹产生的漏磁场,条

5、形磁铁的磁力线分布,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： 磁力线在磁体外，是由N极出发穿过空气进入S极，在磁体内是由S极到N极的闭合线； 磁力线互不相交； 同性磁极相斥，因同性磁极间间磁力线有互相排挤的倾向； 异性磁极相吸，因异性磁极间磁力线有缩短长度的倾向。,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，用符号表示。单位为Wb（S

6、I）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，BH。,2.2 铁磁性材料 2.2.1 磁介质 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

7、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10-5cm3 ，在这个小区域内，含有大约 10121015个原子，各原子的磁化方向一致，对外呈现磁性。,铁磁性材料的磁畴方向 a）不显示磁性； b）磁化 c）保留一定剩磁 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

8、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。,2.2.3 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

9、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)。,2.2.5 磁滞回线 饱和磁场强度 Bm 矫顽力 Hc,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=8000A/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

10、氧体等材料。,2.3电流的磁场 2.3.1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：安培环路定律计算 根据上式，通电直长导体表面的磁场强度为：,2.6 漏磁场 2.6.1 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 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

11、应线数目也是有限的，又由于同性磁感应线相斥，所以，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。 2.6.2 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。,2.6.3 漏磁场对磁粉的作用力 漏磁场对磁粉的吸附可看成是

12、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 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。,磁粉受漏磁场吸引,2.6.4 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m 对应的磁场强度Hm，使磁导率减小，磁

13、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

14、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 磁化电流 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。 3.1.1 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

15、生的原因是电磁感应产生了涡流。 电流从表面值下降到1/e0.37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 能够实现感应电流磁化 d 能够实现多向磁化 e 变截面工件磁场分布较均匀 f 有利于磁粉迁移 g 用于评价直流电发现的磁痕显示 h 适用于在役工件的检验 I 适用于12mm弹簧钢丝的检验 J 交流电磁化时，两次磁化的工序间不需要退磁 交流电的局限性：a 剩磁法检验时，受交流电断电相位的影响 b 探测缺陷的深度小。 交流断电相位的控制：为了得到稳定和最大的剩磁,3.1.2整流电 单相半波 单相全波 三相半波

16、 三相全波 最常用的是单相半波和三相全波整流电 单相半波整流电 主要和干法配合使用 磁粉探伤中最常用的磁化电流之一，其优点： a 兼有直流的渗透性和交流的脉动性 b 剩磁稳定 c 有利于近表面缺陷的检测 d 能提供较高的灵敏度和对比度 e 设备结构简单、轻便，有利于现场检验。 局限性：a 退磁较困难 b 检测缺陷深度不如直流电大 c 要求较大的输入功率 三相全波整流电 磁粉探伤中最常用的磁化电流之一，其优点：,a 具有很大的渗透性和很小的脉动性 b 剩磁稳定 c 适用于近表面缺陷的检测 d 需要设备的输入功率小。 局限性： a 退磁困难 b 退磁场大 c 变截面工件磁化不均匀 d 不适用于干法

17、检验 e 在周向和纵向磁化工序间需要退磁。 直流电 最早使用，现在使用少，其优缺点： a 具有很大的渗透性和很小的脉动性 b 剩磁稳定 c 适用于近表面缺陷的检测 d 需要设备的输入功率小。 局限性：a 退磁困难 b 退磁场大 c 不适用于干法检验 d 在周向和纵向磁化工序间需要退磁。,冲击电流 由电容器充放电而获得，只能用于剩磁法，且仅适用于需要电流 值特别大而常规设备又不能满足时，根据工件要求制作专用设备。 3.1.4 选择磁化电流规则 用交流电磁化，对表面微小缺陷检测灵敏度高； 由于趋肤效应，对工件表面下的磁化能力，交流电比直流电弱； 交流电用于剩磁法时，应加装断电相位控制器； 交流电磁

18、化连续法检验主要与电流有效值有关，而剩磁法检验主要与峰值电流有关； 整流电或直流电，能检测工件近表面较深的缺陷； 整流电流中包含的交流分量越大，检测近表面较深缺陷的能力越小； 整流电和直流电用于剩磁法检验时，剩磁稳定； 冲击电流只能用于剩磁法和专用设备； 直流电检测缺陷深度最大。,3.2 磁化方法 3.2.1 磁场方向与发现缺陷的关系 （磁场方向与缺陷垂直） 磁粉检测的能 力，取决于施 加磁场的大小 和缺陷的延伸 方向，还与缺 陷的位置、大 小和形状等因 素有关。工件 磁化时，当磁 场方向与缺陷 延伸方向垂直 时，缺陷处的 漏磁场最大， 检测灵敏度最高。,3.2.2 选择磁化方法应考虑的因素

19、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。 3.2.3 周向磁化方法 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）。 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： 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

20、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： 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。 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

21、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 ： 触头间距 75200mm，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3-6 P.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。,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

22、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。 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

23、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。 3.2.5 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。 3.2.5.1交叉磁轭法 使用交叉磁轭可在工件表面产生旋转磁场，可以一次检测出工件 表面所有方向的缺陷，检测

24、效率高。,交叉磁轭可以形成旋转磁场。它的四个磁极分别由两相具有一 定相位差的正弦交变电流激磁。如图2-31所示，于是就能在四个磁 极所在平面形成与激磁电流频率相等的旋转着的（合成）磁场。 能形成旋转磁场的基本条件是：两相磁轭的几何夹角与两相 激磁电流的相位差均不等于0或180。 如下图所示，当1、2两相磁轭的激磁电流分别为： Hx=HmSint （2-13） Hy=HmSin（t-）（2-14）,而且两相磁轭的所有参数均相等时，可以用下面的数学表达式来 描述四个磁极所在平面几何中心点的合成磁场轨迹。 Hx2/(2Hmcos/2cos/2)2+Hy2/(2Hmsin/2sin/2)2=1 式中：

25、Hx合成磁场在X轴方向的分量； Hy合成磁场在Y轴方向的分量； HmHx与Hy的峰值； 两相磁轭的几何夹角； 两相磁轭激磁电流的相位差； 当两相磁轭的几何夹角与两相磁轭激电流的相位差均为 90时，在磁极所在面的几何中心点将形成圆形旋转磁场，即一 个周期内其合成磁场轨迹为圆。而且其幅值始终与Hm相等，这就 是为什么使用交叉磁轭一次磁化操作就能发现任何方向缺陷的原 因。,图2-32 交叉磁轭产生的旋转磁场,2 旋转磁场的形成及其分布规律 （1） 旋转磁场形成的几何模型 旋转磁场只有具备一定条件，才能在两个正弦交变磁场同时存在的情况下 形成。由于磁场是矢量，而且磁力线是不能交叉的，当同一位置存在两个

26、磁场 时，其合成磁场是由两个磁场矢量叠加的结果。而正弦交变磁场的大小和方向 是随时间而变化的。要想求出某一点的合成磁场，只能按照两个正弦交变磁场 在某相位时，各自形成的磁场方向和大小进行矢量叠加，从而求出其瞬时的合 成磁场的方向和大小。如果求出若干个不同瞬时（相位）的合成磁场，就能描 绘出旋转磁场的形成过程。 图2-32是交叉磁轭的四个磁极所在平面几何中心点旋转磁场如何形成的几何 模型。该图是两相磁轭的几何夹角=90，两相磁轭激磁电流的相位差 =2/3时，不同瞬间其合成磁场形成的过程。此图是按每隔/6的相位角进 行一次磁场合成的结果。 由图2-32不难看出，随着时间的变化，合成磁场的方向在旋转

27、，当激磁电流 相位角t由0逐渐变到2时，其合成磁场正好旋转一周。所需时间为20ms。,（2） 影响旋转磁场形成的因素及磁场分布 产生旋转磁场的必要条件：一是两相正弦交变磁场必须形成一 定的夹角二是两相交流电必须具有一定的相位差。 评价旋转磁场，通常利用四个磁极所在平面的几何中心点形成的 旋转磁场形状进行描述。比如，当两相磁轭的几何夹角=90两 相激磁电流的相位差=/2时，几何中心点就能形成圆形旋转磁场。 当90，/2时（但是0，180，0，）将形 成椭圆形旋转磁场。从使用角度来说，圆形旋转磁场对各方向缺陷 的检测灵敏度趋于一致，而椭圆形旋转磁场则较差。只有在激磁规 范足够大时才能确保各方向的检测灵敏度。 只是在几何中心点附近才有标准的旋转磁场存在，其余各处都变 形。四个磁极外侧仍然有旋转磁场形成，只是有效磁化范围比较小。 但激磁规范足够大时仍然可以检测缺陷。,3 使用时的注意事项 （