《磁粉探伤理论》课件.ppt

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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场：录磁探伤法、感应线

2、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、成品工件和在役的零部件检测探伤，还可对板材、型材、管材

3、、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、磁体、磁极、磁化磁性：磁铁能够吸引铁磁性材料的性质

4、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。,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

5、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（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

6、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

7、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

8、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)。,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H

9、c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、稀土钴和硬磁铁氧体等材料。,2.3电流的磁场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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、、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

15、 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,整流电单相半波 单相全波 三相半波 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

16、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

17、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

18、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

19、，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

20、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，

21、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。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

22、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。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。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

23、表面所有方向的缺陷，检测效率高。,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

24、中：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磁场时，其合成磁场是

25、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，当激磁电流相位角t由0逐渐变到2时，其

26、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

27、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（只适用于连续法）（1）磁化场对检测灵敏度的影响 对旋转磁化来说，由于其合成磁场方向是不断的随时旋转着的，任何方向的缺陷都有机会与某瞬时的合成磁场垂直，从而产生较大的缺陷漏磁场而形成磁痕。但是，只有当旋转磁场的长轴方向与缺陷方向垂直时才有利于形成磁痕。因此，不能认为只要使用旋转磁场，不管如何操作就一定能发现任何方向的缺陷，这种认识是错误的。（2）交叉磁轭必须在移动时才能检测（静止时也可以）交叉磁轭磁场分布无论在四个磁极的内侧还是外侧，磁场分布是极不均匀的。只有在几何中心点

28、附近很小的范围内，其旋转磁场的椭圆度变化不大，而离开中心点较远的其它位置，其椭圆度变化很大，甚至不形成旋转磁场。因此，使用交叉磁轭进行探伤时，必须连续移动磁轭，边行走磁化边施加磁悬液。只有这样操作才能使任何方向的缺陷都能经受不同方向和大小磁场的作用，从而形成磁痕。（3）行走速度与磁化时间交叉磁轭的行走速度对检测灵敏度至关重要，因为行走速度的快慢决定着磁化时间。而磁化时间是有要求的，磁化时间过短缺陷磁痕就无法形成。所以标准规定，速度不能超过4m/min，这也是为了保证不漏检必须控制的工艺参数。,4 交叉磁轭的提升力 F=1.99105mBm 式中：F磁轭的提升力（N）；m磁通的峰值（Wb）；Bm

29、磁感应强度的峰值（T）。不难看出，磁轭的提升力F与磁通成正比，而=HS。由此可见，磁轭的提升力F的大小取决于磁轭的铁芯截面面积、铁芯材料的磁性能以及激磁规范的大小。测试提升力的根本目的就在于检验磁轭导入工件有效磁通的多少。这只是一种手段，以此来衡量磁轭性能的优劣。由于磁路（铁芯）中的磁导率远远大于空气中的磁导率0，因此，由于间隙的存在必将损耗磁势，降低导入工件的磁通量，从而也降低了被磁化工件的有效磁化场强度和范围的大小。而间隙的存在所损耗的磁势将产生大量的泄漏磁场，且通过空气形成磁回路。它的存在降低了磁轭的提升力，同时也降低了检测灵敏度，还会在间隙附近产生漏磁场。因此，即使在磁极间隙附近有缺陷，也将被间隙产生的漏磁场所湮没，根本无法形成磁痕。通常把这个区域称为盲区。,