磁粉探伤基础知识.ppt

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1、第五单元 磁粉探伤,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

2、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。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、棒材

3、、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。磁粉检测程序 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。,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。1.3 磁粉探伤方法与其他表面探伤方法的比较 P.6 表 1-1 磁粉检测在压力容器定期检验中的重要性,2 磁粉

4、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。,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

5、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。,2.1.3 真空中的恒定磁场1 磁感应强度B：设一电量为q的电荷在磁场中，以速度运动，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

6、方向，关系沿小于的角度转向正电荷运动速度的方向，这时螺旋前进的方向便是该点B的方向，如图2-7所示；B的方向总是垂直于Fm 和组成的平面。图 2-7 B、Fm、的方向,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Ns/（Cm）N/(Am)，称为特斯拉，用T表示，即 1T=1N/(Am)磁感应强度的另一个单位是高斯，用Gs表示，两个单位的换算关系为 1T=104Gs 地球磁场的数量级大约是10-4T，严格讲地球表面的磁场在赤道处约为0.310-4T，在两极处约为0.610-4T。大型的电磁铁能激发出约为2T的恒定磁场，超

7、导磁体能激发高达25T的磁场，人体心脏激发的磁场约为310-10T，而脉冲星表面的磁场约为108T。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，,2 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，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

8、量的单位为Tm2，叫做韦伯（Wb）。因此，磁感应强度也称为磁通密度。在CGS单位制中，磁通的单位是麦克斯韦(Mx)，1 麦克斯韦表示通过1根磁力线，在SI单位制中，磁通的单位是韦伯(Wb)，其换算关系为：1韦伯(Wb)108麦克斯韦(Mx)1麦克斯韦(Mx)10-8韦伯(Wb),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，

9、其磁感应线无头无尾，恒是闭合的。,3.毕奥萨伐尔定律及其应用(1)毕奥萨伐尔定律 一个载流导体L在空间任一点P产生的磁感应强度可由毕奥萨伐尔定律来确定，即 电流元所激发的磁感应强度,式中，dl表示在载流导体上沿电流方向所取的线元，I为导线中的电流，r是从电流元所在点到P点的矢量r的大小，H/m，称为真空磁导率，dB的方向垂直于Idl与r组成的平面，指向为由Idl经小于的角度转向r时右螺旋前进的方向，如上图所示。（2）载流长直导体的磁场 设有长为L的载流直导体，其电流为I，计算离直导体距离为a的P点的磁感应强度时，先在直导体上任取一电流元Idl，如图2-11所示。按毕奥萨伐尔定律，这电流元在给定

10、P点的磁感应强度dB为 dB的方向由Idlr来确定，即垂直纸面向内，在图中用 表示。由于长直导体L上每一个电流元在P点的磁感应强dB的方向都是一致的（垂直纸面向内），所以矢量积分 可变为标量积分,由右图可得，从而得到：式中，1和2分别为直线的两个端点到P点的矢量与P点到直导线垂线之间的夹角。角从垂线向上转时取正值，从垂线向下转时取负值。,对于“无限长”载流直导体，则取 则上式变为,（3）载流圆线圈轴线上的磁场 设有圆形线圈L，半径为R，通以电流I，如图2-12所示。根据毕奥萨伐尔定律，圆线圈上任一电流元Idl在轴线P点产生的磁感应强度dB为 各电流元在P点的磁感应强度大小相等，方向各不相同，但

11、各dB与轴线成一相等的夹角（如上图）。我们把dB分解为平行于轴线的分矢量dB和垂直于轴线的分矢量dB。由于对称关系，任一直径两端的电流元在P点的磁感应强度的垂直轴线的分量dB大小相等，方向相反，因此，载流圆线圈上电流在P点dB互相抵消，而dB互相加强。所以P点磁感应强度为圆形线圈上所有电流元的dB的代数和，即,将 代入得，式中 为圆线圈的面积。,圆线圈轴线上各点的磁感应强度都沿轴线方向，与电流方向组成右手螺旋关系，离圆心距离x越远，磁场越弱。在圆心O点处，由上式得(4)载流直螺线管内部的磁场 直螺线管是指均匀地密绕在直圆柱面上的螺旋形线圈，如图所示。,最后经计算可得 如果螺线管为“无限长”，亦

12、即螺线管的长度较其直径大得多时，所以 这一结果说明：任何绕得很紧密的长螺线管内部轴线上的磁感应强度和点的位置无关。还可以证明，对于不在轴线上的内部各点B的值也等于，因此“无限长”螺线管内部的磁场是均匀的。,还可以证明，对于不在轴线上的内部各点B的值也等于，因此“无限长”螺线管内部的磁场是均匀的。对长螺线管的端点来说，例如在A1点，所以在A1点处的磁感应强度为 恰好是内部磁感应强度的一半。长直螺线管所激发的磁感应强度的方向沿着螺线管轴线，其指向可按右手定则确定，右手四指表示电流的流向，拇指就是磁场的指向。,4 安培环路定理 已知长直载流导体周围的磁感应线是一组以导体为中心的同心圆，如下图（a）所

13、示。在垂直于导线的平面内任意作一包围电流的闭合曲线L，如下图(b)所示，线上任一点P的磁感应强度为 式中I为导线中的电流，r为该点离开导线的距离。由图可知，所以按图中所示的绕行方向沿这条闭合曲线B矢量的线积分为,以上结果虽然是从长直载流导线的磁场的特例导出的，但其结论具有普遍性，对任意几何形状的通电导体的磁场都是适用的，而且当闭合曲线包围多根载流导线时也同样适用，故一般可写成 该式表达了电流与它所激发磁场之间的普遍规律，称为安培环路定理。,2.1.4 磁介质中的磁场 1.磁介质 能影响磁场的物质称为磁介质。各种宏观物质对磁场都有不同程度的影响，因此一般都是磁介质。设某一电流分布在真空中激发的磁

14、感应强度为B0，那么在同一电流分布下，当磁场中放进了某种磁介质后，磁化了的磁介质激发附加磁感应强度B，这时磁场中任一点的磁感应强度B等于B0和B的矢量和，即BB0B 顺磁性材料这类磁介质磁化后使磁介质中的磁感应强度B稍大于B0，即BB0，如铝、铬、锰、铂、氮等，能被磁体轻微吸引。抗磁性材料这类磁介质磁化后使磁介质中的磁感应强度B稍小于B0，即BB0，如铁、镍、钴、釓及其合金等，铁磁质能显著地增强磁场，能被磁体强烈吸引。,2.磁化强度 分子电流 分子磁矩 为了描述磁介质的磁化状态（磁化程度和磁化方向）,我们引入磁化强度矢量M，它表示单位体积内所有分子磁矩的矢量和，即 在外磁场中，磁化了的磁介质会

15、激发附加磁场；这附加磁场起源于磁化了的介质内所出现的束缚电流（实质上是分子电流的宏观表现）。,设有一“无限长”的载流直螺线管，管内充满均匀磁介质，电流在螺线管内激发均匀磁场。在此磁场中磁介质被均匀磁化，这时磁介质中各个分子电流平面将转到与磁场的方向相垂直，下图表示磁介质内任一截面上分子电流排列的情况。从图（b）和（c）中可以看出，在磁介质内部任意一点处，总是有两个方向相反的分子电流通过，结果相互抵消；只有在截面边缘处，分子电流未被抵消，形成与截面边缘重合的圆电流。对磁介质的整体来说，未被抵消的分子电流是沿着柱面流动的，称为束缚面电流。对顺磁性物质，束缚面电流和螺线管上导体中的电流I方向相同；对

16、抗磁性物质，则两者方向相反。,设 为圆柱形磁介质表面上“单位长度的束缚面电流”，S 为磁介质的截面积，为所选取的一段磁介质的长度。在长度 上，束缚电流的总量值为，因此在这段磁介质总体积 中的总磁矩为所以 在图(a)所示的圆柱形磁介质的边界附近，取一长方形闭合回路ABCD，AB边在磁介质内部，它平行于圆柱轴线，长度为l，而BC、AD两边则垂直于柱面。在磁介质内部各点处，M都沿AB方向，大小相等，在柱外各点处M=0。所以M沿BC、CD、DA三边的积分为零，因而M对闭合回路ABCD的积分等于M沿AB边的积分，即,将 代入得 该式表明，磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所包围的面 积内的总束缚电流

17、。该式虽是从均匀磁化介质及长方形闭合回路的简单特例导出的，但却是在任何情况都普遍适用的关系式。3.磁场强度 在电流产生磁场中有磁介质存在时，空间任一点的磁感应强度B等于导线中的电流（称为传导电流）所激发的磁场与磁介质磁化后束缚电流所激发的附加磁场的矢量和，这时安培环路定理应为,H 称为磁场强度矢量，其单位为安/米（A/m），故有 该式称为有磁介质时的安培环路定理，它表明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。因为磁化强度M不仅和磁介质的性质有关，也和磁介质所在处的磁场有关，实验证明，对于各向同性的磁介质，在磁介质中任一点磁化强度M和磁场强度H 成正比，即

18、式中，为物质的磁化率，它对不同的物质是不同的，对抗磁质是负值，对顺磁质是正值，但都很小，对铁磁质为正，而且很高。,因为通常令 称为该磁介质的相对磁导率，于是有式中 称为磁介质的磁导率，或称为绝对磁导率。对于各向同性的磁介质，和都是无量纲的常数。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。为了形象地表示出磁场中H 矢量的分布，可以引入H 线（磁力线）来描述磁场，规定如下：磁力线上任一点的切线方向和该点H矢量的方向相同，磁力线的疏密程度代表H矢量的大小，磁力线越密，表示H越大，磁力线越疏，表示H越小。,2.2 铁磁性材料2.2.1 磁畴 在

19、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。,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

20、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。,一些铁磁性材料的居里点见下表,铁磁性材料的居里点,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

21、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)。,2.2.4 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。BH曲线的测绘方法:采用如图所示的装置,曲线特征：,2.2.5 磁滞回线饱和磁场强度

22、 Bm 矫顽力 Hc,典型磁性材料30CrMnSiA 经880油淬，300回火状态下，测得的磁化曲线见下图，包括BH曲线，H曲线，和BrH曲线。,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（Hc100A/m）和硬磁材料（Hc100A/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

23、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。,2.2.6 退磁曲线和磁能积 退磁曲线是指最大磁滞回线在第二象限中部分，即Hc至Br之间的曲线段。如下图所示。在退磁曲线上任一点所对应的B与H的乘积，是标志磁性材料在该点上单位体积内所具有的能量。因为乘积（BH）的量纲是磁能密度，所以叫（BH）为磁能积。（BH）的乘积正比于图中划斜线的矩形面积。可以在退磁曲线上找到一点P其所对应的B与H的乘积为最大值，这点叫做最大磁能积点，其值（BH）m叫做最大磁能积。磁能积是Br和

24、Hc的综合参数，它表明工件在磁化后所能保留磁能量的大小，亦即剩磁的大小。磁能积的数值越大，表明保留在工件中的磁能越多。这在磁粉检测中是很有意义。最大磁能积可采用等磁能曲线法或几何作图法来确定。,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：安培环路定律计算通电直长导体表面的磁场强度为：,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（rR）和导体内部r处（rR 时 rR时 P.26 例1、例2直圆柱导体内、外及表面的磁场强度分布如右图所示：,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,钢管中心导体法磁化 钢

25、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。应采用直流电或整流电理论计算及应用,2.3.2 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。,2.3.3 通电线圈的磁场磁场方向：右手定则,磁场大小：空载

26、通电线圈中心的磁场强度可用下式计算,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。线圈的分类a 按结构分 电缆缠绕线圈和螺管线圈b 按填充系数 低填充 中填充 高填充c 按L/D 短螺管线圈 LD,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LD 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 P31 例1 例2,应用（1）开

27、路磁化：把需要磁化的工件放在线圈中进行磁化或对大型工件进行绕电缆进行磁化，常称为线圈法。线圈法磁化的磁化力一般用安匝数(NI)表示。线圈法磁化工件时，由于在工件两端产生磁极，因而会产生退磁场。（2）闭路磁化：把线圈绕在铁芯上构成电磁轭或交叉磁轭对工件进行的磁化，常称为磁轭法。磁轭法磁化时，以提升力来衡量导入工件的磁感应强度或磁通。磁轭法磁化工件不产生磁极，因而没有退磁场的影响。,2.3.4 感应电流和感应磁场1.感应电流的产生 如下图，将铁芯插入环行工件中，把工件当作变压器的次级线圈。当线圈中通以交流电后，通过铁芯的磁通也是交变的，由于电磁感应的作用，因而在工件中就产生了周向的感应电流。该感应

28、电流在工件中又产生磁场，称为感应磁场。2.应用 主要应用在环行工件的磁化中。,2.4 磁场的合成 当有多个磁场同时对工件进行多方向磁化时，对工件作用的磁场应是各磁场的矢量和，即合成磁场为各个磁场矢量的叠加。下面介绍两种常用的合成磁场。2.4.1 交叉磁轭的磁场合成1 旋转磁场的形成 交叉磁轭属于复合磁化（多向磁化）它是利用两相或多相磁场相互叠加而形成的合成磁场对工件进行磁化的，如右图所示。,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。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

29、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：H1=HmSin（t-）H2=HmSint,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。1相磁轭产生的磁场；2相磁轭产生的磁场；与 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。,下图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

30、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。由该图不难看出，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，其合成磁场正好旋转一周。当所用交流电为50Hz时，旋转一周所需时间为0.02s。,交叉磁轭产生的旋转磁场,2 旋转磁场分布特点 交叉磁轭的磁场无论在四个磁极的内侧还是外侧，其分布都是极不均匀的。只有在几何中心点附近很小的范围内，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，甚至不能形成旋转磁场。另外四个磁极外侧仍然有旋转磁场存在，只是有效磁化范围较小。3 交叉磁轭的提升力 交

31、叉磁轭的提升力代表交叉磁轭导入被检测工件有效磁通的多少，亦即工件被磁化后其磁感应强度的大小，提升力必须大于某一值后，才能保证被检工件的有效磁感应强度，亦即保证检测灵敏度。,2.4.2 摆动磁场的合成 直流电磁轭与交流通电法复合磁化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，如下图所示。摆动磁场的形成,直流电磁轭产生的纵向磁场Hx=H0，大小保持不变，交流通电法产生的周向磁场 Hy=H0Sint，大小随时间而变化，其合成磁场是一个在45之间不断摆动的摆动磁场，在工件上产生的螺旋形磁场,如图所示。交流磁场值比直流磁场值愈大，则摆动的范围愈大。在某一瞬时间，工件上不同部位的磁场大小

32、和方向并不相同。,2.5 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H表示。退磁场与材料的磁化强度成正比 H退磁场 M磁化强度 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）H退磁场（A/m）,得:2.4.3 退磁因子N N 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

33、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。退磁因子N与工件几何形状有关.磁化尺寸相同的钢管和钢棒，钢管比钢棒产生的退磁场小.磁化同一工件，交流电比直流电产生的退磁场小.,退磁场的计算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 计算结果讨论：当L/D2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

34、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。铁磁性材料磁化后，不仅能产生附加磁场，而且还能够把绝大部分磁感线约束在一定的闭合路径上，见下图。磁路可用电路来模拟。2.6.1 磁路定律：,磁路的串联和并联串联磁路式中 Rm=Rml+Rm0,并联磁路 式中串联磁路和并联磁路的推导串联磁路和并联磁路的计算,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，

35、在空气中磁感应线实际上是垂直的。例题磁感应强度的边界条件:（方向分量连续）（切向分量连续）,2.7 漏磁场与磁粉检测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。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

36、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，见下图，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

37、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

38、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

39、冷加工的影响,2.8 磁粉检测的光学基础 2.8.1 光度量术语及单位 光是任何能够直接引起视觉的电磁辐射，光度学是有关视觉效应评价辐射量的学科。磁粉检测观察和评定磁痕显示，必须在可见光或黑光下进行，其光源的发光强度、光通量、光照度、辐射照度和光亮度都与检测结果直接有关。其含义为 国际照明委员会把紫外线分成如下三种范围：波长320nm400nm的紫外线称为UV-A、黑光或长波紫外线，UV-A波长的紫外线，适用于荧光磁粉检测，它的峰值波长约为365nm。波长280nm320nm的紫外线称为UV-B或中波紫外线，又叫红斑紫外线。UV-B具有使皮肤变红的作用，还可引起晒斑和雪盲，不能用于磁粉检测。波

40、长100nm280nm的紫外线称为UV-C或短波紫外线，UV-C具有光化和杀菌作用，能引起猛烈的燃烧，还伤害眼睛，也不能用于磁粉检测，医院使用UV-C紫外线来杀菌。,人眼在暗室，观察灵敏度会提高。观察时佩带眼睛的问题黑光灯的构造和使用注意事项,3磁化电流、磁化方法和磁化规范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

41、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 电源易得，设备结构简单 d 能够实现感应电流磁化 e 能够实现多向磁化 f 变截面工件磁场分布较均匀 g 有利于磁粉迁移 h 用于评价直流电发现的磁痕显示i 适用于在役工件的检验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 三相全波

42、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 不适用于干法检验 e 在周向和纵向磁化工序间

43、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。3.5.4 选择磁化电流规则(1)用交流电磁化湿法检验，对工件表面微小缺陷检测灵敏度高；(2)交流电的渗入深度，不如整流电和直流电；(3)交流电用于剩磁法检验时，应加装断电相位控制器；(4)交流电磁化连续法检验主要与有效值电流有关，

44、而剩磁检验主要与峰值电流有关；(5)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；(6)单相半波整流电磁化干法检验，对工件近表面缺陷检测灵敏度高；(7)三相全波整流电可检测工件近表面较深的缺陷；(8)直流电可检测工件近表面最深的缺陷；(9)冲击电流只能用于剩磁法检验和专用设备。,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。,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

45、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。3.2.2 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）。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。,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

46、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,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

47、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。,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。4.辅助通电法 是指将通电导体置于工件受检部位而进行局部磁化的方法，如电缆平行磁化法和铜板磁化法，仅用于常规磁化方法难以磁化的工件和部位，一般情况下不推荐使用。,3.2.3 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。1 轴

48、向通电法2 中心导体法3 偏置芯棒法4 触头法5 感应电流法6 环形件绕电缆法7 线圈法8 磁轭法（电磁轭、永久磁轭、交叉磁轭）,直流磁轭与交流通电法复合磁化 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。直流电磁轭产生的纵向磁场HxHo，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。1-工件；2-磁化线圈；3-绝缘片,3.3 磁化规范3.3.1 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。磁化规范要合适。1 制定磁化规范应考虑的因素 首先根

49、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2.44.8KA/m（3060Gs）（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。),制定周向磁化规范的的基本原则(磁特性曲线),3.3.2 轴向通电法和中心导体法磁化规范 轴向通

50、电法和中心导体法的磁化规范按下表计算表3.3 轴向通电法和中心导体法磁化规范,中心导体法可用于检测工件内、外表面与电流平行的纵向缺陷和端面的径向缺陷。外表面检测时应尽量使用直流电或整流电。例 一截面为50mm50mm，长为1000mm的方钢，要求工件表 面磁场强度为8000A/m，求所需的磁化电流值？解：当量直径 D504/64(mm)I800064/3201600(A)3.3.3 偏置芯棒法磁化规范 当采用中心导体法磁化时，若工件直径大、设备的功率不能满足时，可采用偏置芯棒法磁化。应依次将芯棒紧靠工件内壁（必要时对与工件接触部位的芯棒进行绝缘）停放在不同位置，以检测整个圆周，在工件圆周方向表