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1、磁粉检测的物理基础副本 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望1 磁粉探伤基础知识磁粉探伤基础知识1.1 磁粉探伤与磁性检测（分类方法）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，连续性处
2、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、磁小。利用检测元件探测漏磁场的磁场
3、传感器有磁带、霍尔元件、磁敏二极管和感应线圈等。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。尔元件检测法、磁敏二极管探测法。1.2 磁粉探伤磁粉探伤Magnetic Particle Testing，简称，简称 MT基本原理是：基本原理是：铁磁性材料和工件被磁化后，由于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，形场，吸附施加在工件表面
4、的磁粉，形成在合适光照下目视可见的磁痕，从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、形状和大而显示出不连续性的位置、形状和大小。如图小。如图1 11 1所示。所示。1.3 1.3 磁粉探伤的适用性和局限性磁粉探伤的适用性和局限性磁粉探伤的适用性和局限性磁粉探伤的适用性和局限性 适用性：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（如可检测出长极窄（如可检测出长0.1mm0.1mm、宽为微米级的裂纹），目视难以看、宽为微米级的裂纹），目视难以看出的不连续性。出的不连续性。磁粉检测可对原材料、半成品、成品工件
5、和在役的零部件检测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、焊接件、铸钢件及锻探伤，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。钢件进行检测。马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢具有磁性，可进行马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢具有磁性，可进行MTMT。MTMT可发现裂纹、夹杂、发纹、白点、折叠、冷隔和疏松等缺陷。可发现裂纹、夹杂、发纹、白点、折叠、冷隔和疏松等缺陷。局限性：MTMT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。对于表面浅的焊缝，
6、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划伤、埋藏较深的孔洞和与工件表面夹角小于2020的分层和折叠的分层和折叠难以发现。难以发现。1.4 1.4 磁粉探伤方法与其他表面探伤方法的比较磁粉探伤方法与其他表面探伤方法的比较磁粉探伤方法与其他表面探伤方法的比较磁粉探伤方法与其他表面探伤方法的比较 P.5 P.5 表表 1-1 1-1 磁粉检测在压力容器定期检验中的重要性磁粉检测在压力容器定期检验中的重要性磁粉检测在压力容器定期检验中的重要性磁粉检测在压力容器定期检验中的重要性1 1.5.5 磁粉探伤中使用的单位、磁粉探伤中使用的单位、磁粉探伤中使用
7、的单位、磁粉探伤中使用的单位、SISI单位与单位与单位与单位与CGSCGS制的换算关系制的换算关系制的换算关系制的换算关系 磁场强度磁场强度H A/m OeH A/m Oe 磁通量磁通量 Wb Mx Wb Mx 磁感应强度磁感应强度 B T Gs B T Gs 2 磁粉探伤的物理基础磁粉探伤的物理基础2.1 磁粉探伤中的相关物理量磁粉探伤中的相关物理量2.1.1 磁的基本现象磁的基本现象磁性、磁体、磁极、磁化磁性、磁体、磁极、磁化磁性磁性：磁铁能够吸引铁磁性材料的性质叫磁性。：磁铁能够吸引铁磁性材料的性质叫磁性。磁体磁体：凡能够吸引其他铁磁性材料的物体叫磁体。：凡能够吸引其他铁磁性材料的物体叫
8、磁体。磁极磁极：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。：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。每一小块磁体总有两个磁极。磁化磁化：使原来没有磁性的物体得到磁性的过程叫磁化。：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：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、显示和磁力线磁场的特征磁场的特征：是对运动的电荷（或电流）具有作用力，在磁场变化：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。的同时也产生电场。磁场的显示磁场的显示：磁场的大小、方向和分布情况，可以利用磁力线来表
9、：磁场的大小、方向和分布情况，可以利用磁力线来表 示。示。2.1.32.1.3磁力线磁力线（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。的疏密程度反映磁场的大小。磁力线具有以下特性磁力线具有以下特性：磁力线在磁体外，是由磁力线在磁体外，是由N N极出发穿过空气进入极出发穿过空气进入S S极，在磁体内极，在磁体内是由是由S S极到极到N N极的闭合线；极的闭合线；磁力线互不相交；磁力线互
10、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；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。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强度：磁场具有大小和方向，磁场大小和方向的总称叫磁场磁场具有大小和方向，磁场大小和方向的总称叫磁场强度强度H H，通常也把单位正磁极所受的力称为磁场强度。，通常也把单位正磁极所受的力称为磁场强度。单位为单位为A/mA/m（SISI）和）和OeOe（CGSCGS）。）。磁通量磁通量：简称磁通，它是磁场中垂直穿过某一截面的磁力线的简称磁通
11、，它是磁场中垂直穿过某一截面的磁力线的条数，用符号条数，用符号 表示。单位为表示。单位为WbWb（SISI）和）和MxMx（CGSCGS）。）。磁感应强度磁感应强度：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，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 B。单位是单位是T T（SISI）和）和Gs Gs（CGSCGS）。磁感应强度是矢量，有大小和
12、方向，）。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。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，材料的性质有关，B BHH。2.1.5 磁导率 磁感应强度磁感应强度B B与磁场强度与磁场强度H H的比值称为磁导率，或称的比值称为磁导率，或称为绝对磁导率，用符号为绝对磁导率，用符号 表示，表示材料被磁化的难易程表示，表示材
13、料被磁化的难易程度，单位度，单位 H/m.H/m.不是常数，随磁场大小不同而改变，有最大值。不是常数，随磁场大小不同而改变，有最大值。不是常数，随磁场大小不同而改变，有最大值。不是常数，随磁场大小不同而改变，有最大值。真空磁导率真空磁导率 o o 在真空中，磁导率是常数，在真空中，磁导率是常数，o o 410410-7-7 H/m H/m 相对磁导率相对磁导率 r r 材料的磁导率与真空磁导率的比值材料的磁导率与真空磁导率的比值 r r/o o 无单位无单位 此外，磁粉探伤中还用到材料磁导率、最大磁导率、有效磁导此外，磁粉探伤中还用到材料磁导率、最大磁导率、有效磁导率和起始磁导率。率和起始磁导
14、率。材料磁导率：材料磁导率是在磁路完全处于材料内部情况下所测材料磁导率：材料磁导率是在磁路完全处于材料内部情况下所测得的得的B/HB/H，主要用于周向磁化。，主要用于周向磁化。最大磁导率：在磁化曲线上，最大磁导率：在磁化曲线上，B/HB/H值最大时对应拐点处的磁导率值最大时对应拐点处的磁导率称为最大磁导率称为最大磁导率 mm有效磁导率（表观磁导率）：有效磁导率是指工件在线圈中磁化有效磁导率（表观磁导率）：有效磁导率是指工件在线圈中磁化产生的产生的B B与空载线圈产生的与空载线圈产生的H H的比值。有效磁导率不完全有材料的的比值。有效磁导率不完全有材料的性质决定，在很大程度上与零件的形状有关，它
15、对纵向磁化很重性质决定，在很大程度上与零件的形状有关，它对纵向磁化很重要。要。起始磁导率：在起始磁导率：在B B和和H H接近零时测得的磁导率称为起始磁导率接近零时测得的磁导率称为起始磁导率 a a。2.1.62.1.6磁化强度磁化强度磁化强度磁化强度MM 物质是由分子组成，分子由原子组成。近代物理证明，原子中的每个电子都在物质是由分子组成，分子由原子组成。近代物理证明，原子中的每个电子都在作绕核的循轨运动和自旋运动，这两种运动都产生磁效应。作绕核的循轨运动和自旋运动，这两种运动都产生磁效应。如果把分子看成一个整体，分子中各个电子对外所产生的磁效应的总和，可以如果把分子看成一个整体，分子中各个
16、电子对外所产生的磁效应的总和，可以用一个等效的圆电流来表示。这个等效的圆电流称为分子电流，其相应的磁矩称用一个等效的圆电流来表示。这个等效的圆电流称为分子电流，其相应的磁矩称为分子磁矩，用为分子磁矩，用m mo o来表示，显然，来表示，显然，m mo o是分子中各个电子轨道磁矩和自旋磁矩的矢是分子中各个电子轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。量和。在无外磁场时，磁介质内部任一体积元在无外磁场时，磁介质内部任一体积元VV内所有分子磁矩的矢量和为零，即内所有分子磁矩的矢量和为零，即mm0 0=0=0。这是因为受分子杂乱无章的热运动的影响，使分子磁矩指向各向概率。这是因为受分子杂乱无章的热运动的影响，使分子
17、磁矩指向各向概率相等，因而磁介质对外不显磁性。相等，因而磁介质对外不显磁性。当磁介质处于外磁场当磁介质处于外磁场B B中时，每个分子都受到一个力矩，中时，每个分子都受到一个力矩，L Lo o=m=mo o B B，该力矩迫，该力矩迫使分子磁矩转向外磁场使分子磁矩转向外磁场B B的方向，于是，在外磁场的作用下，任一体积元的方向，于是，在外磁场的作用下，任一体积元VV内所内所有分子磁矩的矢量和不为零，即有分子磁矩的矢量和不为零，即mmo o00。这样，磁介质对外就显示出一定的磁。这样，磁介质对外就显示出一定的磁性，或者说磁介质被磁化了。性，或者说磁介质被磁化了。为了描述磁介质的磁化状态（磁化程度和
18、磁化方向）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我们引入磁化强度矢量M M，它表示单位体积内所有分子磁矩的矢量和，它表示单位体积内所有分子磁矩的矢量和，单位是安单位是安/米。米。物质的磁化是由外磁场引起的，在磁性物质中，磁化强度物质的磁化是由外磁场引起的，在磁性物质中，磁化强度M M和外和外磁场强度磁场强度H H之间的关系为之间的关系为 式中，式中，式中，式中，m m m m为物质的磁化率，它对不同的物质是不同的，对抗磁为物质的磁化率，它对不同的物质是不同的，对抗磁为物质的磁化率，它对不同的物质是不同的，对抗磁为物质的磁化率，它对不同的物质是不同的，对抗磁质是负值
19、，对顺磁质是正值，但很小，对铁磁质为正，而且很高。质是负值，对顺磁质是正值，但很小，对铁磁质为正，而且很高。质是负值，对顺磁质是正值，但很小，对铁磁质为正，而且很高。质是负值，对顺磁质是正值，但很小，对铁磁质为正，而且很高。实际上，物质被磁化以后必然反过来使物质所在部分的磁场发生实际上，物质被磁化以后必然反过来使物质所在部分的磁场发生实际上，物质被磁化以后必然反过来使物质所在部分的磁场发生实际上，物质被磁化以后必然反过来使物质所在部分的磁场发生变化。因为变化后的总磁场为变化。因为变化后的总磁场为变化。因为变化后的总磁场为变化。因为变化后的总磁场为B B B B，令物质磁化后引起的磁场变化，令物
20、质磁化后引起的磁场变化，令物质磁化后引起的磁场变化，令物质磁化后引起的磁场变化为为为为HHHH，称为附加磁场，其大小，称为附加磁场，其大小，称为附加磁场，其大小，称为附加磁场，其大小H=MH=MH=MH=M，则有，则有，则有，则有B=B=B=B=o o o oH+H+H+H+o o o oM M M M，把，把，把，把 M=M=M=M=m m m mH H H H代入得，代入得，代入得，代入得，B=B=B=B=o o o oH+H+H+H+o o o om m m mH=H=H=H=o o o o(1+(1+(1+(1+m m m m)H=)H=)H=)H=o o o or r r rH=HH
21、=HH=HH=H式中，式中，式中，式中，o o o o为真空磁导率，为真空磁导率，为真空磁导率，为真空磁导率，r r r r为相对磁导率，其大小为相对磁导率，其大小为相对磁导率，其大小为相对磁导率，其大小r r r r=1+=1+=1+=1+m m m m：为介质的绝对磁导率，单位是为介质的绝对磁导率，单位是为介质的绝对磁导率，单位是为介质的绝对磁导率，单位是H/mH/mH/mH/m。2.2 铁磁性材料铁磁性材料2.2.1 磁介质磁介质 磁介质分类磁介质分类 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
22、磁性材料和逆磁性材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。料都列入非磁性材料。2.2.2 磁畴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，其体积约为为磁畴，其体积约为1010-5-5cmcm3 3 ，在这个小区域内，含有大约，在这个小区域内，含有大约 1010121210101515个原子个原子，各原子的磁化方向一致，对外呈现磁性。，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
23、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
24、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 2.2.4 磁化曲线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 H与磁感应强度与磁感应强度B B的变化关系。的变化关系。B BH H曲线的测绘方法曲线的测绘方法:采用如图所示的装置采用如图所示的装置曲线特征：曲线特征：2.2.5 2.2.5 磁滞回线磁滞回线饱和磁场强度饱和磁场强度 BmBm
25、矫顽力矫顽力 HcHc 典型磁性材料典型磁性材料30CrMnSiA30CrMnSiA经经880880油淬，油淬，300300回火状态下，测得的磁化曲线见下回火状态下，测得的磁化曲线见下图，包括图，包括BHBH曲线，曲线，HH曲线，和曲线，和BrHBrH曲线。曲线。铁磁性材料的特性：铁磁性材料的特性：高导磁性高导磁性磁饱和性磁饱和性磁滞性磁滞性根据矫顽力根据矫顽力HcHc大小分为软磁材料（大小分为软磁材料（Hc=400A/mHc=8000A/mHc=8000A/m）软磁材料与硬磁材料的特征软磁材料与硬磁材料的特征 (1)(1)软磁材料软磁材料是指磁滞回线狭长，具有高磁导率、低剩磁、低矫顽力是指磁
26、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。磁材料如电工用纯铁、低碳钢和软磁铁氧体等材料。(2)(2)硬磁材料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。磁材料如铝镍钴、稀土钴和硬磁铁氧体等材料。2
27、.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
28、来确定。2.3电流的磁场电流的磁场2.3.1通电圆柱导体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：根据上式，通电直长导体表面的磁场强度为：H H磁强强度（磁强强度（A/mA/m）I I电流强度（电流强度（A A）R R圆柱导体半径（圆柱导体半径（mm）导体外导体外r r处（处（rRrR）和导体内部）和导体内部r r处（处（rRrR rR 时时 rR rR时时CGSCGS单位制的公式，连续法（单位制的公式，连续法（I=8DI=8D）和剩磁法
29、（）和剩磁法（I=25DI=25D）经验公式）经验公式的来源理论计算应用的来源理论计算应用 直圆柱导体内、外及直圆柱导体内、外及直圆柱导体内、外及直圆柱导体内、外及表面的磁场强度分布表面的磁场强度分布表面的磁场强度分布表面的磁场强度分布如右图所示：如右图所示：如右图所示：如右图所示：钢棒通电法磁化钢棒通电法磁化 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，钢管内部用交流和直流电磁化同一钢管时，钢管内部H=0H=0，B=0B=0，钢管内部，钢管内部没有磁场存在，磁场是
30、从钢管内壁到表面逐渐上升到最大值。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设管内外半径分别为R R1 1和和R R2 2，通直流电磁化，由安培环路定律得，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 钢管中心导体法磁化时，在钢管中心导体法磁化时，在通电中心导体内、外磁场分通电中心导体内、外磁场分布与图布与图2-172-17相同，由于中心相同，由于中心导体为铜棒，其导体为铜棒，其 ，所，所以只存在以只存在H H。在钢管上由于。在钢管上由于 ，所以能感应产，所以能感应产生较大的磁感应强度。并且生较大的磁感应强度。并且钢管内壁的磁场
31、强度和磁感钢管内壁的磁场强度和磁感应强度都比外壁大。应强度都比外壁大。应采用直流电或整流电应采用直流电或整流电应采用直流电或整流电应采用直流电或整流电理论计算及应用理论计算及应用理论计算及应用理论计算及应用2.3.2 通电线圈的磁场磁场方向：磁场方向：右手定则右手定则 磁场大小：磁场大小：空载通电线圈中心的空载通电线圈中心的磁场强度可用下式计算磁场强度可用下式计算H H磁场强度（磁场强度（A/mA/m）N N线圈匝数线圈匝数L L线圈长度（线圈长度（mm）D D线圈直径（线圈直径（mm）线圈对角线与轴线的夹角线圈对角线与轴线的夹角线圈纵向磁化的磁化力用安匝（线圈纵向磁化的磁化力用安匝（ININ
32、）来表示。）来表示。线圈的分类线圈的分类a a 按结构分按结构分 电缆缠绕线圈和螺管线圈电缆缠绕线圈和螺管线圈b b 按填充系数按填充系数 低填充低填充 中填充中填充 高填充高填充c c 按按L/D L/D 短螺管线圈短螺管线圈 LD LD LD 线圈内磁场分布特点：线圈内磁场分布特点：在有限长螺管线圈内部的在有限长螺管线圈内部的中心轴线上，磁场分布较均中心轴线上，磁场分布较均匀，线圈两端处的磁场强度匀，线圈两端处的磁场强度为内部的为内部的1/21/2左右，见右图。左右，见右图。在线圈横截面上，靠近线圈在线圈横截面上，靠近线圈内壁中心的磁场强度较线圈中内壁中心的磁场强度较线圈中心强，见右图。心
33、强，见右图。无限长螺管线圈无限长螺管线圈LDLD 内部磁场分布均匀，并且磁场内部磁场分布均匀，并且磁场只存在于线圈内部，磁力线方向只存在于线圈内部，磁力线方向与线圈的中心轴线平行。与线圈的中心轴线平行。理论计算理论计算 P24 P24 例例1 1 例例2 22.42.4退磁场退磁场2.4.1 2.4.1 退磁场定义退磁场定义 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，用符号场，它对外加磁场有削弱作用，用
34、符号场，它对外加磁场有削弱作用，用符号场，它对外加磁场有削弱作用，用符号HH表示。表示。表示。表示。退磁场与材料的磁化强度成正比。退磁场与材料的磁化强度成正比。退磁场与材料的磁化强度成正比。退磁场与材料的磁化强度成正比。HH退磁场退磁场 M M磁化强度磁化强度 N N退磁因子退磁因子2.4.2 2.4.2 有效磁场有效磁场 铁磁性材料磁化时，铁磁性材料磁化时，铁磁性材料磁化时，铁磁性材料磁化时，只要在工件上产生磁极，只要在工件上产生磁极，只要在工件上产生磁极，只要在工件上产生磁极，就会产生退磁场，就会产生退磁场，就会产生退磁场，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它削弱了外
35、加磁场，所以工件上的有效磁场用它削弱了外加磁场，所以工件上的有效磁场用它削弱了外加磁场，所以工件上的有效磁场用HH表示，等于外加表示，等于外加表示，等于外加表示，等于外加磁场减去退磁场。其数学表达式为：磁场减去退磁场。其数学表达式为：磁场减去退磁场。其数学表达式为：磁场减去退磁场。其数学表达式为：H H有效磁场（有效磁场（A/mA/m）H Ho o外加磁场（外加磁场（A/mA/m）H H退磁场（退磁场（A/mA/m）得得:2.4.3 2.4.3 退磁因子退磁因子退磁因子退磁因子NN N N 主要与工件的形状有关（主要与工件的形状有关（L/DL/D），对于完整的闭合的环形试样），对于完整的闭合的
36、环形试样N=0N=0；对于球体，；对于球体，N=0.333N=0.333；对于圆钢棒，；对于圆钢棒，L/DL/D愈小，愈小，N N愈大。愈大。影响试件退磁场大小的因素：影响试件退磁场大小的因素：影响试件退磁场大小的因素：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；退磁场与退磁场与L/DL/D有关，有关，L/DL/D增大，退磁场减小；工件磁化时，如果不产增大，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。生磁极，就不会产生退磁场。如果工件的截面为非圆形，设截面面积为如果工件的截面为非圆形
37、，设截面面积为S S，则有效直径为：，则有效直径为：则则 退磁场的计算退磁场的计算计算结果讨论：计算结果讨论：当当L/D=2L/D=2时，退磁场影响很大，工件磁化需要很大的外加磁场时，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强度。只有当外加磁场强度HoHo远远大于有效磁场强度远远大于有效磁场强度H H时，才足以时，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难产生上千OeOe的外加磁场强度，所以通常采用延长块将工件接长，的外加磁场强度，所以通常采用延长块将工件接长，以增大以增大L/
38、DL/D值，减小退磁场的影响。值，减小退磁场的影响。2.5 磁路与磁感应线的折射磁力线通过的闭合路径叫磁路。磁力线通过的闭合路径叫磁路。2.5.1 2.5.1 磁路定律：磁路定律：2.5.22.5.2磁感应线的折射磁感应线的折射 当磁通量从一种介质进入另一种介质时，它的量不变。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：定律：当磁感应线由钢铁进入空气，或者
39、由空气进入钢铁，在空气中磁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。感应线实际上是垂直的。磁感应强度的边界条件磁感应强度的边界条件:（方向分量连续）（方向分量连续）（切向分量连续）（切向分量连续）2.6 2.6 漏磁场漏磁场2.6.1 2.6.1 漏磁场的形成漏磁场的形成 所谓漏磁场，就是铁所谓漏磁场，就是铁磁性材料磁化后，在不磁性材料磁化后，在不连续性处或磁路的截面连续性处或磁路的截面变化处，磁感应线离开变化处，磁感应线离开和进入表面时形成的磁和进入表面时形成的磁场。如右图场。如右图 两磁极间漏磁场分布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
40、远远低于铁磁性材料的磁漏磁场形成的原因，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
41、乎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。场。2.6.2 缺陷的漏磁场分布缺陷的漏磁场分布 缺陷产生的漏磁场可以分解为水平分量缺陷产生的漏磁场可以分解为水平分量BxBx和垂直分量和垂直分量ByBy，水平分，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
42、曲线，其示意图见图垂直分量为通过中心点的曲线，其示意图见图2-322-32，图中（，图中（a a）为）为水平分量，（水平分量，（b b）为垂直分量，如果将两个分量合成，则可得到如）为垂直分量，如果将两个分量合成，则可得到如图（图（c c）所示的漏磁场。）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，也呈现出在磁极区通过，则将被磁化，也呈现出N N极和极和S S极，并沿极，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着磁感应线排列起来。当磁粉的两极与漏磁场的两极互
43、相作用时，磁粉就会被吸附并加速移到缺陷上去。漏磁场的作用时，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。区，即指向缺陷处。见下页见下页 图图 漏磁场的宽度要比缺陷的实际宽度大数倍至数十倍，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。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
44、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 2）缺陷位置及形状的影响）缺陷位置及形状的影响 a a 缺陷埋藏深度的影响缺陷埋藏深度的影响缺陷埋藏深度的影响缺陷埋藏深度的影响 影响很大影响很大影响很大影响很大 同样的缺陷，位于工件表面同样的缺陷，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
45、工件表面。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 b 缺陷方向的影响缺陷方向的影响缺陷方向的影响缺陷方向的影响 缺陷垂直于缺陷垂直于磁场方向，漏磁场最大，也最有磁场方向，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，即某一角度，而最终变为平行，即倾角等于倾角等于0 0时，漏磁场也由最大时，漏磁场也由最大下降至零，下降曲线类似于正弦下降至零，下降曲线类似于正弦曲线由最大值降至零值的部分。曲线由最大值降至零值的部
46、分。c c 缺陷深宽比的影响缺陷深宽比的影响缺陷深宽比的影响缺陷深宽比的影响 缺陷的深缺陷的深宽比是影响漏磁场的一个重要因宽比是影响漏磁场的一个重要因素，缺陷的深宽比愈大，漏磁场素，缺陷的深宽比愈大，漏磁场愈大，缺陷愈容易发现。愈大，缺陷愈容易发现。（3 3）工件表面覆盖层的影响）工件表面覆盖层的影响（4 4）工件材料及状态的影响）工件材料及状态的影响 晶粒大小的影响晶粒大小的影响 含碳量的影响含碳量的影响 热处理的影响热处理的影响 合金元素的影响合金元素的影响 冷加工的影响冷加工的影响3 磁化方法与磁化电流3.1 3.1 磁化电流磁化电流磁化电流磁化电流 磁粉探伤采用的磁化电流有交流电、整流
47、电（包括单相半波整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、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。和三相全波整流电。3.1.1 3.1.1 交流电交流电交流电交流电概念：峰值、有效值、平均值、趋肤效应、趋肤深度（穿透深度）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，内部电流密度小交流电的趋肤效应：导体表面电流密度大，内
48、部电流密度小 产生的原因是电磁感应产生了涡流。产生的原因是电磁感应产生了涡流。电流从表面值下降到电流从表面值下降到1/e0.371/e0.37的深度称为趋肤深度的深度称为趋肤深度，可由下式求可由下式求出：出：磁导率磁导率 电导率电导率 电流的频率电流的频率交流电的优点：交流电的优点：a a 对表面缺陷检测灵敏度高对表面缺陷检测灵敏度高 b b 容易退磁容易退磁 c c 能够实现感应电流磁化能够实现感应电流磁化 d d 能够实现多向磁化能够实现多向磁化 e e 变截面工件磁场分布较均匀变截面工件磁场分布较均匀 f f 有利于磁粉迁移有利于磁粉迁移 g g 用于评价直流电发现的磁痕显示用于评价直流
49、电发现的磁痕显示h h 适用于在役工件的检验适用于在役工件的检验I I 适用于适用于12mm12mm弹簧钢丝的检验弹簧钢丝的检验 J J 交流电磁化时，两次磁化的工序间不需要退磁交流电磁化时，两次磁化的工序间不需要退磁交流电的局限性：交流电的局限性：a a 剩磁法检验时，受交流电断电相位的影响剩磁法检验时，受交流电断电相位的影响 b b 探测缺陷的深度小。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交流断电相位的控制：为了得到稳定和最大的剩磁3.1.23.1.2整流电整流电单相半波单相半波 单相全波单相全波 三相半波三相半波 三相全波三相全波最常用的是单相半波和三相全波整流电
50、最常用的是单相半波和三相全波整流电 单相半波整流电单相半波整流电 主要和干法配合使用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：磁粉探伤中最常用的磁化电流之一，其优点：a a 兼有直流的渗透性和交流的脉动性兼有直流的渗透性和交流的脉动性b b 剩磁稳定剩磁稳定 c c 有利于近表面缺陷的检测有利于近表面缺陷的检测d d 能提供较高的灵敏度和对比度能提供较高的灵敏度和对比度e e 设备结构简单、轻便，有利于现场检验。设备结构简单、轻便，有利于现场检验。局限性：局限性：a a 退磁较困难退磁较困难 b b 检测缺陷深度不如直流电大检测缺陷深度不如直流电大 c c 要求较大的输入功率