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1、磁粉检测物理基础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
2、。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。1.2 磁粉探伤磁粉探伤Magnetic Particle Testing，简称，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
3、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。1.4 磁粉探伤方法与其他表面探伤方法的比较 P.5 表 1-1 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 mAmAOe/80
4、/104113MxWb8101GsT41012 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 磁力线在每点的切线方
5、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（SI）和Mx（CGS）。磁感应强度：将原来不具有磁性的铁磁性材料放
6、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磁介质2.2.1 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
7、.2.2磁导率 磁感应强度B与磁场强度H的比值称为磁导率，或称为绝对磁导率，用符号表示，表示材料被磁化的难易程度，单位 H/m 不是常数，随磁场大小不同而改变，有最大和最小值。真空磁导率 o 在真空中，磁导率是常数，o 410-7 H/m 相对磁导率 r 材料的磁导率与真空磁导率的比值 r/o 无单位 此外，磁粉探伤中还用到材料磁导率、最大磁导率、有效磁导率和起始磁导率。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得的B/H，主要用于周向磁化。最大磁导率：在磁化曲线上，B/H值最大时对应拐点处的磁导率称为最大磁导率m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B与
8、空载线圈产生的H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，它对纵向磁化很重要。起始磁导率：在B和H接近零时测得的磁导率称为起始磁导率 a。2.2.3磁极化强度磁极化强度J：为了衡量物质的磁化程度，采用了磁极化强度这个物理量，物质的磁化程度愈高，磁极化强度愈大。磁极化强度J表示单位体积内分子的磁偶极矩的矢量和。式中 j磁偶极矩，V单位体积磁极化强度的物理意义是：由于被磁化的铁磁性材料内部存在磁畴，如果在磁介质中各点的磁极化强度矢量大小和方向都相同，则该磁化是均匀磁化，否则为非均匀磁化。磁介质未被磁化时，0，J0；磁介质被磁化后，则，J是磁畴磁矩矢量在外加磁场作用下，
9、由无序排列到有序排列。分子磁偶极矩j定向有序排列的程度越高，矢量和的数值就越大，磁极化强度，矢量J也就越大。2.3 铁磁性材料2.3.1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VjJj0jJBBo4为磁畴，其体积约为10-3mm3，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。2.3.2 磁化过程 用磁畴理论来解释 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
10、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。2.3.3 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。BH曲线的测绘方法:采用如图所示的装置曲线特征：2.3.4 磁滞回线饱和磁场强度 矫顽力 典型磁化材料（30CrMnSiA）磁化曲线的认识与应用铁磁性材料的特性：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2.4电流的磁场2.4.1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：Idl
11、HRIH2H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CGS单位制的公式，连续法（I=8D）和剩磁法（I=25D）经验公式的来源理论计算应用 rIH222 RIrH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用交流和直流电磁化同一钢管时，钢管内部H=0，B=0，钢管内部没有磁场存在，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R1和R2，通直流电磁化，由安培环路定律得 ()(2)(2122212RRrRrIH21RrR0HRr 钢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
12、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。1r1r2.4.2 通电线圈的磁场磁场方向：右手定则 磁场大小：空载通电线圈中心的磁场强度可用下式计算22cosDLNILNIHH磁场强度（A/m）N线圈匝数L线圈长度（m）D线圈直径（mm）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。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
13、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 P.21 例1 例22.5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。退磁场与材料的磁极化强度成正比。H退磁场 J磁极化强度 o真空磁导率 N退磁因子oJNH2.5.2 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
14、场（A/m）Ho外加磁场（A/m）H退磁场（A/m）经过推导：2.5.3 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。HHHo)1(1ooNHH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 退磁场的计算计算结果讨论：当L/D=2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
15、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，所以通常采用延长块将工件接长，以增大L/D值，减小退磁场的影响。SD2SLDL22.6 磁路与磁感应线的折射磁力线通过的闭合路径叫磁路。磁路定律：mrNIsLNI2.6.2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，在空气中磁感应线实际上是垂直的。磁感应强度的边界条件:（方向分量连续）（切向分量连续）2211
16、tgtgnnBB21ttHH212.7 漏磁场2.7.1 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 图23 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，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。2.7.2 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。2.7.3 漏磁场对磁粉的作用力 漏
