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第四章磁粉检测 4 1磁粉检测的基本原理4 2磁化过程4 3磁粉检测技术 第四章磁粉检测 1 第四章磁粉检测 利用磁粉的聚集显示铁磁性材料及其工件表面与近表面缺陷的无损检测方法称为磁粉检测法 该方法既可用于板材 型材 管材及锻造毛坯等原材料及半成品或成品表面与近表面质量的检测 也可用于重要机械设备 压力容器及石油化工设备的定期检查 第四章磁粉检测 2 主要优点 1 直观地显示出缺陷的形状 位置与大小 并能大致确定缺陷的性质 2 检测灵敏度高 可检出宽度仅为0 1 m的表面裂纹 3 应用范围广 几乎不受被检工件大小及几何形状的限制 4 工艺简单 检测速度快 费用低 第四章磁粉检测 3 缺点 该方法仅局限于检测能被显著磁化的铁磁性材料 Fe Co Ni及其合金 及由其制作的工件表面与近表面缺陷 不能用于抗磁性材料 如Cu 及顺磁性材料 如Al Cr Mn 工程上统称为非磁性材料的检测 磁性合金在外加磁场中 可表现出三种情况 1 不被磁场吸引的 叫反 抗 磁性材料 2 微弱地被磁场所吸引的物质 叫顺磁性材料 3 被磁场强烈地吸引的物质 称铁磁性材料 其磁性随外磁场的加强而急剧增高 并在外磁场移走后 仍能保留磁性 金属材料中 大多数过渡金属具有顺磁性 只有Fe Co Ni等少数金属是铁磁性的 第四章磁粉检测 4 4 1磁粉检测的基本原理 一 金属的铁磁性 在外磁场的作用下 铁磁性材料会被强烈磁化 反映外加磁场强度H与铁磁性材料内部磁感应强度B之间联系的闭合曲线称为磁滞回线 第四章磁粉检测 5 图4 2磁滞回路 材料的磁滞回路 1 磁滞性 2 剩磁感应强度Br 3 矫顽磁力H0 1 磁滞性 在卸除外加磁场时 H已减到零值时 B要滞后一点时间才达到零值 第四章磁粉检测 6 图4 2磁滞回路 材料的磁滞回路 1 磁滞性 2 剩磁感应强度Br 3 矫顽磁力H0 2 剩磁感应强度Br 当外加磁场强度为零时 这时原放置在磁场中的铁磁性材料的磁性还未完全消失 这时材料中所保留的磁感应强度 称之为 第四章磁粉检测 7 图4 2磁滞回路 3 矫顽磁力Ho 如果要使材料中的剩磁消失 就必须改变外加磁场的磁场强度H的方向 对材料进行反向磁化 使B 0的H值 称为 第四章磁粉检测 8 在外磁场作用下 铁磁性材料会被强烈磁化 反映外加磁场强度H与铁磁性材料内部磁感应强度B之间联系的闭合曲线称为磁滞回线 根据磁滞回线形状的不同 可以把铁磁性材料划分为软磁性和硬磁性材料两类 软磁性材料的磁滞特性不显著 矫顽磁力很小 剩磁非常容易消除 硬磁性材料的磁滞特性则非常显著 矫顽磁力和剩磁都很大 适于制造永久磁铁 第四章磁粉检测 9 影响磁特性的主要因素 铁磁性材料的晶格结构不同 其磁性会有显著改变 在常温下 面心立方晶格的铁是非磁性材料 体心立方晶格的铁则是铁磁性材料 除此以外 材料的合金化 冷加工及热处理状态都会影响材料的磁特性 例如 1 随着含碳量的增加 碳钢的矫顽力几乎呈线性增大 而最大相对磁导率却随之下降 2 合金化将增大钢材的矫顽力 使其磁性硬化 例如正火状态的40钢和40Cr钢的矫顽力分别为584A m和1256A m 3 退火和正火状态钢材磁特性的差别不大 而淬火则可以提高钢材的矫顽力 4 品粒愈粗 钢材的磁导率愈大 矫顽力愈小 逆之则反 5 钢材的矫顽力和剩磁将随压缩变形率的增加而增加 第四章磁粉检测 10 漏磁场是指被磁化物体内部的磁力线在缺陷或磁路截面发生突变的部位离开或进入物体表面所形成的磁场 漏磁场的成因在于磁导率的突变 若被磁化的工件上存在缺陷 由于缺陷内所含的物质一般有远低于铁磁性材料的磁导率 因而造成了缺陷附近磁力线的弯曲和压缩 如果该缺陷位于工件的表面或近表面 则部分磁力线就会在缺陷处逸出工件表面进入空气中 绕过缺陷后再折回工件 由此形成了缺陷的漏磁场 如果在漏磁场处撒上磁导率很高的磁粉 因为磁力线穿过磁粉比穿过空气更容易 所以磁粉会被该漏磁场吸附 第四章磁粉检测 缺陷的漏磁场与磁粉的吸附 二 漏磁场 11 第四章磁粉检测 12 漏磁场与磁粉的相互作用 磁粉检测的基础是缺陷的漏磁场与外加磁粉的磁相互作用 即通过磁粉的聚集来显示被检工件表面上出现的漏磁场 再根据磁粉聚集形成的磁痕的形状和位置分析漏磁场的成因并评价缺陷 设在工件表面上有漏磁场存在 如果在漏磁场处撒上磁导率很高的磁粉 因为磁力线穿过磁粉比穿过空气更容易 所以磁粉会被该漏磁场吸附 被磁化的磁粉沿缺陷漏磁场的磁力线排列 在漏磁场力的作用下 磁粉向磁力线最密集处移动 缺陷附近磁力线的弯曲和压缩 最终被吸附在缺陷上 由于缺陷的漏磁场有比实际缺陷本身达数倍乃至数十倍的宽度 故磁粉被吸附后形成的磁痕能放大缺陷 通过分析磁痕评价缺陷 即是磁粉检测的基本原理 第四章磁粉检测 13 三 影响漏磁场强度的主要因素 磁粉检测灵敏度的高低取决于漏磁场强度的大小 在实际检测过程中 真实缺陷漏磁场的强度受到多种因素的影响 主要有 1 外加磁场强度 外加磁场使被检材料的磁感应强度达到饱和值的80 以上 缺陷漏磁场的强度会显著增加 第四章磁粉检测 14 2 缺陷的位置与形状 缺陷埋藏深度越深 漏磁场强度越小 缺陷切割磁力线的角度越接近正交 漏磁场强度越大 同样条件下 表面缺陷的漏磁场强度随深 宽比的增加而增加 3 被检表面的覆盖层 覆盖层会降低漏磁场强度 4 材料状态 成分 含碳量 加工及热处理状态的改变都会影响材料的磁特性 并影响缺陷的漏磁场 15 一 磁化方法 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 当磁场方向与缺陷延伸方向夹角为45 时 缺陷可以显示 但灵敏度降低 当磁场方向与缺陷延伸方向平行时 不产生磁痕显示 发现不了缺陷 由于工件中缺陷有各种取向 难以预知 故应根据工件的几何形状 采用不同的方法直接 间接或通过感应电流对工件进行周向 纵向或多向磁化 以便在工件上建立不同方向的磁场 发现所有方向的缺陷 于是出现了各种不同的磁化方法 主要有通电法 中心导体法 触头法 线圈法 磁轭法 多向磁化法等 4 2磁化过程 第四章磁粉检测 16 一 周向磁化被检工件直接通电 或让电流通过平行于工件轴向放置的导体的磁化方法称为周向磁化 目的是建立起环绕工件周向并垂直于工件轴向的闭合周向磁场 以发现取向基本与电流方向平行的缺陷 即轴向缺陷 第四章磁粉检测 对小型零部件 采用直接通电或中心导体通电法对被检工件作整体周向磁化 对大型结构的磁粉检测 采用触头法 直接通电 和平行电缆法 辅助通电 对被检区域作局部周向磁化 17 1 触头法用两个电极触头将磁化电流导入被检工件进行局部磁化的方法称为触头法 为避免漏检缺陷 对同一被检部位应通过改变触点连线方位的方法 至少进行两次相互垂直的检测 第四章磁粉检测 两触头间距200mm 磁化电流400A的交流电时的感应磁场强度等值曲线 两触点连线上的磁场强度最大 18 2 平行电缆法用与被检区域平行的电缆作周向磁化可以检测该区域存在的纵向裂纹 第四章磁粉检测 19 二 纵向磁化纵向磁化的目的使用环绕被检工件或磁轭铁心的励磁线圈在工件中建立起沿其轴向分布的纵向磁场 以发现取向基本与工件轴向垂直的缺陷 周向或径向缺陷 常用的方法是磁轭法和线圈法 第四章磁粉检测 20 1 磁轭法将电磁轭或永久磁轭的两极与被检工件相接触 即可对其作整体或局部的纵向磁化 如被检工件的两个断面能够被夹持在磁轭的两极之间 形成闭合的磁路 可以对工件作整体纵向磁化 否则为局部磁化 作局部磁化时 磁轭两极间的磁力线大致与两极的连线平行 可以检出取向基本与两极连线垂直的缺陷 第四章磁粉检测 21 2 线圈法用螺旋管线圈对被检工件作纵向磁化的方法称为线圈法 用线圈法可以对管道环焊缝作磁粉检测 可以发现环焊缝及其热影响区的纵向裂纹 一般线圈缠绕4 6匝 第四章磁粉检测 22 三 复合磁化复合磁化将周向磁化和纵向磁化的两次磁化过程合二为一 同时在被检工件上施加两个或两个以上不同方向的磁场 合成磁场的方向在被检区域内随着时间变化 经一次磁化就能检出各种不同取向的缺陷 交叉电磁轭复合磁化 旋转磁化 有两个参数相同的单磁轭交叉构成 交叉角度为90 用幅值相等 相位相差120 的交流电分别对两个单磁轭励磁 则在被检工件表面上将产生方向随时间变化的椭圆型旋转磁场 因此这种磁化方法又叫旋转磁化 交叉电磁轭通常在被检表面连续行走检测 使产生的椭圆型旋转磁场移动 由于被检表面上有效磁场内任意取向的缺陷都有与旋转磁场最大幅值方向正交的机会 因此可获得最强的缺陷漏磁场 第四章磁粉检测 23 二 磁化电流 为了在工件上产生磁场而采用的电流称为磁化电流 磁粉检测采用的磁化电流有交流 直流和整流电流 第四章磁粉检测 24 第四章磁粉检测 在电流产生的磁场强度H的激励下 铁磁材料 如铁心 被磁化并以感应强度B描述磁化程度 磁化后的铁心 若去除电流激励 使H 0 铁磁材料中的磁感应强度虽减小 但并不为零 即B 0 这种现象称为铁磁材料具有剩磁特性 铁磁材料的剩磁可通过施加适当的反向磁场 或对其施加高温或振动而减弱或消失 25 二 直流与整流磁化整流电有单向半波 单向全波 三向半波和三向全波整流几种类型 三向全波整流很接近纯直流电 在这几种整流电中 随着电流波形脉动程度的减小 磁场的渗透能力增强 可检出缺陷的埋藏深度增大 直流磁化可检出缺陷的埋藏深度最大 直流与整流磁化被检工件均可获得稳定的剩磁 但检测后退磁也比较困难 另外 在被检工件的截面突变部位 容易出现磁化不足或过磁化 易造成这些部位缺陷的漏检 第四章磁粉检测 26 三 磁化规范 为获得较高的磁粉检测灵敏度 在被检工件上建立的磁场就必须具有足够的强度 使用电磁轭的纵向磁场进行检测时 可以通过测量其提升力确定被磁化区域的磁场强度是否满足要求 当使用最大的磁极间距时 要求交流电磁轭至少应具有44N的提升力 直流电磁轭至少应具有177N的提升力 使用触头法检测时 电极间距控制在75 200mm之间 推荐使用的磁化电流为 第四章磁粉检测 27 使用直流或整流励磁的缠绕电缆法作纵向磁化检验管道环焊缝时 推荐使用的安匝数 NI 估算值为 第四章磁粉检测 对L D 15 一律取15 有效检测范围 缠绕电缆区域两端再加上一个管道半径的长度 使用交流励磁的缠绕电缆法检测时 实际需要的安匝数要使用人工缺陷试板或磁场指示器确定 28 四 系统性能与灵敏度评价 在磁粉检测中 要用标准试板 试环和磁场指示器评价磁粉检测系统的总性能及检测的灵敏度 其中试板和试环主要用于评价磁粉检测系统的综合性能 并间接考查检测的操作方法是否合理 磁场指示器除具有上述用途外 还可以定性地反映被检测表面的磁场分布特征 确定磁粉检测的磁化规范 第四章磁粉检测 29 1 标准试板通过观察试板上最浅的磁痕可以比较和评定用磁轭法和触头法检测时 磁粉材料与检测系统的灵敏度 第四章磁粉检测 30 2 试环通过观察人工缺陷试环上显示的缺陷磁痕 以比较和评定用中心导体法及直流或全波整流励磁检测时 磁粉材料与检测系统的灵敏度 第四章磁粉检测 通孔中心至试环外缘的距离D从1 8mm 21 6mm 31 2 试环在不同的磁化电流下 试环外缘上所应显示的最小磁痕数目如下表 如达不到表中的规定值 应校正所采用的检测系统 第四章磁粉检测 表4 2湿磁粉磁环的磁痕显示 表4 3干磁粉磁环的磁痕显示 32 3 磁场指示器用磁场指示器可以直接考察磁粉检测条件与操作方法是否得当 测试时 将磁场指示器的薄铜板朝上放在被检表面上 在进行磁化的同时向铜板表面上施加磁悬液 并观察磁痕显示 在测试条件下 如果磁场指示器上没有形成磁痕或没有在所需的方向上形成磁痕 应考虑改变磁化规范或改换磁化方法 第四章磁粉检测 33 磁粉检测过程主要有以下几个步骤 一 表面预处理 被检工件的表面状态对磁粉检测的灵敏度有很大的影响 例如 光滑的表面有助于磁粉的迁移 而锈蚀或油污的表面则相反 为了能获得满意的检测灵敏度 检测前应对被检表面做预处理 干燥 除锈以及去除表面的局部涂料 避免因触点接触不良产生电弧灼伤被检表面 4 3磁粉检测技术 第四章磁粉检测 34 二 施加磁粉的方法 1 干法 用干燥磁粉 粒度范围以10 60 m为宜 进行磁粉检测的方法称为干法 干法常与电磁轭或电极触头配合 广泛用于大型铸 锻件毛坯及大型结构件焊缝的局部磁粉检测 用干法检测时 磁粉与被检工件表面先要充分干燥 然后用喷粉器或其他工具将呈雾状的干燥磁粉施于被检工件表面 形成薄而均匀的磁粉覆盖层 同时用干燥的压缩空气吹去局部堆积的多余磁粉 观察磁痕应与喷粉和去除多余磁粉同时进行 观察完磁痕后再撤除外加磁场 2 湿法 磁粉 粒度范围以1 10 m为宜 悬浮在油 水或其他载体中进行磁粉检测的方法称为湿法 与干法相比较 湿法具有更高的检测灵敏度 特别适合于检测如疲劳裂纹一类的细微缺陷 湿法检测时 要用浇 浸或喷的方法将磁悬浮液施加到被检表面上 第四章磁粉检测 35 三 检测方法 1 连续法 在有外加磁场作用的同时向被检表面施加磁粉或磁悬液的检测方法称为连续法 观察磁痕既可在外加磁场的作用时进行 也可在撤去外加磁场以后进行 低碳钢及所有退火状态或经过热变形的钢材均采用连续法 一些结构复杂的大型构件也宜采用连续法检测 连续法检测的操作程序如图所示 第四章磁粉检测 连续法检测的操作程序 36 1 湿粉连续磁化 磁化的同时施加磁悬液 每次磁化的通电时间0 5 2秒 磁化间歇时间不超过1秒 停止施加磁悬液1秒后才可停止磁化 2 干粉连续磁化 先磁化后喷粉 吹去多余的磁粉后才可停止磁化 连续法检测的灵敏度高 但检测效率低 且易出现干扰缺陷评定的杂乱显示 此外 复合磁化方法只能在连续法检测中使用 第四章磁粉检测 37 2 剩磁法 利用磁化过后被检工件上的剩磁进行磁粉检测的方法称为剩磁法 在经过热处理的高碳钢或合金钢中 凡剩余磁感应强度在0 8T以上 矫顽力在800A m以上的材料均可用剩磁法检测 剩磁法检测的操作程序 第四章磁粉检测 38 四 磁痕分析与记录 1 磁痕观察磁粉在被检表面上聚集形成的图像称为磁痕 观察磁痕应使用2 10倍的放大镜 观察非荧光磁粉 用黑色的Fe3O4或褐色的 Fe2O3及工业纯铁粉为原料直接制成的磁粉 有浅灰 黑 红 白或黄几种颜色 的磁痕时 要求被检表面上的白光照度达到1500lx以上 观察荧光磁粉 在上述铁粉外面再涂覆上一层荧光染料制成的磁粉 的磁痕时 要求被检表面上的紫外线 黑光 照度不低于970lx 同时白光照度不大于10lx 第四章磁粉检测 39 2 磁痕分析在实际的磁粉检测中 磁痕的成因是多种多样的 观察磁痕时 应特别注意区别假磁痕显示 无关显示和相关显示 即缺陷磁痕 在通常情况下 正确识别磁痕需要丰富的实践经验 同时还要了解被检工件的制造工艺 如不能判断出现的磁痕是否为相关显示时 应进行复验 磁粉检测中常见的相关磁痕主要有 发纹 非金属夹杂物 分层 材料裂纹 锻造裂纹 折叠 焊接裂纹 气孔 淬火裂纹和疲劳裂纹等 第四章磁粉检测 40 五 退磁 在大多数情况下 被检工件上带有剩磁是有害的 故须退磁 所谓退磁就是将被检工件内的剩磁减小到不妨碍使用的程度 常用的退磁方法有交流退磁法和直流退磁法 1 交流退磁常用的交流退磁方法是将被检工件从一个通有交流电的线圈中沿轴向逐步撤出至距离线圈1 5米以外 然后断电 将被检工件放在线圈中不动 逐渐将电流值降为零也可以收到同样的退磁效果 2 直流退磁在需要退磁的被检工件上通以低频换向 幅值逐渐递减为零的直流电可以更为有效地去除工件内部的剩磁 用强磁计可以测定退磁的效果 压力容器退磁以后的剩磁不能超过0 3mT 第四章磁粉检测 剩磁的单位为特斯拉 T 41 退磁 第四章磁粉检测 42 六 后处理 磁粉检测以后 应清理掉表面上残留的磁粉或磁悬液 油磁悬液可用汽油等溶剂清理 水磁悬液应先用水进行清洗 然后干燥 如有必要 可在备检表面上涂敷防护油 干粉可以直接用压缩空气清除 第四章磁粉检测 43