磁粉讲稿200605

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,磁粉检测物理基础,广东省产品质量监督检验中心,1,自 我 简 介,陈玉宝,本科毕业于南昌航空工业学院无损检测专业，,硕士毕业于清华大学材料加工工程专业（无损检测方向）,期间，在化工厂从事四年无损检测工作，在南昌航空工,业学院为无损检测本科生做了四年老师。,2000,年进入广,州市锅检所，从事锅炉、压力容器和压力管道的无损检,测工作。,2005,年进入广东省产品质量监督检验中心工作。,全国考委会磁粉组成员，广东省考委会射线组长，,RT,、,UT,、,MT,、,PT,III,级；,ET,、,AE,II,级，,无损检测高级工程师,联系电话：,2,1,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、感应线圈探伤法、霍,尔元件检测法、磁敏二极管探测法。,3,1.2,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,1,1,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。,4,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。,5,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,磁粉检测在压力容器定期检验中的重要性,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,6,2,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。,7,2.1.3,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,8,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。,9,2.1.4,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,）。,10,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，,B,H,。,11,2.1.5,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，有最大值。,真空磁导率,o,在真空中，磁导率是常数，,o,410,-7,H/m,12,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,。,13,2.1.6,磁化强度,M,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。,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,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,m,o,来表示，显然，,m,o,是分子中各个电子轨道磁矩和自旋磁矩的矢,量和。,在无外磁场时，磁介质内部任一体积元,V,内所有分子磁矩的矢量和为零，即,m,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,相等，因而磁介质对外不显磁性。,当磁介质处于外磁场,B,中时，每个分子都受到一个力矩，,L,o,=m,o,B,，该力矩迫,使分子磁矩转向外磁场,B,的方向，于是，在外磁场的作用下，任一体积元,V,内所,有分子磁矩的矢量和不为零，即,m,o,0,。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。,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， 单位是安,/,米。,14,物质的磁化是由外磁场引起的，在磁性物质中，磁化强度,M,和外,磁场强度,H,之间的关系为,式中，,m,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,变化。因为变化后的总磁场为,B,，令物质磁化后引起的磁场变化,为,H,，称为附加磁场，其大小,H=M,，则有,B=,o,H+,o,M,，把,M=,m,H,代入得，,B=,o,H+,o,m,H=,o,(1+,m,)H=,o,r,H=H,式中，,o,为真空磁导率，,r,为相对磁导率，其大小,r,=1+,m,：,为介质的绝对磁导率，单位是,H/m,。,15,2.2,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,-5,cm,3,，在这个小区域内，含有大约,10,12,10,15,个原子,，各原子的磁化方向一致，对外呈现磁性。,16,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。,17,2.2.3,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),。,18,2.2.4,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。,B,H,曲线的测绘方法,:,采用如图所示的装置,19,曲线特征：,20,2.2.5,磁滞回线,饱和磁场强度,Bm,矫顽力,Hc,21,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。,22,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,(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。,23,2.2.6,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,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。,24,2.3,电流的磁场,2.3.1,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：,25,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,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,直圆柱导体内、外及,表面的磁场强度分布,如右图所示：,26,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,27,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,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,R,1,和,R,2,，通直流电磁化，由安培环路定律得,（ ）,( ),28,29,钢管中心导体法磁化,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,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,30,2.3.2,通电线圈的磁场,磁场方向：,右手定则,31,磁场大小：,空载通电线圈中心的,磁场强度可用下式计算,32,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,33,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。,34,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,P24,例,1,例,2,35,2.4,退磁场,2.4.1,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,2.4.2,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：,36,H,有效磁场（,A/m,）,H,o,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。,37,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。,38,2.5,磁路与磁感应线的折射,磁力线通过的闭合路径叫磁路。,2.5.1,磁路定律：,39,2.5.2,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）,40,41,2.6,漏磁场,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。如右图,两磁极间漏磁场分布,42,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。,2.6.2,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，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。,43,44,2.6.3,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。,45,磁粉受漏磁场吸引,46,47,2.6.4,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,H,m,，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。,48,（,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。,49,（,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,50,3,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、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,51,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,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,52,3.1.2,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,磁粉探伤中最常用的磁化电流之一，其优点：,53,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。,54,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,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。,55,3.2,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。,56,3.2.2,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，即与电流方向平行的缺陷。,57,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,58,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和适用范围。,P.34,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 ：,P.34,触头间距,75,200mm,，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。,59,触头法不适用于抛光工件，触头材料用钢或铝，不用铜，因为铜会,渗入工件。也可用低熔点的,Al-Sn,合金。,触头法的优缺点和适用范围。,P.35,平行电缆法,（标准已删掉）,是将电缆放在被检部位（如焊缝）附近进行局部磁化的方法，如,P.45,图,3-29,示。用于发现与电缆平行的不连续性。,使用注意：,a,通电电缆应紧贴于被检工件表面或焊缝边缘。,b,返回电流的电缆应尽量远离受检表面，以防不同方向的磁场互相抵消。,c,电缆应绝缘并防止与工件接触。,其优缺点。,P.43,感应电流法,把环形工件当成变压器的次级线圈，当交流电在闭合回路上产生,交变磁通时，由于磁通变化在工件上产生感应电流对工件进行磁化,的方法，也叫磁通贯通法。,感应电流法配合一个辅助的有相移的交流励磁电流，可以显示出,工件表面上各个方向的不连续性，这是感应电流的复合磁化形式。,60,感应电流法的优点：,P.36,感应电流法适用于直径与壁厚之比大于,5,的薄壁环形件、齿轮和不,允许产生电弧及烧伤的工件。,环形工件绕电缆法,3.2.4,纵向磁化方法的选择及使用中注意事项,纵向磁化是指将电流通过环绕工件的线圈，使工件沿纵长方向磁,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,件轴垂直的周向缺陷。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也是纵向磁化。,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。,将工件夹在电磁轭的两极之间，对工件进行整体磁化，或利用便,携式电磁轭或永久磁铁的两极与工件接触，使工件得到局部磁化，,称为闭路磁化，闭路磁化不产生退磁场。,61,1,线圈法：,定义,P.37,包括螺管线圈法和绕电缆法两种。,线圈法纵向磁化的要求,a,、,L/D2 b,、 工件的纵轴平行于线圈的轴线,c,、 工件紧贴线圈内壁放置磁化,d,、长工件分段磁化，,10%,的重叠,e,、有效磁化区的确定,f,、 对于工件截面复杂的，用 （,S,为截面面积）取代,D,g,、对于大型工件，采用绕电缆法,62,线圈法的优缺点：见教材,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，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。,63,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,64,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。,3.2.5.1,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,表面所有方向的缺陷，检测效率高。,65,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：,H,x,=H,m,Sin,t,（,2-13,）,H,y,=H,m,Sin,（,t-,）,（,2-14,）,66,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。,H,x,2,/(2H,m,cos,/2,cos,/2),2,+H,y,2,/(2H,m,s,in,/2,s,in,/2),2,=1,式中：,Hx,合成磁场在,X,轴方向的分量；,H,y,合成磁场在,Y,轴方向的分量；,H,m,H,x,与,H,y,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,H,m,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。,67,图,2-32,交叉磁轭产生的旋转磁场,68,2,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，其合成磁场正好旋转一周。所需时间为,20ms,。,69,（,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。,70,3,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。,71,4,交叉磁轭的提升力,F=1.9,910,5,m,B,m,式中：,F,磁轭的提升力（,N,）；,m,磁通的峰值（,W,b,）；,B,m,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。,72,3.2.5.2,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,Hx,Ho,，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,73,3.3,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,2.4,4.8KA/m,（,30,60Gs,）,（,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。,),74,75,制定周向磁化规范的的基本原则,(,磁特性曲线,),规范名称,检测方法,应用范围,连续法,剩磁法,严格,规范,H,2,H,3,（基本饱和区）,H,3,以后,（饱和区）,适用于特殊要求或进一步鉴定缺陷性质的工作,标准,规范,H,1,H,2,（近饱和区）,H,3,以后,（饱和区）,适用于较严格的要求,放宽,规范,H,m,H,1,（激烈磁化区）,H,2,H,3,（基本饱和区）,适用于一般的要求,（发现较大的缺陷）,76,3.3.2,轴向通电法和中心导体法磁化规范,轴向通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,检验方法,磁化电流计算公式,AC,FWDC,连续法,I=,（,815,）,D,I=,（,1232,）,D,剩磁法,I=,（,2545,）,D,I=,（,2545,）,D,注：,I,磁化电流，,A,；,圆柱形工件,D,工件直径，,mm,对于非圆柱形工件，当量直径,D=,周长,/,，,mm,77,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,50mm,50mm,，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,D,50,4/,64(mm),I,8000,64/320,1600(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，在工件圆周方向表面的有效磁化区为芯棒直径,d,的,4,倍，,并应有不小于,10%,的磁化重叠区。磁化电流仍按表,3-3,中的公式计,算，只是工件直径,D,要按芯棒直径加两倍工件壁厚之和计算。,78,例,有一钢管，规格为,18,0171000,，用偏置芯棒法检验管内、,外壁的纵向缺陷，应采用多大的磁化电流？若采用直径为,25mm,的,芯棒时，需移动几次才能完成全部表面的检验？,解：当芯棒直径,D=25mm,时，,I=,（,8,15,）,（,25+217,）,=,（,472,885,）,A,又因为检测范围为：,4D=425=100,（,mm,）,钢管外壁周长为：,L=,=3.1,4180,570,（,mm,）,考虑到检测区,10%,的重叠，所以完成全部表面的检验需移动芯棒,次数为： 取整数,N=7,答：当芯棒直径为,25mm,时，用偏置芯棒法全面检验钢管需,472,855A,磁化电流，钢管应移动,7,次。,79,3.3.4,触头法磁化规范,触头法磁化时，触头间距一般应控制,在,75mm,200mm,之间，有,效磁化区宽度为触头间距,L,的一半（,L/2,），触头与工件之间应保,持良好接触，两次磁化间应有不小于,10%,的磁化重叠区。连续法,检验的磁化规范按表,3-4,计算。,表,3-4,触头法磁化规范,例,：有一板材对接焊缝，板厚,=20mm,，采用触头间距固定为,150mm,的仪器来检查，需要多大磁化电流？,解： ,L=150mm,，,T=20mm,I=,（,4,5,）,L=,（,600,750,）,A,板厚：,mm,磁化电流计算公式,T,19,I=,（,3.5,4.5,）,L,T,19,I=,（,4,5,）,L,注：,I,磁化电流,A,；,L,两触头间距。,80,3.3.5,线圈法磁化规范,1.,用连续法检验的线圈法磁化规范,(1),低填充因数线圈,线圈横截面积与被检工件横截面积之比,10,倍时,1,）当工件贴紧线圈内壁放置时，线圈的安匝数为：,2,）当工件正中放置于线圈中心时，线圈的安匝数为：,(2),高填充因数线圈,线圈横截面积与被检工件横截面积之比,2,倍时，,线圈的安匝数为：,以上各式中：,I,施加在线圈上的磁化电流，,A,；,N,线圈匝数；,R,线圈半径，,mm,；,L,工件长度，,mm,；,D,工件直径或横截面上最大尺寸，,mm,。,（,10%,）,（,10%,）,（,10%,）,81,(3),中填充因数线圈,线圈横截面积与被检工件横截面积之比,2,并,10,倍时，线圈的安匝数为：,式中：,(IN),l,低填充时的安匝数；,(IN),h,高填充时的安匝数。,填充因数,Y,线圈横截面积与被检工件横截面积之比。例如线,圈直径为,200mm,，工件为棒料，直径为,100mm,，则,Y=,（,100,2,）,/,（,50,2,）,4,注：很多条,对于中空的非圆筒形工件，,D,eff,的计算为：,式中：,A,t,工件总的横截面积，,mm,2,；,A,h,工件空心部分横截面积，,mm,2,。,82,对于圆筒形工件，,D,eff,的计算为：,式中：,D,0,=,圆筒外直径，,mm,；,D,I,=,圆筒内直径，,mm,。,（,6,）举例,例,1,有一空心圆筒形工件，长,600mm,，外径,100mm,，内径,80mm,，,求,L/D,值？,解：,（,mm,）,代入公式得：,L/D=L/D,eff,=600/60=10,83,例,2,将例,1,中工件放入直径为,200mm,，绕,5,匝的线圈中，求所需磁,化电流值？,解：,Y=,100,2,/,50,2,=4,代入中填充系数线圈公式,3-10,中,式中：,NI=0.75,2920+0.25,4500=3315,N=5,，,I=3315,5=663(A),答：需,663A,磁化电流值。,讨论：由计算结果可看出，用高、中、低填充因数线圈磁化同,一工件时，所需安匝数递增的顺序是,2920,、,3315,和,4500,，即低填,充因数线圈需要更大的纵向磁化电流。,84,2.,用剩磁法检验时，线圈法磁化规范,进行剩磁法检验时，考虑,L/D,的影响，空载线圈中心的磁场强度,应不小于表,3-5,中所列的数值。,表,3-5,空载线圈中心的磁场强度值,3.3.6,磁轭法,（,1,）磁轭法磁化时，两磁极间距一般应控制在,75-200mm,之间，,检测的有效区域为两极连线两侧各,50mm,的范围内，磁化区域每次,应有不小于,15mm,重叠。,（,2,）磁轭法磁化时，检测灵敏度可根据标准试片上的磁痕显示和,电磁轭的提升力来确定。当使用磁轭最大间距时，交流电磁轭至少,应有,45N,的提升力；,L/D,磁场强度：,KA/m,2,5,28,5,10,20,10,12,85,直流电磁轭至少应有,177N,的提升力；交叉磁轭至少应有,118N,的提,升力（磁极与试件表面间隙为,0.5mm,）。采用磁轭法磁化工件时，,其磁化电流应根据标准试片实测结果来选择；如果采用固定式磁轭,磁化工件时，应根据标准试片实测结果来校验灵敏度是否满足要求。,3.3.7,直径,D,、当量直径,D,与有效直径,D,eff,的关系。,（,1,）,D,代表圆柱形直径（外径），单位,mm,，适用于轴向通电法计,算磁化规范用。,（,2,）所谓当量直径,D,，是指将非圆柱形横截面换算成相当圆柱形,横截面的直径。当量直径,D=,周长,/,，单位,mm,，,适用于非圆柱形工,件计算磁化规范用。,86,下面几种圆柱形和非圆柱形横截面，见表,3-6,，分