磁粉检测技术及缺陷分析.ppt

磁粉检测技术及缺陷分析,张志超福建省特种设备检验院技术部高级检验师、高级探伤师全国无损检测人员资格考核委员会考委13665050776,讲座内容,无损检测的定义无损检测的方法简介磁粉检测的原理磁粉检测的应用范围磁粉检测的优缺点磁粉检测的应用及裂纹照片,无损检测的定义,磁粉检测（MagneticParticleTesting，简称MT）属于常规无损检测方法之一。无损检测的定义（GB/T5616）无损检测（NDT）是指对材料或工件实施一种不损害或不影响其未来使用性能或用途的检测手段。无损检测简称NDT(NondestructiveTesting),无损检测的作用,NDT能发现材料或工件内部和表面所存在的缺陷，能测量工件的几何特征和尺寸，能测定材料或工件的内部组成、结构、物理性能和状态等。NDT能应用于产品设计、材料选择、加工制造、成品检验、在役检查（维修保养）等多方面，在质量控制与降低成本之间能起最优化作用。NDT还有助于保证产品的安全运行和（或）有效使用。,无损检测的分类,射线检测RT(radiographictesting)超声检测UT(ultrasonictesting)磁粉检测MT(magneticparticletesting)渗透检测PT(liquidpenetranttesting)涡流检测ET(eddycurrenttesting),射线检测RT,射线检测的原理,射线检测利用各种射线穿过被检工件，由于结构上的不连续，使射线产生衰减吸收或散射，然后在记录介质上形成影像。,射线检测RT,射线检测RT,X射线探伤机,超声检测UT,超声检测的原理,超声检测是利用超声波在介质中传播时产生衰减、遇到界面产生反射的性质来检测工件表面和内部缺陷的一种无损检测方法。,超声波探伤仪,HS800型便携式TOFD超声波检测仪,相控阵检测仪,渗透检测PT,零件表面施加渗透液后，在毛细现象作用下，经过一定时间的渗透，渗透液可以渗透到表面开口缺陷中，经去除多余的渗透液和干燥后，再在工件表面施加显像剂，同样在毛细现象作用下，渗透液回渗到显像剂中，在一定的光源下，缺陷处的渗透液痕迹被显示，从而检测出缺陷的形貌及分布状态。,渗透检测PT,涡流检测ET,涡流检测的原理涡流检测是利用电磁感应原理，使金属材料在交变电场的作用下产生涡流，根据涡流的大小和分布来探测导电材料缺陷的无损检测方法。,涡流检测仪,常规无损检测方法的能力范围,每种NDT方法均有其能力范围和局限性，各种方法对缺陷的检出几率既不会是100，也不会完全相同。例如射线照相检测和超声检测，对同一被检物的检测结果不会完全一致。常规NDT方法中，射线照相检测和超声检测主要用于探测被检物内部的缺陷；涡流检测和磁粉检测用于探测被检物表面和近表面的缺陷；渗透检测仅用于探测被检物表面开口的缺陷。,常规无损检测方法的能力范围,射线照相检测适用于探测被检物内部的体积型缺陷，如气孔、夹渣、缩孔、疏松等；超声检测适用于探测被检物内部的面积型缺陷，如裂纹、白点、分层和焊缝中的未熔合等。射线照相检测常被用于检测金属铸件和焊缝，超声检测常被用于检测金属锻件、型材和焊缝。在对焊缝中缺陷的检出能力上，超声检测通常要优于射线照相检测。,磁粉检测MT,磁粉检测的原理铁磁材料被磁化后，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形成漏磁场并吸附施加在工件表面的磁粉，形成可见的磁痕，从而显示不连续性位置、大小、形状和严重程度。,磁粉检测裂纹示意图,磁粉检测适用范围,适用于检测铁磁性材料的表面和近表面缺陷。适用于检测裂纹、折叠、夹层、夹杂、气孔等缺陷。适用于检测板材、型材、管材、棒材、焊接件、铸钢件及锻钢件。,磁粉检测的优点,可检测出铁磁材料表面或近表面（开口和不开口）的缺陷。能直观显示缺陷位置、大小、形状。具有很高的检测灵敏度,可检测微米级宽度的缺陷。,磁粉检测的局限性,不适用于非铁磁性材料检测，如奥氏体钢、铜、铝等材料；不能检测出铁磁性材料中存在于远表面的内部缺陷。较难确定缺陷的深度。,磁场与磁力线,磁场：具有磁力作用的空间。存在于被磁化物体或通电导体的内部和周围特征：1、对运动的电荷（或电流）具有作用力，2、磁场变化的同时也产生电场分布：假想的磁力线反映磁场中各点的磁场强度和方向。,条形磁铁的磁力线分布,磁力线：方向每点的切线方向；大小磁力线的疏密程度。磁力线具有以下特性：1）磁力线是具有方向性的闭合曲线。在磁体内磁感应线是由S极到N极；在磁体外，是由N极出发穿过空气进入S极的闭合曲线；2）磁力线互不相交；3）磁感应线可描述磁场的大小和方向4）磁感应线沿磁阻最小路径通过,自然界没有单独的N极和S极存在，磁极如图所示。,条形磁铁周围磁场,地球磁场方向,折断的条形磁铁形成的磁极,铁磁性材料,定义：在铁磁质中，相邻铁原子中的电子之间存在着非常强的交换耦合作用，该相互作用促使相邻原子中的电子磁矩在小范围内“自发地”排列起来，形成一个个小的“自发磁化区”，这种自发磁化区称为“磁畴”。,磁畴,大小：典型磁畴体积约为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。特点：1、在没有外加磁场作用时，铁磁材料内各磁畴的磁矩方向互相抵消，对外不显示磁性，如图（a）所示。2、把铁磁物质放进外磁场中，磁畴会受到外磁场的作用，使磁畴磁矩转动或使畴壁发生位移，最后全部磁畴的磁矩方向与外加磁场方向一致，如图（b）所示。3、去掉外磁场后，磁畴出现局部转动，但仍保留一定的剩余磁性，如图（c）所示。,4、永磁铁中的磁畴，在一个方向上占优势，从而形成N极和S极，显示出很强的磁性。5、在高温下，磁体中的分子热运动会破坏磁畴的有规则排列，削弱磁体的磁性。超过某一温度后，磁体的磁性会全部消失而呈现顺磁性，实现了材料的退磁。居里温度：铁磁性材料失去原有磁性的临界温度，或称居里点。从居里温度以上的高温冷却下来，只要没有外磁场的影响，材料仍处于退磁状态。,部分铁磁性材料的居里点,磁化过程,1、未加外加磁场时，磁畴磁矩杂乱无章，对外不显磁性，如图a；2、在较小磁场作用下，磁矩方向与外磁场方向一致或相近的磁畴体积增大，而磁矩方向与外磁场方向相反的磁畴体积减小，发生了畴壁位移，如图b；3、随着外磁场逐渐增大，与磁畴方向不一致的磁畴磁矩将逐渐转向磁场方向，如图c；当外磁场增大到一定值，所有磁畴的磁矩都沿外磁场排列，这时铁磁体的磁化就达到了饱和，如图d、e。,磁特性曲线,实验：将铁磁性材料做成环形样品，绕上一定匝数的线圈，通过测量线圈中的电流I，算出材料内部的磁场强度H；用冲击检流计测量此时穿过环形样品横截面的磁通量，从而计算出磁感应强度B；由磁场强度H和磁感应强度B便可以计算出磁化强度M值。,初始磁化曲线：表征铁磁材料磁特性的曲线。,根据上述实验计算结果画成的初始磁化曲线、B-H曲线和-H曲线如图所示它反映了铁磁性物质的共同磁化特点。,设磁化前铁磁质为磁中性，铁磁环中H=0，M=0，当磁场H逐渐增加时，M随之增加，开始增加比较缓慢（oa段），然后经过一段急剧上升过程（ab段），又进入缓慢变化阶段（bQ段和Qm段），这时，再继续增大磁化场，M保持不变（ms段），铁磁质已磁化饱和，饱和磁化强度：饱和时的磁化强度。初始磁化曲线：未到达饱和磁化状态的一段曲线。不同铁磁材料的初始磁化曲线是不一样的，软磁材料（如工业纯铁、低碳钢等）的磁化曲线比较陡峭，；硬磁材料（如高碳钢、高合金钢等）的磁化曲线比较平坦。,B-H曲线和-H曲线它是制定周向磁化规范选取磁场大小的依据。在连续法磁化时，磁场值一定要大于。磁场强度在大于后，H越大，值则越小，磁化后产生的漏磁场就越大，探伤灵敏度就越高。,磁滞回线,退磁：铁磁材料被磁化到饱和后，外磁场从+Hm开始逐渐减小，材料也开始退磁。但是，在退磁过程中，磁感应强度B并不沿原来的磁化曲线SO减小，而是沿另一条曲线SR比较缓慢的下降。磁滞：在同样的磁场强度H下，退磁时的磁感应强度比磁化时的磁感应强度大，这种B的变化落后于H变化的现象，叫做磁滞现象。,造成磁滞的主要原因是，铁磁质中的掺杂和内应力在退磁过程中阻碍磁畴恢复到原来的状态。,饱和磁感应强度，表示工件在饱和磁场强度磁化下B达到饱和，不再随H的增大而增大，对应的磁畴全部转向与磁场方向一致。为初始磁化曲线切线与x轴的夹角，=的大小反映铁磁性材料被磁化的难易程度。,铁磁性材料特性：（1）高导磁性能在外加磁场中强烈的磁化，产生非常强的附加磁场，其磁导率很高，相对磁导率可达数百甚至数千。（2）磁饱和性铁磁性材料由于磁化所产生的附加磁场，不会随外加磁场增加而无限地增加，当外加磁场达到一定程度后，全部磁畴的方向都与外加磁场的方向一致，磁感应强度B不再增加，呈现饱和。（3）磁滞性当外磁场的方向发生变化时，磁感应强度的变化滞后于磁场强度的变化。当磁场强度减小到零时，铁磁性材料在磁化时所获得的磁性并不完全消失，而会保留剩磁。,a）b）c）,铁磁性材料分类：（1）软磁材料磁滞回线狭长，具有高磁导率、低矫顽力和低磁阻的铁磁性材料。如电工用纯铁、低碳钢和软磁铁氧铁等。磁粉检测时容易磁化，也容易退磁。（2）硬磁材料磁滞回线肥大，具有低磁导率、高剩磁、高矫顽力和高磁阻的铁磁性材料。如铝镍钴、稀土钴和硬磁铁氧体等。磁粉检测时难以磁化，也难以退磁。,漏磁场,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。,机加工槽的条形磁铁的漏磁场纵向磁化裂纹漏磁场及磁痕显示,漏磁场的形成,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，这就迫使一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，一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人空气中去绕过峡陷又折回工件，形成了漏磁场。,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，其示意图如下，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。,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。,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。,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；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冷加工的影响,磁化方法,磁粉检侧的能力，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申方向垂直时，缺陷处的漏磁场最大，检测灵敏度最高。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，以便尽量使磁场方向与工件可能存在的缺陷垂直。,磁化方向与发现缺陷的关系,磁化方法的分类,周向磁化是指给工件直接通电，或者使电流通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相垂直的周向闭合磁场，用于发现与工件轴平行的纵向缺陷。,1.周向磁化,2.纵向磁化,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，工件中的磁感应线平行于线圈的中心轴线。用于发现与工件轴相垂直的周向缺陷(横向缺陷)。利用电磁扼和永磁铁磁化，使磁感应线平行于工件纵轴的磁化方法亦属于纵向磁化。,3.多向磁化,多向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，所以可以发现工件上多个方向的缺陷。,荧光磁粉,在黑光下观察磁痕显示的磁粉称为荧光磁粉。荧光磁粉是以磁性氧化铁粉、工业纯铁粉或羰基铁粉为核心，在铁粉外面用树脂粘附一层荧光染料(如YC2荧光磁粉)或将荧光染料化学处理在铁粉表面（如美国14A荧光磁粉）而制成。,荧光磁粉检测,齿轮裂纹,非荧光磁粉,在可见光下观察磁痕显示的磁粉称为非荧光磁粉。常用的有四氧化三铁（Fe3O4）黑磁粉和三氧化二铁（-Fe2O3）红褐色磁粉，还有兰磁粉、白磁粉，所以也叫彩色磁粉。这两种磁粉既适用于湿法，又适用于干法。,非荧光磁粉检测,铸造冷裂纹,湿法与湿法,湿法用磁粉是将磁粉悬浮在油或水载液中喷洒到工件表面的磁粉；湿法用磁粉是将磁粉在空气中吹成雾状喷撒到工件表面的磁粉。,连续法和剩磁法,连续法在外加磁场磁化的同时，将磁粉或磁悬液施加到工件上进行磁粉检测的方法。剩磁法在停止磁化后，再将磁悬液施加到工件上，利用工件上的剩磁进行磁粉检测的方法。,连续法的应用范围,(1)适用于所有铁磁性材料和工件的磁粉检测。(2)工件形状复杂不易得到所需剩磁时。(3)表面覆盖层较厚的工件。(4)使用剩磁法检验时，设备功率达不到时。,剩磁法的应用范围,(1)凡经过热处理（淬火、回火、渗碳、渗氮及局部正火等）的高碳钢和合金结构钢，矫顽力在1KA/m，剩磁在0.8T以上者，才可进行剩磁法检验。(2)用于因工件几何形状限制连续法难以检验的部位，如螺纹根部和筒形件内表面。(3)用于评价连续法检验出的磁痕显示属于表面还是近表面缺陷显示。,磁化规范的选择,由于各种材料及其在不同热处理状态下的磁性都不同，因而对每种工件都去测定其磁化曲线是不现实的。但对于工作中常遇到的材料，一般总能找到一个可满足检测条件的磁场范围。无论采用何种磁化方法，在制定磁化规范时，必须将磁化工作点选在磁性曲线上最大磁导率的右侧。即应根据磁特性曲线，选择比最大磁导率所对应的磁场强度较大的值，这样才能得到合适的磁化。,磁化规范的选择,利用钢材的磁特性曲线制定周向磁化规范时，可将磁特性曲线分为四个区域,如图所示。,周向磁化规范的分级，见下表,磁化规范的选择,1）连续法连续法周向磁场的选择一般应选择在之间为宜。2）剩磁法剩磁法检测时的磁化场应选取在远比大的磁场范围，一般选在大于的饱和区段，通常为0.9。这样，当去掉磁化场后，工件上的剩磁和矫顽力才能保证有足够大的数值，确保工件具有足够的剩余磁性产生漏磁场，从而使缺陷处吸附磁粉并被检测出。,磁粉探伤机的分类,固定式磁粉探伤机移动式磁粉探伤机便携式磁粉探伤机,固定式磁粉探伤机,固定式磁粉探伤机,移动式磁粉探伤机,便携式磁粉探伤机,标准,JB/T4730.4-2005第四部分：磁粉检测,标准试片,用途：(1)用于检验磁粉检测设备、磁粉和磁悬液的综合性能（系统灵敏度）；(2)用于检测被检工件表面的磁场方向，有效磁化区和大致的有效磁场强度；(3)用于考察所用的探伤工艺规程和操作方法是否妥当；(4)当无法计算复杂工件的磁化规范时，将小而柔软的试片贴在复杂工件的不同部位，可大致确定较理想的磁化规范；,试片类型,有A1型、C型、D型和M1型四种试片。试片由DT4电磁软铁板制造。型号名称中的分数，分子表示试片人工缺陷槽的深度，分母表示试片的厚度，单位为m。试片类型、名称和图形如表5-5所示。,表5标准试片的类型、规格和图形,15/50A1型试片显示,磁粉检测的应用-磁轭法,磁扼法是用便携式电磁轭两磁极接触工件表面进行局部磁化，如图所示，用于发现与两磁极连线垂直的缺陷。在磁轭法中，工件是闭合磁路的一部分,用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。,便携式磁探仪,磁轭法的优点,非电接触。改变磁轭方位，可发现任何方向的缺陷。便携式磁轭可带到现场检测，灵活，方便。可用于检测带漆层的工件(当漆层厚度允许时)。检测灵敏度较高。,磁轭法的缺点,几何形状复杂的工件检验较困难。磁轭必须放到有利于缺陷检出的方向。用便携式磁轭一次磁化只能检验较小的区域，大面积检验时，要求分块累积，效率很低。磁轭磁化时应与工件接触好.尽璧减小间隙的影响3)磁扼法适用于特种设备平板对接焊缝、T形焊缝、管板焊缝、角焊缝以及大型铸件、锻件和板材的局部磁粉检测。整体磁化适用于零件横截面小于磁极横截面的纵长零件的磁粉检测。,磁轭法磁化规范,1.磁轭法的提升力磁轭法的提升力是指通电电磁轭在最大磁极间距时（有的只磁极间距为200mm时），对铁磁性材料或制件的吸引力是多少。磁轭的提升力大小反映了磁轭对磁化规范的要求，即当磁轭磁感应强度的峰值达到一定大小所对应的磁轭吸引力。对于一定的设备和工件，磁轭的吸引力F与铁素体钢板的磁导率、磁极间距、磁极与钢板的间隙及移动情况都有关。当上述因素不变时，磁感应强度与吸引力有一定的对应关系。但当磁极间距L变化时，将使磁感应强度峰值随之改变，这就是讲提升力大小时必须注明磁极间距L的原因。,2磁轭法的检测灵敏度,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，磁轭法磁化时，两极间距L一般应控制在75-200mm之间。当使用磁轭最大间距时，交流电磁轭至少应有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）。采用便携式电磁轭磁化工件时，其磁化规范应根据标准试片上的磁痕显示来验证；如果采用固定式磁轭磁化工件时，应根据标准试片上的磁痕显示来校验灵敏度是否满足要求。,磁痕分析,原材料缺陷,热加工缺陷,锻造裂纹,锻造折叠,白点：氢致裂纹,分层（荧光磁粉）,铸造热裂纹,铸造冷裂纹,疏松（荧光磁粉）,冷隔,焊接裂纹,焊接裂纹,焊接裂纹（荧光磁粉）,淬火裂纹,磨削裂纹,疲劳裂纹,思考题,什么是无损检测？常规无损检测方法有哪几种？简述磁粉检测的原理。什么是漏磁场？影响漏磁场的因素有哪些？,谢谢大家！再见,