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1、0引言磁粉检测是利用电磁现象检测工件表面缺陷的无损探伤方法之一，主要用于检测铁磁性材料和工件表面或近表面裂纹以及其他一些缺陷。经磁粉探伤机磁化后的铁磁性工件内部存在磁场，而在工件表面缺陷处形成漏磁场，将会吸附磁粉探伤机中磁悬浮液的磁粉,形成磁痕，从而显示出工件的表面缺陷。其中漏磁场的宽度比表面缺陷处的实际宽度大数倍甚至数十倍,磁痕实际将工件表面的裂纹放大了，便于进行检测和观测。直至目前为止，磁粉检测仍然被认为是表面裂纹检测最灵敏的方法之一，尤其是在表面不平或表面不规则性与所需检测的裂纹相比大得多的情况下，磁粉检测通常被考虑为表面裂纹检测最好的方法。在检测过程中影响漏磁场形成的因素有很多，但磁粉
2、检测的原理决定它只对表面缺陷最灵敏，对内部的缺陷将随埋藏深度的增加而迅速下降。本文主要分析了磁化、磁痕特征、影响磁痕形成的因素，以便提高产品表面缺陷磁粉检测的质量。1磁粉检测发展历史1922年，美国人Hoke发现，由磁性夹具夹持的硬钢块上磨削下来的金属粉末，会在钢块表面的裂纹区形成一定的花样；1929年,Forest 运用该原理首次实现对油井钻管裂纹检验，但并未获得成功；1930年，干磁粉成功应用于焊缝及各种工件的探伤；1934年，生产磁粉探伤设备和材料的美国磁通公司成立。20世纪50年代，部分大型国有企业设立无损检测部门，新中国磁粉检测和渗透检测工作开始起步。60年代，在仿制的基础上，研制出
3、大型交流磁粉探伤机。设备与器材研制工作初露端倪。1978年，中国机械工程学会无损检测分会磁粉、渗透检测专业委员会成立，并首次召开全国性技术交流会。1982年，国内首次开办磁粉检测专业级人员培训班，结束了检测人员无证操作的历史。20世纪80年代，随着改革开放的深入开展，通过引进吸收和再创新，我国的磁粉检测技术获得快速发展，迅速缩短了与先进国家间的差距。90年代，标准化工作取得重要进展，磁粉检测技术标准化体系基本形成。2000年以来，随着数字化技术的发展，磁粉检测技术开始进入半自动/自动化和图像化时代。2 磁粉检测的物理基础2.1磁粉检测中的相关物理量2.1.1 磁的基本现象磁性：磁铁能够吸引铁磁
4、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 磁场和磁力线磁场：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。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。磁力线特性:磁力线是具有方向性的闭合曲线。在磁体内，磁力线是由S极到N极，磁体外，磁力线是由N极出发，穿过空气进入S极的闭
5、合曲线。磁力线互不相交。磁力线可描述磁场的大小和方向。磁力线沿磁阻最小路径通过。（a）具有机加工槽的条形磁铁产生的漏磁场 （b）纵向磁化裂纹产生的漏磁场 （c）条形磁铁的磁力线分布 （d）马蹄形磁铁被校直成条形磁铁后N极和S极的位置 图1 各种形状的磁铁磁力线3 磁粉检测原理铁磁性材料被磁化后，由于工件存在不连续性，则工件表面和近表面的磁力线会发生局部畸变而产生漏磁场，吸附施加在表面的磁粉，在适合的光照条件下，形成可见的磁痕，从而显示不连续性的大小、位置、形状和严重程度。图2 工件存在缺陷的漏磁场分布3.1检测工艺流程 3.2磁粉检测适用范围该方法适用于铁磁性材料的表面及近表面缺陷的检测。 未
6、加工的原材料（如钢坏）、半成品、成品及在役与使用过的工件都可用磁粉检测技术； 管材、棒材、板材、型材和锻钢件、铸钢件及焊接件； 检测工件表面和近表面尺寸很小，间隙极窄的铁磁性材料，如可检测出长0.1mm、宽为微米级的裂纹和目测难以发现的缺陷。 可用于马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢 可用于检测表面和近表面的裂纹、白点、发纹、折叠、疏松、冷隔、气孔和夹杂，但不适于检测工件表面浅而宽的划伤、针孔状缺陷、埋藏较深的内部缺陷和延伸方向与磁力线方向夹角小于20的缺陷。3.3磁粉检测的优点和局限性优点对于铁磁材料，其表面和近表面的开口和不开口的缺陷都可以检测出来；具有很高的灵敏度，能检测出微米级宽度的缺陷；直
7、观地显示出缺陷的大小、位置、形状和严重程度，并可大致确定缺陷性质；检测结果重复性好；单个工件检测速度快，工艺简单，成本低，污染小；综合使用多种磁化方法，则工件各个方向的缺陷都可以检测出来，几乎不受工件大小和几何形状影响；局限性只能检测铁磁性材料以及表面、近表面缺陷；单一磁化方法检测受工件几何形状（如键槽）影响，会产生非相关显示；通电法和触头法磁化时，易产生打火烧伤；不适用于奥氏体不锈钢和用A体不锈钢焊条焊接的焊缝；也不适用于检测铜、镁、钛合金等非磁性材料。4 铁磁性材料4.1磁性基本概念 （1）顺磁性 材料无外磁场作用时，不表现出宏观磁性；受外磁场作用时，表现出宏观磁性，磁化强度与外磁场的方向
8、相同但磁化率极小。 （2）铁磁性 磁性材料在外磁场作用下产生很强的磁化强度。外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性。4.2磁畴在铁磁质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域，称为磁畴。在没有外加磁场作用时，铁磁性材料内各磁畴的磁矩方向相互抵消，对外显示不出磁性，如下图a。a）不显示磁性； b）磁化 c）保留一定剩磁图3 铁磁性材料的磁畴方向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，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
9、磁性。4.3金属的铁磁性铁磁性材料在外磁场作用下，强烈磁化。外加磁场强度H与铁磁性材料的磁感应强度B之间关系曲线称为磁滞回线。图4 铁磁性材料的磁滞回线4.4铁磁性材料分类 (1)软磁材料Hc400A/m高磁导率、低剩磁、低矫顽力和低磁阻。磁粉检测时易磁化，也易退磁。电工用纯铁、低碳钢和软磁铁氧体等材料。 (2)硬磁材料Hc8000A/m具有低磁导率、高剩磁、高矫顽力和高磁阻。磁粉检测时难以磁化，也难以退磁。如铝镍钴、稀土钴和硬磁铁氧体等材料。图5 铁磁性材料的磁感应强度（3）矩磁材料现代电机中常用的一种铁氧体材料的磁滞线差不多呈矩形，故称矩磁材料。其特点是：一经磁化，其剩余磁感应强度接近于非
10、常稳定的饱和值Bs。5 漏磁场由于介质磁导率的变化而使磁通漏到缺陷附近的空气中所形成的磁场，称为漏磁场。 磁通量从一种介质进入另一种介质时，因其磁导率的不同，在介面上磁力线的方向会发生改变。在工件表面或近表面存在缺陷，经磁化后，缺陷处空气的磁导率远远小于铁磁材料的磁导率，在介面上磁力线的方向将发生改变，有一部分磁通散布在缺陷周围。图6 工件表面的漏磁场5.1磁痕 工件被磁化后，在工件不连续处或磁路截面变化处，磁力线形成的N极和S极，将磁化和 附 加在工件表面的磁粉，被磁化的磁粉像小磁针一样，也具有了磁极，加速移动到不连续（缺陷）处，并沿着漏磁场一层层排列起来，形成磁痕显示。图7 工件缺陷处的磁
11、痕分布图5.2影响漏磁场的因素 漏磁场强度的大小决定了磁粉检测的灵敏度(1)外加磁场强度 漏磁磁感应强度随工件磁感应强度的增加而线性增加。当外加磁场使材料的磁感应强度达到饱和值的80%时,漏磁场强度急剧上升。（2）工件材料及状态材料的含碳量、合金化、冷加工及热处理状态等n 随合金的含碳量，碳钢矫顽力，最大相对磁导率，漏磁场增大；n 合金化增大钢材的矫顽力，使其磁性硬化，漏磁场增大；n 退火和正火态钢材磁特性差别不大，而淬火后的钢材矫顽力，漏磁场增大；n 晶粒越大，钢材的磁导率，矫顽力，露磁场减小；n 钢材的矫顽力和剩磁将随压缩变形率的增大而增加，漏磁场也增大。（3）缺陷位置和形状u 同样的缺陷
12、，位于表面时漏磁通；若位于距表面很深的地方，则几乎没有漏磁通泄漏于空间。u 缺陷的深宽比越大，漏磁场越强。u 缺陷垂直于工件表面（缺陷切割磁力线的角度接近正交）时，漏磁场最强；u 缺陷与工件表面平行时，则几乎不产生漏磁通。缺陷夹角小于20度时，很难检出（4）被检材料表面的覆盖层 材料表面有覆盖层时（如涂料等），降低缺陷漏磁场强度。图8 工件表面覆盖层对磁痕的影响5 磁化5.1磁化方法 磁粉检测前需要先将工件磁化，磁化原则：工件内的磁力线与缺陷表面基本正交，获得尽可能强的缺陷漏磁场。缺陷能否由磁痕显示和显示的清晰程度主要取决于缺陷表面上漏磁场强度的大小。漏磁场强弱的一个重要影响因素是磁场与缺陷主
13、平面的交角：当磁化方向与缺陷主平面垂直时，缺陷漏磁场最强但由于工件中的缺陷可能有各种取向，有的很难预计，为了发现不同方向的缺陷，于是发展了不同的磁化方法。以便于在工作中建立磁场的方向，通常分为周向磁化、纵向磁化和复合磁化。（1）周向磁化在工件中建立一个沿圆周（与轴线垂直）方向的闭合周向磁场，主要用于发现纵向（轴向）和接近纵向（夹角小于45度）的缺陷。周向磁化常用方法有直接通电法、中心导体法；针对大工件可以用触头法。（2）纵向磁化 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和接近横向（夹角小于45度）的缺陷。常用磁轭法和线圈法：（3）复合磁化同时在被检工件上施加两个或两个以
14、上不同方向的磁场。周向磁化易于检测纵向缺陷，纵向磁化易于检测横（周）向缺陷，垂直于磁化场的缺陷有很好的检测效果,为了保证检测的可靠性和检测其它种类的缺陷，一般认为，缺陷和磁化方向的夹角应大于45度。由此可见采用单方向的一次磁化，不可能把所有方向的缺陷都检测出来，而实际工件的缺陷取向可能是很不规则的，如要检出所有取向的缺陷，单向磁化至少得进行二次不同方向上的磁化才能解决问题。复合磁化能同时对工件施加两个（或两个以上）不同方向上的磁化，因此，一次磁化可以检出所有方向上的缺陷。（4）旋转磁化将绕有激磁线圈的型磁铁交叉放置，各通以不同相位的交流电，产生圆形或椭圆形磁场（即合成磁场的方向作圆形旋转运动）
15、。旋转磁化能发现沿任意方向分布的缺陷。5.2磁化电流磁粉检测使用的磁化电流有交流、直流及整流电等几种。（1）交流磁化：应用最广u 交流电的趋肤效应能提高磁粉检测检验表面缺陷的灵敏度；但是交流磁化对近表面缺陷的检出能力不如直流磁化强u 只有使用交流电才能在被检工件上建立起方向随时间变化的磁场，实现复合磁化；u 与直流磁化相比，交流磁场在被检工件截面变化部位的分布较为均匀，有利于对这些部位的缺陷的检测；u 交流电的不断换向有利于磁粉在被检工件表面上的迁移，提高检测的灵敏度；u 交流磁化的磁场浅，容易退磁；设备简单，易于维修，价格便宜。（2）整流与直流磁化整流电有单相半波、单相全波、三相半波和三相全波整流等几种类型。l 随电流波动型脉动程度的减小，其磁场的渗透能力增强，可检出的缺陷埋藏深度随之增大。l 直流磁化可检出的缺陷埋藏深度最大。l 可获得较稳定的剩磁，但退磁也较困难。l 在整流或直流磁化的被检工件的截面突变部位，容
