涡流检测-第1章

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1、涡流检测技术,任课教师：杜亚利 教研室：应用物理,第1章 涡流检测的物理基础,本章内容,1.1 涡流检测的历史和发展 1.2 涡流检测的特点 1.3 涡流检测的基础知识,1.1 涡流检测的历史和发展,1820年，丹麦物理学家Oersted（奥斯特）就发现当一个导体通有电时，会产生环绕导体的磁场。,1.1.1 在电磁学方面的重大发现,同年，Ampere（安培）发现在靠近导体的区域通一同样大小方向相反的电流将会抵消该导体电流产生的磁场。,1824年，Arago（阿拉戈）发现当一个摆动的磁针放置于一个无磁性导体盘附近时，磁针的摆动会迅速衰减下来，这就是第一个验证涡流存在的实验。 1831年，Fara

2、day（法拉第）发现了电磁感应现象，并在实验的基础上提出了电磁感应原理。,几乎同时，（Joseph Henry)亨利在美国也独立发现了电磁感应现象。事实上，电磁感应的度量单位是以他的名字命名的。 1834年，Heinrich Lenz（楞次）提出了确定试件的特性如何反馈到试验系统的原理即楞次定律。,1873年，Maxwell（麦克斯韦）用完整的数学方程式将前人的这些成果表示出来，建立了系统严密的电磁场理论，时至Maxwell方程组仍然是电磁现象的研究基础，亦是涡流检测的理论基础。,1.1.2 涡流检测技术的发展,1879年，（Hughes)休斯首次将涡流检测应用于实际（判断不同的金属盒合金，进

3、行材质分选）。 1926年，第一台涡流测厚仪问世， 1935年，第一台涡流探伤仪问世， 1942年，实现自动化涡流检测，,20世纪40年代初:德国福斯特博士建立了福斯特博士学院。 福斯特的主要贡献： 阻抗平面分析法， 相似定律。推动了全世界涡流检测技术的发展。 1974年法国的intercontrolle研制了多频试验线圈检测。 自从20世纪80年代中期以来，以微处理器为基础的涡流仪器的发展也已经增强了这种方法的潜力和用户友好性。改善了记录能力，提供了精确的时候信号分析，允许自动混合多频信号。,1.1.3涡流可以检测到的材料变量,电导率变化 不连续性检测 试验材料和试验线圈之间的间隙（提离高度

4、） 材料厚度 本体（母体）金属上的镀层或者涂层的厚度 导电层之间的间隙 磁导率变量,1.核能与火力发电设备中，化工与石化装置中，核潜艇上以及空气调节装置中管线的在役检测。 2.航空航天结构和发动机的检测。 3.管线、管道、导线、线材、棒料的生产检测。 中国：20世纪60年代开始：研制了涡流电导仪、测厚仪、检测设备。现有数字型的各种设备。 应用在航空航天、冶金、机械、电力、化工、核能等领域。,1.1.3涡流检测的主要应用领域,1.2 涡流检测技术的特点,1.2.1 优点：,（1）检测时，线圈不需要接触工件，也无需耦合介质，所以检测速度快。 （2）对工件表面或近表面的缺陷，有很高的检出灵敏度，且在

5、一定的范围内具有良好的线性指示，可用作质量管理与控制。 （3）可在高温状态、工件的狭窄区域、深孔壁（包括管壁）进行检测。 （4）能测量金属覆盖层或非金属涂层的厚度。 （5）可检验能感生涡流的非金属材料，如石墨等。 （6）检测信号为电信号，可进行数字化处理，便于存储、再现及进行数据比较和处理。,1.2.2 缺点： (1)检测对象必须是导电材料。 (2)只能检测工件表面以及近表面缺陷。 (3) 影响因素众多。 (4)信号解释困难，检测结果不够直观 。 (5)对形状复杂的试件检测有困难 。 (6)一般只能给出缺陷的有无，缺陷定性、定位、定量都比较困难。,1.3 涡流检测的基础知识,1.3.1 材料的

6、导电性 1、金属导电的物理本质 根据物质的导电性可将其分为： 导体：具有良好导电性能。金、银、铜、铝、铁等。 绝缘体：导电性能很差。橡胶、云母、陶瓷等。 半导体：介于导体和半导体之间。硅、锗等。 绝缘体和导体在一定条件下可相互转化。比如，玻璃。,一切物质都是由原子组成。,导体：外层电子受原子核的吸引力较小，成为自由电子，在电场的作用下会作定向移动，形成电流。 绝缘体：外层电子受原子核的吸引力很大，不容易成为自由电子，在电场的作用下电流不能流过，所以导电性能很差。,2、电流和电阻 电流：自由电子受电场作用力的影响会向反方向作定向移动，从而形成电流 电流强度（）：表示电流的强弱。（代表单位时间内通

7、过导体横截面的电量，单位是A。 欧姆定律： 电阻（R）：阻碍电荷移动的能力，单位是。 R= ：电阻率，单位长度、单位截面积的电阻。单位是.。 电阻率的倒数称为电导率。用 表示，单位是。,西门子/米,工程技术中还可用IACS（国际退火铜标准）单位表示电导率。 这种单位规定退火工业纯铜（电阻率在温度20C时为1.724110-8.m)的电导率作为100%IACS。则其他金属的电阻率，电导率若用它的百分数表示，即为 =（标准退火铜电阻率/金属的电阻率）100%（IACS） 电阻率值愈小，电导率值愈大，材料的导电性就愈好。,3、影响金属导电性的主要因素,（1）温度的影响。温度升高，电阻增大。,（2)杂

8、质的影响。杂质使金属晶格畸变，造成电子散射，使电阻率增加。 （3)应力的影响。在弹性范围内单向拉伸或者扭转应力能提高金属的电阻率。 在单向压应力作用下，对于大多数金属来说使电阻率降低。,（4）形变的影响。使金属的电阻率增加。 （5）热处理的影响。冷加工后进行退火，可以使电阻率降低。金属铝、银、铜、铁在冷加工后，电阻随着退火温度的升高而下降，但当退火温度高于再结晶温度时，电阻反而有增加了。,冷加工：通常指金属的切削加工。用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)把坯料或工件上多余的材料层切去成为切屑，使工件获得规定的几何形状、尺寸和表面质量的加工方法。,在金属工艺学中，冷加工则指在低于再结晶温度下使金属

9、产生塑性变形的加工工艺，如冷轧、冷拔、冷锻、冷挤压、冲压等。冷加工在使金属成形的同时，通过加工硬化提高了金属的强度和硬度。,热处理：将材料放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。所以最大特点是：改善工件的内在质量。,热处理工艺大体分为：整体热处理、表面热处理、化学热处理三大类。每一大类又可以分为若干不同的热处理工艺。，同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。 整体热处理

10、：是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。 整体热处理大致有：退火、正火、淬火、回火四种基本工艺。俗称：“热处理的四把火”,4、典型材料的导电性,金、银、铜、铝、铁、钛是工程上常见的金属材料有良好的导电性。但就纯金属而言，这些金属的导电能力依次降低，但对于合金材料来讲导电能力会发生很大变化。,退火状态下纯铜的导电率为58MS/m，而康铜的电导率仅为2.0MS/m;同样，纯银的电导率为63MS/m,而添加18%的镍经合金化形成的德银电导率为3.0MS/m;纯铝的电导率最高可达36MS/m,而铝合金的导电性为8MS/m.,橡胶、油漆、金属氧化物、塑料。搪瓷等是

11、涡流检测中常遇到的非导电材料，将其涂于导电材料表面，具有很好的防止内部金属腐蚀的保护作用。 石墨材料具有一定的导电能力，与硅、锗同属半导体，具有一定的导电能力。因此国内外有一些采用涡流技术检测石墨及其复合材料制品的文献报道。,1.3.2 材料的磁特性,1、物质的磁性 根据物质磁化后对磁场的影响，将物质分为三类 抗磁性物质：使磁场减弱的物质。磁化率为负。 （H2、H20、Au、Ag、Cu） 顺磁性物质：使磁场略有增强的物质。磁化率为正。 （O2、空气、Al、铂、在较高温度下，铁、钴、镍具有顺磁性） 铁磁性物质：使磁场剧烈增加的物质。磁化率很大 （铁、钴、镍）,物质的磁性是由电子循轨和自旋运动产生

12、的。 轨道磁矩： 自旋磁矩： l 为轨道角动量； 为自旋角动量； B为玻尔磁子,磁化率和磁导率 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。 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。,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。设变化后的总磁场为B，则 B=H 单位是H/m。 H:SI单位为（安米:A/m），CGS

13、单位为奥(斯特:Oe) 1Oe=(1/4) 1000A/m=80A/m B:SI单位为（特(斯拉):T），CGS单位为高(斯:Gs) 1T=10000Gs,磁场强度只与激磁电流有关，与被磁化物质无关； 磁感应强度不仅与磁场强度有关，还与被磁化的物质有关,2、磁畴 铁磁性的基本特点是自发磁化和磁畴。 自发磁化：由于物质内部自身的能量， 使任一小区域内的所有原子磁矩都按 一定规则排列起来的现象。（原因： 相邻原子中电子之间的交换作用） 磁畴：在铁磁物质的内部，分成了许 多小的区域，这些小的区域称为磁畴。 畴壁：磁畴与磁畴之间的过渡层。 磁化过程是通过磁畴的转动和磁畴畴壁的移动来完成的。,当把铁磁性

14、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。,铁磁性材料的磁导率会受到机械加工及热处理的影响。,含碳量不同的碳钢在不同的热处理状态下的磁导率变化。,3、铁磁性材料的磁化规律 铁磁物质在外磁场的作用下显示出磁性就称为磁化，又叫技术磁化。 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

15、的装置,曲线特征：,、居里温度 温度对铁磁性材料的磁性是有影响的，当温度高于某一数值时，自发磁化被破坏，材料的磁性消失，这一温度称为居里温度。,任何铁磁物质都具有一定的居里温度，其高低与该物质的化学组分和晶体结构有关，而与其磁历史无关。,它是强磁性和顺磁性转变的温度。,由温度引起的磁特性变化,、磁滞回线,饱和磁场强度 Bs 矫顽力 Hc 的变化落后于的变化 铁磁性材料磁化特有现象 原因：铁磁性材料中的掺杂和内应力在退磁过程中阻碍磁畴恢复到原来状态,6、影响材料铁磁性因素的作用规律 影响因素：温度、形变、材料的组织等,由以上分析可以看到:纯度愈高，则磁导率愈大，矫顽力愈小；晶界、亚晶界、位错愈少

16、，则磁导率愈高，矫顽力愈小；应力愈小，则磁导率愈高，矫顽力愈小。,、合金的磁特性 ）置换式固溶体： A、铁磁性金属中溶入顺磁和抗磁质总使饱和磁化强度降低。 B、铁磁物质溶入强顺磁性金属时，少量的溶质能使增高，但溶质浓度增加得多时，反而导致降低。实际上，这些强顺磁性物质组成的合金常常是铁磁性的。Mn-Bi C、两种铁磁性物质组成的固溶体，随着固溶体的浓度增加单调下降。 固溶体的有序化对合金的磁性影响显著。 2）间隙式固溶体：矫顽力随溶质原子浓度增加而增加，并且在浓度低的范围内增加得显著。,3）化合物： A、一般铁磁体与顺磁体或抗磁体组成大化合物，以及有显著化学结合的中间相都是顺磁性的。 B、铁磁性金属与非金属组成的化合物都是铁磁性的。 4）多相合金： A、居里点与相的成分有关，合金中有几个铁磁相，相应的就有几个居里点。 B、多相合金的Ms和温度之间的关系也是各相和温度关系相加而得。 C、多相合金的磁性还与相的形状、大小、分布情况及结构