讲解磁粉检测物理基础1教学教材

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1、磁粉检测物理基础,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

2、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。,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11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。,局限性： MT不能检测奥氏体不锈钢材料和用

3、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 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,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。

4、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。,2.1.3磁力线,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

5、向。,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）。 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

6、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，BH。,2.2磁介质 2.2.1 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，有最大和最小值。 真空磁导率 o 在真空中，磁导率是常数， o

7、410-7 H/m,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。,2.2.3磁极化强度 磁极化强度J：为了

8、衡量物质的磁化程度，采用了磁极化强度这个 物理量，物质的磁化程度愈高，磁极化强度愈大。磁极化强度J表 示单位体积内分子的磁偶极矩的矢量和。 式中 j磁偶极矩，V单位体积 磁极化强度的物理意义是： 由于被磁化的铁磁性材料内部存在磁 畴，如果在磁介质中各点的磁极化强度矢量大小和方向都相同，则 该磁化是均匀磁化，否则为非均匀磁化。 磁介质未被磁化时， 0，J0；磁介质被磁化后， ，则， J是磁畴磁矩矢量在外加磁场作用下， 由无序排列到有序排列。分子磁偶极矩j定向有序排列的程度越高， 矢量和的数值就越大，磁极化强度，矢量J也就越大。 2.3 铁磁性材料 2.3.1磁畴 铁磁性材料内部自发磁化的大小和方

9、向基本均匀一致的小区域称,为磁畴，其体积约为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。 2.3.2 磁化过程 用磁畴理论来解释 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。,2.3.3 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

10、。BH曲线的测绘方法: 采用如图所示的装置,曲线特征：,2.3.4 磁滞回线 饱和磁场强度 Bm 矫顽力 Hc,典型磁化材料 （30CrMnSiA） 磁化曲线的 认识与应用,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 2.4电流的磁场 2.4.1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：,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，

11、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：,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,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R1和R2，通直流电磁化，由安培环路定律得 （ ） ( ),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。

12、并且 钢管内壁的磁场强度和磁感 应强度都比外壁大。 理论计算及应用,2.4.2 通电线圈的磁场 磁场方向： 右手定则,磁场大小： 空载通电线圈中心的 磁场强度可用下式计算,H磁场强度（A/m） N线圈匝数 L线圈长度（m） D线圈直径（mm） 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,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。,在线圈横截面上，靠近线圈 内壁中心的磁

13、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 P.21 例1 例2,2.5退磁场 2.5.1 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。 退磁场与材料的磁极化强度成正比。 H退磁场 J磁极化强度 o真空磁导率 N退磁因子,2.5.2 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： H有效磁场（A/m） Ho外加磁场（A/m

14、） H退磁场（A/m） 经过推导： 2.5.3 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。,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

15、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。,2.6 磁路与磁感应线的折射 磁力线通过的闭合路径叫磁路。 磁路定律：,2.6.2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）,2.7 漏磁场 2.7.1 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 图23 两磁极间漏磁场分布,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