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1、磁粉检测物理基础广东省产品质量监督检验中心陈玉宝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
2、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。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。磁粉检测
3、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。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 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
4、 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 。 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
5、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。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
6、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，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
7、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 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
8、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
9、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
10、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。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=8000H/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
11、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 rD 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22.5退磁场 2.5.1 退磁场定义把铁磁
12、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）H退磁场（A/m） 经过推导：2.5.3 退磁因子NN 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
13、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
14、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不连续
15、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。 2.7.2 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。 2.7.3 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2-33。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
