磁粉检测060831简

1/381磁粉检测概述磁现象的发现比电现象更早。17世纪法国著名物理学家对磁力作了定量研究。19世纪初期，丹麦科学家奥斯特发现了电流周围也存在着磁场。生长于英国的法拉第首创了磁力线的概念。1934年生产磁粉探伤设备和材料的Magnaflux（美国磁通公司）成立，第一台实验性的固定磁粉探伤装置问世。1935年，油磁悬液在美国开始使用。1941年，荧光磁粉投入使用。磁粉检测技术早期被用于航空、航海、汽车及铁路部门，用来检测发动机、车轮轴和其它高应力部件的疲劳裂纹。而随着工业发展和科学技术进步，磁粉检测技术发展很快，在航空、兵器、船舶、火车、汽车、石油、化工、锅炉压力容器、压力管道和特种设备上都得到广泛应用。目前，磁粉检测设备从固定式移动式到便携式，从半自动、全自动到专用设备，从单向磁化到多向磁化，设备已系列化和商品化。而晶闸管等电子元件在磁粉检测设备的应用，使设备小型化并实现了无级调节。电脑编程的应用使磁粉检测设备智能化。而运用电视光电探测器荧光磁粉扫查和激光飞点扫描系统，实现了磁粉检测观察的自动化，并将检测到的信息在微机或其它电子装置中进行处理，鉴别可剔除的不连续性，并进行自动标记和分选，大大提高了检测的灵敏度和可靠性。2磁性检测方法及分类磁性检测是利用铁磁性材料表面与近表面缺陷会引起导磁率发生变化，在磁化时将在表面上产生漏磁场，并采用磁粉、磁带或其他磁场测量方式来记录与显示缺陷的一种方法。目前，磁性检测的主要方法是磁粉检测，近来也发展了一些其他类型的磁性检测方法见表1。表1磁性检测方法的分类方法类型原理适用范围磁粉显示磁场利用交流、直流或脉动电流磁化焊缝，采用干磁粉、磁悬液或荧光粉磁悬液显示缺陷各种焊缝的表面与近表面缺陷，例如核设施、石油化工设备、造船、车辆、钢结构等磁带录取磁场采用磁带紧贴于焊缝表面，记录下缺陷引起的漏磁信号，再用探测头提取和显示磁带上的缺陷信号无法涂敷磁粉与观察的工件和自动磁性探伤的场合，例如锅炉管间焊缝等霍尔元件测漏磁场利用霍尔元件的输出电压比例于漏磁场的磁感应B来测量缺陷引起的漏磁，显示缺陷无法施加磁粉并无法放置磁带的场合，例如管道内壁的检查等线圈测量交流电磁场首先利用高频交流线圈在焊缝表面以上空间激发起均匀电磁场，采用交叉测量线圈检测裂纹引起的磁场变形为显示缺陷探头距焊缝表面的间隙可达5～10㎜，减少表面清理要求，并能测量裂纹长度与深度。特别适用于水下钢结构的检验3磁粉检测物理基础电磁学研究电磁场的规律以及物质的电学和磁学性质，是许多物理理论和应用科学的基础，也是磁粉检测的物理基础。3.1磁学基本概念磁铁能够吸引铁磁性材料的性质称为磁性。凡能够吸引其它铁磁性材料的物体称为磁体，磁体是能够建立外加磁场的物体。磁体分为永磁体是不需要力维持其磁场的磁体；电磁体是需要电源维持其磁场的磁体；超导磁体是用超导材料制成的磁体。2/38磁铁各部分的磁性强弱不同，磁铁两端磁力线密度大、磁性特别强、吸附磁粉特别多被称为磁极，磁极分为北极（N极）和南极（S极）。如图4。磁极相近时存在排斥或吸引现象。同极相斥，异极相吸。磁极间相互排斥或吸引的力称为磁力。磁体或通电导体的的周围，存在着磁力作用空间，称为磁场，它是一种特殊的物质。磁场具有大小和方向。一般用磁力线、磁感应线、磁场强度、磁感应强度和磁通量来表示磁场的方向和大小。磁力线和磁感应线是为了形象描述磁场，在磁场中画出的许多曲线，曲线上每点的切线方向和该点的磁场方向一致。在真空中称为磁力线，而在磁介质中称为磁感应线，如图5和6所示。磁力线特点：1）具有方向性的闭合曲线。在磁体外部，由N极出发而止于S极，在磁体内部，由S极至N极。2）互不相交，且连续不中断。3）沿磁阻最小的路径通过。4）可描述磁场的大小和方向。图4条形磁铁周围的磁场图5条形磁铁的磁力线分布（图解）图6马蹄形磁铁平放(左)和竖放时的磁力线分布（图解）在我们的生活中存在许多磁场，它们基本上分为二类：永久磁体磁场和电流磁场。图7永久磁铁图8电磁轭永久磁体是指能够长久保持磁性的物体，比如地球和天然磁铁及永久磁铁等。在这些永久磁体周围存在一个磁场即永久磁体磁场。电流磁场是指在运动电荷周围存在的磁场。实验表明，磁场的方向随导体中电流方向的变化而变化，其关系用右手定则来确定：用右手握住导体，拇指指向电流方向，其余卷曲的四指的指向就是磁场的方向。3/38图9通电直导体右手定则图10通电线圈的磁力线分布状态（图解）3.2物质中的磁场磁畴是铁磁质中存在的自发微小磁化区域。铁磁质磁化的实质是材料中的磁畴在外加磁场的作用下，取向根据外加磁场的方向由不规则排列到定向排列，由不显磁性到显示磁性的过程。高温情况下，磁体中分子热运动会破坏磁畴的有规则排列，从而导致磁体磁性受到削弱。当超过一定温度，磁体的磁性就会全部消失而呈现顺磁性，那么此时的温度叫居里点。实际生产中，我们可利用居里点来进行退磁处理。图11施加外加磁场前磁畴状态图12施加外加磁场后磁畴状态表4不同材料的居里点材料名称符号居里点/℃铁Fe768钴Co1150镍Ni365在自然界中凡是影响磁场的物质统称为磁介质。磁介质在外加磁场作用下显现磁性的现象，称为磁化。材料被磁化的难易程度可用磁导率μ来表示。磁导率越大，材料越易被磁化，其呈现的磁性也越强。根据不同的磁化程度，磁介质分为抗磁质、顺磁质、铁磁质。抗磁质：在外加磁场中呈极微弱磁性，且产生与外加磁场反方向的附加磁场，也叫逆磁性材料，其相对磁导率μr＜1。如金、银、铜等。顺磁质：在外加磁场中呈很弱磁性，且产生与外加磁场同方向的附加磁场，其相对磁导率μr＞1，且为常数。如铝、铬、锰等。铁磁质：在外加磁场中极易被磁化，且产生与外加磁场同方向的附加磁场，其相对磁导率μr＞＞1。如铁、镍、钴及其合金等。4/38表5不同材料的相对磁导率只有铁磁性材料适合磁粉检测，而顺磁性材料和抗磁性材料都为非磁性材料。铁磁性材料的磁化行为可用磁化曲线来描述，一般如下图。随着磁感应强度B由0增加到饱和点a，磁场强度H再增加磁感应强度B将不再增加，0-a这段曲线为初始磁化曲线。当a点开始逐渐减小励磁电流时，则磁场强度H减小，磁感应强度B也相应减小，但并不沿0-a曲线下降，而是沿a-b曲线下降。当H=0时，则B≠0而是B=Br，Br就被称为剩余磁感应强度，简称剩磁。为使磁感应强度B降为0，必须施加一个反向磁场强度Hc，则Hc就被称为矫顽力。当反向磁场强度H继续增加，则磁感应强度B就沿反方向到达磁饱和点d。当磁场沿c-d-e-f-a回到a点，就形成一个a-b-c-d-e-f-a的封闭曲线，即材料内的磁感应中强度B是按照一条对称于坐标原点的闭合曲线变化的，该曲线被称为磁滞曲线。铁磁性材料在减小H时的磁化曲线，并不与增加H时的磁化曲线相重叠的现象为磁滞现象。图13磁滞回线（图解）根据上面所述，我们可以知道铁磁性材料具有以下特性：1）高导磁性：能在外加磁场作用下强烈磁化，从而产生非常强的附加磁场，它的磁导率很高，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，不会随外加磁场的增加而无限制增大，当外加磁材料名称相对磁导率μr空气1.0000036铝1.000021硬橡胶1.000014奥氏体钢（不含δ铁素体）约1.001～1.1奥氏体钢（含5%δ铁素体）约1.3铜0.999993铅0.999847玻璃0.99999工业纯铁5000铸铁350～1400铁钴合金2000～6000铁镍合金15000～3000005/38场达到一定程度后，材料的全部磁畴方向都已与外加磁场的方向相一致，此时磁感应强度B就不再继续增大，从而呈现磁饱和。3）磁滞性：当外加磁场的方向发生变化时，磁感应强度的变化总是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会完全消失，而是保留了一定的剩磁。铁磁性材料根据其不同的剩磁和矫顽力，又分成硬磁材料和软磁材料。硬磁材料：当HC≥8000A/m（100Oe），则是典型的硬磁材料，其特征为磁导率较低、磁阻较高、剩磁较高、矫顽力较大、磁滞回线粗大的铁磁性材料。当如非奥氏体合金钢、高碳钢、铬钢、钴钢及淬火的中碳钢等。软磁材料：当HC≤400A/m（5Oe），则是典型的软磁材料，其特征为磁导率较高、磁阻较低、剩磁较低、矫顽力较小、磁滞回线狭窄的铁磁性材料。如工业纯铁、低碳钢等。表6常用磁学量概念与换算关系表7常用磁学公式磁场强度数学表达式SI单位制（r和R为m）CGS单位制（r和R为cm）通电长直导体磁场强度HrIH2rIH2.0通电长直导体内部磁场强度H22RIrH22.0RIrH通电线圈中心的磁场强度H22cosDLNILNIH2280cos80DLNILNIH通电螺线环的磁场强度HRNIH2RNIH2.0例4：有一圆柱直导体，其直径为20mm，通以100A直流电，求距导体中心5mm、10mm、20mm处的磁场强度为多少？量的名称符号SI单位制CGS单位制换算关系定义公式磁通量Ф韦伯［Wb］麦克斯韦［Mx］1Wb=108Mx垂直穿过某一截面的磁力线条数BS磁感应强度磁通密度B特斯拉［T］高斯［Gs］1T=104Gs垂直穿过单位面积上的磁通量（或磁力线条数）SBrHB0磁场强度H安培/米［A/m］奥斯特［Oe］1A/m=4π×10-3Oe≈0.0125Oe表示磁场大小和方向的物理量BH磁导率μ享利/米［H/m］高斯/奥斯特［Gs/Oe］/磁介质导磁能力的大小r0真空磁导磁率μ0享利/米［H/m］/1μ0=4π×10-7H/m真空中磁导磁率是一个不变的恒定值r0相对磁导磁率μr///任一材料的磁导磁率和真空磁导磁率的比值0r6/38解：（1）r=5mm≈0.005m＜R=20mm/2=10mm=0.01m79601.014.32005.0100222RIrHA/m10Oe（2）r=10mm≈0.01m=R=20mm/2=10mm=0.01m159201.014.321002rIHA/m20Oe（3）r=20mm≈0.02m＞R=20mm/2=10mm=0.01m79602.014.321002rIHA/m10Oe例5：有一有限螺线管长500mm，内径为100mm，匝数为100匝，通过1A电流，求螺线管中心处的磁场强度为多少？解：1961.05.011002222DLNIHA/m45.2Oe例6：有一环形件，外径为400mm，其内径为300mm，共缠绕通电电缆40匝，当通以50A电流时，沿环形件圆周方向上的磁感应强度为多少？解：35.03503002300400Rm91035.014.3250402rNIHA/m11Oe根据以上公式计算可知，当采用交流电和直流电对同一钢棒进行磁化时，其磁场强度的分布如图14，其共同特点是：1）在被磁化的钢棒中心位置，其磁场强度为零；2）在被磁化的钢棒表面，其磁场强度最大；3）在被磁化的钢棒表面以外，其磁场强度随着距离的增加而下降。而不同点是：当采用直流电磁化时，磁场强度从钢棒的中心开始，一直到钢棒的表面，磁场强度呈直线上升到最大值；当采用交流电磁化时，由于交流电本身具有趋肤效应，只有在钢棒的近表面才开始具有磁场强度，并呈缓慢上升状态，而在接近钢棒表面时，磁场强度开始迅速上升，并达到最大值。当采用交流电和直流电对同一钢棒进行磁化时，其磁感应强度的分布如图15，与磁场强度分布的不同之处是：1）由于钢棒的磁导率高，根据公式HB，可以算得钢棒内的磁感应强度远大于磁场强度；2）由于空气中的磁导率近似于1，根据公式HB，可以算得钢棒外的磁感应强度也近似等于磁场强度。图14钢棒通交流和直流电磁化时图15钢棒通交流和直流电磁化时的磁场强度分布的磁感应强度分布当采用交流电和直流电磁化同一钢管时，其磁场强度和磁感应强度的分布与钢棒的相同，唯一区别是由钢管内壁开始上升，而不是从钢管中心，图16是采用直流电磁化钢管时