磁粉讲稿

磁粉检测物理基础广东省特种设备检测院陈玉宝自我简介本科毕业于南昌航空工业学院无损检测专业，硕士毕业于清华大学材料加工工程专业（无损检测方向）。期间，在化工厂从事四年无损检测工作，在南昌航空工业学院从事四年教学工作。2000年进入广州市锅检所，从事锅炉、压力容器和压力管道的无损检测工作。2006年进入广东省特种设备检测院工作。全国考委会磁粉组成员，广东省考委会射线组长，RT、UT、MT、PT－III级；ET、AE－II级，无损检测高级工程师联系电话：020-88518798136600948891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MagneticParticleTesting，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1－1所示。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。磁粉检测程序承压设备磁粉检测的七个程序是：(1)预处理；(2)磁化；(3)施加磁粉或磁悬液；(4)磁痕的观察与记录；(5)缺陷评级；(6)退磁；(7)后处理。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。1.3磁粉探伤方法与其他表面探伤方法的比较P.6表1-1磁粉检测在压力容器定期检验中的重要性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（a）马蹄形磁铁被校直成条形磁铁后N极和S极的位置（b）具有机加工槽的条形磁铁产生的漏磁场（c）纵向磁化裂纹产生的漏磁场条形磁铁的磁力线分布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，在磁体外，磁力线是由N极出发，穿过空气进入S极的闭合曲线。•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。2.1.3真空中的恒定磁场1磁感应强度B：设一电量为q的电荷在磁场中，以速度υ运动，其受到的最大磁力为Fm，则该点磁感应强度的大小为：磁感应强度B为矢量，其方向为该点处小磁针N极的方向，可以用右手螺旋法则来确定：由正电荷所受力Fm的方向，关系沿小于π的角度转向正电荷运动速度υ的方向，这时螺旋前进的方向便是该点B的方向，如图2-7所示；B的方向总是垂直于Fm和υ组成的平面。图2-7B、Fm、υ的方向qFBm在国际单位制中，力Fm的单位用牛顿（N），电量q的单位用库仑（C），速度v的单位用米/秒（m/s），磁感应强度的单位定为N·s/（C·m）＝N/(A·m)，称为特斯拉，用T表示，即1T=1N/(A·m)磁感应强度的另一个单位是高斯，用Gs表示，两个单位的换算关系为1T=104Gs地球磁场的数量级大约是10-4T，严格讲地球表面的磁场在赤道处约为0.3×10-4T，在两极处约为0.6×10-4T。大型的电磁铁能激发出约为2T的恒定磁场，超导磁体能激发高达25T的磁场，人体心脏激发的磁场约为3×10-10T，而脉冲星表面的磁场约为108T。可以用磁感应线来描绘磁场的分布，并且规定：通过磁场中某点处垂直于B矢量的单位面积的磁感应线数等于该点B矢量的大小，该点磁感应线的切线方向为B矢量的方向。在任何磁场中，每一条磁感应线都是和闭合电流相互套链的无头无尾的闭合线，磁场较强的地方，磁感应线较密；反之，磁感应线就较疏，2磁通量在磁场中，通过一给定曲面的总磁感应线，称为通过该曲面的磁通量，用Φ表示。在曲面上取面积元ds，如图所示，ds的法线方向与该点处磁感应强度方向之间的夹角为θ，则通过面积元ds的磁通量为所以，通过有限曲面S的磁通量为磁通量的单位为T·m2，叫做韦伯（Wb）。因此，磁感应强度也称为磁通密度。在CGS单位制中，磁通的单位是麦〔克斯韦〕(Mx)，1麦〔克斯韦〕表示通过1根磁力线，在SI单位制中，磁通的单位是韦〔伯〕(Wb)，其换算关系为：1韦〔伯〕(Wb)＝108麦〔克斯韦〕(Mx)1麦〔克斯韦〕(Mx)＝10-8韦〔伯〕(Wb)dSBcosdSBddsdSB对闭合曲面来说，一般规定取向外的指向为正法线的指向，这样，磁感应线从闭合面穿出处的磁通量为正，穿入处的磁通量为负。由于磁感应线是闭合线，因此穿入闭合曲面的磁感应线数必然等于穿出闭合曲面的磁感应线数，所以通过任一闭合曲面的总磁通量必然为零，即上式称为磁场的高斯定理，是电磁场理论的基本方程之一。该定理说明，磁场是涡旋场，其磁感应线无头无尾，恒是闭合的。sdSB03.毕奥－萨伐尔定律及其应用(1)毕奥－萨伐尔定律一个载流导体L在空间任一点P产生的磁感应强度可由毕奥－萨伐尔定律来确定，即电流元所激发的磁感应强度LLrI30d4drlBB式中，dl表示在载流导体上沿电流方向所取的线元，I为导线中的电流，r是从电流元所在点到P点的矢量r的大小，H/m，称为真空磁导率，dB的方向垂直于Idl与r组成的平面，指向为由Idl经小于π的角度转向r时右螺旋前进的方向，如上图所示。（2）载流长直导体的磁场设有长为L的载流直导体，其电流为I，计算离直导体距离为a的P点的磁感应强度时，先在直导体上任取一电流元Idl，如图2-11所示。按毕奥－萨伐尔定律，这电流元在给定P点的磁感应强度dB为dB的方向由Idl×r来确定，即垂直纸面向内，在图中用表示。由于长直导体L上每一个电流元在P点的磁感应强dB的方向都是一致的（垂直纸面向内），所以矢量积分可变为标量积分7010430d4drIrlBLBBdLLrlIBB20sind4d由右图可得，从而得到：式中，β1和β2分别为直线的两个端点到P点的矢量与P点到直导线垂线之间的夹角。角β从垂线向上转时取正值，从垂线向下转时取负值。cossinsecartanaldsecad2l)sin(sina4dcosa4sind412002021IIrlIBL对于“无限长”载流直导体，则取则上式变为2122a2)2sin(2sina400IIB（3）载流圆线圈轴线上的磁场设有圆形线圈L，半径为R，通以电流I，如图2-12所示。根据毕奥－萨伐尔定律，圆线圈上任一电流元Idl在轴线P点产生的磁感应强度dB为各电流元在P点的磁感应强度大小相等，方向各不相同，但各dB与轴线成一相等的夹角（如上图）。我们把dB分解为平行于轴线的分矢量dB∥和垂直于轴线的分矢量dB⊥。由于对称关系，任一直径两端的电流元在P点的磁感应强度的垂直轴线的分量dB⊥大小相等，方向相反，因此，载流圆线圈上电流在P点dB⊥互相抵消，而dB∥互相加强。所以P点磁感应强度为圆形线圈上所有电流元的dB∥的代数和，即30d4drIrlBLLBBsinddB//将代入得，式中为圆线圈的面积。20d4drlIBRrIlrIrlIBLR24sind4sinsind420202020222xRr2122)(sinxRRrR23220232220)(2)(2xRISxRIRB2RS圆线圈轴线上各点的磁感应强度都沿轴线方向，与电流方向组成右手螺旋关系，离圆心距离x越远，磁场越弱。在圆心O点处，由上式得(4)载流直螺线管内部的磁场直螺线管是指均匀地密绕在直圆柱面上的螺旋形线圈，如图所示。0xRIB200最后经计算可得如果螺线管为“无限长”，亦即螺线管的长度较其直径大得多时，所以这一结果说明：任何绕得很紧密的长螺线管内部轴线上的磁感应强度和点的位置无关。还可以证明，对于不在轴线上的内部各点B的值也等于，因此“无限长”螺线管内部的磁场是均匀的。21)cos(cos2d)sin(21200nInIB102nIB0还可以证明，对于不在轴线上的内部各点B的值也等于，因此“无限长”螺线管内部的磁场是均匀的。对长螺线管的端点来说，例如在A1点，，，所以在A1点处的磁感应强度为恰好是内部磁感应强度的一半。长直螺线管所激发的磁感应强度的方向沿着螺线管轴线，其指向可按右手定则确定，右手四指表示电流的流向，拇指就是磁场的指向。nI02102nIB0214．安培环路定理已知长直载流导体周围的磁感应线是一组以导体为中心的同心圆，如下图（a）所示。在垂直于导线的平面内任意作一包围电流的闭合曲线L，如下图(b)所示，线上任一点P的磁感应强度为式中I为导线中的电流，r为该点离开导线的距离。由图可知，所以按图中所示的绕行方向沿这条闭合曲线B矢量的线积分为rIB20dcosdrl2000200d2d2ddcosdIIrrIBrlBLLLlB以上结果虽然是从长直载流导线的磁场的特例导出的，但其结论具有普遍性，对任意几何形状的通电导体的磁场都是适用的，而且当闭合曲线包围多根载流导线时也同样适用，故一般可写成该式表达了电流与它所激发磁场之间的普遍规律，称为安培环路定理。LI0dlB2.1.4磁介质中的磁场1.磁介质能影响磁场的物质称为磁介质。各种宏观物质对磁场都有不同程度的影响，因此一般都是磁介质。设某一电流分布在真空中激发的磁感应强度为B0，那么在同一电流分布下，当磁场中放进了某种磁介质后，磁化了的磁介质激发附加磁感应强度B’，这时磁场中任一点的磁感应强度B等于B0和B’的矢量和，即B＝B0＋B’顺磁性材料──这类磁介质磁化后使磁介质中的磁感应强度B稍大于B0，即BB0，如铝、铬、锰、铂、氮等，能被磁体轻微吸引。抗磁性材料──这类磁介质磁化后使磁介质中的磁感应强度B稍小于B0，即BB0，如铜、银、金、铅、锌等，能被磁体轻微排斥。铁磁性材料──这类磁介质磁化后所激发的附加磁感应强度B’远大于B0，使得BB0，如铁、镍、钴、釓及其合金等，铁磁质能显著地增强磁场，能被磁体强烈吸引。2.磁化强度分子电流分子磁矩为了描述磁介质的磁化状态