第五单元磁粉探伤.ppt
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1、第五单元 磁粉探伤 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
2、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。 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
3、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
4、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
5、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,以速度运动,其受
6、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,关系沿小于的角度转向正电荷运动速 度的方向,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 和组成的平面。 图 2-7 B、Fm、的方向 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 Ns/(Cm)N/(Am),称为特斯拉,用T表示,即 1T= 1N/(Am) 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
7、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0.310-4T,在两极处约为0.610-4T。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310-10T,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
8、一给定曲面的总磁感应线,称为通过该曲面的磁通量,用表 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,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Tm2,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) 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
9、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。 3. 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 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
10、面,指向为由Idl经小于的角度转向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Idlr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 由右图可得, 从而得到: 式中,1和2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。角从垂线向上转时取正值,从垂线
11、向下 转 时取负值。 对于“无限长”载流直导体,则取 则上式变为 (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
12、dB的代数和,即 将 代入 得, 式中 为圆线圈的面积。 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。 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。 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
13、” 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。 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 以上结果虽然是从长直载流
14、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。 2.1.4 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BB0B 顺磁性材料这类磁介质磁化后使磁介质中的磁感
15、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(磁化程度和磁化方向),我们引入 磁化强度矢量M,它表示单位体积内所有分子磁矩的矢量和,即 在外磁场中,磁化了的磁介质会激发附加磁场;这附加磁场起 源 于磁化了的介质内所出现的束缚电流(实质上是分子电流的宏观 表 现)。 设有一“无限长”的载流直螺线管,管内充满均匀磁介质,电流在螺线管内 激 发均匀磁场。在此磁场
16、中磁介质被均匀磁化,这时磁介质中各个分子电流平面 将 转到与磁场的方向相垂直,下图表示磁介质内任一截面上分子电流排列的情况 。 从图(b)和(c)中可以看出,在磁介质内部任意一点处,总是有两个方向相 反的分子电流通过,结果相互抵消;只有在截面边缘处,分子电流未被抵消, 形 成与截面边缘重合的圆电流。对磁介质的整体来说,未被抵消的分子电流是沿 着 柱面流动的,称为束缚面电流。对顺磁性物质,束缚面电流和螺线管上导体中 的 电流I方向相同;对抗磁性物质,则两者方向相反。 设 为圆柱形磁介质表面上“单位长度的束缚面电流”,S 为磁 介 质的截面积, 为所选取的一段磁介质的长度。在长度 上,束 缚 电流
17、的总量值为 ,因此在这段磁介质总体积 中的总 磁 矩为 所以 在图 (a)所示的圆柱形磁介质的边界附近,取一长方形闭合回路ABCD,AB 边 在磁介质内部,它平行于圆柱轴线,长度为l,而BC、AD两边则垂直于柱面。 在磁介质内部各点处,M都沿AB方向,大小相等,在柱外各点处M=0。所以 M 沿BC、CD、DA三边的积分为零,因而M对闭合回路ABCD的积分等于M沿AB 边的积分,即 将 代入得 该式表明,磁化强度对闭合回路的线积分等于通过回路所包围 的 面 积内的总束缚电流。该式虽是从均匀磁化介质及长方形闭合回 路的简单特例导出的,但却是在任何情况都普遍适用的关系式。 3. 磁场强度 在电流产生
18、磁场中有磁介质存在时,空间任一点的磁感应强度 B 等于导线中的电流(称为传导电流)所激发的磁场与磁介质磁化 后 束缚电流所激发的附加磁场的矢量和,这时安培环路定理应为 H 称为磁场强度矢量,其单位为安/米(A/m),故有 该式称为有磁介质时的安培环路定理,它表明H矢量 的 环流(沿任何闭合曲线的线积分)只和传导电流I有关 , 与磁介质的磁性无关。 因为磁化强度M不仅和磁介质的性质有关,也和磁介质所在处 的 磁场有关,实验证明,对于各向同性的磁介质,在磁介质中任一 点 磁化强度M和磁场强度H 成正比,即 式中, 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,但都很小
19、,对铁磁质为正,而且很高。 因为 通常令 称为该磁介质的相对磁导率,于是有 式中 称为磁介质的磁导率,或称为绝对磁导率。 对于各向同性的磁介质,和都是无量纲的常数。所有顺磁性材 料、 抗磁性材料的磁化率都很小,其相对磁导率几乎等于1,这说明 它 们对原磁场只产生微弱的影响。 为了形象地表示出磁场中H 矢量的分布,可以引入H 线(磁力 线)来描述磁场,规定如下:磁力线上任一点的切线方向和该点 H 矢量的方向相同,磁力线的疏密程度代表H矢量的大小,磁力线 越 密,表示H越大,磁力线越疏,表示H越小。 2.2 铁磁性材料 2.2.1 磁畴 在铁磁质中,相邻铁原子中的电子间存在着非常强的交换耦合 作
20、用,这个相互作用促使相邻原子中电子磁矩平行排列起来,形成 一 个自发磁化达到饱和状态的微小区域,这些自发磁化的微小区域 , 称为磁畴。 一个典型的磁畴宽度约为10-3cm,体积约为10-9cm3,内部 大 约含有1014个磁性原子。 在没有外加磁场作用时, 铁磁性材料内各磁畴的磁 矩方向相互抵消,对外显 示不出磁性,如下图a。 铁磁性材料的磁畴方向 a)不显示磁性; b)磁化 c)保留一定剩磁 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。 永久磁铁
21、中的磁畴,在一个方向上占优势,因而形成N和S极,能显示出很 强 的磁性。 在高温情况下,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。超过某一温度后,磁体的磁性也就全部消失而呈现顺磁性,实现了材料 的 退磁。铁磁性材料在此温度以上不能再被外加磁场磁化,并将失去原有的磁性 的 临界温度称为居里点或居里温度。从居里点以上的高温冷却下来时,只要没有 外 磁场的影响,材料仍然处于退磁状态。 一些铁磁性材料的居里点见下表 铁铁磁性材料的居里点 材 料居里点() 铁 镍 钴 铁,硅5% 铁,铬10% 铁,锰4% 铁,钒6% 769 365 1150 720 740 715 815 2.2.
22、3 磁化过程 (1)未加外加磁场时,磁畴磁矩杂乱无章,对外不显示宏观磁性,如图 (a) (2)在较小的磁场作用下,磁矩方向与外加磁场方向一致或接近的磁畴体积增 大,而磁矩方向与外加磁场方向相反的磁畴体积减小,畴壁发生位移,如 图 (b)。 (3)增大外加磁场时,磁矩转动畴壁继续位移, 最后只剩下与外加磁场方向比 较 接近的磁畴,如图 (c)。 (4)继续增大外加磁场,磁矩方向转动,与外加磁场方向接近,如图 (d)。 (5)当外加磁场增大到一定值时,所有磁畴的磁矩都沿外加磁场方向有序排列 , 达到磁化饱和,相当于一个微小磁铁或磁偶极子,产生N极和S极,宏观上呈 现 磁性,如图 (e)。 2.2.
23、4 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: 2.2.5 磁滞回线 饱和磁场强度 Bm 矫顽力 Hc 典型磁性材料 30CrMnSiA 经880油淬,300回火状态下,测得的磁化曲线见 下 图,包括BH曲线,H曲线,和BrH曲线。 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(HcR)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
24、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 P31 例1 例2 应用 (1)开路磁化:把需要磁化的工件放在线圈中进行磁化或对大 型工件进行绕电缆进行磁化,常称为线圈法。线圈法磁化的磁 化力一般用安匝数(NI)表示。线圈法磁化工件时,由于在工件 两端产生磁极,因而会产生退磁场。 (2)闭路磁化:把线圈绕在铁芯上构成电磁轭或交叉磁轭对工 件进行的磁化,常称为磁轭法。 磁轭法磁化时,以提升力来衡量导入工件的磁感应强度或磁通。 磁轭法磁化工件不产生磁极,因而没有退磁场
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