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1、磁粉检测物理基础,广东省特种设备检测院 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 敏二极管和感应
2、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。 磁粉探伤的适用性: 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
3、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。,磁粉检测的优点和局限性 优点: 灵敏度高,结果可靠,操作简单。 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
4、于20的分层和折叠难以发现。,1.3 检测元件检测 (1)录磁探伤法 利用高矫顽力和剩磁的磁带,适用于焊接件和轧制件检测。 (2)感应线圈探伤法 检测线圈的电动势与线圈匝数、面积及其相对工 件的运动速度有关,而且还与不连续性漏磁通密 度的梯度有关。 能有效地检测钢管、钢棒和钢丝绳等。,(3)磁敏元件探测法 磁敏元件主要指:霍尔元件和磁敏二极管 特点:探测灵敏度与检查速度和工件大小无 关,还可以获得缺陷深度的信息。 检测时,尽量缩小磁敏元件与工件表 面之间的距离,并始终保持不变。 a 霍尔元件,利用霍尔元件,可以制作高斯计、毫特斯拉计 b 磁敏二极管 灵敏度比霍尔元件高几百倍,特别适合探测微小磁
5、场变化。 制作毫特斯拉计、漏磁场测量仪、自动磁 性检测设备。,1.4 磁粉探伤方法与其他表面探伤方法的比较 P.6 表 1-1 磁粉检测在承压设备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
6、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 以利用磁感应线来表示。,圆周磁场 a) 磁力线方向 b) 两磁极空间 c) 两极熔合后 d) 有不连续性 漏磁场分布 的磁力线 的磁力线分布 图2-5 用马蹄形磁铁描述圆周磁场 当磁铁两极熔合形成一圆环如图2-5c,此时磁铁 内既无磁极又不产生漏磁场,因而不能吸引铁磁性 材料,但在磁铁内包容了一个圆周磁场或已被周向 磁化。,纵向磁化,(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,磁感应线在每点
7、的切线方向代表磁场的方向,磁感 应线的疏密程度反映磁场的大小。 磁感应线具有以下特性: 磁感应线是具有方向性的闭合曲线。在磁体内,磁感应线是由S极到N极,在磁体外,磁感应线是由N极出发,穿过空气进入S极的闭合曲线。 磁感应线互不相交。 磁感应线可描述磁场的大小和方向。 磁感应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,沿小于的角度转向正电荷运动速 度的方向,这时螺旋
8、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 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
9、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Tm
10、2,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
11、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
12、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
13、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,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
14、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” 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
15、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
16、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
17、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
18、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B
19、C、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)
20、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,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
21、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 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。
22、,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
23、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。 冷却下来以后,铁磁性材料由顺磁性变为铁磁 性。,一些铁磁性材料的居里点见下表,铁磁性材料的居里点,居里点随材料合金成分不同,有较大的变化。 例如:含镍量百分之一的硅,居里点是320C, 而含镍量百分之五的硅,居里点仅45C。,2.2.3 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
24、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)。,2.2.4 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,典型磁性材料的磁特性曲线 30CrMnSiA 经880油淬,300回火状态下,测得的磁化 曲线见
25、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(Hc100A/m)和硬 磁材料(Hc100A/m)。 软磁材料与硬磁材料的特征 (1)软磁材料是指磁滞回线狭长,具有高磁导率、低 剩磁、低矫顽力和低磁阻的铁磁性材料。 软磁材料磁粉检测时容易磁化,也容易退磁。软磁材料 如电工用纯铁、低碳钢和软磁铁氧体等材料。,(2)硬磁材料是指磁滞回线肥大,具有低磁 导率、高剩磁、高矫顽力和高磁阻的铁磁性材料。 硬磁材料磁粉检测时难以磁化,也难以退磁。 硬磁材料如铝镍钴、稀土钴和硬磁铁氧体等材料。 (3)矩磁材料现代电机中常用的一种铁氧体
26、 材料的磁滞回线差不多呈矩形,故称矩磁材料。 其特点是:一经磁化,其剩余磁感应强度接近于非 常稳定的饱和值Bs。,2.2.6 退磁曲线和磁能积 退磁曲线是指最大磁滞回线在第二象限中部分,即Hc至Br之间的曲线段。如下图所示。在退磁曲线上任一点所对应的B与H的乘积,是标志磁性材料在该点上单位体积内所具有的能量。因为乘积(BH)的量纲是磁能密度,所以叫(BH)为磁能积。(BH)的乘积正比于图中划斜线的矩形面积。可以在退磁曲线上找到一点P其所对应的B与H的乘积为最大值,这点叫做最大磁能积点,其值(BH)m叫做最大磁能积。磁能积是Br和Hc的综合参数,它表明工件在磁化后所能保留磁能量的大小,亦即剩磁的
27、大小。磁能积的数值越大,表明保留在工件中的磁能越多。这在磁粉检测中是很有意义。最大磁能积可采用等磁能曲线法或几何作图法来确定。,2.3电流的磁场 2.3.1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 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 P.26 例1、例2 直圆柱导体内、外及 表面的磁场强度分布 如右图所示:,应用 钢棒通电法磁化 分别通交流和直流时,磁场强度和磁感应强度的分布特点,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
28、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。并且 钢管内壁的磁场强度和磁感 应强度都比外壁大。 应采用直流电或整流电 理论计算及应用,2.3.2 通电钢管的磁场 磁场方向:右手定则 磁场大小: (1)钢管内表面 H=0,B=0(直流和交流) (2)钢管外表面及外部 (3)钢管横截面 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 ( ) 钢管直接通电法磁化时,由于其内部磁场强度为零,所 以不能用磁粉检测的方法来检测内表面即近表面的缺陷。,2.3.3 通电线圈的磁场 磁场方向: 右手定则,磁场大小
29、: 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(m) 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
30、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 有退磁场的影响。,2.3.4 感应电流和感应磁场 1. 感应电流的产生 如下图,将铁芯插入环行工件中,把工件当作变压器 的次级线圈。当线圈中通以交流电后,通过铁芯的磁通
31、也 是交变的,由于电磁感应的作用,因而在工件中就产生了 周向的感应电流。该感应电流在工件中又产生磁场,称为 感应磁场。 2. 应用 主要应用在环行工件的磁化中。,2.4 磁场的合成 当有多个磁场同时对工件进行多方向磁化时,对工件作用的磁场 应是各磁场的矢量和,即合成磁场为各个磁场矢量的叠加。下面介 绍两种常用的合成磁场。 2.4.1 交叉磁轭的磁场合成 1 旋转磁场的形成 交叉磁轭属于复合 磁化(多向磁化)它是 利用两相或多相磁场相 互叠加而形成的合成磁 场对工件进行磁化的, 如右图所示。,交叉磁轭可以形成旋转磁场。它的四个磁极分别由两相具有一 定相位差的正弦交变电流激磁。于是就能在四个磁极所
32、在平面形成 与激磁电流频率相等的旋转着的(合成)磁场。 能形成旋转磁场的基本条件是:两相磁轭的几何夹角与两相 激磁电流的相位差均不等于0或180。 如下图所示,当1、2两相磁轭的激磁电流分别为: H1=HmSin(t-) H2=HmSint,而且两相磁轭的所有参数均相等时,可以用下面的数学表达式来 描述四个磁极所在平面几何中心点的合成磁场轨迹。 1相磁轭产生的磁场; 2相磁轭产生的磁场; 与 的峰值; 两相磁轭的几何夹角; 两相磁轭激磁电流的相位差; 当两相磁轭的几何夹角与两相磁轭激电流的相位差均为 90时,在磁极所在面的几何中心点将形成圆形旋转磁场,即一 个周期内其合成磁场轨迹为圆,而且其幅
33、值始终与Hm相等。,下图是交叉磁轭的四个磁极所在平面几何中心点旋转磁场如何 形成的几何模型。该图是两相磁轭的几何夹角=90,两相磁轭 激磁电流的相位差=2/3时,不同瞬间其合成磁场形成的过程。 此图是按每隔/6的相位角进行一次磁场合成的结果。 由该图不难看出,随着时间的变化,合成磁场的方向在旋转,当 激磁电流相位角t由0逐渐变到2时,其合成磁场正好旋转一周。 当所用交流电为50Hz时,旋转一周所需时间为0.02s。,交叉磁轭产生的旋转磁场,2 旋转磁场分布特点 交叉磁轭的磁场无论在四个 磁极的内侧还是外侧,其分布 都是极不均匀的。只有在几何 中心点附近很小的范围内,其 旋转磁场的椭圆度变化不大
34、, 而离开中心点较远的其它位置, 其椭圆度变化很大,甚至不能 形成旋转磁场。另外四个磁极 外侧仍然有旋转磁场存在,只 是有效磁化范围较小。,3 交叉磁轭的提升力 交叉磁轭的提升力代表交叉磁轭导入被检测工 件有效磁通的多少,亦即工件被磁化后其磁感应强 度的大小,提升力必须大于某一值后,才能保证被 检工件的有效磁感应强度,亦即保证检测灵敏度。 因此,提升力大小取决于磁轭的铁芯截面积、铁芯 材料的磁性能以及激磁规范的大小。,2.4.2 摆动磁场的合成 直流电磁轭与交流通电法复合磁化工件用直流 电磁轭进行纵向磁化,并同时用交流通电法进行周 向磁化,直流电磁轭产生的纵向磁场HxHo,大 小保持不变, 交
35、流通电法产生的周向磁场 , 大小随时间变化,其合成磁场是一个在45之 间不断摆动的螺旋形磁场,所以又叫摆动磁场。交 流磁场值比直流磁场值愈大,则摆动的范围愈大。 如下图所示。,1-工件;2-磁化线圈;3-绝缘片,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。 退磁场与材料的磁化强度成正比 H退磁场 M磁化强度 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(
36、A/m) Ho外加磁场(A/m) H退磁场(A/m),得:,2.5.3 影响退磁场大小的因素 1 退磁场大小与外加磁场强度大小有关。 外加磁场强度愈大,工件磁化得愈好,产生的N极和S 极磁场愈强,因而退磁场也愈大。 2 退磁场大小与工件L/D值有关。 工件L/D值愈大,退磁场愈小。 计算L/D时: a 对于实心工件,若为圆柱形工件,D为外直径;非圆柱 形,D为界面最大尺寸。 b 对于中空工件,应采用有效直径Deff,3 退磁因子N与工件的形状有关。是L/D的函数。 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。 4 磁化尺寸相同的钢管和钢棒,钢
37、管比钢棒产生 的退磁场小。 5 磁化同一工件,交流电比直流电产生的退磁 场小。,2.5.4 退磁场的计算 P.35 例25 例26 计算结果讨论: 当L/D2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。铁磁性材料磁 化后,不仅能产生附加磁场, 而且还能够把绝 大部分磁感线约束在一定的闭合路径上,见下图。 磁路可用电
38、路来模拟。,2.6.1 磁路定律:,磁路的串联和并联 串联磁路 式中 Rm=Rml+Rm0,并联磁路 式中 串联磁路和并联磁路的推导 串联磁路和并联磁路的计算,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。例题 磁感应强度的边界条件: (方向分量连续) (切向分量连续),2.7 漏磁场与磁粉检测 2.6.1 漏磁场的形成 所谓漏磁场,就是铁磁性材料磁化后,在不
39、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。,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。,2.6.2 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
40、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,见下图,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。,一圆柱状不连续体(直径1mm)产生的漏磁场的 切向和法向分量。 H0=6.4KA/m h=1mm,2.6.3 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
41、,其方向指向磁感应线最大密度 区,即指向缺陷处。 见下页 图 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用,能将目视不可见的缺 陷变成目视可见的磁痕使之容易观察出来。,磁粉受漏磁场吸引,2.6.4 影响漏磁场的因素 (1)外加磁场强度的影响 缺陷的漏磁场大小与工件磁化程度有关。一般说 来,外加磁场强度一定要大于产生最大磁导率m 对应的磁场强度Hm,使磁导率减小,磁阻增 大,漏磁场增大。 当铁磁性材料的磁感应强度达到饱和值的80% 左右时,漏磁场便会迅速增大。,(2)缺陷位置及形状的影响 a 缺陷埋藏深度的影响 影响很大 同样的缺陷,位于工件表面 时,产生的漏磁
42、场大;若位于工件的近表面,产生的漏磁场显著减 小;若位于工件表面很深处,则几乎没有漏磁场泄漏出工件表面。 b 缺陷方向的影响 缺陷垂直于磁场方向,漏磁场最大,也最有 利于缺陷的检出;若与磁场方向平行则几乎不产生漏磁场;当缺 陷与工件表面由垂直逐渐倾斜成某一角度,而最终变为平行,即 倾角等于0时,漏磁场也由最大下降至零,下降曲线类似于正弦 曲线由最大值降至零值的部分。 c 缺陷深宽比的影响 缺陷的深宽比是影响漏磁场的一个重要因 素,缺陷的深宽比愈大,漏磁场愈大,缺陷愈容易发现。,全波整流电 500A,(3)工件表面覆盖层的影响 (4)工件材料及状态的影响 晶粒大小的影响 含碳量的影响 热处理的影
43、响 合金元素的影响 冷加工的影响 Meiguowsjc,2.8 磁粉检测的光学基础 2.8.1 光度量术语及单位 光是任何能够直接引起视觉的电磁辐射,光度学是有关视觉效应 评价辐射量的学科。磁粉检测观察和评定磁痕显示,必须在可见光 或黑光下进行,其光源的发光强度、光通量、光照度、辐射照 度和光亮度都与检测结果直接有关。其含义为 国际照明委员会把紫外线分成如下三种范围: 波长320nm400nm的紫外线称为UV-A、黑光或长波紫外线,UV-A波长的紫外线,适用于荧光磁粉检测,它的峰值波长约为365nm。 波长280nm320nm的紫外线称为UV-B或中波紫外线,又叫红斑紫外线。UV-B具有使皮肤
44、变红的作用,还可引起晒斑和雪盲,不能用于磁粉检测。 波长100nm280nm的紫外线称为UV-C或短波紫外线,UV-C具有光化和杀菌作用,能引起猛烈的燃烧,还伤害眼睛,也不能用于磁粉检测,医院使用UV-C紫外线来杀菌。,人眼在暗室,观察灵敏度会提高。 观察时佩带眼睛的问题 黑光灯的构造和使用注意事项,3磁化电流、磁化方法和磁化规范 3.1 磁化电流 磁粉探伤采用的磁化电流有交流电、整流电(包括单相半波整流 电、单相全波整流电、三相半波整流电和三相全波整流电)、直流 电和冲击电流,其中最常用的磁化电流是交流电、单相半波直流电 和三相全波整流电。 3.1.1 交流电 概念:峰值、有效值、平均值、趋
45、肤效应、趋肤深度(穿透深度) 交流电的趋肤效应:导体表面电流密度大,内部电流密度小 产生的原因是电磁感应产生了涡流。 电流从表面值下降到1/e0.37的深度称为趋肤深度,可由下式求 出: 磁导率 电导率 电流的频率,交流电的优点: a 对表面缺陷检测灵敏度高 b 容易退磁 C 电源易得,设备结构简单 d 能够实现感应电流磁化 e 能够实现多向磁化 f 变截面工件磁场分布较均匀 g 有利于磁粉迁移 h 用于评价直流电发现的磁痕显示 i 适用于在役工件的检验 j 交流电磁化时,两次磁化的工序间不需要退磁 交流电的局限性:a 剩磁法检验时,受交流电断电相位的影响 b 探测缺陷的深度小。 交流断电相位
46、的控制:为了得到稳定和最大的剩磁,3.1.2整流电 单相半波 单相全波 三相半波 三相全波 最常用的是单相半波和三相全波整流电 单相半波整流电 主要和干法配合使用 磁粉探伤中最常用的磁化电流之一,其优点: a 兼有直流的渗透性和交流的脉动性 b 剩磁稳定 c 有利于近表面缺陷的检测 d 能提供较高的灵敏度和对比度 e 设备结构简单、轻便,有利于现场检验。 局限性:a 退磁较困难 b 检测缺陷深度不如直流电大 c 要求较大的输入功率 三相全波整流电 磁粉探伤中最常用的磁化电流之一,其优点:,a 具有很大的渗透性和很小的脉动性 b 剩磁稳定 c 适用于近表面缺陷的检测 d 需要设备的输入功率小。
47、局限性: a 退磁困难 b 退磁场大 c 变截面工件磁化不均匀 d 不适用于干法检验 e 在周向和纵向磁化工序间需要退磁。 直流电 最早使用,现在使用少,其优缺点: a 具有很大的渗透性和很小的脉动性 b 剩磁稳定 c 适用于近表面缺陷的检测 d 需要设备的输入功率小。 局限性:a 退磁困难 b 退磁场大 c 不适用于干法检验 d 在周向和纵向磁化工序间需要退磁。,交流和直流电表面磁场的分布 正方形工件通电时,在表面产生的磁场强度,电流沿长度方向通过。,一阶梯试样表面磁场强度分布(KA/m) a 交流磁场 b 直流磁场,冲击电流 由电容器充放电而获得,只能用于剩磁法,且仅适用于需要电流 值特别大而常规设备又不能满足时,根据工件要求制作专用设备。 3.5.4 选择磁化电流规则 (1)用交流电磁化湿法检验,对工件表面微小缺陷检测灵敏度高; (2)交流电的渗入深度,不如整流电和直流电; (3)交流电用于剩磁法检验时,应加装断电相位控制器; (4)交流电磁化连续法检验主要与有效值电流有关,而剩磁检验主要与峰值电流有关; (5)整流电流中包含的交流分量越大,检测近表面较深缺陷的能力越小; (6)单相半波整流电磁化干法检验,对工件近表面缺陷检测灵敏度高; (7)三相
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