1、磁 粉 检 测 物 理 基 础,山东省特检院临沂分院李国才MT、PT、RT高级工程师TEL：0539-7065808,1、 绪 论,1.1磁粉检测发展简史 磁粉检测是利用磁现象来检测材料和工件中缺陷的方法。 磁现象:早在春秋战国时期我国劳动人民就发现了磁现象，并制成了指南针。 理论基础:电流周围存在磁场。创立了磁感应线的概念。 1928年,研制出周向磁化法 1930年,干磁粉用于焊缝及工件的探伤。 1934年,生产磁粉探伤设备和材料的 Magnaflm(美国磁通公司)创立 1935年,油磁悬液在美国开始使用。 1941年,荧光磁粉投入使用。磁粉检测从理论到实践,初步形成一种无损检测方法。 从2
2、0世纪50年代初开始,我国先后引进前苏联、欧美等国家的磁粉检测技术,制定出了我国的标准规范。,1.2磁粉检测的现状,（1）检测设备的开发： 只有设备的进步,才有成功的应用。 国外磁粉检测设备已实现了系列化和商品化。从固定式、移动式到携带式,从半自动、全自动到专用设备,从单向磁化到多向磁化;计算机编程的应用,智能化设备大量涌现,这些设备可以预置磁化规范和合理的工艺参数,进行荧光磁粉检测和自动化操作。国外还成功地运用电视光电探测器的荧光磁粉扫查系统和激光飞点扫描系统,实现了磁粉检测观察阶段的自动化,降低了劳动强度。近年来,我国磁粉检测设备发展也很快,已实现了系列化。磁粉检测智能化设备和自动化、半自
3、动化设备已经生产应用,光电扫描图像识别的磁粉探伤机也已研制成功。 （2）检测的器材方面国外在许多方面都形成了系列产品。我国研制的部分磁粉检测器材,性能己赶上国外同类产品，在国内许多行业得到普遍使用。我国研制的YC-2型荧光磁粉,灵敏度高。磁悬液喷罐使用方便,其在特种设备磁粉检测中普遍应用。,（3）在工艺方法方面我国发明的磁粉探伤-橡胶铸型法,为间断检测小孔内壁早期疲劳裂纹的产生和扩展速率闯出了一条新路 （4）磁粉检测的质量控制对影响磁粉检测灵敏度和检测可靠性的诸因素加以控制。国外非常重视,不仅制定了具体的控制项目、校验周期和技术要求,同时通过实践对质量控制技术要求进行持续改进。我国借鉴国外先进
4、经验,磁粉检测的质量控制也日益受到重视. JB/T4730.4-2005承压设备无损检测,将质量控制项目纳入标准条文,由此可见其重要性。 磁粉检测方法日臻完善。对无损检测人员的培训和资格鉴定空前重视,人员素质大大提高。磁粉检测是五大常规方法之一；是特种设备检测发现缺陷的最重要手段之一。,1.3漏磁场检测分类,漏磁场:铁磁性材料工件被磁化后,在不连续性处或磁路截面变化处,磁感应线离开和进入工件表面而形成的磁场。 不连续性:就是工件正常组织结构或外形的任何间断,这种 间断可能会也可能不会影响工件的使用性能。 缺陷:通常把影响工件使用性能的不连续性称为缺陷。 由于工件不连续性处的磁导率发生变化,磁感
5、应线溢出工件表面形成磁极,并形成可检测的漏磁场。 检测漏磁场的方法称为漏磁场检测,包括磁粉检测与检测元件检测。其区别是:磁粉检测：是利用铁磁性粉末-磁粉,作为磁场的传感器,即利用漏磁场吸附磁粉形成的磁痕(磁粉聚集形成的图像)来显示不连续性的位置、大小、形状和严重程度。检测元件检测：是利用磁带、霍尔元件、磁敏二极管或感应线圈作为磁场的传感器,检测不连续性处漏磁场的位置、大小和方向。,1.3.1磁粉检测 磁粉检测 (Magnetic Particle Testing、简称 MT)，又称磁粉检验或磁粉探伤,属于无损检测五大常规方法之一。（1）磁粉检测原理：铁磁性材料工件被磁化后,由于不连续性的存在,
6、使工件表面和近表面的磁感应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,在合适的光照下形成目视可见的磁痕,从而显示出不连续性的位置、大小、形状和严重程度。不连续性处漏磁场分布如图l-1所示1-漏磁场2-裂纹3-近表面气孔4-划伤 5-内部气孔 6-磁感应线 7-工件 可见,磁粉检测的基础是不连续性处漏磁场与磁粉的磁相互作用。,(2) 磁粉检测适用范围 1) 铁磁性材料工件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)和目视难以看出的缺陷。马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢材料(如lCr17Ni7)具有磁性,因而可以进行磁粉检测。 2)工件表面和近表面的裂纹、白点、
7、发纹、折叠、疏松、冷隔、气孔和夹 杂等缺陷,但不适用于检测工件表面浅而宽的划伤、针孔状缺陷、埋藏较深的内部缺陷和延伸方向与磁感应线方向夹角小于20的缺陷。 3)未加工的原材料(如钢坯)和加工的半成品、成品件及使用过的工件及特种设备。 4)管材、棒材、板材、型材和锻钢件、铸钢件及焊接件。 不适用于非磁性材料：比如奥氏体不锈钢材料(如1Cr18Ni9, OCr18Ni9Ti)和用奥氏体不锈钢焊条焊接的焊缝,也不适用于检测铜、铝、镁、钛合金等非磁性材料。,(3) 磁粉检测程序 特种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
8、)退磁; 7)后处理。,(4) 磁粉检测的优点及其局限性 磁粉检测的优点: 1)可检测出铁磁性材料表面和近表面(开口和不开口)的缺陷。 2)能直观地显示出缺陷的位置、形状、大小和严重程度。 3)具有很高的检测灵敏度,可检测微米级宽度的缺陷。 4)单个工件检测速度快,工艺简单,成本低廉,污染少。 5)采用合适的磁化方法,几乎可以检测到工件表面的各个部位,基本上不受工件大小和几何形状的限制。 6)缺陷检测重复性好。 7)可检测受腐蚀的表面。,磁粉检测的局限性: 1)只适用于铁磁性材料。不能检测奥氏体不锈钢材料和奥氏体不锈钢焊缝及其他非铁磁性材料。 2)只能检测表面和近表面缺陷。 3)检测时的灵敏度
9、与磁化方向有很大关系。若缺陷方向与磁化方向近似平行或缺陷与工件表面夹角小于20,缺陷就难以发现。另外,表面浅而宽的划伤、锻造皱折也不易发现。 4) 受几何形状影响,易产生非相关显示。 5) 工件表面覆盖层对磁粉检测有不良影响。用通电法和触头法磁化时,易产生电弧,烧伤工件。因此,电接触部位的非导电覆盖层必须打磨掉。 6) 部分磁化后具有较大剩磁的工件需进行退磁处理。,1.3.2检测元件检测（3） (1)录磁探伤法 适用于焊接件和轧制件的探伤 , 可发现裂纹、夹杂和气孔等缺陷。 (2) 感应线圈探伤法 应用于多种无损检测仪器和磁 性测量仪器中 , 能有效地对钢管、钢棒和钢丝绳等进行探伤。 (3)
10、磁敏元件探测法 能检测狭缝中的磁场分布和测量极其微弱的磁场,并能直接显示磁场强度的大小和方向,因而已被广泛应用。,1.4表面无损检测方法的比较,表面无损检测方法：磁粉检测、渗透检测和涡流检测，其原理和适用范围区别很大,并且有各自独特的优点和局限性。所以无损检测人员应熟练掌握这三种检测方法,并能根据工件材料、状态和检测要求,选择合理的方法进行检测。 磁粉检测对铁磁性材料工件的表面和近表面缺陷具有很高的检测灵敏度,可发现微米级宽度的小缺陷；所以特种设备对铁磁性材料工件表面和近表面缺陷的检测宜优先选择磁粉检测（JB/T4730.1-2005：4.1.3条）,确因工件结构形状等原因不能使用磁粉检测时,
11、方可使用渗透检测或涡流检测。 表面无损检测方法的比较见表 1-1 。,2.1 磁现象和磁场 2.1.1 磁的基本现象磁性、磁体、磁极、磁力、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。磁力：磁极间相互排斥和相互吸引的力称为磁力磁化:使原来没有磁性的物体得到磁性的过程叫磁化。,2、磁粉探伤的物理基础,2.1.2磁场与磁感应线磁场:具有磁力作用的空间.存在于被磁化物体或通电导体的内部和周围,是由运动电荷形成的。磁场的特征、显示和磁力线磁场的特征:是对运动电荷(或电流)具
12、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。 磁力线的用途（假想的磁感应线） 假想的，用于形象地描述磁场的大小、方向和分布情况。磁感应线的疏密程度反映磁场的大小。在磁力线密的地方磁场大，在磁力线稀的地方磁场小， 磁感应线在每点的切线方向代表磁场的方向,磁力线上每点的切线方向与该点的磁场方向一致。,磁感应线具有以下特性: （1）、磁感应线是连续的具有方向性的闭合曲线。在磁体内是由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 （2）、磁感应线互不相交； （3）、磁感应线可描述磁场的大小和方向； （4）、磁感应线沿磁
13、阻最小的路径经过； 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,因异性磁极间磁感应线有缩短长度的倾向。,1. 圆周磁场 马蹄形磁铁如图2-2a所示,具有N极和S极。 磁铁外部,磁感应线从N极出发穿过空气进入S极; 磁铁内部,磁感应线从S极到N极闭合,它的两极能吸引铁磁性材料。 漏磁场的形成 磁极间距变小形成的漏磁场:将磁铁弯曲,使两磁极靠得很近,如图2-2b所示, 磁感应线离开N极,穿过空气重新进入S极,产生漏磁场。 裂纹两侧形成的漏磁场:将磁铁两端再弯曲,使两极熔合成圆环,如图2-2c所示, 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
14、个圆周磁场或已被周向磁化。如果已周向磁化的零件存在与磁感应线垂直的裂纹,则在裂纹两侧立即产生N极和S极,形成漏磁场, 漏磁场能强烈地吸附磁粉形成磁痕,显示出裂纹缺陷。 有裂纹处漏磁场分布及磁痕显示如图2-1d所示,图 2-2 用马蹄形磁铁描述圆周磁场,图 2-3 用条形磁铁描述纵向磁化 a) 马蹄形磁铁被校直成条形磁铁b) 带机加工槽c) 带纵向裂纹,2. 纵向磁化 如果将马蹄形磁铁校直为条形磁铁,则其两端是N极和S极。条形磁铁的两极能强烈地吸附磁粉,说明该条形磁铁已被纵向磁化,如图2-3a所示。 磁粉检测的基础 如果磁感应线被不连续性或裂纹阻断而在其两侧形成N极和S极,则会产生漏磁场,如图2
15、-3b和图2-3c所示,吸附磁粉形成磁痕,从而显示出不连续性或裂纹；,2.1.3 真空中的恒定磁场 1. 磁感应强度B 电流(运动电荷)的周围存在磁场,人们利用磁感应强度B来定量的描述磁场的特性。 磁感应强度B的定义：将原来不具有磁性的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。 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。 单位：Ns/(Cm),即N/(Am)(SI),称为特斯拉T；另一个单位是高斯,用Gs表示, 换算关系为lT=104Gs,可以用磁
16、感应线来描绘磁场的分布,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。 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。 在任何磁场中,每一条磁感应线都是无头无尾的闭合线,磁场较强的地方,磁感应线较密;反之,磁感应线就较疏,而且磁感应线的环绕方向和电流方向形成右手螺旋的关系 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 B=H。,2、磁通量:定义：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。简称磁通,它是磁场中垂直穿过某一截面的磁感应线的条数,用符
17、号表示。在SI单位制中,磁通量的单位是韦伯(Wb);在CGS单位制中,磁通量的单位是麦克斯韦(Mx),1麦克斯韦表示通过1根磁感应线。两者间换算关系为：1韦伯(Wb)=108麦克斯韦(Mx),对闭合曲面来说,一般规定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. 磁场的高斯定理:通过任一闭合曲面的总磁通量必然为零.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,恒为闭合。,3、安培环路定律 根据毕奥-萨
18、伐尔定律：一个载流导体在空间任一点产生的磁感应强度：B=L dB =0I/2r 真空中的安培环路定律：对任意几何形状的通电导体的磁场，其电流与它所激发的磁场之间普遍存在以下规律：LBdL= 0I 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，在垂直于导线的平面内任意作一包围电流的闭合曲线,曲线上任一点的磁感应强度为 B=0I/2r式中：0 = 410-7H/m -真空磁导率I-导线中的电流r-该点离开导线的距离,2.1.4磁介质中的磁场 1、磁介质 磁介质:能影响磁场的物质。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Bo,那
19、么在同一电流分布下,当磁场中放进了某种磁介质后,磁化了的磁介质将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Bo和B的矢量和,即 B= Bo + B, 由于磁介质有不同的磁化特性,它们磁化后所激发的附加磁场也有所不同。据此可把磁介质分为顺磁性材料(顺磁质)、抗磁性材料(抗磁质)和铁磁性材料(铁磁质),抗磁性材料又叫逆磁性材料。,顺磁性材料被磁化后,磁介质中的磁感应强度B稍大于Bo,即BBo,如铝、铬、锰、铂、氮等,能被磁体轻微吸引。 抗磁性材料被磁化后,磁介质中的磁感应强度B稍小于Bo,即BBo,如铜、银、金、铅、锌等,能被磁体轻微排斥。 铁磁性材料被磁化后,所激发的附加磁感应强度
20、B远大于Bo,使得BBo, 如铁、镍、钴及其合金等,铁磁质能显著地增强磁场,能被磁体强烈吸引。 磁粉探伤只适用于铁磁性材料,通常把顺磁性材料和逆磁性材料都列入非磁性材料。,2、 磁化强度 M 物质是由分子组成,分子由原子组成.近代物理证明,原子中的每个电子都在作绕核的循轨运动和自旋运动,这两种运动都产生磁效应.如果把分子看成一个整体,分子中各个电子对外所产生的磁效应的总和,可以用一个等效的圆电流来表示。这个等效的圆电流称为分子电流,其相应的磁矩称为分子磁矩,用Pm来表示,显然Pm是分子中各个电子轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和.在无外磁场时,磁介质内部任一体积元V内所有分子磁矩的矢量和为零Pm=0.
21、这是因为受分子杂乱无章的热运动的影响,使分子磁矩指向各向概率相等,因而磁介质对外不显磁性.当磁介质处于外磁场B中时,每个分子都受到一个力矩L0=PmB,该力矩迫使分子磁矩转向外磁场B的方向,于是,在外磁场的作用下,任一体积元V内所有分子磁矩的矢量和不为零,即Pm0。这样,磁介质对外就显示出一定的磁性,或者说磁介质被磁化了。,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,单位是安/米。如果在磁介质中各点的磁化强度矢量的大小和方向都相同,则称该磁化是均匀的;否则 磁化是不均匀的。在外磁场中,磁化了的磁介质会激发附加磁场,该附加磁场起源
22、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 )。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。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。as-单位长度的束缚面电流；l-所选取的一段磁介质的长度。Is-在l长度上，束缚电流的总量值。,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将磁化强度式代入得：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
23、)只和传导电流I有关,与磁介质的磁性无关。 磁场强度H：磁场具有大小和方向,磁场大小和方向的总称为磁场强度,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)。为了形象地表示出磁场中H矢量的分布,引入H线(磁感应线)来描述磁场,规定如下:磁感应线上任一点的切线方向和该点H矢量的方向相同,磁感应线的疏密程度代表H矢量的大小,磁感应线越密,表示H越大,磁感应线越疏,表示H越小。,4、磁导率物质的磁化是由外磁场引起的,在磁性物质中,磁化强度M不仅和磁介质的性质有关,也和磁介质所处的磁场有关。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M
24、=mH式中,m为物质的磁化率。不同物质的磁化率是不同的,抗磁质的磁化率是负值,顺磁质的磁化率是正值,但都很小,铁磁质的磁化率为正,而且很高. 实际上,物质被磁化以后必然反过来使物质所在部分的磁场发生变化.因为变化后的总磁场为B； 令磁化后引起的磁场变化为H,称为附加磁场,其大小H=M,则有B=oH+oM,把M=mH 代入得： B=OH+omH=o(1+m)H=orH=H 式中:r-该磁介质的相对磁导率；其大小r=1+m；o-真空磁导率；-磁介质的磁导率,或绝对磁导率；=or。,磁导率(绝对磁导率):磁感应强度B与磁场强度H的比值,用表示。磁导率表示材料被磁化的难易程度,它反映了材料的导磁能力。
25、在SI单位制中单位是亨利每米(H/m)。不是常数,随磁场大小不同而改变,有最大值和最小值。 真空磁导率。：在真空中,磁导率是一个不变的恒定值,用。表示,称为真空磁导率,o=410-7H/m,单位是H/m 相对磁导率r：为了比较各种材料的导磁能力,把任一种材料的磁导率和真空磁导率的比值,r=/。叫做该材料的相对磁导率,用r表示,r为一纯数,无单位。 对于各向同性的磁介质,m和r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。 对于铁磁性材料,铁磁质中任一点的B,M,H三矢量之间的普遍关系仍采用式B=OH+oM,但是实验发现铁
26、磁质中B与H以及M与H之间并没有线性的正比关系,甚至不存在单值关系,铁磁质的磁导率、相对磁导率和磁化率也都不是常数。,2.2 铁磁性材料 2.2.1 磁畴 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。在铁磁质中,相邻铁原子中的电子间存在着非常强的交换藕合作用,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时,内部大约含有1014个磁性原子，各原子的磁化方向一致,对外呈现磁性。磁畴的结构和形状已能在实验中观察到。在磨光的铁磁质表面上撒一层极细的
27、铁粉,因为磁畴的边界处存在着不均匀的强磁场,它将铁粉吸引到磁畴的边界上去,用金相显微镜可以直接观察到粉末沿着磁畴的边界聚集形成某种图形。某铁磁性材料的磁畴如下图2-4所示。,如图2-5a：没有外加磁场作用,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。 如图2-5b：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(畴壁是相邻磁畴的分界面)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。铁磁性材料被磁化后,就变成磁体,显示出很强的磁性。 如图2-5c：去掉外加磁场之后,磁畴出现局部转动,但仍保留一定的剩余磁性。图2
28、-5 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,永久磁铁中的磁畴,在一个方向上占优势,因而形成N极和S极,能显示出很强的磁性。 居里点或居里温度:铁磁性材料失去原有磁性的临界温度。 在高温情况下,磁体中的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, 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。,2.2.2磁化过程磁畴磁矩转动；磁畴壁发生位移；,磁化过程图2-6铁磁性材料的磁化过程 1.图2-6a:未加外加磁场时,磁畴磁矩杂乱
29、无章,对外不显示宏观磁性。 2.图2-6b: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。 3.图2-6c: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。 4.图2-6d:继续增大外加磁场,磁矩方向转动,与外加磁场方向接近. 5.图2-6e: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。,2.2.3磁特性曲线 初始磁化曲线是表征铁磁性材料磁特性的曲线,用以表示M-H或B-H的关系。 将铁磁
30、性材料做成环形样品,绕上一定匝数的线圈,线圈经过换向开关K和可变电阻器R接到直流电源上,其电路如图2-7所示。通过测量线圈中的电流I,算出材料内部的磁场强度H值;用冲击检流计或磁通计测量此时穿过环形样品横截面的磁通量,从而计算出磁感应强度B值;将磁场强度H值和磁感应强度B值代人式B=OH+oM可以计算出磁化强度M值。根据计算结果画成的初始磁化曲线、B-H曲线和-H曲线如图2-8和图2-9所示。,左图所示是铁磁性物质的典型磁化曲线(M-H曲线),它反映了铁磁性物质的共同磁化特点。实验结果表明铁磁质的磁化曲线有以下特点:设磁化前铁磁质为磁中性,铁磁环中H=0,M=0,当磁场H逐渐增加时,M随之增加
31、,开始增加得比较缓慢(oa段),然后经过一段急剧上升的过程(ab段),又进入缓慢变化的阶段(bQ段和Qm段),这时,再继续增大磁化场,M却保持不变(ms段),铁磁质已磁化到饱和,饱和时的磁化强度叫做饱和磁化强度Mm。图中未到达饱和磁化状态的一段曲线,叫做起始磁化曲线。,图2-8初始磁化曲线图,图2-9 B-H曲线和-H曲线,由图可以看出B-H曲线和-H曲线的关系,它是制定周向磁化规范选取磁场大小的依据。在连续法磁化时,磁场值一定要大于Hm,在Hm-Hl范围内,属于急剧磁化区或激烈磁化区。标准规范应选在bQ段,即Hl-H2(近饱和区)范围内。严格规范应选在QM段,即H2-H3(基本饱和区)范围内
32、。从图上可以看出,磁场强度在大于Hm后,H越大,值则越小,磁化后产生的漏磁场就越大,探伤灵敏感度就越高。,2.2.4磁滞回线 磁滞回线:描述磁滞现象的闭合磁化曲线. 铁磁性工件在交变磁场的作用下，由于在工 件上磁感应强度变化滞后于磁化场的变化， 形成一个叶子形的闭合回线，称为磁滞回线 如图2-10所示。当铁磁性材料在外加磁场强 度作用下磁化到1点后,减小磁场强度到零,磁 感应强度并不沿曲线1-0下降,而是沿曲线1-2 降到2点,这种磁感应强度变化滞后于磁场强 度变化的现象叫磁滞现象,它反映了磁化过程 的不可逆性。 初始磁化曲线:当磁场强度增大到1点时,磁感 应强度不再增加,得到的0-1曲线。
33、剩余磁感应强度:当外加磁场强度H减小到零时, 保留在材料中的磁性,简称剩磁,用Br表示,如图中的02和05。 矫顽力:为了使剩磁减小到零,必须施加一个反向磁场强度,使剩磁降为零所施加的反向磁场强度,用Hc表示.如图中的03和06。,图2-10磁滞回线,如果反向磁场强度继续增加,材料就呈现与原来方向相反的磁性,同样可达到饱和点m,当H从负值减小到零时,材料具有反方向的剩磁-Br,即05。磁场经过零值后再向正方向增加时,为了使-Br减小到零,必须施加一个反向磁场强度,如图中的06,磁场在正方向继续增加时曲线回到1点,完成一个循环,如图中的1-2-3-4-5-6-1,即材料内的磁感应强度B是按照一条
34、对称于坐标原点的闭合磁化曲线变化的,这条闭合曲线称为磁滞回线。只有交流电才产生这种磁滞回线。 图2-10中,Bm为饱和磁感应强度,表示工件在饱和磁场强度Hm磁化下B达到饱和,不再随H的增大而增大,对应的磁畴全部转向与磁场方向一致。为初始磁化曲线的切线与x轴的夹角,=arctan(B/H)。的大小反映铁磁性材料被磁化的难易程度。,图2-10磁滞回线,铁磁性材料的特性: (1)高导磁性能在外加磁场中强烈地磁化,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,不会随外加磁场增加而无限地增加,当外加磁场达到一定程度后,全部磁畴的方向
35、都与外加磁场的方向一致,磁感应强度B不再增加,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完全消失,而保留了剩磁。,根据铁磁性材料矫顽力Hc大小可分为软磁材料和硬磁材料两大类。 Hc100A/m认为是软磁材料,其磁滞回线如图2-11a所示。 Hc10OA/m认为是硬磁材料,其磁滞回线如图2-11b所示。 现代电动机中常用的一种铁氧体材料的磁滞回线近似呈矩形,如图2-11c所示,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Bm。 软磁材料和硬磁材料具有以下特征: (
36、1)软磁材料是指磁滞回线狭长,具有高磁导率、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。软磁材料有电工用纯铁、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。硬磁材料有铝镍钴、稀土钴和硬磁铁氧体等材料。,图2-11不同材料的磁滞回线 a软磁材料 b硬磁材料 c矩磁材料,2.3 电流的磁场 2.3.1 通电圆柱导体的磁场1、磁场方向:与电流方向有关,用右手定则确定;当电流流过圆柱导体时，产生的磁场是以导体中心轴线为圆心的同心圆，在半径相等的同心圆上，磁场强度相等。2、
37、磁场大小:安培环路定律计算 Hdl=I根据上式,通电直长导体表面的磁场强度为:H=I/2R,图2-12通电圆柱导体的磁场 a导体内的磁场 b导体外的磁场,电流的磁场,导体外部的磁场强度,导体内部的磁场强度,式中：H一磁强强度(A/m)I一电流强度(A) R一圆柱导体半径(m)导体外r处(rR)和导体内部r处(rR)磁场强度：rR时： H=I/2R； rR时： H=Ir/2R2；CGS单位制的公式：连续法(I=8D)和剩磁法(I=25D)经验公式的来源：一般要求工件表面的磁场强度，连续法时至少达到2400A/m,剩磁法时至少达到8000A/m,代入上式可得。 圆柱导体内、外及 表面的磁场强度分布
38、 如右图2-13所示：,3、应用 (1)钢棒通电法磁化 用交流电和直流电通电磁化同一钢棒时,磁场强度分布如图2-14a所示, 其共同点是: 1)中心处,磁场强度为零。 2)表面,磁场强度达到最大。 3)离开表面,磁场强度随r的增大而下降。 其不同点是: 直流电磁化,从钢棒中心到表面,磁场强度是直线上升到最大值; 交流电磁化,由于集肤效应,只有在钢棒近表面才有磁场强度,并缓慢上升,而在接近钢棒表面时,迅速上升达到最大值。,图2-14a钢棒通交、直流电磁化的磁场强度分布图,磁感应强度分布如图2-14b所示。与图2-14a的不同点是: 1)由于钢棒的磁导率高, B=H,所以B远大H,Bm远大于Hm。
39、 2)离开钢棒表面,在空气中,r1,BH,所以磁感应强度突降后与磁场强度曲线重合。,图2-14b 钢棒通交、直流电磁化的磁感应强度分布,(2)钢管中心导体法磁化 用直流电中心导体法磁化钢管时,磁场强度和磁感应强度的分布如图2-15所示 从图中可以看出, 在通电中心导体(铜棒)内、外磁场分布与图2-14a相同。 在钢管内是空气,由于铜棒r1,所以只存在磁场强度H。 在钢管上由于r1, 所以能感应产生较大的磁感应强度;又因为H=I/2r,且钢管内半径比外半径r小,因而钢管内壁较外壁磁场强度和磁感应强度都大,探伤灵敏度高。 离开钢管外表面,在空气中,r1,BH,所以磁感应强度突降后,与H曲线重合。,
40、图 2-15 直流电中心导体法磁化钢管的磁场强度和磁感应强度分布,采用中心导体法对钢管进行磁化时,一般推荐采用直流电或三相全波整流电。 因为,采用脉动成分很大的交流电磁化时,由于电磁感应的作用,在钢管内表面会产生很大的涡电流,从而产生很大的磁感应强度,而钢管外表面磁感应强度变得很小,容易漏检缺陷。,2.3.2通电钢管的磁场 1. 磁场方向 同通电圆柱导体的磁场一样,用右手定则来确定。 2.磁场强度计算 (1)钢管内部空心部分根据安培环路定理,内部空心部分(含内表面)不包括任何电流,所以其磁场强度为零。 (2)钢管横截面内部钢管通直流电磁化的磁场强度分布如图2-16所示,钢管所通直流电的电流强度
41、为I,钢管横截面的电流密度为J。 根据安培环路定理: Hdl=I 即：2rH=SJ (3) 钢管外表面及外部 1) 钢管外表面处:r=R2 得：H=I/2R2 2) 钢管外部:根据安培环路定理 H=I/2r 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的缺陷,图2-16 钢管通直流电磁化的磁场强度分布,2.3.3通电线圈的磁场 1. 磁场方向 在线圈中通以电流时,线圈内产生的磁场是与线圈轴平行的纵向磁场。其方向可用右手定则确定:用右手握住线圈,使四指指向电流方向,与四指垂直的拇指所指的方向就是线圈内部的磁场方向,如图2-17所示。,a)通电线圈磁化 b)
42、右手定则 图2-17 通电线圈产生的纵向磁场,通电线圈的磁场,通电线圈中心的磁场强度 短螺管线圈 有限长螺管线圈 无限长螺管线圈,图2-18 空载通电线圈中心的磁场强度,2.磁场强度计算 空载通电线圈中心的磁场强度如图2-18所示。根据毕奥-萨伐尔定律, 可得空载通电线圈中心的磁感应强度为式中：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。,3. 线圈分类 （1）按通电线圈的结构分为: 1)用软电缆缠绕在工件上的缠绕线圈。 2)将绝缘导线绕在骨架内的螺管线圈 螺管线圈是具有螺旋绕组的圆筒形线圈,分单层和多层绕组两种。 单层螺管线圈是单根绝缘导线均匀
43、而紧密排列的同轴线圈; 多层螺管线圈相当于若干个半径不等的同轴螺管线圈。 (2) 按线圈横截面积与被检工件横截面积的比值-充填因数(也叫填充系数)分为: 1)低充填因数线圈-线圈横截面面积与被检工件横截面面积之比大于等于 10 时。 2)中充填因数线圈-线圈横截面面积与被检工件横截面面积之比大于 2且小于10时。 3)高充填因数线圈-线圈横截面面积与被检工件横截面面积之比小于等于2时。,图2-19 a短螺管线圈中心轴线上的磁场分布b螺管线圈横截面上的磁场分布 c有限长螺管线圈中心轴线上的磁场分布,(3) 按通电线圈的长度L和内径D的比分为: 1)短螺管线圈(LD)在有限长螺管线圈内部的中心轴线
44、上,磁场分布较均匀,磁感应线方向大体上与中心轴线平行,线圈两端处的磁场强度为中心的1/2,如图2-19c所示。在线圈横截面上,靠近线圈内壁的磁场强度较线圈中心强,如图2-19b所示。 3)无限长螺管线圈(LD)或在无限远处头尾相接的线圈;无限长螺管线圈内部磁场分布均匀,并且磁场只存在于线圈内部,磁感应线方向与线圈的中心轴线平行。,4.应用 (l)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磁化,常称为线圈法开路磁化。线圈法磁化的磁化力一般用安臣数(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 把线圈绕在铁心上构成电磁扼或交叉磁轭
45、对工件进行的磁化,常称为磁轭法闭路磁化。磁轭法磁化时,以提升力来衡量导人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. 感应电流和感应磁场的产生 感应电流和感应磁场的产生如图2-20所示,将铁心插入环形工件中,把工件当作变压器的次级线圈。当线圈中通以交流电时,通过铁心的磁通也是交变的,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 形工件的磁化中。,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
46、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,如图2-21a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,两相激磁电流产生的磁场波形图如图2-21b所示。当条件合适时,其合成磁场就以与激磁电流同样的频率,在四个磁极所在平面不停旋转,旋转磁场因此而得名。 能形成旋转磁场的基本条件是:两个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如图2-21b所示,当l,2两相磁轭的激磁电流产生的磁场分别为:H
47、1=Hmsin(t-) H2=Hmsint,图2-21a交叉磁轭示意图 b两相激磁电流产生的磁场波形图,2、交叉磁轭式旋转磁场形成过程 所谓旋转磁场是在工件两个相互垂直的方向上同时施加两个交流分磁场：Hx（t）和Hy（t）；若设磁场幅值为Hm，则Hmx=Hmy=Hm ；且频率相同；存在一个相位差。两个交流分磁场为： Hx= Hmsint Hy= Hmsin（t-） 根据磁场矢量叠加原理，其大小为：合成矢量角为： =tan-1cossintan（t+1） 也就是说，合成磁场的指向在一个平面内作旋转运动，旋转磁场因此得名。 当=/2时，H=Hm，=（t+1），即合成磁场的幅值为常量，其轨迹按顺时针
48、方向作圆周运动。也就是说，此时它在工件各方向上的检测灵敏度相同。 目前市售磁轭式旋转磁场探伤仪，就是依据这个原理制成的。,交叉磁轭产生的旋转磁场如下图2-22所示，该图是两相磁轭的几何夹角与两相磁轭激磁电流的相位差=2/3，不同瞬间合成磁场的过程，是每隔/6的相位角进行一次磁场合成的结果。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5OHz时,旋转一周所需的时间为0.02s。,3.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,而
49、离开中心点较远的其他位置,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。 4.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。,2.4.1摆动磁场的合成,2.5 退磁场 2.5.1退磁场定义：退磁场:把铁磁性材料磁化时,由材料中磁极所产生的磁场;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M成正比。即：H=NMH-退磁场 M-磁化强度 N-退磁因子 只有纵向磁化才有退磁场即只有线圈法（工件中产生涡流）,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H0减去退磁场H。其数学表达式为H=H0-H=H0-N(B/0-H)=H0-N(H/0-H)= H0-NH (/0-1)H=H0/1+N(r-1)H-有效磁场A/m;Ho-外加磁场A/m;H -退磁场A/m. r-相对磁导率。,
