磁粉檢測概念

1、0引言磁粉檢測是利用電磁現(xiàn)象檢測工件表面缺陷的無損探傷方法之一，主要用于檢測鐵磁性材料和工件表面或近表面裂紋以及其他一些缺陷。經(jīng)磁粉探傷機磁化后的鐵磁性工件內部存在磁場，而在工件表面缺陷處形成漏磁場，將會吸附磁粉探傷機中磁懸浮液的磁粉,形成磁痕，從而顯示出工件的表面缺陷。其中漏磁場的寬度比表面缺陷處的實際寬度大數(shù)倍甚至數(shù)十倍,磁痕實際將工件表面的裂紋放大了，便于進行檢測和觀測。直至目前為止，磁粉檢測仍然被認為是表面裂紋檢測最靈敏的方法之一，尤其是在表面不平或表面不規(guī)則性與所需檢測的裂紋相比大得多的情況下，磁粉檢測通常被考慮為表面裂紋檢測最好的方法。在檢測過程中影響漏磁場形成的因素有很多，但磁粉

2、檢測的原理決定它只對表面缺陷最靈敏，對內部的缺陷將隨埋藏深度的增加而迅速下降。本文主要分析了磁化、磁痕特征、影響磁痕形成的因素，以便提高產(chǎn)品表面缺陷磁粉檢測的質量。1磁粉檢測發(fā)展歷史1922年，美國人Hoke發(fā)現(xiàn)，由磁性夾具夾持的硬鋼塊上磨削下來的金屬粉末，會在鋼塊表面的裂紋區(qū)形成一定的花樣；1929年,Forest 運用該原理首次實現(xiàn)對油井鉆管裂紋檢驗，但并未獲得成功；1930年，干磁粉成功應用于焊縫及各種工件的探傷；1934年，生產(chǎn)磁粉探傷設備和材料的美國磁通公司成立。20世紀50年代，部分大型國有企業(yè)設立無損檢測部門，新中國磁粉檢測和滲透檢測工作開始起步。60年代，在仿制的基礎上，研制出

3、大型交流磁粉探傷機。設備與器材研制工作初露端倪。1978年，中國機械工程學會無損檢測分會磁粉、滲透檢測專業(yè)委員會成立，并首次召開全國性技術交流會。1982年，國內首次開辦磁粉檢測專業(yè)級人員培訓班，結束了檢測人員無證操作的歷史。20世紀80年代，隨著改革開放的深入開展，通過引進吸收和再創(chuàng)新，我國的磁粉檢測技術獲得快速發(fā)展，迅速縮短了與先進國家間的差距。90年代，標準化工作取得重要進展，磁粉檢測技術標準化體系基本形成。2000年以來，隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，磁粉檢測技術開始進入半自動/自動化和圖像化時代。2 磁粉檢測的物理基礎2.1磁粉檢測中的相關物理量2.1.1 磁的基本現(xiàn)象磁性：磁鐵能夠吸引鐵磁

4、性材料的性質叫磁性。磁體：凡能夠吸引其他鐵磁性材料的物體叫磁體。磁極：靠近磁鐵兩端磁性特別強吸附磁粉特別多的區(qū)域稱為磁極。每一小塊磁體總有兩個磁極。磁化：使原來沒有磁性的物體得到磁性的過程叫磁化。2.1.2 磁場和磁力線磁場：具有磁性作用的空間磁場的特征、顯示和磁力線磁場的特征：是對運動的電荷（或電流）具有作用力，在磁場變化的同時也產(chǎn)生電場。 磁場的顯示：磁場的大小、方向和分布情況，可以利用磁力線來表示。磁力線在每點的切線方向代表磁場的方向，磁力線的疏密程度反映磁場的大小。磁力線特性:磁力線是具有方向性的閉合曲線。在磁體內，磁力線是由S極到N極，磁體外，磁力線是由N極出發(fā)，穿過空氣進入S極的閉

5、合曲線。磁力線互不相交。磁力線可描述磁場的大小和方向。磁力線沿磁阻最小路徑通過。（a）具有機加工槽的條形磁鐵產(chǎn)生的漏磁場 （b）縱向磁化裂紋產(chǎn)生的漏磁場 （c）條形磁鐵的磁力線分布 （d）馬蹄形磁鐵被校直成條形磁鐵后N極和S極的位置 圖1 各種形狀的磁鐵磁力線3 磁粉檢測原理鐵磁性材料被磁化后，由于工件存在不連續(xù)性，則工件表面和近表面的磁力線會發(fā)生局部畸變而產(chǎn)生漏磁場，吸附施加在表面的磁粉，在適合的光照條件下，形成可見的磁痕，從而顯示不連續(xù)性的大小、位置、形狀和嚴重程度。圖2 工件存在缺陷的漏磁場分布3.1檢測工藝流程 3.2磁粉檢測適用范圍該方法適用于鐵磁性材料的表面及近表面缺陷的檢測。 未

6、加工的原材料（如鋼壞）、半成品、成品及在役與使用過的工件都可用磁粉檢測技術； 管材、棒材、板材、型材和鍛鋼件、鑄鋼件及焊接件； 檢測工件表面和近表面尺寸很小，間隙極窄的鐵磁性材料，如可檢測出長0.1mm、寬為微米級的裂紋和目測難以發(fā)現(xiàn)的缺陷。 可用于馬氏體不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼 可用于檢測表面和近表面的裂紋、白點、發(fā)紋、折疊、疏松、冷隔、氣孔和夾雜，但不適于檢測工件表面淺而寬的劃傷、針孔狀缺陷、埋藏較深的內部缺陷和延伸方向與磁力線方向夾角小于20°的缺陷。3.3磁粉檢測的優(yōu)點和局限性優(yōu)點對于鐵磁材料，其表面和近表面的開口和不開口的缺陷都可以檢測出來；具有很高的靈敏度，能檢測出微米級寬

7、度的缺陷；直觀地顯示出缺陷的大小、位置、形狀和嚴重程度，并可大致確定缺陷性質；檢測結果重復性好；單個工件檢測速度快，工藝簡單，成本低，污染小；綜合使用多種磁化方法，則工件各個方向的缺陷都可以檢測出來，幾乎不受工件大小和幾何形狀影響；局限性只能檢測鐵磁性材料以及表面、近表面缺陷；單一磁化方法檢測受工件幾何形狀（如鍵槽）影響，會產(chǎn)生非相關顯示；通電法和觸頭法磁化時，易產(chǎn)生打火燒傷；不適用于奧氏體不銹鋼和用A體不銹鋼焊條焊接的焊縫；也不適用于檢測銅、鎂、鈦合金等非磁性材料。4 鐵磁性材料4.1磁性基本概念 （1）順磁性 材料無外磁場作用時，不表現(xiàn)出宏觀磁性；受外磁場作用時，表現(xiàn)出宏觀磁性，磁化強度與

8、外磁場的方向相同但磁化率極小。 （2）鐵磁性 磁性材料在外磁場作用下產(chǎn)生很強的磁化強度。外磁場除去后仍保持相當大的永久磁性。4.2磁疇在鐵磁質中，相鄰鐵原子中的電子間存在著非常強的交換耦合作用，這個相互作用促使相鄰原子中電子磁矩平行排列起來，形成一個自發(fā)磁化達到飽和狀態(tài)的微小區(qū)域，這些自發(fā)磁化的微小區(qū)域，稱為磁疇。在沒有外加磁場作用時，鐵磁性材料內各磁疇的磁矩方向相互抵消，對外顯示不出磁性，如下圖a。a）不顯示磁性； b）磁化 c）保留一定剩磁圖3 鐵磁性材料的磁疇方向當把鐵磁性材料放到外加磁場中去時，磁疇就會受到外加磁場的作用，最后全部磁疇的磁矩方向轉向與外加磁場方向一致，鐵磁性材料被磁化，

9、顯示出很強的磁性。4.3金屬的鐵磁性鐵磁性材料在外磁場作用下，強烈磁化。外加磁場強度H與鐵磁性材料的磁感應強度B之間關系曲線稱為磁滯回線。圖4 鐵磁性材料的磁滯回線4.4鐵磁性材料分類 (1)軟磁材料Hc400A/m高磁導率、低剩磁、低矯頑力和低磁阻。磁粉檢測時易磁化，也易退磁。電工用純鐵、低碳鋼和軟磁鐵氧體等材料。 (2)硬磁材料Hc8000A/m具有低磁導率、高剩磁、高矯頑力和高磁阻。磁粉檢測時難以磁化，也難以退磁。如鋁鎳鈷、稀土鈷和硬磁鐵氧體等材料。圖5 鐵磁性材料的磁感應強度（3）矩磁材料現(xiàn)代電機中常用的一種鐵氧體材料的磁滯線差不多呈矩形，故稱矩磁材料。其特點是：一經(jīng)磁化，其剩余磁感應

10、強度接近于非常穩(wěn)定的飽和值Bs。5 漏磁場由于介質磁導率的變化而使磁通漏到缺陷附近的空氣中所形成的磁場，稱為漏磁場。 磁通量從一種介質進入另一種介質時，因其磁導率的不同，在介面上磁力線的方向會發(fā)生改變。在工件表面或近表面存在缺陷，經(jīng)磁化后，缺陷處空氣的磁導率遠遠小于鐵磁材料的磁導率，在介面上磁力線的方向將發(fā)生改變，有一部分磁通散布在缺陷周圍。圖6 工件表面的漏磁場5.1磁痕 工件被磁化后，在工件不連續(xù)處或磁路截面變化處，磁力線形成的N極和S極，將磁化和 附 加在工件表面的磁粉，被磁化的磁粉像小磁針一樣，也具有了磁極，加速移動到不連續(xù)（缺陷）處，并沿著漏磁場一層層排列起來，形成磁痕顯示。圖7 工

11、件缺陷處的磁痕分布圖5.2影響漏磁場的因素 漏磁場強度的大小決定了磁粉檢測的靈敏度(1)外加磁場強度 漏磁磁感應強度隨工件磁感應強度的增加而線性增加。當外加磁場使材料的磁感應強度達到飽和值的80%時,漏磁場強度急劇上升。（2）工件材料及狀態(tài)材料的含碳量、合金化、冷加工及熱處理狀態(tài)等n 隨合金的含碳量，碳鋼矯頑力，最大相對磁導率，漏磁場增大；n 合金化增大鋼材的矯頑力，使其磁性硬化，漏磁場增大；n 退火和正火態(tài)鋼材磁特性差別不大，而淬火后的鋼材矯頑力，漏磁場增大；n 晶粒越大，鋼材的磁導率，矯頑力，露磁場減?。籲 鋼材的矯頑力和剩磁將隨壓縮變形率的增大而增加，漏磁場也增大。（3）缺陷位置和形狀u

12、 同樣的缺陷，位于表面時漏磁通；若位于距表面很深的地方，則幾乎沒有漏磁通泄漏于空間。u 缺陷的深寬比越大，漏磁場越強。u 缺陷垂直于工件表面（缺陷切割磁力線的角度接近正交）時，漏磁場最強；u 缺陷與工件表面平行時，則幾乎不產(chǎn)生漏磁通。缺陷夾角小于20度時，很難檢出（4）被檢材料表面的覆蓋層 材料表面有覆蓋層時（如涂料等），降低缺陷漏磁場強度。圖8 工件表面覆蓋層對磁痕的影響5 磁化5.1磁化方法 磁粉檢測前需要先將工件磁化，磁化原則：工件內的磁力線與缺陷表面基本正交，獲得盡可能強的缺陷漏磁場。缺陷能否由磁痕顯示和顯示的清晰程度主要取決于缺陷表面上漏磁場強度的大小。漏磁場強弱的一個重要影響因素是

13、磁場與缺陷主平面的交角：當磁化方向與缺陷主平面垂直時，缺陷漏磁場最強但由于工件中的缺陷可能有各種取向，有的很難預計，為了發(fā)現(xiàn)不同方向的缺陷，于是發(fā)展了不同的磁化方法。以便于在工作中建立磁場的方向，通常分為周向磁化、縱向磁化和復合磁化。（1）周向磁化在工件中建立一個沿圓周（與軸線垂直）方向的閉合周向磁場，主要用于發(fā)現(xiàn)縱向（軸向）和接近縱向（夾角小于45度）的缺陷。周向磁化常用方法有直接通電法、中心導體法；針對大工件可以用觸頭法。（2）縱向磁化 工件中建立起沿其軸向分布的縱向磁場，以發(fā)現(xiàn)取向基本與工件軸向垂直和接近橫向（夾角小于45度）的缺陷。常用磁軛法和線圈法：（3）復合磁化同時在被檢工件上施加

14、兩個或兩個以上不同方向的磁場。周向磁化易于檢測縱向缺陷，縱向磁化易于檢測橫（周）向缺陷，垂直于磁化場的缺陷有很好的檢測效果,為了保證檢測的可靠性和檢測其它種類的缺陷，一般認為，缺陷和磁化方向的夾角應大于45度。由此可見采用單方向的一次磁化，不可能把所有方向的缺陷都檢測出來，而實際工件的缺陷取向可能是很不規(guī)則的，如要檢出所有取向的缺陷，單向磁化至少得進行二次不同方向上的磁化才能解決問題。復合磁化能同時對工件施加兩個（或兩個以上）不同方向上的磁化，因此，一次磁化可以檢出所有方向上的缺陷。（4）旋轉磁化將繞有激磁線圈的型磁鐵交叉放置，各通以不同相位的交流電，產(chǎn)生圓形或橢圓形磁場（即合成磁場的方向作圓

15、形旋轉運動）。旋轉磁化能發(fā)現(xiàn)沿任意方向分布的缺陷。5.2磁化電流磁粉檢測使用的磁化電流有交流、直流及整流電等幾種。（1）交流磁化：應用最廣u 交流電的趨膚效應能提高磁粉檢測檢驗表面缺陷的靈敏度；但是交流磁化對近表面缺陷的檢出能力不如直流磁化強u 只有使用交流電才能在被檢工件上建立起方向隨時間變化的磁場，實現(xiàn)復合磁化；u 與直流磁化相比，交流磁場在被檢工件截面變化部位的分布較為均勻，有利于對這些部位的缺陷的檢測；u 交流電的不斷換向有利于磁粉在被檢工件表面上的遷移，提高檢測的靈敏度；u 交流磁化的磁場淺，容易退磁；設備簡單，易于維修，價格便宜。（2）整流與直流磁化整流電有單相半波、單相全波、三相

16、半波和三相全波整流等幾種類型。l 隨電流波動型脈動程度的減小，其磁場的滲透能力增強，可檢出的缺陷埋藏深度隨之增大。l 直流磁化可檢出的缺陷埋藏深度最大。l 可獲得較穩(wěn)定的剩磁，但退磁也較困難。l 在整流或直流磁化的被檢工件的截面突變部位，容易出現(xiàn)磁化不足或過量磁化，造成漏檢。5.3磁化規(guī)范（1）觸頭法：電極間距控制在75-200mm之間。磁化電流： 材料厚度< 19mm時，3.5-4.5A/mm 材料厚度19mm時，4-5A/mm （2）使用直流或整流勵磁，纏繞電纜法作縱向磁化檢測管道環(huán)焊縫時，推薦使用的安匝數(shù)（NI）可按上式計算。式中：I電流(A); N匝數(shù)；L被檢管道的長度(mm)

17、D管道直徑（mm)。對于L/D>15的情形，一律取L/D=15。 （3）用交流勵磁的纏繞電纜法檢測時，實際需要的安匝數(shù)(NI）要使用人工缺陷試板或磁場指示器測定。6 磁粉檢測的過程方法 6.1表面預處理n 被檢表面應充分干燥；n 用化學或機械方法徹底清除被檢表面上可能存在的油污、鐵銹、氧化皮、毛刺、焊渣及焊接飛濺等表面附著物；n 必須采用直接通電法檢測帶有非導電涂層時，應預先徹底清除掉導電部位的局部涂料，以避免因觸點接觸不良而產(chǎn)生電弧，燒傷被檢表面。6.2施加磁粉的方法（1）干法：用干燥磁粉（粒度10-60微米）進行磁粉檢測。（2）濕法：磁粉（粒度1-10微米）懸浮在油、水或其它載體中進

18、行磁粉檢測。靈敏度高，特別適合檢測疲勞裂紋等細微缺陷。6.3檢測方法（1）連續(xù)法 在有外加磁場作用的同時向被檢表面施加磁粉或磁懸液的檢測方法稱為連續(xù)法。 低碳鋼及所有退火狀態(tài)或經(jīng)過熱變形的鋼材均應采用連續(xù)法，一些結構復雜的大型構件也宜采用連續(xù)法。操作程序如下：1）濕法連續(xù)磁化 在磁化的同時施加磁懸液，每次磁化的通電時間為0.5-2s，磁化間歇時間不超過1s，至少在停止施加磁懸液1s后才可停止磁化。2）干粉連續(xù)磁化 先磁化后噴粉，待吹去多余的磁粉后才可以停止磁化。 連續(xù)法靈敏度高，但效率低，易出現(xiàn)干擾顯示。復合磁化法只能在連續(xù)法檢測中使用。（2） 剩磁法利用磁化后被檢工件上的剩磁進行磁粉檢測。

19、在經(jīng)過熱處理的高碳鋼或合金鋼中，凡剩余磁感應強度在0.8T以上，矯頑力在800A/m以上的材料均要可用剩磁法檢測。檢測程序：預處理-磁化-施加磁懸液-觀察-退磁-后處理 剩磁的大小主要取決于磁化電流的峰值，而通電時間原則上控制在0.25-1s。6.4磁痕分析與記錄（1）磁痕：磁粉在被檢表面上聚集形成的圖像稱為磁痕。（2）磁痕分析 常見的相關磁痕主要有：a.發(fā)紋：是一種原材料缺陷。鋼中的非金屬夾雜物和氣孔在軋制、拉撥過程中隨著金屬的變形伸長而形成發(fā)紋。其磁痕特征為：呈細而直的線狀，有時彎曲，端部呈尖形，沿金屬纖維方向分布。磁痕均勻而不濃密。擦去磁痕后，用肉眼一般看不見發(fā)紋。長度多在20mm以內，

20、連續(xù)或斷續(xù)。b.非金屬夾雜物：磁痕不太清晰，一般呈分散的點狀或短線狀分布。c.分層：呈長條狀或斷續(xù)分布，濃而清晰。d.材料裂紋：呈直線或一根接一根的短線狀磁痕。磁粉聚集較濃顯示清晰。e.鍛造裂紋：濃密、清晰，呈直的或彎曲的線狀。g.焊接裂紋：在焊縫或熱影響區(qū)內，其長度可為幾毫米至數(shù)百毫米；深度較淺的為幾毫米，較深的可貫穿整個焊縫或母材。磁痕濃密清晰，呈直線、或彎曲狀，也有的呈樹枝狀。h.氣孔：磁痕呈圓形或橢圓形，不太清晰，濃度與氣孔的深度有關，埋藏氣孔一般要用直流磁化才能檢出。i.淬火裂紋：磁痕濃密清晰，一般呈細直的線狀，尾端尖細，棱角較多；滲碳淬火裂紋的邊緣呈鋸齒形；工件銳角處的淬火裂紋呈弧

21、形。j.疲勞裂紋：磁痕中部聚集磁粉較多，兩端磁粉逐漸減少，顯示清晰。相關磁痕有時要作為永久性記錄保存，記錄方法有照相、用透明膠帶貼印、涂層剝離或畫出磁痕草圖等。6.5退磁被檢工件上帶有的剩磁往往是有害的(影響安裝在其周圍的儀表、羅盤等計量裝置的精度或吸引鐵屑增加磨損；干擾焊接過程，引起磁偏吹；或影響以后的磁粉檢測)，因此需退磁。即將被檢工件內的剩磁減小到不妨礙使用的程度。把工件放入磁場中（退磁的起始磁場強度大于或等于磁化時的磁場強度）然后不斷改變磁場方向，同時使其逐漸減小到0。 常用的方法有交流退磁、直流退磁和振蕩電流退磁。 （1）交流退磁方法一：將工件從交流磁化線圈中移開。把工件放在通有交變

22、電流的磁化線圈中，然后緩慢地將工件從線圈中移出至1.5m以外。推薦使用5千至1萬匝的線圈。對焊縫表面可采用磁軛作局部退磁，把磁極放在其表面上，圍繞著該區(qū)移動，保持電磁軛處于激勵狀態(tài)，讓焊縫緩慢移開。方法二：減小交流電。工件放入磁場中，位置不變，逐漸減小交流電，把磁場降低到規(guī)定值。（2）直流退磁：不斷切換電流方向并逐漸減小至0。衰減級數(shù)盡可能大（30次以上）。（3）振蕩電流退磁：將充好電的電容器跨接在退磁線圈上，構成振蕩回路。電路以固有的諧振頻率產(chǎn)生振蕩，并逐漸減小至0。6.6后處理清理被檢工件表面上殘留的磁粉或磁懸液。油磁懸液：汽油水磁懸液：水沖洗，干燥，防護油磁粉：直接用壓縮空氣7結束語 電磁場計算方法這門課已經(jīng)結束了，經(jīng)過這兩個月來的學習和接觸，我對電磁場有了一定的了解，由于學習的主要不是這方面的知識，對這方面的認識少之更少。磁粉檢測這門課本身我也不是很明了，只能借助課本和網(wǎng)絡去學習一點接觸皮毛知識，自己沒有系統(tǒng)的去學習。在老師您的指導下，逐漸有了方法和步驟，好在順利結束，不過自身覺得不完美，還存在很多盲區(qū)。借助這門課的學習，學會一種學習態(tài)度和方法，了解了一些有關查閱、閱讀資料的方法和技巧。這也給我以后的學習帶來了極大的幫助。參考文獻1 磁粉、滲透檢測技術的發(fā)展中國檢測