磁粉檢測原理

磁粉檢測物理基礎廣東省特種設備檢測院陳玉寶磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第1頁。

自我簡介本科畢業(yè)于南昌航空工業(yè)學院無損檢測專業(yè)，碩士畢業(yè)于清華大學材料加工工程專業(yè)（無損檢測方向）。期間，在化工廠從事四年無損檢測工作，在南昌航空工業(yè)學院從事四年教學工作。2000年進入廣州市鍋檢所，從事鍋爐、壓力容器和壓力管道的無損檢測工作。

2006年進入廣東省特種設備檢測院工作。

全國考委會磁粉組成員，廣東省考委會射線組長，

RT、UT、MT、PT－III級；

ET、AE－II級，

ASNT:RT、UT、MT、PT－III級

TüV:RT、UT－II級無損檢測高級工程師聯(lián)系電話mail:chenyubao@磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第2頁。1磁粉探傷基礎知識1.1漏磁場檢測分類

漏磁場探傷：是利用鐵磁性材料或工件磁化后，在表面和近表面如有不連續(xù)性（材料的均質狀態(tài)即致密性受到破壞）存在，則在不連續(xù)性處磁力線離開工件和進入工件表面發(fā)生局部畸變產生磁極，并形成可檢測的漏磁場進行探傷的方法。漏磁場探傷包括磁粉探傷和利用檢測元件探測漏磁場。其區(qū)別在于，磁粉探傷是利用鐵磁性粉末－磁粉，作為磁場的傳感器，即利用漏磁場吸附施加在不連續(xù)性處的磁粉聚集形成磁痕，從而顯示出不連續(xù)性的位置、形狀和大小。利用檢測元件探測漏磁場的磁場傳感器有磁帶、霍爾元件、磁敏二極管和感應線圈等。

利用檢測元件檢測漏磁場：錄磁探傷法、感應線圈探傷法、霍爾元件檢測法、磁敏二極管探測法。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第3頁。

1.2磁粉探傷

MagneticParticleTesting，簡稱MT

基本原理是：

鐵磁性材料和工件被磁化后，由于不連續(xù)性的存在，使工件表面和近表面的磁力線發(fā)生局部畸變而產生漏磁場，吸附施加在工件表面的磁粉，形成在合適光照下目視可見的磁痕，從而顯示出不連續(xù)性的位置、形狀和大小。如圖1－1所示。磁粉探傷的適用性和局限性

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圖1-1不連續(xù)性處漏磁場分布1—漏磁場 2—裂紋 3—近表面氣孔4—劃傷 5—內部氣孔 6—磁力線 7—工件磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第5頁。

優(yōu)缺點

磁粉檢測程序

承壓設備磁粉檢測的七個程序是：

(1)預處理；(2)磁化；

(3)施加磁粉或磁懸液；(4)磁痕的觀察與記錄；

(5)缺陷評級；(6)退磁；

(7)后處理。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第6頁。

1.3磁粉探傷方法與其他表面探傷方法的比較

P.6表1-1

磁粉檢測在壓力容器定期檢驗中的重要性磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第7頁。2磁粉探傷的物理基礎2.1磁粉探傷中的相關物理量2.1.1磁的基本現(xiàn)象磁性、磁體、磁極、磁化磁性：磁鐵能夠吸引鐵磁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。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第8頁。

磁力線

（a）馬蹄形磁鐵被校直成條形磁鐵后N極和S極的位置

（b）具有機加工槽的條形磁鐵產生的漏磁場

（c）縱向磁化裂紋產生的漏磁場

條形磁鐵的磁力線分布

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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。

磁力線具有以下特性：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，在磁體外，磁力線是由N極出發(fā)，穿過空氣進入S極的閉合曲線。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。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第10頁。2.1.3真空中的恒定磁場1磁感應強度B：

設一電量為q的電荷在磁場中，以速度υ運動，其受到的最大磁力為Fm，則該點磁感應強度的大小為：

磁感應強度B為矢量，其方向為該點處小磁針N極的方向，可以用右手螺旋法則來確定：由正電荷所受力Fm的方向，關系沿小于π的角度轉向正電荷運動速度υ的方向，這時螺旋前進的方向便是該點B的方向，如圖2-7所示；

B的方向總是垂直于Fm

和υ組成的平面。

圖2-7B、Fm、υ的方向

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在國際單位制中，力Fm的單位用牛頓（N），電量q的單位用庫侖（C），速度v的單位用米/秒（m/s），磁感應強度的單位定為N·s/（C·m）＝N/(A·m)，稱為特斯拉，用T表示，即

1T=1N/(A·m)

磁感應強度的另一個單位是高斯，用Gs表示，兩個單位的換算關系為

1T=104Gs

地球磁場的數(shù)量級大約是10-4T，嚴格講地球表面的磁場在赤道處約為0.3×10-4T，在兩極處約為0.6×10-4T。大型的電磁鐵能激發(fā)出約為2T的恒定磁場，超導磁體能激發(fā)高達25T的磁場，人體心臟激發(fā)的磁場約為3×10-10T，而脈沖星表面的磁場約為108T?？梢杂么鸥袘€來描繪磁場的分布，并且規(guī)定：通過磁場中某點處垂直于B矢量的單位面積的磁感應線數(shù)等于該點B矢量的大小，該點磁感應線的切線方向為B矢量的方向。在任何磁場中，每一條磁感應線都是和閉合電流相互套鏈的無頭無尾的閉合線，磁場較強的地方，磁感應線較密；反之，磁感應線就較疏，磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第12頁。2磁通量在磁場中，通過一給定曲面的總磁感應線，稱為通過該曲面的磁通量，用Φ表示。

在曲面上取面積元ds，如圖所示，ds的法線方向與該點處磁感應強度方向之間的夾角為θ，則通過面積元ds的磁通量為所以，通過有限曲面S的磁通量為

磁通量的單位為T·m2，叫做韋伯（Wb）。因此，磁感應強度也稱為磁通密度。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第13頁。

對閉合曲面來說，一般規(guī)定取向外的指向為正法線的指向，這樣，磁感應線從閉合面穿出處的磁通量為正，穿入處的磁通量為負。由于磁感應線是閉合線，因此穿入閉合曲面的磁感應線數(shù)必然等于穿出閉合曲面的磁感應線數(shù)，所以通過任一閉合曲面的總磁通量必然為零，即

上式稱為磁場的高斯定理，是電磁場理論的基本方程之一。該定理說明，磁場是渦旋場，其磁感應線無頭無尾，恒是閉合的。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第14頁。3.畢奧－薩伐爾定律及其應用(1)畢奧－薩伐爾定律一個載流導體L在空間任一點P產生的磁感應強度可由畢奧－薩伐爾定律來確定，即

電流元所激發(fā)的磁感應強度

磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第15頁。

H/m，稱為真空磁導率。（2）載流長直導體的磁場

設有長為L的載流直導體，其電流為I，計算離直導體距離為a的P點的磁感應強度時，先在直導體上任取一電流元Idl，如圖2-11所示。按畢奧－薩伐爾定律，這電流元在給定P點的磁感應強度dB為

dB的方向由Idl×r來確定，即垂直紙面向內，在圖中用表示。由于長直導體L上每一個電流元在P點的磁感應強dB的方向都是一致的（垂直紙面向內），所以矢量積分可變?yōu)闃肆糠e分磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第16頁。從而得到：

式中，β1和β2分別為直線的兩個端點到P點的矢量與P點到直導線垂線之間的夾角。角β從垂線向上轉時取正值，從垂線向下轉時取負值。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第17頁。對于“無限長”載流直導體，則取則上式變?yōu)榇欧蹤z測原理全文共100頁，當前為第18頁。（3）載流圓線圈軸線上的磁場

設有圓形線圈L，半徑為R，通以電流I，如圖2-12所示。根據(jù)畢奧－薩伐爾定律，圓線圈上任一電流元Idl在軸線P點產生的磁感應強度dB為

磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第19頁。(4)載流直螺線管內部的磁場

直螺線管是指均勻地密繞在直圓柱面上的螺旋形線圈，如圖所示。

磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第20頁。最后經計算可得如果螺線管為“無限長”，亦即螺線管的長度較其直徑大得多時，所以這一結果說明：任何繞得很緊密的長螺線管內部軸線上的磁感應強度和點的位置無關。還可以證明，對于不在軸線上的內部各點B的值也等于，因此“無限長”螺線管內部的磁場是均勻的。

磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第21頁。

還可以證明，對于不在軸線上的內部各點B的值也等于，因此“無限長”螺線管內部的磁場是均勻的。

對長螺線管的端點來說，例如在A1，，，所以在A1點處的磁感應強度為恰好是內部磁感應強度的一半。長直螺線管所激發(fā)的磁感應強度的方向沿著螺線管軸線，其指向可按右手定則確定，右手四指表示電流的流向，拇指就是磁場的指向。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第22頁。4．安培環(huán)路定理已知長直載流導體周圍的磁感應線是一組以導體為中心的同心圓，如下圖（a）所示。在垂直于導線的平面內任意作一包圍電流的閉合曲線L，如下圖(b)所示，線上任一點P的磁感應強度為式中I為導線中的電流，r為該點離開導線的距離。由圖可知，所以按圖中所示的繞行方向沿這條閉合曲線B矢量的線積分為磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第23頁。

以上結果雖然是從長直載流導線的磁場的特例導出的，但其結論具有普遍性，對任意幾何形狀的通電導體的磁場都是適用的，而且當閉合曲線包圍多根載流導線時也同樣適用，故一般可寫成該式表達了電流與它所激發(fā)磁場之間的普遍規(guī)律，稱為安培環(huán)路定理。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第24頁。2.1.4磁介質中的磁場

1.磁介質能影響磁場的物質稱為磁介質。各種宏觀物質對磁場都有不同程度的影響，因此一般都是磁介質。設某一電流分布在真空中激發(fā)的磁感應強度為B0，那么在同一電流分布下，當磁場中放進了某種磁介質后，磁化了的磁介質激發(fā)附加磁感應強度B’，這時磁場中任一點的磁感應強度B等于B0和B’的矢量和，即B＝B0＋B’

順磁性材料──這類磁介質磁化后使磁介質中的磁感應強度B稍大于B0，即B>B0，如鋁、鉻、錳、鉑、氮等，能被磁體輕微吸引。

抗磁性材料──這類磁介質磁化后使磁介質中的磁感應強度B稍小于B0，即B<B0，如銅、銀、金、鉛、鋅等，能被磁體輕微排斥。

鐵磁性材料──這類磁介質磁化后所激發(fā)的附加磁感應強度B’遠大于B0，使得B>>B0，如鐵、鎳、鈷、釓及其合金等，鐵磁質能顯著地增強磁場，能被磁體強烈吸引。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第25頁。2.磁化強度

分子電流分子磁矩為了描述磁介質的磁化狀態(tài)（磁化程度和磁化方向）,我們引入磁化強度矢量M，它表示單位體積內所有分子磁矩的矢量和，即

在外磁場中，磁化了的磁介質會激發(fā)附加磁場；這附加磁場起源于磁化了的介質內所出現(xiàn)的束縛電流（實質上是分子電流的宏觀表現(xiàn)）。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第26頁。3.磁場強度

在電流產生磁場中有磁介質存在時，空間任一點的磁感應強度B等于導線中的電流（稱為傳導電流）所激發(fā)的磁場與磁介質磁化后束縛電流所激發(fā)的附加磁場的矢量和，這時安培環(huán)路定理應為磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第27頁。H稱為磁場強度矢量，其單位為安/米（A/m），故有該式稱為有磁介質時的安培環(huán)路定理，它表明H矢量的環(huán)流（沿任何閉合曲線的線積分）只和傳導電流I有關，與磁介質的磁性無關。因為磁化強度M不僅和磁介質的性質有關，也和磁介質所在處的磁場有關，實驗證明，對于各向同性的磁介質，在磁介質中任一點磁化強度M和磁場強度H成正比，即

式中，為物質的磁化率，它對不同的物質是不同的，對抗磁質是負值，對順磁質是正值，但都很小，對鐵磁質為正，而且很高。

磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第28頁。因為通常令稱為該磁介質的相對磁導率，于是有式中稱為磁介質的磁導率，或稱為絕對磁導率。對于各向同性的磁介質，和都是無量綱的常數(shù)。所有順磁性材料、抗磁性材料的磁化率都很小，其相對磁導率幾乎等于1，這說明它們對原磁場只產生微弱的影響。為了形象地表示出磁場中H矢量的分布，可以引入H線（磁力線）來描述磁場，規(guī)定如下：磁力線上任一點的切線方向和該點H矢量的方向相同，磁力線的疏密程度代表H矢量的大小，磁力線越密，表示H越大，磁力線越疏，表示H越小。

磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第29頁。2.2鐵磁性材料2.2.1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。一個典型的磁疇寬度約為10-3cm，體積約為10-9cm3，內部大約含有1014個磁性原子。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。

磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第30頁。鐵磁性材料的磁疇方向a）不顯示磁性；b）磁化

c）保留一定剩磁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，一是使磁疇磁矩轉動，二是使疇壁發(fā)生位移，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，顯示出很強的磁性。永久磁鐵中的磁疇，在一個方向上占優(yōu)勢，因而形成N和S極，能顯示出很強的磁性。在高溫情況下，磁體中分子熱運動會破壞磁疇的有規(guī)則排列，使磁體的磁性削弱。超過某一溫度后，磁體的磁性也就全部消失而呈現(xiàn)順磁性，實現(xiàn)了材料的退磁。鐵磁性材料在此溫度以上不能再被外加磁場磁化，并將失去原有的磁性的臨界溫度稱為居里點或居里溫度。從居里點以上的高溫冷卻下來時，只要沒有外磁場的影響，材料仍然處于退磁狀態(tài)。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第31頁。一些鐵磁性材料的居里點見下表鐵磁性材料的居里點材料居里點（℃）鐵鎳鈷鐵，硅5%鐵，鉻10%鐵，錳4%鐵，釩6%7693651150720740715815磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第32頁。2.2.3磁化過程

(1)未加外加磁場時，磁疇磁矩雜亂無章，對外不顯示宏觀磁性，如圖(a)(2)在較小的磁場作用下，磁矩方向與外加磁場方向一致或接近的磁疇體積增大，而磁矩方向與外加磁場方向相反的磁疇體積減小，疇壁發(fā)生位移，如圖(b)。

(3)增大外加磁場時，磁矩轉動疇壁繼續(xù)位移，最后只剩下與外加磁場方向比較接近的磁疇，如圖(c)。

(4)繼續(xù)增大外加磁場，磁矩方向轉動，與外加磁場方向接近，如圖(d)。

(5)當外加磁場增大到一定值時，所有磁疇的磁矩都沿外加磁場方向有序排列，達到磁化飽和，相當于一個微小磁鐵或磁偶極子，產生N極和S極，宏觀上呈現(xiàn)磁性，如圖(e)。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第33頁。2.2.4磁化曲線

磁化曲線是表征鐵磁性材料磁特性的曲線，用以表示外加磁場強度H與磁感應強度B的變化關系。

B～H曲線的測繪方法:

采用如圖所示的裝置

磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第34頁。曲線特征：磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第35頁。2.2.5磁滯回線

剩余磁感應強度Br矯頑力

Hc

磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第36頁。典型磁性材料30CrMnSiA經880℃油淬，300℃回火狀態(tài)下，測得的磁化曲線見下圖，包括B~H曲線，μ~H曲線，和Br~H曲線。

磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第37頁。鐵磁性材料的特性：高導磁性磁飽和性磁滯性根據(jù)矯頑力Hc大小分為軟磁材料（Hc<100A/m）和硬磁材料（Hc≥100A/m）。軟磁材料與硬磁材料的特征

(1)軟磁材料──是指磁滯回線狹長，具有高磁導率、低剩磁、低矯頑力和低磁阻的鐵磁性材料。軟磁材料磁粉檢測時容易磁化，也容易退磁。軟磁材料如電工用純鐵、低碳鋼和軟磁鐵氧體等材料。

(2)硬磁材料──是指磁滯回線肥大，具有低磁導率、高剩磁、高矯頑力和高磁阻的鐵磁性材料。硬磁材料磁粉檢測時難以磁化，也難以退磁。硬磁材料如鋁鎳鈷、稀土鈷和硬磁鐵氧體等材料。（3）矩磁材料──現(xiàn)代電機中常用的一種鐵氧體材料的磁滯回線差不多呈矩形，故稱矩磁材料。其特點是：一經磁化，其剩余磁感應強度接近于非常穩(wěn)定的飽和值Bs。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第38頁。2.3電流與磁場2.3.1通電圓柱導體的磁場磁場方向：與電流方向有關，用右手定則確定。磁場大?。喊才喹h(huán)路定律計算通電直長導體表面的磁場強度為：磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第39頁。H－－磁強強度（A/m）I－－電流強度（A）R－－圓柱導體半徑（m）導體外r處（r>R）和導體內部r處（r<R）磁場強度：r>R時r<R時

P.26例1、例2直圓柱導體內、外及表面的磁場強度分布如右圖所示：磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第40頁。

應用

鋼棒通電法磁化

分別通交流和直流時，磁場強度和磁感應強度的分布特點

磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第41頁。鋼管中心導體法磁化

鋼管中心導體法磁化時，在通電中心導體內、外磁場分布與圖2-17相同，由于中心導體為銅棒，其，所以只存在H。在鋼管上由于，所以能感應產生較大的磁感應強度。并且鋼管內壁的磁場強度和磁感應強度都比外壁大。應采用直流電或整流電理論計算及應用磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第42頁。2.3.2通電鋼管的磁場磁場方向：右手定則磁場大小：（1）鋼管內表面H=0，B=0（直流和交流）（2）鋼管外表面及外部

（3）鋼管橫截面設管內外半徑分別為R1和R2，通直流電磁化，由安培環(huán)路定律得

()

鋼管直接通電法磁化時，由于其內部磁場強度為零，所以不能用磁粉檢測的方法來檢測內表面即近表面的缺陷。

磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第43頁。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第44頁。2.3.3通電線圈的磁場磁場方向：

右手定則磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第45頁。

磁場大小：

空載通電線圈中心的磁場強度可用下式計算磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第46頁。H－－磁場強度（A/m）N－－線圈匝數(shù)L－－線圈長度（m）D－－線圈直徑（m）－－線圈對角線與軸線的夾角線圈縱向磁化的磁化力用安匝（IN）來表示。線圈的分類a按結構分電纜纏繞線圈和螺管線圈b按填充系數(shù)低填充中填充高填充c按L/D短螺管線圈L<D有限長螺管線圈L＞D

無線長螺管線圈L＞＞D

磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第47頁。線圈內磁場分布特點：

在有限長螺管線圈內部的中心軸線上，磁場分布較均勻，線圈兩端處的磁場強度為內部的1/2左右，見右圖。

磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第48頁。

在線圈橫截面上，靠近線圈內壁中心的磁場強度較線圈中心強，見右圖。無限長螺管線圈L>>D

內部磁場分布均勻，并且磁場只存在于線圈內部，磁力線方向與線圈的中心軸線平行。理論計算

P31例1例2磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第49頁。應用（1）開路磁化：把需要磁化的工件放在線圈中進行磁化或對大型工件進行繞電纜進行磁化，常稱為線圈法。線圈法磁化的磁化力一般用安匝數(shù)(NI)表示。線圈法磁化工件時，由于在工件兩端產生磁極，因而會產生退磁場。（2）閉路磁化：把線圈繞在鐵芯上構成電磁軛或交叉磁軛對工件進行的磁化，常稱為磁軛法。磁軛法磁化時，以提升力來衡量導入工件的磁感應強度或磁通。磁軛法磁化工件不產生磁極，因而沒有退磁場的影響。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第50頁。2.3.4感應電流和感應磁場1.感應電流的產生如下圖，將鐵芯插入環(huán)行工件中，把工件當作變壓器的次級線圈。當線圈中通以交流電后，通過鐵芯的磁通也是交變的，由于電磁感應的作用，因而在工件中就產生了周向的感應電流。該感應電流在工件中又產生磁場，稱為感應磁場。2.應用主要應用在環(huán)行工件的磁化中。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第51頁。2.4磁場的合成

當有多個磁場同時對工件進行多方向磁化時，對工件作用的磁場應是各磁場的矢量和，即合成磁場為各個磁場矢量的疊加。下面介紹兩種常用的合成磁場。2.4.1交叉磁軛的磁場合成1．旋轉磁場的形成交叉磁軛屬于復合磁化（多向磁化）它是利用兩相或多相磁場相互疊加而形成的合成磁場對工件進行磁化的，如右圖所示。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第52頁。

交叉磁軛可以形成旋轉磁場。它的四個磁極分別由兩相具有一定相位差的正弦交變電流激磁。于是就能在四個磁極所在平面形成與激磁電流頻率相等的旋轉著的（合成）磁場。能形成旋轉磁場的基本條件是：兩相磁軛的幾何夾角α與兩相激磁電流的相位差φ均不等于0°或180°。如下圖所示，當1、2兩相磁軛的激磁電流分別為：

H1=HmSin（ωt-φ）

H2=HmSinωt

磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第53頁。而且兩相磁軛的所有參數(shù)均相等時，可以用下面的數(shù)學表達式來描述四個磁極所在平面幾何中心點的合成磁場軌跡。

——1相磁軛產生的磁場；

——2相磁軛產生的磁場；

——

與的峰值；

——兩相磁軛的幾何夾角；

φ——兩相磁軛激磁電流的相位差；

當兩相磁軛的幾何夾角α與兩相磁軛激電流的相位差φ均為90°時，在磁極所在面的幾何中心點將形成圓形旋轉磁場，即一個周期內其合成磁場軌跡為圓，而且其幅值始終與Hm相等。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第54頁。

下圖是交叉磁軛的四個磁極所在平面幾何中心點旋轉磁場如何形成的幾何模型。該圖是兩相磁軛的幾何夾角α=90°，兩相磁軛激磁電流的相位差φ=2π/3時，不同瞬間其合成磁場形成的過程。此圖是按每隔π/6的相位角進行一次磁場合成的結果。由該圖不難看出，隨著時間的變化，合成磁場的方向在旋轉，當激磁電流相位角ωt由0逐漸變到2π時，其合成磁場正好旋轉一周。當所用交流電為50Hz時，旋轉一周所需時間為0.02s。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第55頁。

交叉磁軛產生的旋轉磁場磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第56頁。2．旋轉磁場分布特點交叉磁軛的磁場無論在四個磁極的內側還是外側，其分布都是極不均勻的。只有在幾何中心點附近很小的范圍內，其旋轉磁場的橢圓度變化不大，而離開中心點較遠的其它位置，其橢圓度變化很大，甚至不能形成旋轉磁場。另外四個磁極外側仍然有旋轉磁場存在，只是有效磁化范圍較小。3．交叉磁軛的提升力交叉磁軛的提升力代表交叉磁軛導入被檢測工件有效磁通的多少，亦即工件被磁化后其磁感應強度的大小，提升力必須大于某一值后，才能保證被檢工件的有效磁感應強度，亦即保證檢測靈敏度。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第57頁。2.4.2擺動磁場的合成直流電磁軛與交流通電法復合磁化工件用直流電磁軛進行縱向磁化，并同時用交流通電法進行周向磁化，如下圖所示。

擺動磁場的形成磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第58頁。

直流電磁軛產生的縱向磁場Hx=H0，大小保持不變，交流通電法產生的周向磁場Hy=H0Sinωt，大小隨時間而變化，其合成磁場是一個在±45°之間不斷擺動的擺動磁場，在工件上產生的螺旋形磁場,如圖所示。交流磁場值比直流磁場值愈大，則擺動的范圍愈大。在某一瞬時間，工件上不同部位的磁場大小和方向并不相同。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第59頁。2.5退磁場2.5.1退磁場定義

把鐵磁性材料磁化時，由材料中磁極所產生的磁場稱為退磁場，它對外加磁場有削弱作用，用符號ΔH表示。退磁場與材料的磁化強度成正比

ΔH――退磁場M――磁化強度N――退磁因子磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第60頁。2.5.2有效磁場

鐵磁性材料磁化時，只要在工件上產生磁極，就會產生退磁場，它削弱了外加磁場，所以工件上的有效磁場用H表示，等于外加磁場減去退磁場。其數(shù)學表達式為：

H――有效磁場（A/m）

Ho――外加磁場（A/m）

ΔH――退磁場（A/m）

磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第61頁。

得:

2.4.3退磁因子N

N主要與工件的形狀有關（L/D），對于完整的閉合的環(huán)形試樣N=0；對于球體，N=0.333；對于圓鋼棒，L/D愈小，N愈大。

影響試件退磁場大小的因素：退磁場大小與外加磁場大小有關，外加磁場增大，退磁場也增大退磁場與L/D有關，L/D增大，退磁場減??；工件磁化時，如果不產生磁極，就不會產生退磁場。

退磁因子N與工件幾何形狀有關.

磁化尺寸相同的鋼管和鋼棒，鋼管比鋼棒產生的退磁場小.

磁化同一工件，交流電比直流電產生的退磁場小

.磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第62頁。退磁場的計算計算結果討論：

當L/D≤2時，退磁場影響很大，工件磁化需要很大的外加磁場強度。只有當外加磁場強度Ho遠遠大于有效磁場強度H時，才足以克服退磁場的影響，對工件進行有效的磁化。但實際上通電線圈很難產生上千Oe的外加磁場強度，所以通常采用延長塊將工件接長，以增大L/D值，減小退磁場的影響。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第63頁。2.6磁路與磁感應線的折射磁力線通過的閉合路徑叫磁路。鐵磁性材料磁化后，不僅能產生附加磁場，而且還能夠把絕大部分磁感線約束在一定的閉合路徑上，見下圖。磁路可用電路來模擬。2.6.1磁路定律：磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第64頁。2.6.2磁感應線的折射當磁通量從一種介質進入另一種介質時，它的量不變。但是如果這兩種介質的磁導率不同，那么這兩種介質中的磁感應強度就會不同，方向也會改變，這稱為磁感應線的折射，并遵循折射定律：

當磁感應線由鋼鐵進入空氣，或者由空氣進入鋼鐵，在空氣中磁感應線實際上是垂直的。例題磁感應強度的邊界條件:

（方向分量連續(xù)）

（切向分量連續(xù)）磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第65頁。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第66頁。2.7漏磁場與磁粉檢測2.6.1漏磁場的形成

所謂漏磁場，就是鐵磁性材料磁化后，在不連續(xù)性處或磁路的截面變化處，磁感應線離開和進入表面時形成的磁場。漏磁場形成的原因，是由于空氣的磁導率遠遠低于鐵磁性材料的磁導率。如果在磁化了的鐵磁性工件上存在著不連續(xù)性或裂紋，則磁感應線優(yōu)先通過磁導率高的工件，這就迫使不部分磁感應線從缺陷下面繞過，形成磁感應線的壓縮。但是，工件上這部分可容納的磁感應線數(shù)目也是有限的，又由于同性磁感應線相斥，所以，不部分磁感應線從不連續(xù)性中穿過，另一部分磁感應線遵從折射定律幾乎從工件表面垂直地進入空氣中去繞過缺陷又折回工件，形成了漏磁場。

磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第67頁。2.6.2缺陷的漏磁場分布

缺陷產生的漏磁場可以分解為水平分量Bx和垂直分量By，水平分量與工件表面平行，垂直分量與工件表面垂直。假設有一矩形缺陷，則在矩形中心，漏磁場的水平分量有極大值，并左右對稱。而垂直分量為通過中心點的曲線，見下圖，圖中（a）為水平分量，（b）為垂直分量，如果將兩個分量合成，則可得到如圖（c）所示的漏磁場。

磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第68頁。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第69頁。2.6.3漏磁場對磁粉的作用力

漏磁場對磁粉的吸附可看成是磁極的作用，如果有磁粉在磁極區(qū)通過，則將被磁化，也呈現(xiàn)出N極和S極，并沿著磁感應線排列起來。當磁粉的兩極與漏磁場的兩極互相作用時，磁粉就會被吸附并加速移到缺陷上去。漏磁場的磁力作用在磁粉微粒上，其方向指向磁感應線最大密度區(qū)，即指向缺陷處。見下頁圖

漏磁場的寬度要比缺陷的實際寬度大數(shù)倍至數(shù)十倍，所以磁痕對缺陷寬度具有放大作用，能將目視不可見的缺陷變成目視可見的磁痕使之容易觀察出來。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第70頁。

磁粉受漏磁場吸引磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第71頁。2.6.4影響漏磁場的因素（1）外加磁場強度的影響

缺陷的漏磁場大小與工件磁化程度有關。一般說來，外加磁場強度一定要大于產生最大磁導率μm對應的磁場強度Hμm，使磁導率減小，磁阻增大，漏磁場增大。當鐵磁性材料的磁感應強度達到飽和值的80%左右時，漏磁場便會迅速增大。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第72頁。（2）缺陷位置及形狀的影響

a缺陷埋藏深度的影響

影響很大

同樣的缺陷，位于工件表面時，產生的漏磁場大；若位于工件的近表面，產生的漏磁場顯著減?。蝗粑挥诠ぜ砻婧苌钐?，則幾乎沒有漏磁場泄漏出工件表面。

b缺陷方向的影響

缺陷垂直于磁場方向，漏磁場最大，也最有利于缺陷的檢出；若與磁場方向平行則幾乎不產生漏磁場；當缺陷與工件表面由垂直逐漸傾斜成某一角度，而最終變?yōu)槠叫?，即傾角等于0時，漏磁場也由最大下降至零，下降曲線類似于正弦曲線由最大值降至零值的部分。c缺陷深寬比的影響

缺陷的深寬比是影響漏磁場的一個重要因素，缺陷的深寬比愈大，漏磁場愈大，缺陷愈容易發(fā)現(xiàn)。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第73頁。（3）工件表面覆蓋層的影響（4）工件材料及狀態(tài)的影響

晶粒大小的影響含碳量的影響熱處理的影響合金元素的影響冷加工的影響磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第74頁。2.8磁粉檢測的光學基礎

2.8.1光度量術語及單位光是任何能夠直接引起視覺的電磁輻射，光度學是有關視覺效應評價輻射量的學科。磁粉檢測觀察和評定磁痕顯示，必須在可見光或黑光下進行，其光源的發(fā)光強度、光通量、[光]照度、輻[射]照度和[光]亮度都與檢測結果直接有關。

國際照明委員會把紫外線分成如下三種范圍：波長320nm～400nm的紫外線稱為UV-A、黑光或長波紫外線，UV-A波長的紫外線，適用于熒光磁粉檢測，它的峰值波長約為365nm。

波長280nm～320nm的紫外線稱為UV-B或中波紫外線，又叫紅斑紫外線。UV-B具有使皮膚變紅的作用，還可引起曬斑和雪盲，不能用于磁粉檢測。

波長100nm～280nm的紫外線稱為UV-C或短波紫外線，UV-C具有光化和殺菌作用，能引起猛烈的燃燒，還傷害眼睛，也不能用于磁粉檢測，醫(yī)院使用UV-C紫外線來殺菌。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第75頁。

人眼在暗室，觀察靈敏度會提高。觀察時佩帶眼睛的問題黑光燈的構造和使用注意事項磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第76頁。3磁化電流、磁化方法和磁化規(guī)范3.1磁化電流

磁粉探傷采用的磁化電流有交流電、整流電（包括單相半波整流電、單相全波整流電、三相半波整流電和三相全波整流電）、直流電和沖擊電流，其中最常用的磁化電流是交流電、單相半波直流電和三相全波整流電。3.1.1交流電概念：峰值、有效值、平均值、趨膚效應、趨膚深度（穿透深度）交流電的趨膚效應：導體表面電流密度大，內部電流密度小產生的原因是電磁感應產生了渦流。電流從表面值下降到1/e≈0.37的深度稱為趨膚深度，可由下式求出：

――磁導率

――電導率

――電流的頻率磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第77頁。交流電的優(yōu)點：a對表面缺陷檢測靈敏度高b容易退磁C電源易得，設備結構簡單

d能夠實現(xiàn)感應電流磁化e能夠實現(xiàn)多向磁化f變截面工件磁場分布較均勻g有利于磁粉遷移h用于評價直流電發(fā)現(xiàn)的磁痕顯示i適用于在役工件的檢驗j交流電磁化時，兩次磁化的工序間不需要退磁交流電的局限性：a剩磁法檢驗時，受交流電斷電相位的影響

b探測缺陷的深度小。交流斷電相位的控制：為了得到穩(wěn)定和最大的剩磁磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第78頁。3.1.2整流電單相半波單相全波三相半波三相全波最常用的是單相半波和三相全波整流電

單相半波整流電主要和干法配合使用

磁粉探傷中最常用的磁化電流之一，其優(yōu)點：a兼有直流的滲透性和交流的脈動性b剩磁穩(wěn)定c有利于近表面缺陷的檢測d能提供較高的靈敏度和對比度e設備結構簡單、輕便，有利于現(xiàn)場檢驗。局限性：a退磁較困難b檢測缺陷深度不如直流電大

c要求較大的輸入功率三相全波整流電

磁粉探傷中最常用的磁化電流之一，其優(yōu)點：磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第79頁。a具有很大的滲透性和很小的脈動性b剩磁穩(wěn)定c適用于近表面缺陷的檢測（焊接件、帶鍍層件、鑄鋼件和球墨鑄鐵毛坯）d需要設備的輸入功率小。局限性：a退磁困難b退磁場大

c變截面工件磁化不均勻

d不適用于干法檢驗

e在周向和縱向磁化工序間需要退磁。直流電最早使用，現(xiàn)在使用少，其優(yōu)缺點：a具有很大的滲透性和很小的脈動性b剩磁穩(wěn)定c適用于近表面缺陷的檢測（薄壁焊接件的未焊透和未熔合等）局限性：a退磁困難b退磁場大c不適用于干法檢驗

d在周向和縱向磁化工序間需要退磁。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第80頁。沖擊電流

由電容器充放電而獲得，只能用于剩磁法，且僅適用于需要電流值特別大而常規(guī)設備又不能滿足時，根據(jù)工件要求制作專用設備。3.5.4選擇磁化電流規(guī)則

(1)用交流電磁化濕法檢驗，對工件表面微小缺陷檢測靈敏度高；(2)交流電的滲入深度，不如整流電和直流電；(3)交流電用于剩磁法檢驗時，應加裝斷電相位控制器；(4)交流電磁化連續(xù)法檢驗主要與有效值電流有關，而剩磁檢驗主要與峰值電流有關；(5)整流電流中包含的交流分量越大，檢測近表面較深缺陷的能力越??；(6)單相半波整流電磁化干法檢驗，對工件近表面缺陷檢測靈敏度高；(7)三相全波整流電可檢測工件近表面較深的缺陷；(8)直流電可檢測工件近表面最深的缺陷；(9)沖擊電流只能用于剩磁法檢驗和專用設備。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第81頁。3.2磁化方法3.2.1磁場方向與發(fā)現(xiàn)缺陷的關系（磁場方向與缺陷垂直）

磁粉檢測的能力，取決于施加磁場的大小和缺陷的延伸方向，還與缺陷的位置、大小和形狀等因素有關。工件磁化時，當磁場方向與缺陷延伸方向垂直時，缺陷處的漏磁場最大，檢測靈敏度最高。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第82頁。選擇磁化方法應考慮的因素工件的尺寸大小；工件的外形結構；工件的表面狀態(tài)；根據(jù)工件過去斷裂的情況和各部位的應力分布，分析可能產生缺陷的部位和方向，選擇合適的磁化方法。3.2.2磁化方法的分類根據(jù)工件的幾何形狀，尺寸大小和欲發(fā)現(xiàn)缺陷方向而在工件上建立的磁場方向，將磁化方法一般分為周向磁化、縱向磁化和多向磁化（復合磁化）。

1周向磁化周向磁化是指給工件直接通電，或者使電流流過貫穿空心工件孔中的導體，旨在工件中建立一個環(huán)繞工件的并與工件軸垂直的周向閉合磁場，用于發(fā)現(xiàn)與工件軸平行的縱向缺陷，即與電流方向平行的缺陷。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第83頁。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第84頁。2.縱向磁化

是指將電流通過環(huán)繞工件的線圈，沿工件縱長方向磁化的方法，工件中的磁力線平行于線圈的中心軸線。用于發(fā)現(xiàn)與工件軸向垂直的周向缺陷（橫向缺陷）。利用電磁軛和永久磁鐵磁化，使磁力線平行于工件縱軸的磁化方法亦屬于縱向磁化。

將工件置于線圈中進行縱向磁化，稱為開路磁化，開路磁化在工件兩端產生磁極，因而產生退磁場。電磁軛整體磁化、電磁軛或永久磁鐵的局部磁化，稱為閉路磁化，閉路磁化不產生退磁場或退磁場很小。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第85頁。3.多向磁化（也叫復合磁化）

是指通過復合磁化，在工件中產生一個大小和方向隨時間成圓形、橢圓形或螺旋形軌跡變化的磁場。因為磁場的方向在工件上不斷地變化著，所以可發(fā)現(xiàn)工件上多個方向的缺陷。4.輔助通電法是指將通電導體置于工件受檢部位而進行局部磁化的方法，如電纜平行磁化法和銅板磁化法，僅用于常規(guī)磁化方法難以磁化的工件和部位，一般情況下不推薦使用。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第86頁。3.2.3各種磁化方法的特點

磁化工件的順序，一般是先進行周向磁化，后進行縱向磁化；如果一個工件上橫截面尺寸不等，周向磁化時，電流值分別計算，先磁化小直徑，后磁化大直徑。

1軸向通電法2中心導體法3偏置芯棒法4觸頭法5感應電流法6環(huán)形件繞電纜法7線圈法8磁軛法（電磁軛、永久磁軛、交叉磁軛）9直流磁軛與交流通電法復合磁化磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第87頁。3.3磁化規(guī)范

3.3.1磁化規(guī)范的制定磁化規(guī)范:工件磁化時，磁化電流值或磁場強度值。磁化規(guī)范要合適。1制定磁化規(guī)范應考慮的因素首先根據(jù)工件的材料、熱處理狀態(tài)和磁特性，確定采用連續(xù)法還是剩磁法檢驗；還要根據(jù)工件的尺寸、形狀、表面狀態(tài)和欲檢出缺陷的種類、位置、形狀及大小，確定磁化方法、磁化電流種類和有效磁化區(qū)，制定相應的磁化規(guī)范。2制定磁化規(guī)范的方法

(1)用經驗公式計算

(2)用毫特斯拉計測量工件表面的切向磁場強度

施加在工件表面的切向磁場強度為2.4～4.8KA/m

（3）利用材料的磁特性曲線（4）用標準試片確定

(形狀復雜的工件，難以用計算法求得磁化規(guī)范時，把標準試片貼在被磁化工件不同部位，可確定大致理想的磁化規(guī)范。)

磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第88頁。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第89頁。

制定周向磁化規(guī)范的的基本原則(磁特性曲線)規(guī)范名稱檢測方法應用范圍連續(xù)法剩磁法嚴格規(guī)范

H2～H3（基本飽和區(qū)）

H3以后（飽和區(qū)）

適用于特殊要求或進一步鑒定缺陷性質的工作標準規(guī)范

H1～H2（近飽和區(qū)）

H3以后（飽和區(qū)）

適用于較嚴格的要求放寬規(guī)范

Hμm～H1（激烈磁化區(qū)）

H2～H3（基本飽和區(qū)）

適用于一般的要求（發(fā)現(xiàn)較大的缺陷）磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第90頁。3.3.2軸向通電法和中心導體法磁化規(guī)范

軸向通電法和中心導體法的磁化規(guī)范按下表計算

表3.3軸向通電法和中心導體法磁化規(guī)范檢驗方法磁化電流計算公式ACFWDC連續(xù)法I=（8~15）DI=（12~32）D剩磁法I=（25~45）DI=（25~45）D注：

I－磁化電流，A；圓柱形工件

D－工件橫截面上最大尺寸，mm磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第91頁。

中心導體法可用于檢測工件內、外表面與電流平行的縱向缺陷和端面的徑向缺陷。外表面檢測時應盡量使用直流電或整流電。[例]

一截面為50mm×50mm，長為1000mm的方鋼，要求工件表面磁場強度為8000A/m，求所需的磁化電流值？解：當量直徑

D＝50×≈70.7(mm)

I＝8000×70.7×3.14/1000＝1776(A)

3.3.3偏置芯棒法磁化規(guī)范當采用中心導體法磁化時，若工件直徑大、設備的功率不能滿足時，可采用偏置芯棒法磁化。應依次將芯棒緊靠工件內壁（必要時對與工件接觸部位的芯棒進行絕緣）停放在不同位置，以檢測整個圓周，在工件圓周方向表面的有效磁化區(qū)為芯棒直徑d的4倍，并應有不小于10%的磁化重疊區(qū)。磁化電流仍按表3-3中的公式計算，只是工件直徑D要按芯棒直徑加兩倍工件壁厚之和計算。磁粉檢測原理全文共100頁，當前為第92頁。[例]有一鋼管，規(guī)格為φ180×17×1000，用偏置芯棒法檢驗管內、外壁的縱向缺陷，應采用多大的磁化電流？若采用直徑為25mm的芯棒時，需移動幾次才能完成全部表面的檢驗？解：當芯棒直徑D=25mm時，

I=（8～15）×（25+2×17）=（472～885）A

又因為檢測范圍為：4D=4×25=100（mm）鋼管外壁周長為：L=πφ=3.14×180≈570（mm）考慮到檢測區(qū)10%的重疊，所以完成全部表面的檢驗需移動芯棒次數(shù)為：取整數(shù)N=7