磁粉检测技术及缺陷分析

磁粉检测技术及缺陷分析张志超福建省特种设备检验院技术部高级检验师、高级探伤师全国无损检测人员资格考核委员会考委13665050776讲座内容无损检测的定义无损检测的方法简介磁粉检测的原理磁粉检测的应用范围磁粉检测的优缺点磁粉检测的应用及裂纹照片无损检测的定义•磁粉检测（MagneticParticleTesting，简称MT）属于常规无损检测方法之一。•无损检测的定义（GB/T5616）无损检测（NDT）是指对材料或工件实施一种不损害或不影响其未来使用性能或用途的检测手段。•无损检测简称NDT(NondestructiveTesting)无损检测的作用•NDT能发现材料或工件内部和表面所存在的缺陷，能测量工件的几何特征和尺寸，能测定材料或工件的内部组成、结构、物理性能和状态等。•NDT能应用于产品设计、材料选择、加工制造、成品检验、在役检查（维修保养）等多方面，在质量控制与降低成本之间能起最优化作用。NDT还有助于保证产品的安全运行和（或）有效使用。无损检测的分类•射线检测RT(radiographictesting)•超声检测UT(ultrasonictesting)•磁粉检测MT(magneticparticletesting)•渗透检测PT(liquidpenetranttesting)•涡流检测ET(eddycurrenttesting)射线检测RT射线检测的原理射线检测利用各种射线穿过被检工件，由于结构上的不连续，使射线产生衰减吸收或散射，然后在记录介质上形成影像。射线检测RT射线检测RTX射线探伤机超声检测UT超声检测的原理超声检测是利用超声波在介质中传播时产生衰减、遇到界面产生反射的性质来检测工件表面和内部缺陷的一种无损检测方法。超声波探伤仪HS800型便携式TOFD超声波检测仪相控阵检测仪渗透检测PT零件表面施加渗透液后，在毛细现象作用下，经过一定时间的渗透，渗透液可以渗透到表面开口缺陷中，经去除多余的渗透液和干燥后，再在工件表面施加显像剂，同样在毛细现象作用下，渗透液回渗到显像剂中，在一定的光源下，缺陷处的渗透液痕迹被显示，从而检测出缺陷的形貌及分布状态。渗透检测PT涡流检测ET•涡流检测的原理•涡流检测是利用电磁感应原理，使金属材料在交变电场的作用下产生涡流，根据涡流的大小和分布来探测导电材料缺陷的无损检测方法。涡流检测仪常规无损检测方法的能力范围•每种NDT方法均有其能力范围和局限性，各种方法对缺陷的检出几率既不会是100％，也不会完全相同。例如射线照相检测和超声检测，对同一被检物的检测结果不会完全一致。•常规NDT方法中，射线照相检测和超声检测主要用于探测被检物内部的缺陷；涡流检测和磁粉检测用于探测被检物表面和近表面的缺陷；渗透检测仅用于探测被检物表面开口的缺陷。常规无损检测方法的能力范围•射线照相检测适用于探测被检物内部的体积型缺陷，如气孔、夹渣、缩孔、疏松等；超声检测适用于探测被检物内部的面积型缺陷，如裂纹、白点、分层和焊缝中的未熔合等。•射线照相检测常被用于检测金属铸件和焊缝，超声检测常被用于检测金属锻件、型材和焊缝。在对焊缝中缺陷的检出能力上，超声检测通常要优于射线照相检测。磁粉检测MT磁粉检测的原理铁磁材料被磁化后，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形成漏磁场并吸附施加在工件表面的磁粉，形成可见的磁痕，从而显示不连续性位置、大小、形状和严重程度。磁粉检测裂纹示意图磁粉检测适用范围•适用于检测铁磁性材料的表面和近表面缺陷。•适用于检测裂纹、折叠、夹层、夹杂、气孔等缺陷。•适用于检测板材、型材、管材、棒材、焊接件、铸钢件及锻钢件。磁粉检测的优点•可检测出铁磁材料表面或近表面（开口和不开口）的缺陷。•能直观显示缺陷位置、大小、形状。•具有很高的检测灵敏度,可检测微米级宽度的缺陷。磁粉检测的局限性•不适用于非铁磁性材料检测，如奥氏体钢、铜、铝等材料；•不能检测出铁磁性材料中存在于远表面的内部缺陷。•较难确定缺陷的深度。磁场与磁力线•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•特征：1、对运动的电荷（或电流）具有作用力，2、磁场变化的同时也产生电场•分布：假想的磁力线反映磁场中各点的磁场强度和方向。条形磁铁的磁力线分布磁力线：方向－－每点的切线方向；大小－－磁力线的疏密程度。磁力线具有以下特性：1）磁力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，是由N极出发穿过空气进入S极的闭合曲线；2）磁力线互不相交；3）磁感应线可描述磁场的大小和方向4）磁感应线沿磁阻最小路径通过自然界没有单独的N极和S极存在，磁极如图所示。条形磁铁周围磁场地球磁场方向折断的条形磁铁形成的磁极铁磁性材料•定义：在铁磁质中，相邻铁原子中的电子之间存在着非常强的交换耦合作用，该相互作用促使相邻原子中的电子磁矩在小范围内“自发地”排列起来，形成一个个小的“自发磁化区”，这种自发磁化区称为“磁畴”。磁畴大小：典型磁畴体积约为10-3mm3，在这个小区域内，含有大约1012～1015个原子，各原子的磁化方向一致，对外呈现磁性。•特点：1、在没有外加磁场作用时，铁磁材料内各磁畴的磁矩方向互相抵消，对外不显示磁性，如图（a）所示。2、把铁磁物质放进外磁场中，磁畴会受到外磁场的作用，使磁畴磁矩转动或使畴壁发生位移，最后全部磁畴的磁矩方向与外加磁场方向一致，如图（b）所示。3、去掉外磁场后，磁畴出现局部转动，但仍保留一定的剩余磁性，如图（c）所示。(a)(b)(c)4、永磁铁中的磁畴，在一个方向上占优势，从而形成N极和S极，显示出很强的磁性。5、在高温下，磁体中的分子热运动会破坏磁畴的有规则排列，削弱磁体的磁性。超过某一温度后，磁体的磁性会全部消失而呈现顺磁性，实现了材料的退磁。居里温度：铁磁性材料失去原有磁性的临界温度，或称居里点。从居里温度以上的高温冷却下来，只要没有外磁场的影响，材料仍处于退磁状态。材料Tc/℃纯铁770硅钢（热轧）690硅钢（冷轧）70045坡莫合金44078坡莫合金580超坡莫合金400铁氧体100-600部分铁磁性材料的居里点磁化过程1、未加外加磁场时，磁畴磁矩杂乱无章，对外不显磁性，如图a；2、在较小磁场作用下，磁矩方向与外磁场方向一致或相近的磁畴体积增大，而磁矩方向与外磁场方向相反的磁畴体积减小，发生了畴壁位移，如图b；3、随着外磁场逐渐增大，与磁畴方向不一致的磁畴磁矩将逐渐转向磁场方向，如图c；当外磁场增大到一定值，所有磁畴的磁矩都沿外磁场排列，这时铁磁体的磁化就达到了饱和，如图d、e。磁特性曲线实验：将铁磁性材料做成环形样品，绕上一定匝数的线圈，通过测量线圈中的电流I，算出材料内部的磁场强度H；用冲击检流计测量此时穿过环形样品横截面的磁通量Φ，从而计算出磁感应强度B；由磁场强度H和磁感应强度B便可以计算出磁化强度M值。0I1N2N接冲击电流计初始磁化曲线：表征铁磁材料磁特性的曲线。•根据上述实验计算结果画成的初始磁化曲线、B-H曲线和μ-H曲线如图所示它反映了铁磁性物质的共同磁化特点。mMHM0absQmHm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，开始增加比较缓慢（oa段），然后经过一段急剧上升过程（ab段），又进入缓慢变化阶段（bQ段和Qm段），这时，再继续增大磁化场，M保持不变（ms段），铁磁质已磁化饱和，饱和磁化强度：饱和时的磁化强度。初始磁化曲线：未到达饱和磁化状态的一段曲线。不同铁磁材料的初始磁化曲线是不一样的，软磁材料（如工业纯铁、低碳钢等）的磁化曲线比较陡峭，；硬磁材料（如高碳钢、高合金钢等）的磁化曲线比较平坦。•B-H曲线和μ-H曲线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。磁场强度在大于后，H越大，μ值则越小，磁化后产生的漏磁场就越大，探伤灵敏度就越高。BHimmmHmuHmuH磁滞回线退磁：铁磁材料被磁化到饱和后，外磁场从+Hm开始逐渐减小，材料也开始退磁。但是，在退磁过程中，磁感应强度B并不沿原来的磁化曲线SO减小，而是沿另一条曲线SR比较缓慢的下降。磁滞：在同样的磁场强度H下，退磁时的磁感应强度比磁化时的磁感应强度大，这种B的变化落后于H变化的现象，叫做磁滞现象。造成磁滞的主要原因是，铁磁质中的掺杂和内应力在退磁过程中阻碍磁畴恢复到原来的状态。BmBRO'RmBS'SmHcHC'CmHH•饱和磁感应强度±，表示工件在饱和磁场强度±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。α为初始磁化曲线切线与x轴的夹角，α=α的大小反映铁磁性材料被磁化的难易程度。mBmHarctan(/)BH铁磁性材料特性：（1）高导磁性——能在外加磁场中强烈的磁化，产生非常强的附加磁场，其磁导率很高，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，全部磁畴的方向都与外加磁场的方向一致，磁感应强度B不再增加，呈现饱和。（3）磁滞性——当外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，而会保留剩磁。a）b）c）铁磁性材料分类：（1）软磁材料——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。如电工用纯铁、低碳钢和软磁铁氧铁等。磁粉检测时容易磁化，也容易退磁。（2）硬磁材料——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。如铝镍钴、稀土钴和硬磁铁氧体等。磁粉检测时难以磁化，也难以退磁。漏磁场所谓漏磁场，就是铁磁性材料磁化后，在不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。机加工槽的条形磁铁的漏磁场纵向磁化裂纹漏磁场及磁痕显示漏磁场的形成•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，这就迫使一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，一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人空气中去绕过峡陷又折回工件，形成了漏磁场。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，其示意图如下，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。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，其方向指向磁感应线最大密度区，即指向缺陷处。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。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μm对应的磁场强度Hμm，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；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