磁粉检测基础知识及原理

磁粉检测1磁粉探伤基础知识1.1磁粉探伤与漏磁检测（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MagneticParticleTesting，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1－1所示。磁粉探伤的适用性和局限性适用性：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。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于20°的分层和折叠难以发现。磁粉检测在压力容器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，可以利用磁力线来表示。磁力线（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力线在每点的切线方向代表磁场的方向，磁力线的疏密程度反映磁场的大小。磁力线具有以下特性：•磁力线是具有方向性的闭合曲线。在磁体内，磁力线是由S极到N极，在磁体外，磁力线是由N极出发，穿过空气进入S极的闭合曲线。•磁力线互不相交。•磁力线可描述磁场的大小和方向。•磁力线沿磁阻最小路径通过。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。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。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。2.2.3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)。2.5漏磁场与磁粉检测2.5.1漏磁场的形成所谓漏磁场，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。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。2.5.2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。2.5.3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，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2.5.4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；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。（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响合金元素的影响冷加工的影响1.3磁粉介质磁粉的功用是作为显示介质，其种类包括有：•a.黑磁粉-成分为四氧化三铁（Fe3O4），呈黑色粉末状，适用于背景为浅色或光亮的工件。•b.红磁粉-成分为三氧化二铁（Fe2O3），呈铁红色粉末状，适用于背景较暗的工件。•c.荧光磁粉-在四氧化三铁磁粉颗粒外裹有荧光物质，在紫外线辐照下能发出黄绿色荧光，适用于背景较深暗的工件，特别是由于人眼色敏特性的原因，使得以荧光磁粉作磁介质的磁粉检验较之其他磁粉具有更高的灵敏度。•d.白磁粉-在四氧化三铁磁粉颗粒外裹有白色物质，适用于背景较深暗的工件。磁粉介质•为了便于现场检验的使用，商品化的磁介质种类很多，除了有黑、红、白磁粉，荧光磁粉，还有球形磁粉（空心、彩色，用于干粉法），还有事先配置好的磁膏、浓缩磁悬液，还有磁悬液喷罐等等，以及为了提高背景深暗或者表面粗糙工件的可检验性而提供的表面增白剂（反差增强剂）等。•为了保证磁粉检验结果的可靠性，对磁粉（包括磁性、粒度、形状）以及磁悬液的浓度、均匀性、悬浮性等均需要经过校验合格后才能使用，并且在使用过程中也需要定期校验，此外对于观察评定时环境的白光照度，或者荧光磁粉检验时使用的紫外线灯的紫外线强度等等，也是属于校验的项目，以求保证检验质量。•磁粉应具有高磁导率、低矫顽力和低剩磁，并应与被检工件表面颜色有较高的对比度。磁粉介质•磁悬液•配制磁悬液时，应按程序要求进行，即在所需数量磁粉中加入少量载液混合，使磁粉均匀湿润，然后加入其余载液使之成为均匀悬浮状液体磁悬液的浓度和性能在使用前和使用中应进行检查，其浓度应符合表1规定。1.4灵敏度试片•灵敏度试片还可用来检查探伤设备、磁粉、磁悬液的综合使用性能,检查被检工件表面各点磁场的分布规律。灵敏度试片的使用方法是将A型标准试片上开槽的一面紧贴在被检工件清洁的表面上，在对工件和试片进行磁化的同时向试片上喷洒磁悬液,并观察试片上的磁痕。磁化电流恰当,那么试片未刻的槽表面上就会出现清晰的刻槽的磁痕。•探伤灵敏度对复杂工件进行磁化时,工件表面的磁场强度分布很不均匀,磁化电流的大小难以估算,仅凭经验对磁化电流进行选择往往也很难达到理想的磁化效果。因此一般都采用灵敏度试片来选择最佳的磁化规范。1.5便携式磁粉探伤仪•CDX—Ⅲ型探伤仪，是利用磁轭对铁磁性被探伤工件进行交直流磁化的磁粉探伤仪，它能对各种零件进行磁化探伤，包括对大型零部件进行局部磁化探伤，能用作外加法磁力探伤和剩磁法磁力探伤。仪器体积小，重量轻，提升力大，活关节可调，特别适用于平焊缝、角焊缝、压力容器、管道及形状复杂零部件的探伤。仪器输出为低电压，对不允许高电压进入设备内探伤的场合更为适合。•A型探头：马蹄磁轭角焊缝探头，活动关节斜面磁头，配有工作灯；对异形面、形状复杂工件探伤尤其适用。配备一台电磁轭角焊缝探伤仪，探头采用活关节可自由调节使用范围广.•D型探头：电磁轭探头，多种活动关节，磁化强度大。配备一台电磁轭角焊缝探伤仪，探头具有导磁高、磁化强度大等特点。•磁粉探伤操作规程•磁粉检测程序磁粉检测的七个程序是：(1)预处理（检验时机）；•(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。•磁粉探伤操作规程(1)预处理（检验时机）•1、表面预处理a．探伤前应对焊缝及热影响区的表面进行修磨，不应有油污、铁锈、氧化皮等，清理时不要将异物堵塞表面开口缺陷。被检工件表面不得有粘附磁粉的物质。b．被检工作上孔隙在检验后难于清除磁粉时，应在检验前用无害物质堵塞。•2、检验时机a．焊缝的检验通常安排在焊接完成之后，对于有延迟裂纹倾向的应安排在焊后24小时进行。b．紧固件和锻件的磁粉检测应安排在最终热处理之后进行。•磁粉探伤操作规程•(2)磁化；工件磁化•a．磁轭的磁极间距应控制在75mm～200mm之间，检测的有效区域为两极连线两侧各50mm范围内，磁化区域每次应有15mm的重叠。•b．磁化工件时，必须在同一部位至少作两次互相垂直的探伤，而且将焊缝划分为几个受检段，其长度小于磁轭间距10mm～20mm。•磁粉探伤操作规程•磁粉检测程序(3)施加磁粉或磁悬液；•施加磁粉•a．先用磁悬液湿润工件表面，在外加磁场磁化的同时，将磁悬液施加到工件上，已形成的磁痕不应被流动磁悬液所破坏，停止浇磁悬液后再通电数次，待磁痕形成并滞留下