磁粉检测

检测时的灵敏度与磁化方向有很大关系 不用水电，特别适用于现场检验 非接触法检验

第二章 磁粉检测物理基础

2．1磁现象和磁场 2．1．1磁的基本现象

★磁性：磁铁能够吸引铁磁性材料的性质； ★磁体：（永磁体—自然、电磁体—用电和超导磁体--超导材料）凡能够吸引其他铁磁性材料的物体（能够建立或有能力建立外磁场的物体）； ★磁极：靠近磁铁两端磁性特别强、吸附磁粉特别多的区域； ★磁力：磁极间相互排斥和相互吸引的力；（磁力的大小和方向可以测定的） ★磁化：使原来没有磁性的物体得到磁性的过程； 一般条形磁铁两极总是分别指向南北方向。通常称磁针指向北的一端为北极，用N表示；指向南的一端为南极，用S表示。有同性相斥，异性相吸的特点。

磁极都是成对出现，自然界没有单独的N极和S极存在。

2．1．2磁场与磁感应线

磁体间的相互作用是通过磁场来实现的。 ★磁场：就是具有磁力作用的空间。

磁场存在于被磁化物体或通电导体的内部和周围，它是由运动电荷形成的。 磁场的特征：是对运动电荷（或电流）具有作用力，在磁场变化的同时也产生电场。 1）圆周磁场 2）纵向磁场

磁感应线 ：用来描述（观察）磁场大小、方向的力线。 磁感应线上每点的切线方向都与该点的磁场方向一致； 单位面积上的磁感应线数目与磁场的大小成正比（可用磁感应线的疏密程度反映磁场的大小，越密，磁场越大。） ★磁感应线具有以下特性：

a．磁感应线是具有方向性闭合曲线。在磁体内，磁感应线是由S极→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； b．磁感应线互不相交；

c．磁感应线可描述磁场的大小和方向； d．磁感应线沿磁阻最小路径通过。

2．1．3真空中的恒定磁场

1）★磁感应强度B：描述物体被磁化后磁性大小的物理量B=Fm／Qυ（描述磁场的特性）。B为矢量，有大小和方向，可以用右手螺旋法来确定； 单位：国际单位（SI）中是特斯拉（T）；实用单位（CGS）中是高斯（GS）。

换算关系：1特斯拉（T）=104高斯（GS）

2）★磁通量φ：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dφ=BCOSθdS或dφ=B×dS（表示某一面积磁感应线的总数量）。 单位：国际单位（SI）中是韦伯（Wb）；实用单位（CGS）中是麦克斯韦（Mx）。

换算关系：1韦伯（Wb）=108麦克斯韦（Mx）

3)毕奥-萨伐尔定律及其应用：（倒出引用公式）

4）★磁场强度H：单位正磁极在磁场中所受的力叫该处磁场强度（定量描述磁场概念）H=（B／μ0）－M。

单位：国际单位（SI）中是安培/米（A/m）；实用单位（CGS）中是奥斯特（Oe）。

换算关系：1奥斯特（Oe）=1／4π×103安培/米（A/m）≈80安培/米（A/m） 5）安培定律：（倒出引用公式）

2．1．4磁介质中的磁场

1．磁介质：能影响磁场的物质；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。

★磁介质分类：顺磁性材料（顺磁质）μr≥1；抗磁性材料（抗磁质）又叫逆磁性材料μr≤1；铁磁性材料（铁磁质）μr＞＞1。

★2．磁化强度M=∑Pm／△V：与磁介质的性质有关，也和磁介质所处的磁场有关。

3．磁场强度H=（B／μ0）－M

★磁导率：表示铁磁性物质磁化的难易程度，反映了材料的导磁能力μ=B／H=tgα。 1）绝对磁导率μ=μ0μr：磁感应强度B与磁场强度H的比值称为磁导率或绝对磁导率；

2）相对磁导率μr=μ介质／μ0：把任何一种材料的磁导率和真空磁导率的比值叫做相对磁导率，是一个纯数，没有量纲，用来比较不同材料的磁化能力；铜μr=0．999912，μr≤1；铝μr=1．000033，μr≥1；铁μr=5000-7000，μr＞＞1；

3）真空磁导率μ0：在真空中是一个常数，μ0=4π×10-7亨（H）／米（m）；在CGS单位制中，μ0=1GS／Oe;

4）最大磁导率μmax（见书21页图2-21）:指磁化曲线出现拐点附近B和H之比的磁导率（大多数磁性钢μmax在500-2000高斯／奥斯特之间，含Cr、V的非奥氏体钢μmax在100-400高斯／奥斯特之间）； 5）有效磁导率（表观磁导率）：是指工件上的磁感应强度B与磁场强度H之比，它不完全由材料磁性决定，在很大程度上取决于零件的形状（相当于纵向磁化中的磁导率）；例如：材料相同，直径相同，热处理条件也相同，就是长度不同，则μ不同，主要是长径之比发生变化，产生退磁场；

6）起始磁导率：初始阶段磁化曲线上可逆段上的磁感应强度B与磁场强度H之比的磁导率。

2．2铁磁性材料（μ＞＞1）

2．2．1★磁畴(磁本质)：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。

磁畴是铁磁性物质固有的特性，磁畴的存在使铁磁性物质磁化后，μ值的增加达103—105数量级，因此能显示缺陷的灵敏度所时所需的磁感应强度，这就是能够对铁磁性物质进行磁粉检测的原因。 ★居里点（居里温度）：铁磁性材料失去原有磁性的临界温度称为居里温度。Fe的是7690。

2．2．2磁化过程：利用磁畴解释铁磁性材料的磁化过程；

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，用以表示外加磁场强度H与磁感应强度B的变化的关系。（图2-20）

2．2．4磁滞回线：描述磁滞现象的闭合磁化曲线叫磁滞回线。（见图2-22） 磁滞现象——磁感应强度的变化滞后于磁场强度的变化的现象叫磁滞现象。 初始磁化曲线——H增加，B停止增加的0-1曲线称为初始磁化曲线。 剩磁——当外加磁场强度H减小到零时，保留在材料中的磁性，称为剩余磁感应强度，简称剩磁（Br）。

矫顽力——使剩磁降为零所施加的反向磁场强度称为矫顽力（Hc）。

根据矫顽力（Hc）大小可分为软磁性材料（Hc＜100A／m，μ≥1）和硬磁性材料（Hc≥100A／m，μ＜1）两大类。 软磁性材料的特征（见图2-23）：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。容易磁化，容易退磁，用于如电工用的纯铁、低碳钢和软磁铁氧化体等材料。 硬磁性材料的特征（见图2-23）：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。硬磁性材料难易磁化，难易退磁，如铝镍钴、稀土钴和硬磁铁氧体等材料。 ★总结铁磁性材料的特性：

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，全部磁滞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。

2．2．5退磁曲线（Hc到Br的曲线段，见图2-24）和磁能积（H和B的乘积）

2．3电流与磁场

2．3．1通电圆柱导体的磁场 1．磁场方向：右手定则 2．磁场强度计算

单位换算：

名称 制 磁场强度 代号 H 国际单位（SI） 名称 安培／米 代号 A／m 实用单位（CGS） 名称 奥斯特 代号 Oe 1 Oe=1／4π×103 A／m≈80 A／m 磁感应强度 磁通量 磁导率 B φ μ 特斯拉 韦伯 亨利／米 T Wb H／m 高 斯 麦克斯韦 高斯／奥斯特 Gs Mx Gs／Oe 1 T=104 Gs 1Wb=108 Mx 换算关系 注：B →1T=1N／A.m；φ→1T.m2=1 Wb；μ= B／H= T／A／m= （Wb／m2）／A／m= Wb／m .A

φ= B×S=μH S→韦伯=(韦伯／米．安培)×(安培／米)×米2 1 Mx表示通过1根磁感应线。

实用单位（CGS）：

1．I——A；r——cm; H——Oe; H=0.2 I/ r ;

2．I——A；r——mm; H——Oe; H=2 I/ r ;→→I= H D／4 国际单位（SI）：

3． I——A；r——m; H——A/m; H= I/2π r ; →→ I= H D／320 4． I——A；r——m; H——A/m; H= I r /2π R2;

3．应用

1．钢棒通电磁化：

★a.用交流电和直流电对同一钢棒通电磁化时，磁场强度分布见图2-29所示，其共同点是：

1）在钢棒中心处，磁场强度为零； 2）在钢棒表面，磁场强度达到最大；

3）离开钢棒表面，磁场强度随r的增大而下降。

b.用交流电和直流电对同一钢棒通电磁化时，磁感应强度分布见图2-30所示，其不同点是：

1）由于钢棒的磁导率高，磁感应强度B=μH→B＞＞H→Bm＞＞Hm； 2）离开钢棒表面，在空气中μr≈1→ B≈H，所以磁感应强度突降后与磁场强度曲线重合。

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见图2-31所示，其特点是：

1）通电中心导体（铜棒）内外磁场强度的分布与钢棒的分布是一样的。在钢管内是空气，由于铜棒的μr≤1，所以管内只存在磁场强度H； 2）在钢管上由于μr＞＞1，所以能感应产生较大的磁感应强度；

3）由于H= I /2π r，且钢管的内径小于外径，因此钢管的内壁的B和H都大于钢管外壁的B和H；

4）离开钢管表面，在空气中μr≈1→ B≈H，所以磁感应强度突降后与