磁粉检测概论讲稿.docx
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磁粉检测概论讲稿
介绍
学习指导概述
本学习指导列出了美国无损检测学会中心认证大纲（ACCP）所要求的磁粉检测
级考试的基本内容,但本书并不包括考试的所有内容,所以考生仍需根据书后所推荐的参考书来补充必要的知识.
本学习指导分三章,第一,二章为
级笔试内容,第三章为
级实际操作考试内容.第一章后附有
级考试中的典型习题,考生应进一步参考学习,以加深理解.
在第一章中,每一个主题后都有一个推荐阅读栏,确定一些与主题相关的内容和参考书,以便查阅更多的知识.在”参考书”栏下是书名的简称,在冒号后面是所讨论的内容所在的书页号.（无损检测手册=HB,磁粉检测课堂训练册=CT）.
本学习指导后附有一些附录,帮助考生更好的准备ACCP磁粉检测
级考试,其中附录
$摘述了几个相关的无损检测资格认定和认证文件,让考生对无损检测资格认定和认证以及工业中常选用的规范有个更好的了解.
志谢
在此作者谨对认证管理委员会
级分会磁粉检测特设委员会,MatthewJ.Golis先生,以及美国无损检测学会技术服务部的全体同仁,在此书编写中给予的支持表示衷心感谢.
推荐参考书目
NondestructiveTestingHandbook,secondedition:
Volume6,MagneticParticleTesting[ASNTorder#131]
MagneticParticleTestingClassroomTrainingBook,CT-6-3（ASNT/GeneralDynamics）[ASNTorder#1609]
MagneticParticleTestingProgrammedInstructionBooks,PI-4-3（ASNT/GeneralDynamics）,Chapter1-Principles[ASNTorder#1503]
RecommendedPracticeNo.SNT-TC-1A,1992edition[ASNTorder#2050]
ANSI/ASNTCP-189-1995:
StandardforQualificationandCertificationofNondestructiveTestingPersonnel[ASNTorder#2505]
ISO-9712,firstedition1992-05-15,Non-destructiveTesting-QualificationandCertificationofPersonnel
ASNTCentralCertificationProgram（ACCP）[ASNTorder#6001]
ASTME709,StandardGuideforMagneticParticleExamination[ASNTorder#110]
ASTME1444,StandardGuideforMagneticParticleExamination[ASNTorder#110]
第一章磁粉检测概论
磁粉检测的原理
磁粉检测（MT〕的基本原理是建立在电磁学基本定律上的。
磁粉检测可以对铁磁性材料表面，近表面的不连续性（discontinuities）进行无损检验（NDE〕，无损探伤（NDI）和无损检测（NDT）。
磁粉检测可用于成品和原材料检验，如铸件，钢坯，锻件，棒材等。
磁粉检测的成功应用的关键是：
在被磁化物体中，不连续性的存在会破坏磁力线的分布，并形成结果显示出来。
一般来说，磁粉检测的操作三步。
一是工件磁化，二是施加磁粉，三是解释磁痕显示。
这些显示可能会指示不连续性的位置，即磁力线被破坏的地方。
图1－1便是表示一个被磁化物体中的裂纹所产生的典型显示。
为了对磁粉检测有更深的理解，可参阅以下参考书。
对原理的深刻理解有助于这种检测方法的实际使用。
推荐阅读
内容
参考书*
磁性，磁极，磁场，磁力线的理论
HB：
12~13CT：
2－5
磁性物质类型
HB：
13CT：
2－10
磁铁类型（棒形，马蹄形），磁场
HB：
13CT：
2－6~2－10
磁性，磁导率，磁阻，顽磁性，矫顽力
HB：
24~26CT：
2－12~2－15
*参见介绍中对参考书的注释
磁场的产生
磁性物质以永磁铁的形式产生磁场，但大多数磁粉检测中所用的磁场，是用电流来产生的。
大家都知道：
交流电经整流可以产生多种波形。
在整个无损检测文献中，其中一些整流波有两种不同的命名，考生应清楚半波整流交流电和半波直流电（HWDC）实际上是一回事，全波整流交流电和全波直流电（FWDC）同样也是一回事。
交流电（AC）
在磁粉检测中，交流电作为磁化源有三个特点：
1．电流反向产生“趋肤效应”，即在被检工件表面由感应引起磁场集中。
2．剩磁场能通过退磁来消除。
3．电流反向的脉冲效应激励施加在表面上的磁粉的分布。
交流电的波形如图1。
2a所示。
半波直流电〔HWDC〕
半波直流电的波形如图1。
2b所示。
由于半波直流电不产生趋肤效应，所有相对交流电而言，它产生的磁场能发现埋藏更深的不连续性。
半波直流电也有脉冲效应，能激励施加在表面上的磁粉的分布。
单相全波直流电〔单相FWDC〕
单相全波直流电的波形如图1。
2c所示。
它的特性与半波直流电近似，但它对深处不连续性更敏感。
三相全波直流电〔三相FWDC〕
一般民用电是220V～400V的三相交流电。
三相全波直流电磁探设备对三相电全进行整流，并将其负半周反转成正向，以产生一个比较平缓的直流电来磁化。
〔见图1。
2d所示〕
与单相全波直流电相比，三相全波直流电的一个独特的优点是：
电流以三相的形式从电源线上引出，减少能耗近50％。
三相的设计使得可以加入快速断电器，这样对于纵向磁化的工件，可以增强其端面不连续性的磁痕的形成。
直流电〔DC〕
直流电磁化用于磁粉检测的最主要优点在于它能发现表层下的不连续性。
电流在工件横截面这的均匀分布有利于检测到表层下的不连续性。
最初，直流电是由蓄电池来提供的，但由于费用高且使用寿命短，而不再使用，取而代之的是用交流电产生的近似直流电。
现在大多数的近似直流电是三相交流电经硅二极管整流而得的。
推荐阅读
内容
参考书
交流电（AC）
HB:
27,155CT:
2-14
半波直流电〔HWDC〕
HB:
25~27CT:
2-24
单相全波直流电〔FWDC〕
HB:
28
三相全波直流电〔FWDC〕
HB:
28~29
直流电〔DC〕
HB:
154
材料中不连续性的影响
对于铁磁性材料而言，磁粉检测是一种行之有效的无损检测方法，象裂纹，冷隔，气孔，缩松，未熔合和其它常见加工缺陷，以及在役使用产生的不连续性，它都能有效检测出，它最适合探测那些肉眼无法看到的表面开口性不连续性。
磁粉检测也能探测近表面的不连续性，如果对技术加以改进，并认真操作，那它还可能发现材料内部的不连续性。
被磁化物体中不连续性的存在，会局部破坏物体中磁力线的分布，其影响因其在物体中的位置而异。
在物体表面时效果最明显，随着深度的增加而减弱。
被检物体中磁场分布的破坏，导致磁力线从不连续性处逸出和返回,如图1.3所示,这便是磁漏.漏磁吸引细小的磁粉颗粒从而形成一个肉眼可见的磁痕,表示不连续性的位置和大小.
和其它检测方法一样,磁粉检测的目的是:
在产品加工过程中尽早发现不连续性,以避免在后序工序中造成异常或报废,甚至导致使用事故.
不连续性主要有以下三种:
1.内在不连续性.这与金属处理有关,如冶炼,铸造等.
2.加工不连续性.这与制造过程有关,如锻造,轧制,机加工,热处理,镀层等
3.使用不连续性.这与疲劳,应力腐蚀,磨损,温度等有关.
要在不连续性处形成良好的磁痕显示,主要决定于下列因素:
1.材料性质（磁特性）,
2.磁场的大小和方向,
3.磁化方式
4.不连续性的大小,形状和方向,
5.工件的形状,对磁场分布的影响,
6.所用磁粉,
7.工件的表面状况（光滑,粗糙,干净,有污渍,有涂层,有镀层等）.
磁粉检测的局限性:
1.磁场方向与不连续性方向的夹角至少为45°,最好是90°.
2.用直流电磁化时,电流方向应大致与所探不连续性方向平行,以满足第一条的要求.
为避免过载,请遵照表1.1中所列的工业限定值.
表1.1过载条件
方法
最大限定值
线圈磁化（纵向）
安匝数=45,000/（L/D）
电极法
60~120A/in×电极间距
周向磁化
1,200A/in×工件直径
推荐阅读
内容
参考书
不连续性
HB:
3~11CT:
2-29~2-317-3~7-6
电流产生的磁场
用电流来磁化工件时,必须遵照检验规范来操作.用电流来磁化的一条基本原则是:
只要电流产生的磁场大小刚能够发现不连续性,便可使用,而无需过大电流.
周向磁化
周向磁化的磁化电流限额为:
700~1200A/in×工件直径或横截面对角长度.需要指出的是:
周向磁场的磁力线形成闭合回路,而没有磁极.
要在中空的铁磁性材料中产生周向磁场,可用中心导体通电法来完成.
发现不连续性的最佳方向是平行于电场或垂直于磁场.
纵向磁化
给环形线圈通以电流,便可在置于其中的被检工件中产生一纵向磁场,并在两端形成磁极.当工件中有不连续性时,便会产生磁漏,从而吸引磁粉,形成磁痕.
表1.2概述了磁粉检测中,周向磁化和纵向磁化的要点.
$表1.2周向磁化和纵向磁化
方法
应用
优点
局限
磁头通电法
3.7m（12in）以内实心件的周向磁化
整个长度都磁化
检不出周向不连续性
磁头通电法
（中心导体法）
3.7m（12in）以内空心件的周向磁化
整个长度都磁化
检不出周向不连续性
线圈通电法
实心,空心件的纵向磁化
对周向不连续性灵敏度高
检不出纵向不连续性,对长件需分段多次检验
电极法
焊缝,铸件的周向磁化
小面积内灵敏度高移动电极可旋转磁场
可能引起电弧烧伤
磁轭法
周向磁化的特例
可用于特定用途
磁场大小固定
-
推荐阅读
内容
参考书
周向磁化
HB:
18~19CT:
2-27~2-28
纵向磁化
HB:
19CT:
2-29~2-30
选择正确的磁化技术
磁化技术选择受以下几方面的影响:
1.工件的磁导率
a.铁磁性材料的类型（金属或合金）.
b.热处理.
c.机械状态.
d.加工过程（冷加工,处理）.
2.工件状态
a.涂层
b.镀层
c.腐蚀
最关键的是有效值占峰值的比例,如表1.3所示:
$表1.3电流的峰值
电流类型
峰值
交流电
100%
半波交流电
30%
全波交流电
64%
决定选用交流电或整流交流电来磁化与很多因素有关,但对于检测表面,近表面不连续性来说,交流电是最佳的选择.而整流交流电和直流电则更适合检测表层下的材料异常.
要形成不连续性的显示,磁场方向是最重要的.一般来说,磁力线的方向应垂直于不连续性,或是用来产生磁场的电流的方向平行于不连续性,这样才能形成明显的显示.
确定操作步骤时,检验规范应严格遵循试件处理时的所有步骤:
磁化方法的选择,使用电流的大小,电流的最大限定值等
磁力线密度（磁场强度）大小的使用决定于许多因素,一般的规律是:
只要能发现不连续性,尽可能使用低的磁力线密度.这只要是考虑以下因素:
1.避免检验后工件剩磁太强
2.避免可能的工件过热和烧伤
3.减少电击对人的危险
4.降低能耗
推荐阅读
内容
参考书
控制磁化的因素
HB:
154~157
退磁处理
对工件进行磁粉检测,便要将它磁化.这也就产生了一个可能的问题.大多数的铁磁性材料都有一定程度的顽磁性,顽磁性是材料保持磁场的能力.如果剩磁场会影响工件将来的使用,或影响邻近工件和组件的工作,这样顽磁性便成了一个问题.
在图1-4中B-H曲线表示了顽磁性.图1-4中的其它参数说明如下:
H:
磁化强度
B:
磁力线密度
Bresidual:
剩磁
HC:
矫顽力
图1-5说明了窄磁滞回线的B-H特征和与顽磁的关系.宽回线表示材料很难退磁.有很多因素要求将工件在磁粉检测后退磁.如果它将引起以下问题,就应进行退磁.
1．干扰工件的工作
2．干扰其它工件和组件的工作
3．加工中吸附小铁屑
4．干扰电弧焊
5．吸附小颗粒并干扰涂层,镀层或表面处理
一旦顽磁确定成为一个问题后,便要进行退磁了.退磁是去除工件一些或全部剩磁的额外处理.退磁有很多方法,每种方法都是将物体置于一个方向不断改变,强度逐渐变小的磁场中（参考ASNT无损检测手册,第二版,第六卷（磁粉检测）P31页）.
对退磁来说,电流,频率,磁场方向都是很重要的.在很多应用中,把工件穿过带电线圈,并通以60HZ交流电,然后沿着轴向缓慢抽出,直到数尺远,这样便可将工件退磁.其它工件可能要求更复杂的退磁设备来产生1~5HZ的,方向不断改变,强度逐渐减小的直流电来退磁.
居里点退磁法是将工件加热至居里点以上,从而达到退磁的目的.材料的居里点因合金成分不同而不同,但此法可能影响工件的金相,物理性能或结构性能.
也有不要求退磁的情况,如低顽磁性材料.
推荐阅读
主题
参考书
退磁
HB:
30~33CT:
2-31~2-34
退磁设备
HB:
306;350;364~366CT:
3-9
设备
在磁粉检测中,设备大小,形状各异,同时还包括磁粉和紫光灯.
便携式设备
顾名思义,便携式就是灵活,可移动的,从手持式到车载式,大小不等.手持式检测工具一般包括小线圈,磁轭,电极及所带电源.电源可能是交流电,直流电或交流变压器.湿磁粉和干磁粉都可以使用.
较大的便携式设备一般装有轮子,以便移动.它们可以产生大约600A的交流或半波整流直流电.
固定式设备
固定式设备从台式到一体化整套设备不等.典型的一种是卧式湿粉法磁探机,其长度从0.9米到3.7米不等.这种设备可用通电法产生周向磁化,用线圈或磁轭产生纵向磁化.
在线检测中使用的卧式湿粉法磁探机,一般使用单相交流电交流电型的设备比较便宜,因为它无需整流电路和其它附属器件,同时设备本身可以完成退磁,无需另外单独的退磁设备.
自动化设备
自动磁探系统要有特别的计时电路和切变电路,以完成在磁探过程中的不同操作.在现在的集成电路芯片时代,几乎每一个操作都可以由计算机驱动电路来控制.自动检测系统可进行高速操作,如电流的来回切换.在几分之一秒内,它可改变磁化强度,方向和类型（周向或纵向）,并可完成退磁.这种自动特性还可以用来施加磁粉和在一定程度上解释检验结果.
自动检测的不足之处是:
设备的初期投资大,软件和设备的维护费用昂贵.
磁粉
检测中一般使用两种磁粉:
湿磁粉和干磁粉.湿磁粉是将磁粉分散在液体介质中,干磁粉则是由自身所受重力分散.
磁粉是由磁性材料做成,它有一定的大小,颜色,形状,并表现出一致的磁特性,如顽磁性,磁导率等.
给磁粉染色是为了增强目视检测效果,若要进一步改进目视检测工艺,则可使用荧光磁粉,同时配以紫光灯.
湿磁粉适合检测表面不连续性,而干磁粉则适合检测次表层不连续性.
为了获得更好的检测效果,磁粉应该:
1.具有铁磁性
2.无毒
3.无杂质
4.有良好的色差对比度或是荧光的
5.高磁导率
6.低顽磁性
7.合适的大小和形状
8.使用寿命长
9.用于液体中有良好的混合性
紫光灯
紫光灯增强荧光磁粉的可视性,帮助操作者对那些细小的难以发现的不连续性精确定位.紫光灯主要由水银灯泡和滤光镜组成它们装在一个手持式反光组件中.由稳压电源或变压器供电.灯的光强必须定期检查.在离滤光镜38cm处测量,光强必须至少达到1000uW/cm2.当汞弧没有充分预热时达不到最大光强至少要求预热5分钟.在检验中紫光灯正常工作时就应该一直开着.因为过多的开关会减少灯的使用寿命.紫光灯检验时,要求在黑暗中进行以获得最佳效果.工作完后要进行定期清理,来清除灰尘油污和脏物,否则会影响灯的光强
光灵敏度的测定仪器
磁粉检测要求用尽可能好的方式来观察磁痕.观察者的视力必须达到一定的标准.视觉灵敏度（分辨细节的能力）随照明亮度的降低而减弱.辩色能力也同样重要因为可能使用不同颜色的磁粉有便于检测者对磁痕定位.
人眼是一个神奇的光学传感器.它能辨认从400nm到700nm范围内的光,即彩虹中的七色（红,橙,黄,绿,蓝,靛,紫）.对要解释磁痕的人,最好在授权医生处进行定期视力检查.
紫光检测在波长320~400nm范围内进行.需要一些仪器对紫光灯进行测定.如硒电池光电计,紫外线辐射计$,紫外线光度计和紫外线辐射的检测标准.
对于在工作期间所受的紫外线辐射量,现在联邦政府和大多数的州政府还没有相关的官方条例对其进行规定.但是,国家职业安全和健康协会（NIOSH）和美国政府工业卫生学家联合会（ACGIH）已发布了一些推荐的限定值.
推荐阅读
内容
参考书
便携式磁探设备
HB:
360~631
固定式磁探设备
HB:
352~356
自动磁探设备
HB:
355~356
移动式磁探设备
HB:
357~359
磁粉
CT:
4-5
紫光灯
CT:
3-10~3-11
光灵敏度测定仪器
HB:
368~379
不连续性的类型
在检测中,最重要的一环是分析过程中所提供的信息.对于磁粉检测来说,辨认磁痕和产生磁痕的不连续性之间的关系是很关键的.操纵者所观察到的磁痕和所检测的材料的类型,大小,形状和加工过程有关.
加工过程（在检测前）包括关于铸造,焊接,锻压成形和热处理的信息.
操纵者的训练和经验对辨认非相关性显示很重要.非相关性显示可能由工件几何形状的突变或尖锐棱角引起,因为这样导致了磁导率的变化,也可能是由无关的工具刻痕引起,不管是哪种情形,确实是有非相关性显示产生,这便需要操纵者来正确辨认它们.
铸件中的不连续性
在铸造中,铁磁性材料可能会产生一些表面开口性的不连续性:
1.气孔
2.冷隔
3.热裂纹
4.缩松（也可能在次表层）
次表层不连续性:
1.缩孔
2.偏析（也可能在表面）
3.夹渣（也可能在表面）
4.缩松（也可能在表面）
美国无损检测学会NDT手册第二版第六卷（磁粉检测）中,详尽分析了这些不连续性和它们的产生原因,Ⅱ级考生应熟练掌握.了解不连续性的产生原因,熟悉磁粉检测中磁痕所提供的信息,有助于区分相关性与非相关性显示.
钢锭中的不连续性
在铁水浇铸成钢锭时,可能会产生如下不连续性:
1.气道
2.夹渣
3.气孔
4.缩松
5.裂纹
裂纹是在钢锭凝固时,由于应力集中而产生的.它可能分布在表面,也可能分布在钢锭内部.如果裂纹在内部,且没有气孔存在,那它可能在后序的锻压成形中被压合,但表面裂纹,如果它们以被氧化了,那在后序处理中不可能再闭合了.
锻件中的不连续性
在热锻或冷锻中产生的不连续性称为原始加工不连续性.产品在锻压,轧制,拉拔加工中会产生一些特殊的不连续性,表1.4简要列出了常见不连续性及其位置.
表1.4常见不连续性及其位置
产品
不连续性
位置
锻件
重皮
破裂
表面
次表层
轧制件
分层（板材）
$stringers（棒材）
发纹（棒材）
次表层
次表层
表面
管件
发纹
$slugs
$gouges
外表面
内表面
内表面
焊件中的不连续性
焊接中常产生的不连续性包括:
1.冷裂（表面和次表层）
2.热裂（表面和次表层）
3.层状撕裂（表面）
4.未熔合（次表层）
5.未焊透（表面和次表层）
6.气孔（表面）
7.夹渣（次表层）
8.咬肉（表面）
9.焊瘤（表面）
推荐阅读
内容
参考书
铸件
HB:
77~78CT:
6-8
钢锭
HB:
3~5
锻件
HB:
81~93CT:
6-8
焊件
HB:
84~90CT:
6-12
评定技术
历史回顾
从本世纪40年代到50年代,磁粉检测靠经验指导,这种依赖关系导致不连续性检测灵敏度的水平差异.人们利用可靠性研究和联合传递研究（roundrobin）,对检测灵敏度的差异进行进一步的探讨.这些工业研究的结果表明:
对于同一系列已知的不连续性,不同成员检测出的能力不一样.这些研究尽管没有最后考虑这些差异,但表明已有建立一个灵敏度要求水平的必要.要保持磁粉检测灵敏度一致性的唯一方法是建立一个合适的参考标准和详细的检验工艺.
现在,为了保证最高灵敏度水平,必须强制使用参考标准来对经验系统灵敏度进行定期检查.为获得一个好的检测结果,操纵者的经验和专业知识以及对设备的正确操作和维护,都是很重要的.
标准的客观性
在磁粉检测之前必须使用一定的参考标准来确认对检验设备的正确操作和对已有不连续性产生显示的能力，这种预先检测评定是为了确认
1.检验系统是否工作正常
2.检验工艺是否合适
3.检验系统使用的标准是否合适
4.是否达到所要求的检测灵敏度
很多因素包括工件材质,不连续性的大小和位置,检验方法（磁化方式,磁化方向和强度,磁粉类型）都影响到检测的正确性和可靠性.
为保证检验结果一致性，应经常使用参考标准,并比较系统灵敏度和预定允许偏差值。
.
工具钢钢环标准
工具钢钢环标准是一种应用于干粉法和湿粉法的参考标准.使用标准钢环时将导体穿过钢环中心,并通以一定的电流.根据通以不同电流时所能检测出的孔数来评定磁粉检测系统的性能.
试块
棱柱形试块由两块斜截面棱柱组成,用来评定检验灵敏度.使用时将导体穿过中心槽孔,并通以不同大小的电流,根据显示的磁痕长度来测定系统灵敏度.另一种灵敏度试块由两块磨光的钢块组成在它们的接触面形成一个人工裂纹.
饼形测定器（八角试块）
饼形测定器是用于测定外磁场的强度和方向.它用高磁导率材料制成,分成八个间隔开的三角形小块.
垫片指示器（试片）
垫片指示器用高磁导率材料制成,带有沟槽.常用的型号中带有3条不同宽度的槽用于模拟工件中的裂纹.
霍尔效应计
霍尔效应计用于测量与试件表面相切的磁场强它并不测量工件内的磁通,而只测定与工件相邻的磁场.
推荐阅读
内容
参考书
磁粉检测参考标准的基本原理
HB:
338～340
用于系统评定的参考标准
HB:
341～344
磁场不连续性标准
HB:
345～346
电学参考标准
HB:
347
设备质量控制和工艺
设备维护
要进行有效的磁粉检测，检测设备的正确操作是非常关键的。
任何性能参数的变化都将明显影响所有的检测及其结果。
因此对设备及其校准进行严格的质量程序控制是非常重要的。
质量控制程序应包括设备的日常维护，检查和对电源，电子器件，电路的定期校验。
因为大电流会产生磁场，所以必须定期进行安全检查。
说明书经常强调电源，仪器，电路定期检查的重要性。
请记住：
清洁，安全，正常维护和正确校验的检测设备能提供最准确的校验结果。
磁粉和槽液
磁悬液的浓度必须每8小时测量一次，以保证浓度合乎要求。
如果磁悬液中磁粉太少，则形成磁痕的能力减弱，如果磁粉浓度过大，则会形成亮背景，从而掩盖小的磁痕。
通常使用沉淀法来检查
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