知识准备（1）：检测原理

知识点一：磁化电流

磁粉检测一般通过磁化电流磁化工件产生足够的磁场，常采用交流电、三相全波整流电作为磁化电流。

不同的磁化电流，其交流分量不同，磁化特性也不同。

1.趋肤效应

趋肤效应是指交变电流通过导体时，导体表面电流密度较大而内部电流密度较小的现象。

趋肤效应是因为交变电流通过导体时产生了变化的磁场，并在导体中产生了涡流，且当导体表面附近涡流方向与原来的电流方向相同时，电流密度变大；当导体中心涡流方向与原来的电流方向相反时，电流密度变小，如图1-1所示。

材料的电导率和相对磁导率增加，或交流电的频率提高，都会使趋肤效应更加明显。

通常50Hz的交流电，其趋肤深度（也称渗入深度）约2mm，即电流主要分布在导体表面及以下2mm的范围。

2.电流 （磁场） 的渗入深度

交流电的电流（磁场）渗入深度不如整流电和直流电，整流电中包含的交流分量越大，则其渗入深度越浅。

交流电对表面缺陷检测灵敏度更高，单相半波整流电对近表面缺陷检测灵敏度高，三相全波整流电可检测工件近表面较深的缺陷，直流电可检测工件近表面最深的缺陷。

3.典型磁化电流的特点及优缺点

常用磁化电流交流电、单相半波整流电、三相全波整流电与直流电特点与优缺点见表1-1。

知识点二：磁化技术和检测方法

1.磁化技术

磁化技术的选择应根据所检测工件的几何形状、尺寸大小与所需的磁场方向（基于需要发现缺陷的方向），可将磁化技术类型分为周向磁化、纵向磁化、多向磁化和辅助磁化。常见磁化技术适用范围见表1-2。

2.检测方法

检测方法分类见表1-3。

知识点三：磁化规范

磁粉检测磁化工件时，所选的磁化参数应使工件表面产生适当的磁场强度。磁场强度过小，磁痕显示不清晰或不显示；磁场强度过大，则易产生过度背景掩盖缺陷磁痕显示或易产生非相关显示。

为可靠检出工件表面或近表面缺陷，对其进行磁化时，外加磁场强度应使工件接近磁饱和，此时缺陷导致的磁感应线畸变才能产生足够的漏磁场。

制定磁化规范时，首先应根据工件的材料、热处理状态和磁特性，确定采用连续法还是剩磁法检测，再制定相应的磁化规范。

磁化规范的确定可采用多种方法，见表1-4。

一般来说，连续法检测时，所用磁场强度应大于磁化曲线（见图1-2）中的 ，工件表面切向磁场强度达到2400A/m时，可使工件磁化到饱和磁感应强度的80%左右。

采用剩磁法检测时，工件应磁化到磁饱和，所需磁场强度一般为连续法的3倍。

以下简述几种常用磁化方法的磁化规范。

1.轴向通电法与中心导体法 （周向磁化）

（1）通电圆柱导体的磁场

1）导体表面磁场强度为

2）导体外部：磁场强度为

3）导体内部：磁场强度为

式中 H ——磁场强度（A/m）；

I ——电流（A）；

R ——圆柱导体半径（m）；

r ——某点与圆柱导体轴线距离（m）。

以上公式基于直流电。当使用交流电时，由于趋肤效应，钢棒中心没有电流与磁场强度，只有在钢棒近表面才有电流与磁场强度，在钢棒表面与钢棒外部，其与直流电磁化效果相同，如图1-3所示。

（2）通电钢管的磁场 当用交流电或直流电磁化钢管时，磁场强度分布如图1-4所示。钢管内壁的磁场强度为0，磁场强度从钢管内壁到外表面逐渐变为最大值，在钢管表面与钢管外部，其与钢棒磁化效果相同。

由图1-4可知，通电钢管内壁磁场强度为0，故钢管内壁不能采用通电法磁化。

（3）钢管中心导体法磁化 当采用中心导体法磁化钢管时，因钢管处于中心导体外部，磁场强度随距钢管表面距离增加而下降，故钢管内壁磁场强度大于外壁磁场强度，磁场强度分布如图1-5所示。

（4）轴向通电法与中心导体法磁化规范 根据 I =2 πRH = πDH （通电法或中心导体法，检测工件外表面， R 为空心工件外壁距中心导体轴向的距离， D 为外径）或 I =2 πrH = πdH （中心导体法检测工件内表面， r 为空心工件内壁距中心导体轴向的距离， d 为内径）。

工件为空心时，因内表面没有电流与磁场强度，内表面不能采用轴向通电法检测，可采用中心导体法检测；外表面采用轴向通电法与中心导体法检测均可，且所需的电流值相同。

实际检测时，可根据检测标准要求的具体磁场强度，计算出所需的通电电流，再利用磁场强度测量与标准试片显示情况对实际磁化效果进行验证。

（5）通电法磁化实例 对轴类工件采用直接通电法进行周向磁化（见图1-6），根据通电圆柱导体表面磁化电流公式 I = （式中 D 为轴类工件最大直径，单位为mm）， H 取2400～3200A/m时， I =7.5 D ～10 D ，取整为8 D ～10 D ，即轴类工件通电磁化时电流强度一般为8 D ～10 D 。

2.线圈法

（1）通电线圈的磁场 空载通电线圈（见图1-7）中心磁场强度计算式为

式中 H ——磁场强度（A/m）；

I ——电流（A）;

N ——线圈匝数（匝）；

L ——线圈长度（m）；

D ——线圈内径（m）。

根据式（1-4），空载通电线圈中心磁场强度为通电线圈安匝数与线圈对角线长度之比。

短螺管线圈（ L ＜ D ）和有限长螺管线圈（ L ＞ D ）内部中心轴线上的磁场强度分布与横截面上的磁场强度分布如图1-8所示。

（2）退磁场 利用线圈法进行纵向磁化时，工件被磁化后两端产生了磁极，磁极形成的磁场方向与外加磁场方向相反，导致有效磁化磁场比外加磁场弱，如图1-9所示。

从退磁场的形成可知，工件的磁极截面越小或工件的长度越长，即工件的 L/D 值越大，则退磁场的强度越小。对于 L/D ≤2的工件，通常需要使用延长块将其接长，以增大 L/D 值，减小退磁场。

（3）线圈法连续法磁化规范 线圈横截面积与工件横截面积之比≤2时，为高填充系数；线圈横截面积与工件横截面积之比≥10时，为低填充系数；线圈横截面积与工件横截面积之比＞2，且＜10时，为中填充系数。

对低填充系数和中填充系数线圈，有效磁化区宽度约为线圈内径 D （左右各1/2）；对高填充系数线圈，有效磁化区一般为从线圈两端向外各延伸150mm范围内。该范围以外应通过磁场强度测量与标准试片显示情况确定是否有效磁化。有效磁化区应通过磁场强度测量与标准试片显示情况进行验证。此外，分段磁化时，各线圈有效磁化区之间应有一定的重叠。

磁化电流调节：线圈法连续法磁化时，磁化电流通常根据设备特性与检测产品，结合检测试验情况进行调节。线圈纵向磁化与周向磁化协同进行复合磁化时，纵向磁化电流值还应考虑对周向磁化的影响，两个方向的磁场应大体一致，标准试片各方向显示应完整清晰。

（4）线圈法剩磁法磁化规范 线圈法剩磁法适用于检测横截面突变的长条形工件，例如，螺栓螺纹根部横向缺陷检测。线圈法检测时， L/D 值对剩磁影响较大，所用线圈在空载状态下，其中心磁场强度不得小于表1-5规定的数值。

（5）线圈法磁化实例

1）轴类工件线圈法纵向磁化：轴类工件线圈法纵向磁化通常采用两种方法实现。

第一，采用均布线圈整体磁化，沿工件长度方向均匀布置一定数量的线圈，线圈通常用铜条制作，各线圈位置固定，如图1-10a所示。

第二，采用单体式线圈分段磁化，线圈由多圈铜导体制作而成，匝数通常为5～10，磁化时线圈沿轴长方向移动，每次磁化一定长度的范围，分多次完成全轴纵向磁化，如图1-10b所示。

2）盘类工件线圈法复合磁化。盘类工件磁化时，可采用中心导体法+线圈法复合磁化，也可采用线圈法进行局部磁化。

以车轮磁化为例，磁化方式大体有两类：

第一，在车轮周围布置径向均布线圈与侧面环形线圈，径向线圈产生圆周方向磁场，侧面线圈产生径向、轴向磁场，协同实现车轮外表面复合磁化。采用该方式时，内孔部位使用中心导磁穿棒，与径向均布线圈共同实现内孔复合磁化，如图1-11a所示。

第二，将车轮上侧放入扁平线圈，磁化的同时匀速转动车轮，车轮转动一圈即可实现两侧面复合磁化与踏面周向磁化。踏面与内孔轴向磁化通过非接触磁轭进行，内孔周向磁化通过中心磁化针实现，如图1-11b所示。

3）异形工件线圈法复合磁化。工件形状不规则时，通常采用多组线圈来实现复合磁化，线圈结构如图1-12所示。

3.磁轭法 （纵向磁化）

磁轭法磁化时，磁极间距 d 一般控制在75～200mm，磁轭内侧各25mm为盲区，有效磁化区范围为 （ d -50），如图1-13所示。两次磁化间应有≥10%的有效磁化区重叠。

磁轭法磁化时，可通过标准试片显示情况与提升力测试情况确定检测灵敏度，部分应用场合还需要验证磁场强度。