Министерство транспорта Российской Федерации

Дальневосточный государственный университет путей сообщения

А.Е. Стецюк

Магнитопорошковый метод контроля

Методические указания

по выполнению лабораторной работы

Хабаровск

2011

1. Магнитный вид неразрушающего контроля

Магнитный вид неразрушающего контроля основан на анализе взаимодействия магнитного поля с объектом контроля. Вид пригоден для объектов, изготовленных из материалов способных намагничиваться.

С использованием магнитного вида контролируют свободные детали или открытые для доступа части деталей с целью выявления поверхностных и подповерхностных трещин.

1.1. Основы намагничивания

Носители магнетизма в металле – элементарные электрические токи в атомах, создаваемые:

• вращением электронов вокруг ядра;

• прецессионным движением электронных орбит;

• вращением электронов вокруг своей оси – спином электрона, вносящим основной вклад в образование магнетизма.

Элементарные токи в каждом атоме формируют атомные магнитные моменты. В свою очередь атомные магнитные моменты, взаимодействуя между собой, образуют магнитное поле детали в целом.

Большинство материалов не проявляет магнитных свойств, т.к. магнитные моменты их атомов направлены произвольно и взаимно компенсируют друг друга. Основным материалом, обладающим высокой способностью к намагничиванию, является железо.

Железо и сплавы, созданные на его основе образуют группу материалов называемых ферромагнетики. У ферромагнетиков, даже при отсутствии внешнего магнитного поля, моменты миллионов соседних атомов самопроизвольно выстраиваются параллельно друг другу, образуя микроскопические области, магнитные моменты атомов в которых ориентированы одинаково. Эти области самопроизвольного намагничивания получили название домены. Число атомов в доменах составляет порядка 10¹⁵, а размеры в поперечнике – около 10 мкм. Вследствие одинаковой ориентации магнитных моментов атомов внутри домена, эта область намагничена до насыщения и представляет собой относительно сильный постоянный магнит. Намагниченность домена характеризуется магнитным моментом m домена.

При отсутствии внешнего магнитного поля, магнитные моменты доменов направлены беспорядочно и взаимно компенсируют друг друга, поэтому общая намагниченность ферромагнетика равна нулю. При воздействии внешнего магнитного поля каждый домен дает слагающую магнитного момента по направлению приложенного поля. В результате появляется результирующий магнитный момент M.

1.2. Основные магнитные величины

Результирующий магнитный момент единицы объема ферромагнетика при воздействии внешнего магнитного поля называется намагниченностью вещества и характеризуется вектором намагниченности I, А/м

, (1)

где М – результирующий магнитный момент;

V – объем намагниченного тела.

Намагниченность вещества N связана с напряженностью внешнего магнитного поля H зависимостью

, (2)

где  – магнитная восприимчивость, характеризующая свойство материала.

Магнитная восприимчивость ферромагнитных материалов зависит от ряда факторов:

• способа изготовления материала;

• термической обработки металла;

• химических примесей в материале;

• предшествующей «магнитной истории» данного образца металла (т.е. находился ли ранее образец в магнитном поле);

• величины и направления внешнего магнитного поля;

• структурных особенностей материала (например, кристаллы неправильной или зернистой формы).

Следует помнить, что при воздействии внешнего магнитного поля сказывается явление «гистерезиса», означающего, что намагниченность ферромагнетика и напряженность магнитного поля H связаны между собой неоднозначной зависимостью.

Если приложить внешнее магнитное поле к телу, изготовленному из ферромагнитного материала, то происходит увеличение числа и размера доменов, намагниченности которых параллельны этому полю, за счет доменов, намагниченных в противоположном направлении. В результате тело в целом намагничивается. Если после этого внешнее магнитное поле убрать, то однажды возникшая упорядоченность направлений намагничивания отдельных доменов сохраняется – остаточная намагниченность. Остаточная намагниченность сохраняется до тех пор, пока ее не уничтожат новые факторы: повышение температуры; магнитное поле обратного направления и другие воздействия.

Совместное магнитное поле, возникающее в материале при суммарном действии доменов и внешнего магнитного поля, создают в детали суммарное поле В, называемое магнитной индукцией

(3)

где – магнитная проницаемость вакуума, Гн/м ( ).

Векторы H и B являются силовыми характеристиками, измеряемые соответственно в А/м и Тл = Вб/м². Величина Н характеризует поле внешнее по отношению к ферромагнетику, то В определяет значение и направление поля непосредственно в самом ферромагнетике.

Поставляя значение из выражения (2) в формулу (3) получим

(4)

где – относительная магнитная проницаемость материала.

Магнитную индукцию В можно рассматривать как плотность силовых магнитных линий, проходящих через единицу площади S сечения, перпендикулярного к силовым линиям. В этом случае для произвольного однородного намагниченного образца полный магнитный поток Ф (Вб), проходящий через все сечения S

. (5)