知識準備（1）：基礎物理知識

知識點一：磁學基本概念

1.磁場

磁體與磁體之間、磁體與鐵磁性物體之間，即便是不直接接觸也有磁力作用，這是由于磁體周圍存在著磁場，磁體間的相互作用是通過磁場來實現的。磁場是磁體或通電導體周圍具有磁力作用的空間。磁場存在于磁體或通電導體的內部和周圍，導體表面的磁場最大。一般用磁力線、磁感應線、磁場強度、磁感應強度和磁通量來表示磁場的方向和大小。

2.磁力線與磁感應線

為了形象地描述磁場的大小、方向和分布情況，可以在磁場范圍內借助小磁針描述條形磁鐵的磁場分布，畫出許多條假想的連續曲線，稱為磁力線或者磁感應線。在真空中稱為磁力線，在磁介質中稱為磁感應線，如圖2-1所示。

磁力線具有以下特性：

1）磁力線是具有方向性的閉合曲線，在磁體內，磁力線是由S極到N極，在磁體外，磁力線是由N極出發，穿過空氣進入S極的閉合曲線。

2）磁力線互不相交。

3）磁力線可描述磁場的大小和方向。

4）磁力線沿磁阻最小路徑通過。

3.磁場強度

表征磁場大小和方向的物理量稱為磁場強度。磁場強度用符號H來表示，在SI單位制中，磁場強度的單位是安培/米（A/m），在CGS單位制中，磁場強度的單位是奧斯特（Oe），其換算關系為

1A/m=4π×10-3Oe≈0.0125Oe

為了形象地表示出磁場中H矢量的分布，常用磁力線來表示。磁力線上任一點的切線方向和該點H矢量的方向相同，磁力線的疏密程度代表H矢量的大小，磁力線越密，表示H越大，磁力線越疏，表示H越小。

4.磁感應強度

將原來不具有磁性的鐵磁性材料放入外加磁場內磁化，除了原來的外加磁場外，在磁化狀態下鐵磁性材料自身還產生一個感應磁場，這兩個磁場疊加起來的總磁場，稱為磁感應強度，用符號B表示。磁感應強度和磁場強度一樣，具有大小和方向，可以用磁感應線表示。通常把鐵磁性材料中的磁力線稱為磁感應線。在SI單位制中，磁感應強度的單位是特斯拉（T），在CGS單位制中，磁感應強度的單位是高斯（GS），其換算關系為

1T=104Gs

1Gs=10-4T

地球磁場的數量級大約是10-4T，嚴格地講，地球表面的磁場在赤道處的強度為0.3×10-4T，在兩極處的強度為0.6×10-4T，大型的電磁鐵能激發出約為2T的恒定磁場，超導磁體能激發出高達25T的磁場。

磁場強度與磁感應強度相同點與不同點：

相同點：矢量、都有方向和大小，可用磁力線來表示；

都是描述磁場的物理量。

不同點：H由導體中的電流或永磁體產生，與磁化物質無關；

B不僅與H有關，還與被磁化的物質有關。

5.磁通量

在磁場中，垂直通過一給定截面（或曲面）的磁力線的條數，稱為通過該截面（或曲面）的磁通量，用Φ表示，如圖2-2所示。

在SI單位制中，磁通量的單位是韋伯（Wb），在CGS單位制中，磁通量的單位是麥克斯韋（Mx），1麥克斯韋表示通過1根磁力線，兩者間換算關系為

1Wb=108Mx

6.磁導率

磁感應強度B與磁場強度H的比值稱為磁導率，或稱為絕對磁導率，用符號μ表示，B=μH。磁導率表示材料被磁化的難易程度，它反映了材料的導磁能力。在SI單位制中磁導率的單位是亨利／米（H／m）。磁導率μ不是常數，而是隨磁場大小不同而改變的變量，有最大值和最小值。

在真空中，磁導率是一個不變的恒定值，用μ0表示，稱為真空磁導率，μ0=4π×10-7H/m。在CGS單位制中，μ0=1。

為了比較各種材料的導磁能力，將任何一種材料的磁導率和真空磁導率的比稱為該物質的相對磁導率，用符號μr表示，μr為一純數，無單位。

表2-1為不同材料的相對磁導率。

7.磁介質

能影響磁場的物質稱為磁介質。各種宏觀物質對磁場都有不同程度的影響，因此一般都是磁介質。

磁介質分為順磁性材料（順磁質）、抗磁性材料（抗磁質）和鐵磁性材料（鐵磁質），抗磁性材料又叫逆磁性材料。

順磁性材料——相對磁導率μr略大于1，在外加磁場中呈現微弱磁性，并產生與外加磁場同方向的附加磁場，順磁性材料如鋁、鉻、錳，能被磁體輕微吸引。

抗磁性材料——相對磁導率μr略小于1，在外加磁場中呈現微弱磁性，并產生與外加磁場反方向的附加磁場，抗磁性材料如銅、銀、金，能被磁體輕微排斥。

鐵磁性材料——相對磁導率μr遠大于1，在外加磁場中呈現很強的磁性，并產生與外加磁場同方向的磁場，鐵磁性材料如鐵、鎳、鈷及其合金，能被磁體強烈吸引。

8.磁化

在鐵磁介質中，相鄰鐵原子中的電子間存在著非常強的交換耦合作用，這個相互作用促使相鄰原子中電子磁矩平行排列起來，形成一個自發磁化達到飽和狀態的微小區域，這些自發磁化的微小區域，稱為磁疇。在沒有外加磁場作用時，鐵磁性材料內各磁疇的磁矩方向相互抵消，對外不顯示磁性，如圖2-3a所示。當把鐵磁性材料放到外加磁場中時，磁場就會受到外加磁場的作用，一是使磁疇磁矩轉動；二是使疇壁（疇壁是相鄰磁疇的分界面）發生位移。最后全部磁疇的磁矩方向轉向與外加磁場方向一致，如圖2-3b所示，鐵磁性材料被磁化。鐵磁性材料被磁化后，就變成磁體，顯示出很強的磁性。去掉外加磁場后，磁矩出現局部轉動，但仍保留一定的剩余磁性，如圖2-3c所示。

永久磁鐵中的磁疇，在一個方向占優勢，因此形成N極和S極，能顯示出較強的磁性。

在高溫狀態下，磁體中的分子熱運動會破壞磁疇的有規則排列，使磁體的磁性削弱。超過某溫度后，磁體的磁性全部消失而呈現順磁性，實現了材料的退磁。鐵磁性材料在此溫度以上不能再被外加磁場磁化，鐵磁性材料失去原有磁性的臨界溫度稱為居里點或居里溫度。從居里點以上的高溫冷卻下來時，只要沒有外磁場的影響，材料仍然處于退磁狀態。

9.磁化曲線

初始磁化曲線是表征鐵磁性材料磁特性的曲線，用以表示B-H的關系，如圖2-4所示，它反映了材料磁化程度隨外加磁場變化的規律。

10.磁滯回線

描述磁滯現象的閉合曲線叫磁滯回線。如圖2-5所示，當鐵磁性材料在外加磁場強度作用下磁化到1點后，減小磁場強度到零，磁感應強度并不沿曲線1-0下降，而是沿曲線1-2降到2點，這種磁感應強度變化滯后于磁場強度變化的現象叫磁滯現象，它反映了磁化過程的不可逆性。當磁場強度增大到1點時，磁感應強度不再增加，得到的0-1曲線稱為初始磁化曲線，當外加磁場強度H減小到零時，保留在材料中的磁性，稱為剩余磁感應強度，簡稱剩磁，用Br表示，如圖2-5中0-2和0-5所示。為了使剩磁減小到零，必須施加反向磁場強度，使剩磁降為零所施加的反向磁場強度稱為矯頑力，用Hc表示。如圖2-5中0-3和0-6所示。

如果反向磁場強度繼續增加，材料就呈現與原來方向相反的磁性，同樣可達到飽和點m′。當H從負值減小到零時，材料具有反方向的剩磁-Br，即0-5。磁場經過零值后再向正方向增加時，為了使-Br減小到零，必須施加反向磁場強度，如圖2-5中0-6所示。磁場在正方向繼續增加時曲線回到m點，完成一個循環，如圖2-5中1-2-3-4-5-6-1所示，即材料內的磁感應強度是按照對稱于坐標原點的閉合磁化曲線變化的，這條閉合曲線稱為磁滯回線。只有交流電才產生這種磁滯回線。

在圖2-5中，±Bm為飽和磁感應強度，表示工件在飽和磁場強度±Hm磁化下B達到飽和，不再隨H的增大而增大，對應的磁疇全部轉向與磁場方向一致。α為初始磁化曲線的切線與H軸的夾角、α=arctan（B/H），α的大小反映鐵磁性材料被磁化的難易程度。

根據上面的闡述，可歸納出鐵磁性材料具有以下特性。

1）高導磁性：能在外加磁場中強烈地磁化，產生非常強的附加磁場，它的磁導率很高，相對磁導率可達數百、數千以上。

2）磁飽和性：鐵磁性材料由于磁化所產生的附加磁場，不會隨外加磁場增加而無限增加，當外加磁場達到一定程度時，全部磁疇的方向都與外加磁場的方向一致，磁感應強度B不再增加，呈現磁飽和。

3）磁滯性：當外加磁場的方向發生變化時，磁感應強度的變化滯后于磁場強度的變化。當磁場強度減小到零時，鐵磁性材料在磁化時所獲得的磁性并不完全消失，而保留了剩磁。

根據鐵磁性材料矯頑力的大小可分為軟磁材料和硬磁材料兩大類。

Hc≤400A/m（5Oe）認為是典型的軟磁材料，其磁滯回線如圖2-6a所示。

Hc≥8000A/m（100Oe）認為是典型的硬磁材料，其磁滯回線如圖2-6c所示。

一般磁粉檢測的鐵磁性材料，Hc在軟、硬磁之間，稱為半硬磁材料，其磁滯回線如圖2-6b所示。

軟磁材料和硬磁材料具有以下特征。

1）軟磁材料是指磁滯回線狹長，具有高磁導率、低剩磁、低矯頑力和低磁阻的鐵磁性材料，軟磁材料磁粉檢測時容易磁化，也容易退磁。軟磁材料有電工用純鐵、低碳鋼和軟磁鐵氧體等材料。

2）硬磁材料是指磁滯回線肥大，具有相對低磁導率、高剩磁、高矯頑力和高磁阻的鐵磁性材料。硬磁材料磁粉檢測時相對難以磁化，也難以退磁。硬磁材料有鋁鎳鈷、稀土鈷和硬磁鐵氧體等材料。

11.磁路

磁感應線所通過的閉合路徑叫磁路。

鐵磁材料被磁化后，不僅能生產附加磁場，而且還能把絕大部分磁感應線約束在一定的閉合路徑上，如圖2-7所示。

磁路定律：磁通量等于磁動勢與磁阻之比。磁力線與電流一樣，走磁阻最小的路徑。

12.磁感應線的折射

當磁通量從一種介質進入另一種介質時，它的量不變。但是如果這兩種介質的磁導率不同，那么這兩種介質中的磁感應強度就會不同，方向也會改變，這稱之為磁感應線的折射，并遵循折射定律：

tanα1/tanα2=μ1/μ2=μr1/μr2

式中 α1——磁感應線入射角（°）；

α2——磁感應線折射角（°）；

μr1——介質1中的相對磁導率；

μr2——介質2中的相對磁導率。

磁場強度的切向分量連續，磁感應強度的法向分量連續。

從磁導率特別低的介質（非磁性物質）中進入磁導率特別高的介質（鐵磁性物質）中，無論第一介質中的入射角度為多少，第二介質中的磁感應線幾乎與界面平行，而且變得密集。

從磁導率特別高的介質（鐵磁性物質）中進入磁導率特別低的介質（非磁性物質）中，無論第一介質中的入射角度為多少，第二介質中的磁感線幾乎與界面垂直，而且變得稀疏。

當磁感應線由鋼鐵進入空氣，或者由空氣進入鋼鐵，在空氣中磁感應線實際上是與界面幾乎垂直的，如圖2-8所示。這是由于鋼鐵和空氣的磁導率相差102~103的數量級的緣故。

13.漏磁場

（1）漏磁場的形成 漏磁場是在磁體的缺陷處或磁路的截面變化處，磁感應線離開或進入表面時所形成的磁場。

漏磁場形成的原因是由于空氣的磁導率遠遠低于鐵磁性材料的磁導率。如果在磁化了的鐵磁性工件上存在著不連續性或裂紋，則磁感應線優先通過磁導率高的工件，這就迫使部分磁感應線從缺陷下面繞過，形成磁感應線的壓縮。但是，工件上這部分可容納的磁感應線數目也是有限的，又由于同性磁感應線相斥，所以，一部分磁感應線從不連續中穿過，另一部分磁感應線遵從折射定律幾乎從工件表面垂直地進入空氣中，繞過缺陷又折回工件，形成了漏磁場。

（2）缺陷的漏磁場分布 假設缺陷為一矩形，在矩形的中心，水平分量有一極大值，垂直分量為零，離開中心后，水平分量迅速減小，垂直分量達到一極大值后逐漸減小。如圖2-9a所示為水平分量，圖2-9b所示為垂直分量，如果將兩個分量合成則可得到如圖2-9c所示的漏磁場。

缺陷處產生漏磁場，我們并看不到，所以就必須有顯示或檢測漏磁場的手段，磁粉檢測就是在工件表面施加磁粉或磁懸液，通過磁粉的聚集來顯示漏磁場的存在。漏磁場對磁粉的吸引可看成是磁極的作用，磁感應線離開和進入磁性材料的區域形成N極和S極，如果有磁粉在磁極區通過，則將被磁化，也呈現N極和S極。這樣磁粉的兩極就與漏磁場的兩極相互作用（同性磁極相斥，異性磁極相吸），磁粉就被吸引到漏磁場區，顯示缺陷的形狀和大小。由于漏磁場的寬度比缺陷的實際寬度大數倍至數十倍，所以磁痕比實際缺陷寬很多，將缺陷放大，很容易觀察出來，如圖2-10所示。

（3）影響漏磁場的因素 缺陷處吸引磁粉的多少取決于漏磁場的強弱，漏磁場的強弱與下列因素有關。

1）外加磁場的影響。缺陷的漏磁場大小與工件磁化程度有關，從鐵磁性材料的磁化曲線得知，外加磁場大小和方向直接影響磁感應強度的變化。一般來說，外加磁場強度一定要大于Hμm，即選擇在產生最大磁導率μm對應的Hμm點右側的磁場強度值，此時磁導率減小，磁阻增大，漏磁場增大。當鐵磁性材料的磁感應強度達到飽和值的80%左右時，漏磁場便會迅速增大。

2）缺陷的影響。

第一，位置的影響：缺陷的埋藏深度，即缺陷上端距工件表面的距離，對漏磁場產生有很大的影響。同樣的缺陷，位于工件表面時，產生的漏磁場大；位于工件的近表面，產生的漏磁場顯著減小；若位于距工件表面很深的位置，則工件表面幾乎沒有漏磁場存在。

因此，在檢測時，表面缺陷靈敏度高，近表面缺陷靈敏度低。

第二，取向的影響：缺陷的可檢出性取決于缺陷延伸方向與磁場方向的夾角，圖2-11為漏磁場與缺陷傾角的關系。當缺陷垂直于磁場方向時，漏磁場最大，也最有利于缺陷的檢出，靈敏度最高，隨著夾角由90°減小，靈敏度下降；當缺陷與磁場方向平行或夾角小于30°時，則幾乎不產生漏磁場，不能檢出缺陷。

第三，深寬比的影響：同樣寬度的表面缺陷，如果深度不同，產生的漏磁場也不同。在一定范圍內，漏磁場的增加與缺陷深度的增加幾乎呈線性關系；但當深度增大到一定值后，漏磁場的增加變得緩慢下來。

當缺陷的寬度很小時，漏磁場隨著寬度的增加而增加，并在缺陷中心形成一條磁痕；但當缺陷的寬度很大時，漏磁場反而下降，如又淺又寬的表面劃傷，產生的漏磁場就很小，只在缺陷兩側形成磁痕，缺陷根部則沒有磁痕顯示。

缺陷的深寬比是影響漏磁場的一個重要因素，通常缺陷的深寬比越大，漏磁場越大，缺陷越容易檢出。

3）表面覆蓋層的影響。工件表面覆蓋層極易導致漏磁場的下降，當工件表面有鍍層、氧化皮、油污、油漆等覆蓋時，檢測靈敏度會降低，如圖2-12和圖2-13所示。

除此之外，工件表面粗糙度大（光潔度差）、表面凹凸不平（平整度差或有油污、銹斑等污物），均會影響磁粉或磁懸液的流動性，使檢測靈敏度下降，甚至造成非缺陷顯示、雜亂顯示。

一般要求被檢工件表面應沒有涂層，但薄而均勻的涂層也可以進行磁粉檢測。如果需要電極接觸，則必須除掉非導電涂層。

4）工件材料及狀態的影響。鋼材的磁化曲線是隨合金成分特別是碳含量、加工狀態及熱處理狀態而變化的，因此各種材料要達到磁飽和狀態所需的磁場強度也是不同的。所以同樣的磁場強度下，由于材料的磁特性不同，缺陷處的漏磁場也是不同的。

第一，晶粒大小的影響。

晶粒大，磁導率大，矯頑力小；相反，晶粒小，磁導率小，矯頑力大。

晶粒大，磁疇大，邊界少，磁化時磁疇容易轉動，所以磁導率大，容易磁化。

第二，碳含量，加入合金元素的影響。

碳含量增加，Hc幾乎成線性增加，而最大磁導率降低，隨著碳含量的增加，鋼材逐漸變硬，不容易磁化，也不容易退磁。

加入合金元素也是使材料變硬，Hc增加，μm下降。

當鋼種的熱處理狀態相同或近似的情況下，隨著鋼中碳含量和合金組元及其含量的增加，各磁性參數及部分磁特性曲線基本符合如下的變化規律：①最大磁導率μm下降。②矯頑力增大。③出現最大磁導率所對應的磁場Hμm增大。④最大磁感應強度Bm有下降的趨勢。⑤磁滯回線變得肥大。

第三，熱處理狀態的影響。

在化學成分相同的情況下，不同的熱處理狀態對磁性參數及部分磁特性曲線的影響如下：①退火狀態的最大磁導率μm和最大磁感應強度Bm比正火或淬火后回火狀態下μm和Bm高，而矯頑力Hc、最大磁能積（HB）max和出現最大磁導率所對應的磁場強度Hμm等參數，其退火狀態均較正火狀態或淬火后回火狀態的相應參數為低。②淬火后隨回火溫度的升高，各參數及部分磁特性曲線基本符合如下變化規律：

a.最大磁導率μm增大。

b.矯頑力下降。

c.出現最大磁導率所對應的磁場Hμm減小。

d.最大磁感應強度Bm增大的趨勢。

e.磁滯回線變得狹窄。

第四，冷加工的影響。壓縮變形率增加，剩磁增大，矯頑力增大。