知識準(zhǔn)備（1）：基礎(chǔ)物理知識

知識點(diǎn)一：磁學(xué)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(shí)現(xiàn)的。磁場是磁體或通電導(dǎo)體周圍具有磁力作用的空間。磁場存在于磁體或通電導(dǎo)體的內(nèi)部和周圍，導(dǎo)體表面的磁場最大。一般用磁力線、磁感應(yīng)線、磁場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通量來表示磁場的方向和大小。

2.磁力線與磁感應(yīng)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(nèi)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(xù)曲線，稱為磁力線或者磁感應(yīng)線。在真空中稱為磁力線，在磁介質(zhì)中稱為磁感應(yīng)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(nèi)，磁力線是由S極到N極，在磁體外，磁力線是由N極出發(fā)，穿過空氣進(jìn)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(qiáng)度

表征磁場大小和方向的物理量稱為磁場強(qiáng)度。磁場強(qiáng)度用符號H來表示，在SI單位制中，磁場強(qiáng)度的單位是安培/米（A/m），在CGS單位制中，磁場強(qiáng)度的單位是奧斯特（Oe），其換算關(guān)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(diǎn)的切線方向和該點(diǎn)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(yīng)強(qiáng)度

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

1T=104Gs

1Gs=10-4T

地球磁場的數(shù)量級大約是10-4T，嚴(yán)格地講，地球表面的磁場在赤道處的強(qiáng)度為0.3×10-4T，在兩極處的強(qiáng)度為0.6×10-4T，大型的電磁鐵能激發(fā)出約為2T的恒定磁場，超導(dǎo)磁體能激發(fā)出高達(dá)25T的磁場。

磁場強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度相同點(diǎn)與不同點(diǎn)：

相同點(diǎn)：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(diǎn)：H由導(dǎo)體中的電流或永磁體產(chǎn)生，與磁化物質(zhì)無關(guān)；

B不僅與H有關(guān)，還與被磁化的物質(zhì)有關(guān)。

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(shù)，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(guān)系為

1Wb=108Mx

6.磁導(dǎo)率

磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H的比值稱為磁導(dǎo)率，或稱為絕對磁導(dǎo)率，用符號μ表示，B=μH。磁導(dǎo)率表示材料被磁化的難易程度，它反映了材料的導(dǎo)磁能力。在SI單位制中磁導(dǎo)率的單位是亨利／米（H／m）。磁導(dǎo)率μ不是常數(shù)，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(dǎo)率是一個不變的恒定值，用μ0表示，稱為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7H/m。在CGS單位制中，μ0=1。

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

表2-1為不同材料的相對磁導(dǎo)率。

7.磁介質(zhì)

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

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

順磁性材料——相對磁導(dǎo)率μr略大于1，在外加磁場中呈現(xiàn)微弱磁性，并產(chǎn)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(dǎo)率μr略小于1，在外加磁場中呈現(xiàn)微弱磁性，并產(chǎn)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(dǎo)率μr遠(yuǎn)大于1，在外加磁場中呈現(xiàn)很強(qiáng)的磁性，并產(chǎn)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(qiáng)烈吸引。

8.磁化

在鐵磁介質(zhì)中，相鄰鐵原子中的電子間存在著非常強(qiáng)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(fā)磁化達(dá)到飽和狀態(tài)的微小區(qū)域，這些自發(fā)磁化的微小區(qū)域，稱為磁疇。在沒有外加磁場作用時，鐵磁性材料內(nèi)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(dāng)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(zhuǎn)動；二是使疇壁（疇壁是相鄰磁疇的分界面）發(fā)生位移。最后全部磁疇的磁矩方向轉(zhuǎn)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(qiáng)的磁性。去掉外加磁場后，磁矩出現(xiàn)局部轉(zhuǎn)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(yōu)勢，因此形成N極和S極，能顯示出較強(qiáng)的磁性。

在高溫狀態(tài)下，磁體中的分子熱運(yùn)動會破壞磁疇的有規(guī)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(xiàn)順磁性，實(shí)現(xiàn)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(diǎn)或居里溫度。從居里點(diǎn)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(tài)。

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(guān)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(guī)律。

10.磁滯回線

描述磁滯現(xiàn)象的閉合曲線叫磁滯回線。如圖2-5所示，當(dāng)鐵磁性材料在外加磁場強(qiáng)度作用下磁化到1點(diǎn)后，減小磁場強(qiáng)度到零，磁感應(yīng)強(qiáng)度并不沿曲線1-0下降，而是沿曲線1-2降到2點(diǎn)，這種磁感應(yīng)強(qiáng)度變化滯后于磁場強(qiáng)度變化的現(xiàn)象叫磁滯現(xiàn)象，它反映了磁化過程的不可逆性。當(dāng)磁場強(qiáng)度增大到1點(diǎn)時，磁感應(yīng)強(qiáng)度不再增加，得到的0-1曲線稱為初始磁化曲線，當(dāng)外加磁場強(qiáng)度H減小到零時，保留在材料中的磁性，稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)度，使剩磁降為零所施加的反向磁場強(qiáng)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(qiáng)度繼續(xù)增加，材料就呈現(xiàn)與原來方向相反的磁性，同樣可達(dá)到飽和點(diǎn)m′。當(dāng)H從負(fù)值減小到零時，材料具有反方向的剩磁-Br，即0-5。磁場經(jīng)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(qiáng)度，如圖2-5中0-6所示。磁場在正方向繼續(xù)增加時曲線回到m點(diǎn)，完成一個循環(huán)，如圖2-5中1-2-3-4-5-6-1所示，即材料內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度是按照對稱于坐標(biāo)原點(diǎn)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(chǎn)生這種磁滯回線。

在圖2-5中，±Bm為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，表示工件在飽和磁場強(qiáng)度±Hm磁化下B達(dá)到飽和，不再隨H的增大而增大，對應(yīng)的磁疇全部轉(zhuǎn)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(jù)上面的闡述，可歸納出鐵磁性材料具有以下特性。

1）高導(dǎo)磁性：能在外加磁場中強(qiáng)烈地磁化，產(chǎn)生非常強(qiáng)的附加磁場，它的磁導(dǎo)率很高，相對磁導(dǎo)率可達(dá)數(shù)百、數(shù)千以上。

2）磁飽和性：鐵磁性材料由于磁化所產(chǎn)生的附加磁場，不會隨外加磁場增加而無限增加，當(dāng)外加磁場達(dá)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(yīng)強(qiáng)度B不再增加，呈現(xiàn)磁飽和。

3）磁滯性：當(dāng)外加磁場的方向發(fā)生變化時，磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化滯后于磁場強(qiáng)度的變化。當(dāng)磁場強(qiáng)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(jù)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(rèn)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(rèn)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(chǎn)附加磁場，而且還能把絕大部分磁感應(yīng)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(yīng)線的折射

當(dāng)磁通量從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時，它的量不變。但是如果這兩種介質(zhì)的磁導(dǎo)率不同，那么這兩種介質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度就會不同，方向也會改變，這稱之為磁感應(yīng)線的折射，并遵循折射定律：

tanα1/tanα2=μ1/μ2=μr1/μr2

式中 α1——磁感應(yīng)線入射角（°）；

α2——磁感應(yīng)線折射角（°）；

μr1——介質(zhì)1中的相對磁導(dǎo)率；

μr2——介質(zhì)2中的相對磁導(dǎo)率。

磁場強(qiáng)度的切向分量連續(xù)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的法向分量連續(xù)。

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

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

當(dāng)磁感應(yīng)線由鋼鐵進(jìn)入空氣，或者由空氣進(jìn)入鋼鐵，在空氣中磁感應(yīng)線實(shí)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(dǎo)率相差102~103的數(shù)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(yīng)線離開或進(jìn)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(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鐵磁性材料的磁導(dǎo)率。如果在磁化了的鐵磁性工件上存在著不連續(xù)性或裂紋，則磁感應(yīng)線優(yōu)先通過磁導(dǎo)率高的工件，這就迫使部分磁感應(yīng)線從缺陷下面繞過，形成磁感應(yīng)線的壓縮。但是，工件上這部分可容納的磁感應(yīng)線數(shù)目也是有限的，又由于同性磁感應(yīng)線相斥，所以，一部分磁感應(yīng)線從不連續(xù)中穿過，另一部分磁感應(yīng)線遵從折射定律幾乎從工件表面垂直地進(jìn)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(shè)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(dá)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(chǎn)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(yīng)線離開和進(jìn)入磁性材料的區(qū)域形成N極和S極，如果有磁粉在磁極區(qū)通過，則將被磁化，也呈現(xiàn)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(qū)，顯示缺陷的形狀和大小。由于漏磁場的寬度比缺陷的實(shí)際寬度大數(shù)倍至數(shù)十倍，所以磁痕比實(shí)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(qiáng)弱，漏磁場的強(qiáng)弱與下列因素有關(guān)。

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(guān)，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(yīng)強(qiáng)度的變化。一般來說，外加磁場強(qiáng)度一定要大于Hμm，即選擇在產(chǎn)生最大磁導(dǎo)率μm對應(yīng)的Hμm點(diǎn)右側(cè)的磁場強(qiáng)度值，此時磁導(dǎo)率減小，磁阻增大，漏磁場增大。當(dāng)鐵磁性材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)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(chǎn)生有很大的影響。同樣的缺陷，位于工件表面時，產(chǎn)生的漏磁場大；位于工件的近表面，產(chǎn)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(guān)系。當(dāng)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(dāng)缺陷與磁場方向平行或夾角小于30°時，則幾乎不產(chǎn)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(chǎn)生的漏磁場也不同。在一定范圍內(nèi)，漏磁場的增加與缺陷深度的增加幾乎呈線性關(guān)系；但當(dāng)深度增大到一定值后，漏磁場的增加變得緩慢下來。

當(dāng)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(dāng)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(chǎn)生的漏磁場就很小，只在缺陷兩側(cè)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(dǎo)致漏磁場的下降，當(dāng)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(yīng)沒有涂層，但薄而均勻的涂層也可以進(jìn)行磁粉檢測。如果需要電極接觸，則必須除掉非導(dǎo)電涂層。

4）工件材料及狀態(tài)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(tài)及熱處理狀態(tài)而變化的，因此各種材料要達(dá)到磁飽和狀態(tài)所需的磁場強(qiáng)度也是不同的。所以同樣的磁場強(qiáng)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(dǎo)率大，矯頑力小；相反，晶粒小，磁導(dǎo)率小，矯頑力大。

晶粒大，磁疇大，邊界少，磁化時磁疇容易轉(zhuǎn)動，所以磁導(dǎo)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(dǎo)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(dāng)鋼種的熱處理狀態(tài)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(shù)及部分磁特性曲線基本符合如下的變化規(guī)律：①最大磁導(dǎo)率μm下降。②矯頑力增大。③出現(xiàn)最大磁導(dǎo)率所對應(yīng)的磁場Hμm增大。④最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm有下降的趨勢。⑤磁滯回線變得肥大。

第三，熱處理狀態(tài)的影響。

在化學(xué)成分相同的情況下，不同的熱處理狀態(tài)對磁性參數(shù)及部分磁特性曲線的影響如下：①退火狀態(tài)的最大磁導(dǎo)率μm和最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm比正火或淬火后回火狀態(tài)下μm和Bm高，而矯頑力Hc、最大磁能積（HB）max和出現(xiàn)最大磁導(dǎo)率所對應(yīng)的磁場強(qiáng)度Hμm等參數(shù)，其退火狀態(tài)均較正火狀態(tài)或淬火后回火狀態(tài)的相應(yīng)參數(shù)為低。②淬火后隨回火溫度的升高，各參數(shù)及部分磁特性曲線基本符合如下變化規(guī)律：

a.最大磁導(dǎo)率μm增大。

b.矯頑力下降。

c.出現(xiàn)最大磁導(dǎo)率所對應(yīng)的磁場Hμm減小。

d.最大磁感應(yīng)強(qiáng)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。