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1、试验研究 工件表面点状缺陷磁痕的 形状和大小3 仲维畅 (南京燃气轮机研究所,南京 210037) 摘 要 推断出工件表面点状缺陷磁痕的形状取决于磁粉载体的介质阻尼力,磁痕大小取决 于缺陷等效长方槽的体积、 工件和磁粉材料的磁化特性、 磁场强度、 磁粉长度和横截面积以及载体 介质的阻尼特性等。 主题词 磁粉检验 缺陷 阻尼 形状 SHAPE AND D I M ENSI ON OF THEMAGNETIC PARTICLE IND ICATI ONSOF PO INT-TYPE DEFECTSONWORKPIECE SURFACE Zhong Weichang (N anjing Gas Tu
2、rbine Research Institute) Abstract It was deduced that the shapes of magnetic particle indications of point2type defects on workpiece surface depended on the resistance of carrier medium, and their di mensions depended on the volume of the defect equivalent cuboid, themagnetising charactersofworkpie
3、ces andmagnetic particles, the strength ofmagnetic field, the lengths and sections of magnetic particles and the resistance character of carrier medium. Keywords M agnetic particle inspection Defect Resistance Shape 铁磁性材料工件表面的点状缺陷(麻点、 气孔、 夹渣、 凹坑、 缩孔、 缩管、 发纹和细小裂缝等)在磁粉 探伤中常呈现为一种圆形磁痕1 3。这类缺陷虽不 及大裂缝那样危险
4、,但因它们常是形成工件损坏的 疲劳源,故也不允忽视。1979年10月我们对某热电 厂300余汽轮机叶片进行了磁粉探伤,发现几乎每 片均有麻点,少数还有微细裂纹。该厂不敢再用,静 置数月后发现其中有些竟自行开裂,可见其危害性, 但用磁粉检验评价圆形缺陷,历来就是极其困难 的4,作者迄今尚未看到有关这方面的文献,只在日 本工业标准J IS G0565- 19745中见过一张说明圆 形磁痕最大长度的示意图(图 1) 。为了能由磁粉探 伤的结果定量判断工件表面点状缺陷的危害程度, 必须首先弄清楚缺陷与其磁痕形状和大小之间的关 系,故对图 1a 中的磁痕进行了研究。 1 理论基础 工件表面点状缺陷的漏磁
5、场在一级近似中可用 3国家自然科学基金资助项目 图1 圆形磁痕的最大长度 图2 磁偶极子的磁力线和磁桥、 磁须 磁偶极子所产生的场强来表达6,而后者的x分量 Hx和y分量Hy在xOy平面上的任意点P(x,y)分 52 第22卷第1期 2 0 0 0年1月 无损检测 NDT Vol . 22 No. 1 Jan. 2 0 0 0 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 别为7(图 2) Hx= Qm 4 0 x- L 2 x- L 2 2 +y 2
6、3 2 - x+ L 2 x+ L 2 2 +y 2 3 2 (1) Hy= Qmy 4 0 1 x- L 2 2 +y 2 3 2 - 1 x+ L 2 2 +y 2 3 2(2) 式中 Qm偶极子的磁荷量,W b L两磁极点间的距离 ,m 0真空磁导率 0= 4 10 - 7H? m 依据电磁理论8,偶极子在xOy平面上的磁力 线方程为 x- L 2 x- L 2 2 +y 2 1 2 - x+ L 2 x+ L 2 2 +y 2 1 2 =K (3) 式中 K任意常数 当K取不同的数值时,式(3)即代表xOy平面上不 同的磁力线(图2),将图2绕Ox轴旋转一周,则得 到偶极子在三维空间中
7、的磁力线分布。 2 磁粉受到的磁力 作者曾经论述过7, 9,每颗磁粉上受到的磁力 Fm为 Fm=qm(H+-H-)(4) 式中 qm一颗磁粉磁化后的磁荷量,W b H+,H-磁粉颗粒上正、 负磁极处的磁场强度 (图3),A?m 工件表面点状缺陷的漏磁场作用在任一颗磁粉 上的磁场力可由图 4a 说明,其中的曲线为Hx和 Hy的空间分布(即式(1) , (2) ) 7, 9, l是磁粉的最大 图3 磁粉上所受的磁力 图4 磁粉在偶极子磁场中受到的磁力 长度。如果已知l,由式(4)和Hx,Hy的特性曲 线7, 9就可画出磁粉所受磁力的空间分布图,如图 4c 和d所示。 3 磁痕的形状 作者曾指出,磁
8、粉必然在偶极子两磁极间搭起 “磁桥”,在两磁极外侧形成 “磁须” 7, 9 (图 2) 。且这 些首尾相连的磁粉颗粒处于稳定状态时都沿着漏磁 场的磁力线分布,因为只有这样各颗磁粉间相互作 用的磁场力才能够处于稳定平衡中。 由图4c, d可见,磁粉靠近偶极子的磁极时受到 的磁场力非常大,而距离极点稍远磁场力便急剧减 少。所以只有在距极点D的范围内,磁粉所受的 磁场力Fm超过载体介质(空气干法,载液 湿法)摩擦阻尼力R,这样才能有足够多的磁粉颗粒 向缺陷运动,并在其上堆积出可见磁痕来10,即必 须满足 FmR(5) 或qm(H+-H-)R 文献11指出,磁偶极子磁场的等强度线可依 其数值的大小分成
9、三类不同的卵形曲线(图 5) 。由 图 4( H+-H-)的x,y分量曲线(图4c, d)与Hx, Hy曲线(图4a, b)相近似,故可推知(H+-H-)的 空间分布曲线亦应与等H值线相仿。 综上所述,工件表面点状缺陷上磁痕的形状由 偶极子的磁力线和等H值线共同决定,当阻尼力小 62 仲维畅:工件表面点状缺陷磁痕的形状和大小 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 图5 等H线 时,为一条包围着偶极子且中间凹下的卵形线(图 6a ); 阻尼力达某定
10、值时,呈类似双扭线的一条曲线 (图 6b ); 而当阻尼力很大时,则分裂成分别包围着 两个磁极点的两条非对称卵形线(图 6c )。 图6 三种类型的磁痕 4 磁痕的大小 真实的点状缺陷并非 “几何点”,而是具有一定 的体积,且其宽度一般较小,长宽比大约 34,故作 为二级近似,可将其看作等效长方槽(图7),L,w,d 分别为其长、 宽和深。由电磁学知,磁化场H0在与 其垂直的端面上(图 7) 将激励出磁荷10, 12 Qm=0m1w dH0(6) 式中 m1工件材料的磁化率,为一纯数 图7 点状缺陷的 “等效长方槽” 将式(6)代入式(1), (2)得 Hx= m1w dH0 4 (x,y,L
11、) (1 ) Hy= m1w dH0 4 (x,y,L) (2 ) 由上两式可知 H= m1w dH0 4 2 (x,y,L ) + 2(x ,y,L ) 1 2(7) 假设磁粉均是长度为l、 横截面积为S的棒状 小磁针,则缺陷漏磁场H在磁粉颗粒上激出的磁荷 qm为 10 qm=0m2SH(8) 式中 m2磁粉材料的磁化率,是一个纯数 将式(7), (8)代入式(4)得 Fm= 0m1m2w dSH0 4 (x,y,L ) - (x+lcos,y+lsin,L ) 2 + (x,y,L ) - (x+lcos,y+lsin,L ) 21 2 2 (x,y,L ) + 2(x ,y,L ) 1
12、2 Fm= 0m1m2w dSH0 4 (x,y,L,l,)(9) 式中 磁粉与x轴的夹角 由式(5)和(9)可得决定磁痕大小的条件应为 0m1m2w dSH0 4 (x,y,L,l,)R(10) 式(10)说明,工件表面点状缺陷上磁痕的大小 取决于缺陷等效长方槽的长L、 宽w、 深d、 工件的 磁化率 m1、 磁粉的磁化率 m2、 长度l、 横截面积S、 磁化场强度H0、 载体介质的阻尼力R以及磁粉的 取向 等。 5 结论 (1)工件表面点状缺陷的漏磁场可用磁偶极子 作一级近似,再用等效长方槽作二级近似。 (2)点状缺陷磁痕的形状取决于磁粉载体介质 的阻尼力,阻尼力小时,磁痕呈一条包围着偶极
13、子两 极点且中间凹下的卵形线;阻尼力达到某一定值时, 磁痕为一条包围着两极点的类似双扭线;阻尼力很 大时,则分裂成两条各自围绕一个极点的自由落体 液滴状线。 (3)点状缺陷上磁痕的大小取决于缺陷等效长 方槽的体积、 工件和磁粉材料的磁化特性、 磁化场的 强度、 磁粉颗粒的长度、 横截面积和取向以及载体介 质的阻尼特性等。 参考文献 1 中国机械工程学会无损检测学会.磁粉探伤.北京:机械 工业出版社, 1987. 2 A STM E109- 63 干磁粉探伤标准方法 3 H insley JF. NondestructiveTesting.London: M acDonald & EvansL
14、td. , 1959. 4 ND IS 3402- 71 钢铁材料的磁粉探伤试验方法 (下转第47页) 72 仲维畅:工件表面点状缺陷磁痕的形状和大小 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 (2)面状缺陷(如裂纹、 未熔合、 未焊透和冷隔 等) 这类缺陷的基本特点是断面上宽度很小,具有 很大的深宽比,一般具有特定的延伸方向。 (3)条状缺陷(如条状夹渣和条状气孔等) 这 类缺陷的断面近似为圆形,具有一定的长度。 (4)体积状缺陷(如缩孔、 大夹杂
15、物和大气孔 等) 这类缺陷具有较大的体积,可认为无特定的延 伸方向。 缺陷检验灵敏度是指在一定的射线照相技术下 可识别的缺陷最小尺寸。影响缺陷检验灵敏度的因 素包括射线照相技术、 缺陷本身的性质、 缺陷的形状 和尺寸、 工件特性(几何形状等)及缺陷在工件中的 位置。对上述四类缺陷可分别用不同细节的可识别 性公式估计其缺陷检验灵敏度。 关于射线照相技术对缺陷,特别是对裂纹的检 验能力曾进行了大量理论和试验研究,得到的主要 结果有: 若 = 0,WUt,则 lw= - 2. 3FD (1 + n) G Ut 最大可检验的裂纹角度 sin ( max ) = 3w 2T - Ut l 裂纹缺陷检验灵
16、敏度与丝型象质计灵敏度的关系 lw= 0. 8d 2 1 + d U 日本的一些研究者从试验中概括出下面的关系 lw=Kd 3 K与角度 的关系见图123。英国国家标准BS 72571989在其附录E中给出了下列关系: 图123 K与角度 的关系 (1)气孔可检出直径d与阶梯孔象质计灵敏度 Sh的关系 d= 3 2 ShT 式中 T工件厚度 (2)夹渣可检出尺寸d与阶梯孔象质计灵敏度 Sh的关系(工件厚度T较小时) d= 3ShT (3)平面状缺陷可检出尺寸与射线技术、 对比 度、 不清晰度等存在着复杂的关系。 收稿日期: 1999208210 (上接第16页) surface inspect
17、ion.Steel T i mes International, 1998, 22 (3): 30 5 David G Park, M artin P L evoi, Haneghem A I van. Practical application of on2line hotstripinspection system at hoogovens .Iron and Steel Engineer, 1995, 72 (7): 40- 43 6 BindraA. SpeedierADCspickup more bits and samples . ElectronicDesign, 1999, 4
18、7(2): 66- 74 7 钟玉琢,乔秉新,李树青.机器人视觉技术.北京:国防工 业出版社, 1994. 8 张大鹏.模式识别与图象处理并行计算机系统设计.哈尔 滨:哈尔滨工业大学出版社, 1998. 9 Keinosuke Fukunaga,Raymond R Hayes .Effect of sample size in classifier design.IEEE T rans Pattern A nalM achine Intell, 1989, 11(8): 873- 885 收稿日期: 1999208217 (上接第27页) 5 J IS G0565- 1974 钢铁材料的磁粉探
19、伤试验方法和缺 陷磁痕的等级分类 6 , . 2 . , 1966, 2(5): 50- 65 7 仲维畅.磁偶极子与磁粉探伤.无损检测, 1990, 12(3): 66 - 70 8 王先冲.电磁场理论与应用.北京:科学出版社, 1986. 9 Zhong W eichang. M agnetic particle inspectiona newtheory.The British Journal of Nondestructive Testing, 1993, 35(2): 68- 74 10 仲维畅.磁化场方向影响磁粉显现缺陷的理论.无损检 测, 1995, 17(5): 138- 143 11 仲维畅,殷 璇,傅国耀.磁偶极子磁场的等强度线.无 损检测, 21(3): 124- 125 12 赵凯华,陈熙谋.电磁学.北京:高等教育出版社, 1978. 收稿日期: 1996209202 74 郑世才:第一讲 射线照相检验技术的基础 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载