知识准备（1）：基础物理知识

知识点一：磁学基本概念

1.磁场

磁体与磁体之间、磁体与铁磁性物体之间，即便是不直接接触也有磁力作用，这是由于磁体周围存在着磁场，磁体间的相互作用是通过磁场来实现的。磁场是磁体或通电导体周围具有磁力作用的空间。磁场存在于磁体或通电导体的内部和周围，导体表面的磁场最大。一般用磁力线、磁感应线、磁场强度、磁感应强度和磁通量来表示磁场的方向和大小。

2.磁力线与磁感应线

为了形象地描述磁场的大小、方向和分布情况，可以在磁场范围内借助小磁针描述条形磁铁的磁场分布，画出许多条假想的连续曲线，称为磁力线或者磁感应线。在真空中称为磁力线，在磁介质中称为磁感应线，如图2-1所示。

磁力线具有以下特性：

1）磁力线是具有方向性的闭合曲线，在磁体内，磁力线是由S极到N极，在磁体外，磁力线是由N极出发，穿过空气进入S极的闭合曲线。

2）磁力线互不相交。

3）磁力线可描述磁场的大小和方向。

4）磁力线沿磁阻最小路径通过。

3.磁场强度

表征磁场大小和方向的物理量称为磁场强度。磁场强度用符号H来表示，在SI单位制中，磁场强度的单位是安培/米（A/m），在CGS单位制中，磁场强度的单位是奥斯特（Oe），其换算关系为

1A/m=4π×10-3Oe≈0.0125Oe

为了形象地表示出磁场中H矢量的分布，常用磁力线来表示。磁力线上任一点的切线方向和该点H矢量的方向相同，磁力线的疏密程度代表H矢量的大小，磁力线越密，表示H越大，磁力线越疏，表示H越小。

4.磁感应强度

将原来不具有磁性的铁磁性材料放入外加磁场内磁化，除了原来的外加磁场外，在磁化状态下铁磁性材料自身还产生一个感应磁场，这两个磁场叠加起来的总磁场，称为磁感应强度，用符号B表示。磁感应强度和磁场强度一样，具有大小和方向，可以用磁感应线表示。通常把铁磁性材料中的磁力线称为磁感应线。在SI单位制中，磁感应强度的单位是特斯拉（T），在CGS单位制中，磁感应强度的单位是高斯（GS），其换算关系为

1T=104Gs

1Gs=10-4T

地球磁场的数量级大约是10-4T，严格地讲，地球表面的磁场在赤道处的强度为0.3×10-4T，在两极处的强度为0.6×10-4T，大型的电磁铁能激发出约为2T的恒定磁场，超导磁体能激发出高达25T的磁场。

磁场强度与磁感应强度相同点与不同点：

相同点：矢量、都有方向和大小，可用磁力线来表示；

都是描述磁场的物理量。

不同点：H由导体中的电流或永磁体产生，与磁化物质无关；

B不仅与H有关，还与被磁化的物质有关。

5.磁通量

在磁场中，垂直通过一给定截面（或曲面）的磁力线的条数，称为通过该截面（或曲面）的磁通量，用Φ表示，如图2-2所示。

在SI单位制中，磁通量的单位是韦伯（Wb），在CGS单位制中，磁通量的单位是麦克斯韦（Mx），1麦克斯韦表示通过1根磁力线，两者间换算关系为

1Wb=108Mx

6.磁导率

磁感应强度B与磁场强度H的比值称为磁导率，或称为绝对磁导率，用符号μ表示，B=μH。磁导率表示材料被磁化的难易程度，它反映了材料的导磁能力。在SI单位制中磁导率的单位是亨利／米（H／m）。磁导率μ不是常数，而是随磁场大小不同而改变的变量，有最大值和最小值。

在真空中，磁导率是一个不变的恒定值，用μ0表示，称为真空磁导率，μ0=4π×10-7H/m。在CGS单位制中，μ0=1。

为了比较各种材料的导磁能力，将任何一种材料的磁导率和真空磁导率的比称为该物质的相对磁导率，用符号μr表示，μr为一纯数，无单位。

表2-1为不同材料的相对磁导率。

7.磁介质

能影响磁场的物质称为磁介质。各种宏观物质对磁场都有不同程度的影响，因此一般都是磁介质。

磁介质分为顺磁性材料（顺磁质）、抗磁性材料（抗磁质）和铁磁性材料（铁磁质），抗磁性材料又叫逆磁性材料。

顺磁性材料——相对磁导率μr略大于1，在外加磁场中呈现微弱磁性，并产生与外加磁场同方向的附加磁场，顺磁性材料如铝、铬、锰，能被磁体轻微吸引。

抗磁性材料——相对磁导率μr略小于1，在外加磁场中呈现微弱磁性，并产生与外加磁场反方向的附加磁场，抗磁性材料如铜、银、金，能被磁体轻微排斥。

铁磁性材料——相对磁导率μr远大于1，在外加磁场中呈现很强的磁性，并产生与外加磁场同方向的磁场，铁磁性材料如铁、镍、钴及其合金，能被磁体强烈吸引。

8.磁化

在铁磁介质中，相邻铁原子中的电子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子中电子磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的微小区域，这些自发磁化的微小区域，称为磁畴。在没有外加磁场作用时，铁磁性材料内各磁畴的磁矩方向相互抵消，对外不显示磁性，如图2-3a所示。当把铁磁性材料放到外加磁场中时，磁场就会受到外加磁场的作用，一是使磁畴磁矩转动；二是使畴壁（畴壁是相邻磁畴的分界面）发生位移。最后全部磁畴的磁矩方向转向与外加磁场方向一致，如图2-3b所示，铁磁性材料被磁化。铁磁性材料被磁化后，就变成磁体，显示出很强的磁性。去掉外加磁场后，磁矩出现局部转动，但仍保留一定的剩余磁性，如图2-3c所示。

永久磁铁中的磁畴，在一个方向占优势，因此形成N极和S极，能显示出较强的磁性。

在高温状态下，磁体中的分子热运动会破坏磁畴的有规则排列，使磁体的磁性削弱。超过某温度后，磁体的磁性全部消失而呈现顺磁性，实现了材料的退磁。铁磁性材料在此温度以上不能再被外加磁场磁化，铁磁性材料失去原有磁性的临界温度称为居里点或居里温度。从居里点以上的高温冷却下来时，只要没有外磁场的影响，材料仍然处于退磁状态。

9.磁化曲线

初始磁化曲线是表征铁磁性材料磁特性的曲线，用以表示B-H的关系，如图2-4所示，它反映了材料磁化程度随外加磁场变化的规律。

10.磁滞回线

描述磁滞现象的闭合曲线叫磁滞回线。如图2-5所示，当铁磁性材料在外加磁场强度作用下磁化到1点后，减小磁场强度到零，磁感应强度并不沿曲线1-0下降，而是沿曲线1-2降到2点，这种磁感应强度变化滞后于磁场强度变化的现象叫磁滞现象，它反映了磁化过程的不可逆性。当磁场强度增大到1点时，磁感应强度不再增加，得到的0-1曲线称为初始磁化曲线，当外加磁场强度H减小到零时，保留在材料中的磁性，称为剩余磁感应强度，简称剩磁，用Br表示，如图2-5中0-2和0-5所示。为了使剩磁减小到零，必须施加反向磁场强度，使剩磁降为零所施加的反向磁场强度称为矫顽力，用Hc表示。如图2-5中0-3和0-6所示。

如果反向磁场强度继续增加，材料就呈现与原来方向相反的磁性，同样可达到饱和点m′。当H从负值减小到零时，材料具有反方向的剩磁-Br，即0-5。磁场经过零值后再向正方向增加时，为了使-Br减小到零，必须施加反向磁场强度，如图2-5中0-6所示。磁场在正方向继续增加时曲线回到m点，完成一个循环，如图2-5中1-2-3-4-5-6-1所示，即材料内的磁感应强度是按照对称于坐标原点的闭合磁化曲线变化的，这条闭合曲线称为磁滞回线。只有交流电才产生这种磁滞回线。

在图2-5中，±Bm为饱和磁感应强度，表示工件在饱和磁场强度±Hm磁化下B达到饱和，不再随H的增大而增大，对应的磁畴全部转向与磁场方向一致。α为初始磁化曲线的切线与H轴的夹角、α=arctan（B/H），α的大小反映铁磁性材料被磁化的难易程度。

根据上面的阐述，可归纳出铁磁性材料具有以下特性。

1）高导磁性：能在外加磁场中强烈地磁化，产生非常强的附加磁场，它的磁导率很高，相对磁导率可达数百、数千以上。

2）磁饱和性：铁磁性材料由于磁化所产生的附加磁场，不会随外加磁场增加而无限增加，当外加磁场达到一定程度时，全部磁畴的方向都与外加磁场的方向一致，磁感应强度B不再增加，呈现磁饱和。

3）磁滞性：当外加磁场的方向发生变化时，磁感应强度的变化滞后于磁场强度的变化。当磁场强度减小到零时，铁磁性材料在磁化时所获得的磁性并不完全消失，而保留了剩磁。

根据铁磁性材料矫顽力的大小可分为软磁材料和硬磁材料两大类。

Hc≤400A/m（5Oe）认为是典型的软磁材料，其磁滞回线如图2-6a所示。

Hc≥8000A/m（100Oe）认为是典型的硬磁材料，其磁滞回线如图2-6c所示。

一般磁粉检测的铁磁性材料，Hc在软、硬磁之间，称为半硬磁材料，其磁滞回线如图2-6b所示。

软磁材料和硬磁材料具有以下特征。

1）软磁材料是指磁滞回线狭长，具有高磁导率、低剩磁、低矫顽力和低磁阻的铁磁性材料，软磁材料磁粉检测时容易磁化，也容易退磁。软磁材料有电工用纯铁、低碳钢和软磁铁氧体等材料。

2）硬磁材料是指磁滞回线肥大，具有相对低磁导率、高剩磁、高矫顽力和高磁阻的铁磁性材料。硬磁材料磁粉检测时相对难以磁化，也难以退磁。硬磁材料有铝镍钴、稀土钴和硬磁铁氧体等材料。

11.磁路

磁感应线所通过的闭合路径叫磁路。

铁磁材料被磁化后，不仅能生产附加磁场，而且还能把绝大部分磁感应线约束在一定的闭合路径上，如图2-7所示。

磁路定律：磁通量等于磁动势与磁阻之比。磁力线与电流一样，走磁阻最小的路径。

12.磁感应线的折射

当磁通量从一种介质进入另一种介质时，它的量不变。但是如果这两种介质的磁导率不同，那么这两种介质中的磁感应强度就会不同，方向也会改变，这称之为磁感应线的折射，并遵循折射定律：

tanα1/tanα2=μ1/μ2=μr1/μr2

式中 α1——磁感应线入射角（°）；

α2——磁感应线折射角（°）；

μr1——介质1中的相对磁导率；

μr2——介质2中的相对磁导率。

磁场强度的切向分量连续，磁感应强度的法向分量连续。

从磁导率特别低的介质（非磁性物质）中进入磁导率特别高的介质（铁磁性物质）中，无论第一介质中的入射角度为多少，第二介质中的磁感应线几乎与界面平行，而且变得密集。

从磁导率特别高的介质（铁磁性物质）中进入磁导率特别低的介质（非磁性物质）中，无论第一介质中的入射角度为多少，第二介质中的磁感线几乎与界面垂直，而且变得稀疏。

当磁感应线由钢铁进入空气，或者由空气进入钢铁，在空气中磁感应线实际上是与界面几乎垂直的，如图2-8所示。这是由于钢铁和空气的磁导率相差102~103的数量级的缘故。

13.漏磁场

（1）漏磁场的形成 漏磁场是在磁体的缺陷处或磁路的截面变化处，磁感应线离开或进入表面时所形成的磁场。

漏磁场形成的原因是由于空气的磁导率远远低于铁磁性材料的磁导率。如果在磁化了的铁磁性工件上存在着不连续性或裂纹，则磁感应线优先通过磁导率高的工件，这就迫使部分磁感应线从缺陷下面绕过，形成磁感应线的压缩。但是，工件上这部分可容纳的磁感应线数目也是有限的，又由于同性磁感应线相斥，所以，一部分磁感应线从不连续中穿过，另一部分磁感应线遵从折射定律几乎从工件表面垂直地进入空气中，绕过缺陷又折回工件，形成了漏磁场。

（2）缺陷的漏磁场分布 假设缺陷为一矩形，在矩形的中心，水平分量有一极大值，垂直分量为零，离开中心后，水平分量迅速减小，垂直分量达到一极大值后逐渐减小。如图2-9a所示为水平分量，图2-9b所示为垂直分量，如果将两个分量合成则可得到如图2-9c所示的漏磁场。

缺陷处产生漏磁场，我们并看不到，所以就必须有显示或检测漏磁场的手段，磁粉检测就是在工件表面施加磁粉或磁悬液，通过磁粉的聚集来显示漏磁场的存在。漏磁场对磁粉的吸引可看成是磁极的作用，磁感应线离开和进入磁性材料的区域形成N极和S极，如果有磁粉在磁极区通过，则将被磁化，也呈现N极和S极。这样磁粉的两极就与漏磁场的两极相互作用（同性磁极相斥，异性磁极相吸），磁粉就被吸引到漏磁场区，显示缺陷的形状和大小。由于漏磁场的宽度比缺陷的实际宽度大数倍至数十倍，所以磁痕比实际缺陷宽很多，将缺陷放大，很容易观察出来，如图2-10所示。

（3）影响漏磁场的因素 缺陷处吸引磁粉的多少取决于漏磁场的强弱，漏磁场的强弱与下列因素有关。

1）外加磁场的影响。缺陷的漏磁场大小与工件磁化程度有关，从铁磁性材料的磁化曲线得知，外加磁场大小和方向直接影响磁感应强度的变化。一般来说，外加磁场强度一定要大于Hμm，即选择在产生最大磁导率μm对应的Hμm点右侧的磁场强度值，此时磁导率减小，磁阻增大，漏磁场增大。当铁磁性材料的磁感应强度达到饱和值的80%左右时，漏磁场便会迅速增大。

2）缺陷的影响。

第一，位置的影响：缺陷的埋藏深度，即缺陷上端距工件表面的距离，对漏磁场产生有很大的影响。同样的缺陷，位于工件表面时，产生的漏磁场大；位于工件的近表面，产生的漏磁场显著减小；若位于距工件表面很深的位置，则工件表面几乎没有漏磁场存在。

因此，在检测时，表面缺陷灵敏度高，近表面缺陷灵敏度低。

第二，取向的影响：缺陷的可检出性取决于缺陷延伸方向与磁场方向的夹角，图2-11为漏磁场与缺陷倾角的关系。当缺陷垂直于磁场方向时，漏磁场最大，也最有利于缺陷的检出，灵敏度最高，随着夹角由90°减小，灵敏度下降；当缺陷与磁场方向平行或夹角小于30°时，则几乎不产生漏磁场，不能检出缺陷。

第三，深宽比的影响：同样宽度的表面缺陷，如果深度不同，产生的漏磁场也不同。在一定范围内，漏磁场的增加与缺陷深度的增加几乎呈线性关系；但当深度增大到一定值后，漏磁场的增加变得缓慢下来。

当缺陷的宽度很小时，漏磁场随着宽度的增加而增加，并在缺陷中心形成一条磁痕；但当缺陷的宽度很大时，漏磁场反而下降，如又浅又宽的表面划伤，产生的漏磁场就很小，只在缺陷两侧形成磁痕，缺陷根部则没有磁痕显示。

缺陷的深宽比是影响漏磁场的一个重要因素，通常缺陷的深宽比越大，漏磁场越大，缺陷越容易检出。

3）表面覆盖层的影响。工件表面覆盖层极易导致漏磁场的下降，当工件表面有镀层、氧化皮、油污、油漆等覆盖时，检测灵敏度会降低，如图2-12和图2-13所示。

除此之外，工件表面粗糙度大（光洁度差）、表面凹凸不平（平整度差或有油污、锈斑等污物），均会影响磁粉或磁悬液的流动性，使检测灵敏度下降，甚至造成非缺陷显示、杂乱显示。

一般要求被检工件表面应没有涂层，但薄而均匀的涂层也可以进行磁粉检测。如果需要电极接触，则必须除掉非导电涂层。

4）工件材料及状态的影响。钢材的磁化曲线是随合金成分特别是碳含量、加工状态及热处理状态而变化的，因此各种材料要达到磁饱和状态所需的磁场强度也是不同的。所以同样的磁场强度下，由于材料的磁特性不同，缺陷处的漏磁场也是不同的。

第一，晶粒大小的影响。

晶粒大，磁导率大，矫顽力小；相反，晶粒小，磁导率小，矫顽力大。

晶粒大，磁畴大，边界少，磁化时磁畴容易转动，所以磁导率大，容易磁化。

第二，碳含量，加入合金元素的影响。

碳含量增加，Hc几乎成线性增加，而最大磁导率降低，随着碳含量的增加，钢材逐渐变硬，不容易磁化，也不容易退磁。

加入合金元素也是使材料变硬，Hc增加，μm下降。

当钢种的热处理状态相同或近似的情况下，随着钢中碳含量和合金组元及其含量的增加，各磁性参数及部分磁特性曲线基本符合如下的变化规律：①最大磁导率μm下降。②矫顽力增大。③出现最大磁导率所对应的磁场Hμm增大。④最大磁感应强度Bm有下降的趋势。⑤磁滞回线变得肥大。

第三，热处理状态的影响。

在化学成分相同的情况下，不同的热处理状态对磁性参数及部分磁特性曲线的影响如下：①退火状态的最大磁导率μm和最大磁感应强度Bm比正火或淬火后回火状态下μm和Bm高，而矫顽力Hc、最大磁能积（HB）max和出现最大磁导率所对应的磁场强度Hμm等参数，其退火状态均较正火状态或淬火后回火状态的相应参数为低。②淬火后随回火温度的升高，各参数及部分磁特性曲线基本符合如下变化规律：

a.最大磁导率μm增大。

b.矫顽力下降。

c.出现最大磁导率所对应的磁场Hμm减小。

d.最大磁感应强度Bm增大的趋势。

e.磁滞回线变得狭窄。

第四，冷加工的影响。压缩变形率增加，剩磁增大，矫顽力增大。