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'[材料科学]磁痕分析 本章内容1.磁痕分析的意义；2.伪显示；3.非相关显示；4.相关显示；5.4730-2005标准的质量分级。 7.1磁痕分类7.1.1磁痕分析的意义（1）正确的磁痕分析可以避免误判。（2）由于磁痕显示能反映出不连续性和缺陷的位置、形状和大小，并可大致确定缺陷的性质，所以磁痕分析可为产品设计和工艺改进提供较可靠的信息。（3）在工件使用后进行磁粉检测，用于发现疲劳裂纹，并可间断检测和监视疲劳裂纹的扩展，可以做到及早预防，避免设备和人身事故发生。 伪显示-示例（沟槽磁粉聚集） 7.3非相关显示产生原因、磁痕特征和鉴别方法（1）磁极和磁极附近产生的非相关显示。磁轭法时，磁极与工件接触处，磁力线离开工件表面和进入工件表面均产生漏磁场，且磁极附近磁通密度大，触头法时，电极附近电流密度大，磁通密度大，因此在磁极和电极附近的工件表面上会产生磁痕显示。该磁痕松散，退磁后改变磁极和电极位置，重新进行检验，此处磁痕显示不再出现，若出现可能是相关显示 （2）工件截面突变处产生磁痕显示。工件内键槽等部位，由于截面缩小，迫使磁力线泻出工件形成漏磁场，吸附磁粉形成磁痕显示。该磁痕松散，有一定的宽度，有规律的出现在同类工件的同一部位，根据工件的几何形状，易于辩认。 （3）磁写。两个磁化的工件互相接触或一钢件在已磁化的工件上划一下，在接触部位便产生磁性变化，产生磁痕显示。其磁痕松散，线条不清晰，像乱画的样子，将工件退磁后，重新进行磁化和检验，磁痕显示不再出现，但应保证退彻底。 （4）两种材料交界处产生的磁痕。两种材料（钢种类不同）焊接处因材料磁导率相差较大或母材与焊条的磁导率相差很大，而产生磁痕显示。该磁痕显示有的松散，有的浓密清晰，类似裂纹磁痕显示，在整条焊缝都出现同样的磁痕显示，结合焊接工艺、母材与焊条材料进行分析。 （5）局部冷作硬化产生的磁痕。工件冷加工硬化使金属局部变硬，磁导率发生变化，产生磁痕显示。磁痕显示宽而松散，呈带状，将工件退火后重新进行磁粉检测，磁痕不再出现，或根据磁痕特征进行分析。 （6）金相组织不均匀产生磁痕显示。工件淬火后冷却不均匀造成组织差异；马氏体不锈钢的金相组织为铁素体和马氏体，二者磁导率差异大；高碳钢和高碳合金钢钢锭凝固时，产生树枝状偏析，使钢组织不均匀，在其间隙中形成碳化物，轧制中沿压延方向被拉成带状，其组织不均匀，磁导率差异大。其磁痕呈带状，单个磁痕类似发纹，磁痕松散不浓密，可根据磁痕分布和特征及材料进行分析。 （7）磁化电流过大产生磁痕。磁化电流过大会使磁力线逸出工件表面，产生漏磁场吸附磁粉形成磁痕，在截面突变处更为严重。其磁痕松散，沿金属流线分布，形成过度背景，退磁后用合适规范磁化，磁痕不再出现。 7.4相关显示产生原因、磁痕特征和鉴别方法应该从材料种类、加工方法、使用情况等进行分析，由可能产生缺陷及其特性来正确判别磁痕显示。 原材料缺陷（裂纹、分层、夹杂、白点）；热加工（铸造、锻造、焊接）；冷加工（车、磨、铣、刨）；使用过程中（疲劳、应力腐蚀、超载） 原材料缺陷磁痕显示（1）发纹产生原因：钢锭中存在的非金属夹杂物和气孔，在轧制和拉拔过程中随着金属的变形伸长而形成发纹。绝大多数发纹都是非金属夹杂物（硫化物和氧化物）产生的，并沿金属纤维方向分布。在钢棒上是与轴线平行的连续或断续的直线状，在钢管上的发纹与钢管轴线有一小夹角，在锻件上发纹随着纤维走向微弯曲。发纹有的很短，有的很长。甚至可达100mm，可分布在工件不同深度处，一般很浅很细。 磁痕特征：发纹磁痕均匀清晰而不浓密，两头钝（呈圆角）。鉴别方法：一是根据发纹分布和磁痕特征进行判定。二是擦掉磁痕，用5倍放大镜观察缺陷处，发纹目视不可见。三是用刀刃在垂直磁痕的表面上来回刮，一般不阻挡刀刃的磁痕是发纹。 （2）分层产生原因：属板材中常见缺陷，钢锭中存在缩孔、疏松或密集的气泡，在轧制时没有熔合在一起，所以钢板在纵向或横向剪切时，从侧面可发现金属分为两层，亦称夹层。钢锭内有非金属夹杂物，轧制时被压碎，也能产生分层。磁痕特征：分层是一种内部缺陷，特点是平行于轧制面，磁痕呈条状或断续分布。鉴别方法：根据磁痕分布和特征鉴别。 （3）材料裂纹。坯料上的裂纹、皮下气泡、夹杂物及冷拔变形量选择不适当都会在钢材上会产生材料裂纹。一般呈直线状，有时分叉，多与拔制方向一致，但也有其它方向。磁痕浓密清晰，擦掉磁痕，裂纹目视可见。 （4）拉痕。由于模具表面光洁度不高、残留有氧化皮或润滑条件不良等原因，在钢材通过轧制设备时，便会产生拉痕，也叫划痕。拉痕呈直线状，肉眼可见到沟底，分布于钢材的局部或全长，宽而浅的拉痕探伤时不吸附磁粉，较深者会吸附磁粉。鉴别时应转动工件观察磁痕，若沟底明亮不吸附磁粉，即为拉痕 （5）非金属夹杂物钢在液态及凝固过程中，由于复杂的化学反应生成各种氧化物，或者是由于冶炼时耐火材料混入钢中而成非金属夹杂物，磁痕一般呈分散点状或弯曲有线状，有的轧制件上，呈直线状。 （6）白点。白点是钢材的内部撕裂，是对钢材危害极大的内部缺陷。在热轧和锻压的合金钢中，特别是含Ni、Cr、Pb、Mn的钢中常见。它大多数分布于钢材近中心处，在纵断面上呈椭圆形的银白色斑点，故叫白点。在钢材的横断面上则表现为短小断续的辐射状不规则分布的小裂纹。白点裂纹多为穿晶断裂，也有沿晶粒边界分布，其裂纹边缘呈锯齿形，多以成群出现。磁痕特征是，在横断面上，白点磁痕呈锯齿状，中部粗，两头尖呈辐射状分布。在纵向剖面上，磁痕沿轴向分布，呈弯曲状或分叉，磁痕浓密清晰 7.4.2锻钢件缺陷磁痕显示（1）锻造裂纹。产生原因包括加热不当、操作不正确、终锻温度太低、冷却速度太快等。磁痕浓密清晰，呈直线或弯曲线状。（2）锻造折叠。原因和特征：①模具设计不合理，金属流动受阻，被挤压后形成折叠，多发生在倒角部位，磁痕呈纵向直线状；②预锻时打击过猛，在滚光过程中嵌入金属，磁痕呈纵向弧形状；③锻件拔长过度，入型槽终锻时，两端金属向中间对挤形成横向折叠，多分布在金属流动较差的部位，磁痕呈圆弧形。锻造折叠缺陷磁痕一般不浓密，但在对表面打磨后，磁痕往往更加清晰。 7.4.3铸钢件缺陷磁痕显示（1）铸造裂纹。金属液在铸型内凝固收缩过程中，表面和内部冷却速度不同产生很大的铸造应力，当应力超过金属强度极限时，铸件便产生破裂。根据破裂时的温度高低分为热裂纹和冷裂纹。热裂纹约在1200~1400℃高温下产生，并在最后凝固区或应力集中区出现，一般是沿晶扩展，呈很浅的网状裂纹，亦称龟裂，其磁痕细密清晰，稍加打磨裂纹即可排除。 冷裂纹约在200~400℃低温下产生。低温时由于铸钢的塑性变坏，在巨大的热应力和组织应力的共同作用下产生冷裂纹，一般分布在铸钢件截面尺寸突变的部位，如夹角、圆角、沟槽、凹角、缺口、孔的周围等部位。这种裂纹一般穿晶扩展，有一定深度，一般为断续或连续的线条。两端有尖角，磁痕浓密清晰 （2）疏松是由于金属液在凝固收缩过程中得不到充分补缩，因而出现极细微的、不规则的分散或密集的孔穴，称为疏松。一般产生在铸钢件最后凝固的部位，加工后的铸钢件表面，更容易发现疏松。疏松缺陷磁痕一般涉及范围较大，呈点状或线状分布，两端不出现尖角，有一定深度，磁粉堆集比裂纹稀松。改变磁化方向时，磁痕显示方向也明显改变。 （3）冷隔是由于两股金属熔液相遇却未熔合在铸钢件表面产生的缺陷。一般产生在铸钢件上较大的水平面和转角处，呈有圆角的缝隙或凹陷，其磁痕较淡。 （4）夹杂。铸造时由于合金中熔渣未彻底清除干净，浇注工艺或操作不当等原因，在铸件上出现微小的熔渣或非金属夹杂物。夹杂在铸件上的位置不定，易出现在浇注位置上方，磁痕呈分散的点状或弯曲的短线状。 （5）气孔是当熔化金属冷却凝固过程中气体未及时排出形成空穴。其磁痕呈圆形或椭圆形，显示不太清晰，磁痕的浓度与气孔深度有关，皮下气孔一般使用直流电检测。 7.4.4焊接件缺陷磁痕显示（1）气割裂纹。火焰切割过程中，气割工艺不当或环境温度过低，冷却速度过快时，对于强度较高的钢就容易产生气割裂纹。其方向是不定的，其深度一般在百分之几到十分之几毫米。（2）电弧气刨裂纹。采用电弧气刨清根时，碳要向钢材表面过渡，造成气刨面增碳，如果冷却速度过快就会在电弧气刨面产生裂纹。这种裂纹方向是任意的，深度一般在百分之几到十分之几毫米不等。 （3）焊接裂纹。磁粉检测的主要目的中检查焊缝及热影响区的裂纹。焊接裂纹可能在焊接过程中产生，也可能在焊后或放置一段时间后产生，因此对有延迟裂纹倾向的焊接件，其探伤应在焊后24h后进行。 A、焊接裂纹形成的原因有：①母材金属的碳含量或硫、磷含量过高时，其焊接性变差，容易产生裂纹。②焊条、焊剂等焊接材料中的合金元素和硫、磷含量越高时，产生裂纹的倾向也就越大。③低温或有风的情况下焊接，致使焊缝冷却速度过快也容易产生裂纹。④焊接厚板因其结构的刚性大也容易产生裂纹。 B、焊接裂纹从不同角度有不同的分类方法，按形成裂纹的温度可分为热裂纹和冷裂纹。热裂纹一般产生在1100~1300℃高温范围内的焊缝熔化金属内，有纵向裂纹和横向裂纹，露出工件表面的热裂纹断口有氧化色。 冷裂纹一般产生在100~300℃低温范围内的热影响区（基体金属和熔合线上），冷裂纹可能在焊完后马上产生，也可能在焊后数日或数月才开裂。大多数冷裂纹是纵向的，深浅不一，长短不等。露出工件表面的冷裂纹断口未氧化，发亮。 C、根据裂纹产生的位置分为三类：①焊缝裂纹。产生在焊缝金属中，按其形态与取向主要有三种，即纵向裂纹、横向裂纹和树枝状或放射状裂纹。②热影响区裂纹。产生在母材的热影响区内，这类裂纹多数向母材方向发展，而止于熔合线，个别情况也有穿过焊缝的。③熔合线裂纹。产生在焊缝与母材的交界处即熔合线上。 D、应力裂纹。当焊件被固定时，在焊后的冷却过程中由于收缩应力关系而产生的裂纹。它可能是横向的或纵向的，有时可延伸到热影响区。在单道焊接时，应力裂纹通常是横向的，在多道焊时，应力裂纹通常是纵向的。E、火口裂纹。在开始焊接或停止焊接时，由于热源使用不当常可产生火口裂纹。它具有不同的形状和方向，有星状裂纹、横向裂纹和纵向裂纹。焊接裂纹的大小不一，长度由几毫米至数百毫米，深度较小者为几毫米，而较大者可穿过整个焊缝厚度。磁痕一般浓密清晰可见，有的呈直线状，有的较弯曲，也有的呈树枝状。 （4）未焊透。产生原因：①电弧的电流和电压不足，而且焊接速度又过快。②基体金属未充分加热就开始焊接。③焊工技术不熟练或工作粗心。④因有锈蚀、熔渣和氧化皮等污垢，影响基体金属边缘熔化。⑤坡口开度过小，电弧达不到电弧底部等。未焊透的磁痕松散，较宽。 （5）气孔。在焊接过程中，气体在熔化金属冷却之前来不及逸出而保留下来的孔穴。产生原因：①基体金属含气体过多或表面有油污、铁锈等。②焊药或熔剂过于潮湿。③焊接速度过快，熔化金属的快速冷却妨碍气体的逸出，以及埋弧自动焊时没有熔剂保护。气孔有的单独出现，有的成群出现，其磁痕特点及检验方法与铸钢件气孔相同。 （6）夹渣。通常是由于气割后没有将边缘的氧化铁皮或其他不洁物去净，点焊时熔渣没有充分清除，以及多层焊接情况下未将上一层的熔渣充分清除等原因所造成的。另外由于熔化金属熔液中的某些化合物在其冷却和凝固过程中沉淀于焊缝内，以及焊缝金属加入成分的氧化所致。 夹渣在焊缝内分布情况、尺寸、数量及性质是各不相同的。夹渣的化学成分决定于焊条涂料的成分、填充棒的质量以及熔池内反应过程的温度条件等。点状夹渣常存在于金属焊缝中，位置不固定；长条状夹渣和间断夹渣在焊缝的层间或熔合线上、手工焊与自动焊交接处、多层焊的层与层之间。此种缺陷往往与未熔合同时存在。 7.4.5热处理缺陷磁痕显示（1）淬火裂纹。钢在淬火工艺中，因自高温快速冷却时的热应力与组织应力可达到很高的数值，当超过钢的抗拉强度时，则引起开裂。产生原因：①材料本身的原因。如钢的化学成分的偏离或内部存在夹杂物及冶金缺陷等。②热处理方面的原因。如加热温度过高或冷却过于激烈等。③设计和加工制造方面的原因。如工件厚薄相差太悬殊，设计制造时带有尖角，加工刀痕过深，淬火冷却时具有复杂的内应力，均会引起淬火裂纹。 淬火裂纹一般出现在工件的应力集中部位，如孔、键、夹角及截面突变处。其磁痕特征是：一般呈细直的线状，尾部尖细，棱角较多。渗碳淬火裂纹边缘呈锯齿形，淬火裂纹一般比较深，磁痕浓密清晰。（2）渗碳裂纹。结构钢渗碳后冷却速度过快，在热应力和组织应力的作用下形成渗碳裂纹，其深度不超过渗碳层。磁痕呈线状、弧形或龟裂状，严重时造成块状剥落。 （3）表面淬火裂纹。在表面淬火工艺过程中，由于加热冷却不均匀而产生表面裂纹。磁痕呈网状或平行分布，面积较大，也有单个分布的。感应加热还容易在工件的油孔、键槽、凸轮桃尖、齿轮齿部产生热应力裂纹。油孔、键槽从应力集中处开裂，磁痕呈辐射状，齿轮上呈弧形。 7.4.6机械加工缺陷磁痕显示（1）磨削裂纹。磨削加工中产生的裂纹原因：①材质的影响。工件材料内部组织分布不均匀，呈网状或带状时，易在磨削过程中沿脆性组织分布方向产生磨裂。②热处理不当的影响。淬火温度过高，使工件热处理后残余应力增加，在磨削过程中，残余应力与磨削应力叠加在一起产生磨裂。 ③磨削不当的影响。由于磨削过度，产生的磨削热会使工件表面层局部温度达到800℃以上，在冷却液作用下迅速冷却形成“重硬”，相当于二次淬火，使热应力和组织应力增加而产生瞬时拉应力，当其超过材料的拉伸强度时即产生磨削裂纹。④其它。高强合金钢当瞬时拉应力未超过材料拉伸强度时，磨削加工后并不立即开裂，有的延迟开裂。电镀、氧化等表面处理或加载荷会加速这种裂纹产生。 磁痕特征：磨削裂纹一般产生在工件不易散热的部位。①磨削裂纹方向一般与磨削方向垂直，由热处理不当产生的磨削裂纹有的与磨削方向平行。②磨削裂纹磁痕呈网状、鱼鳞状、放射状或平行线状分布，渗碳表面产生的多为龟裂状。③磨削裂纹一般比较浅，磁痕轮廓清晰，均匀而不浓密。 （2）矫正裂纹。是经热处理后变形或弯曲的工件在校直过程中，因矫正工艺不当而产生的金属破裂。在矫直过程中，施加压力会使工件内部产生塑性变形，塑性变形达到最大值时再继续增大压力，则会产生与受力方向垂直的矫正裂纹。其磁痕浓密清晰，由最大开裂处向两侧发展，中间粗大，两头尖细。矫正工艺会产生塑性变形，使工件局部晶格扭曲引起较大应力，若不进行处理而直接钳修或研磨，可能由于应力叠加而产生新的裂纹，所以矫正工件都应进行消除内应力处理。 7.4.7脆性裂纹磁痕显示由于钢的脆性开裂而产生的脆性裂纹危害极大，产生原因如下：①合金化学成分影响。钢中的硫、磷、铜等元素的含量偏高，会使晶粒间的结合力破坏，锻轧时造成钢的脆裂。②热加工的影响。热加工时，巨大的内应力及钢的长期加热或过烧都会造成钢的脆裂。③化学作用的影响。工件在电镀酸洗等表面处理过程中，酸与金属发生反应，所析出的氢原子使钢的渗氢脆化，产生脆性裂纹，亦称氢脆。 脆性裂纹的磁痕特征：①裂纹不单个出现，而是大面积成群出现。②裂纹走向纵横交错，形成近似于梯形、矩形的小方框，呈曲折线状，网纹粗大，磁痕浓密清晰。 7.4.8疲劳裂纹磁痕显示疲劳裂纹是在工件运行中产生的。一般出现在应力集中处，其方向与受力方向垂直。磁痕特征是：裂纹中间粗，两头细，中部磁粉聚集较多，而两端逐渐减少，显示浓密清晰。有时成群出现，在主裂纹的旁边还有一些平行的小裂纹。 表面与近表面缺陷磁痕显示的区别表面缺陷。泛指各种工艺产生的缺陷。一般情况下，缺陷露出表面，并有一定的深宽比。其磁痕特征是：浓密清晰、瘦直、呈弯曲的线状、网状或直线状，磁痕显示重复性好。其形状分布与缺陷类型有关。近表面缺陷。指表面下的气孔、夹杂物、发纹和未焊透等缺陷，因缺陷未露出表面，其磁痕特征是：宽而模糊，轮廓不清晰。磁痕显示与缺陷性质和缺陷埋藏深度有关。 JB/T4730-2005磁痕分类与检测质量分级磁痕显示分为相关显示、非相关显示、伪显示。长宽比大于3的缺陷磁痕，按线性缺陷处理，长宽比小于或等于3的缺陷按圆形缺陷处理。缺陷磁痕长轴方向与工件（轴类或管类）轴线或母线夹角大于或等于30度时，作为横向缺陷处理，其它按纵向缺陷处理。两条或两条以上缺陷磁痕在同一直线上且间距不大于2mm时，按一条缺陷磁痕处理，其长度为两条缺陷之和加间距。长度小于0.5mm的磁痕不计。 磁粉检测质量分级共分为4级，I（最高）-IV（最低）；下列缺陷不允许存在:a．任何裂纹和白点；b．紧固件和轴类零件任何横向缺陷显示; JB/T4730-2005表6焊接接头的检测质量分级等级线性缺陷磁痕圆形缺陷磁痕（评定框尺寸为35X100mm）Ⅰ不允许d≤1.5，且在评定框内不大于1个Ⅱ不允许d≤3.0，且在评定框内不大于2个Ⅲl≤3.0d≤4.5，且在评定框内不大于4个Ⅳ大于Ⅲ级注：l表示线性缺陷磁痕长度mm，d表示圆形缺陷磁痕长径mm. 表7受压加工部件和材料磁粉检测质量分级等级线性缺陷磁痕圆形缺陷磁痕（评定框尺寸为2500mm2，其中一条矩形边最大为150mm）Ⅰ不允许d≤2.0，且在评定框内不大于1个Ⅱl≤4.0d≤4.0，且在评定框内不大于2个Ⅲl≤6.0d≤6.0，且在评定框内不大于4个Ⅳ大于Ⅲ级注：l表示线性缺陷磁痕长度mm，d表示圆形缺陷磁痕长径mm. 磁粉检测质量分级—综合评级圆形缺陷评定区内存在多种缺陷时，应进行综合评级。对各类缺陷分别评定级别，取质量级别最低的作为综合评级的级别；当各类缺陷的级别相同时，则降低一级作为综合评级的级别。 实验内容1.用三态门实现三路信号分时传递的总线结构。框图如图1所示，功能如表1所示。D1D2D3C1C2C3数据输入控制输入Y输出待设计电路C1C2C3Y100010001D1D2D3控制输入输出图1设计要求框图表1设计要求的逻辑功能实验一三态门和OC门的研究 (1)静态验证：控制输入端和数据输入端加高、低电平，用电压表测量输出高、低电平的电压值；(2)动态验证：控制输入端加高、低电平，数据输入端加连续脉冲，用示波器对应地观察数据输入波形和输出波形。要求：2.用OC“与非”门实现三路信号分时传递的总线结构。(1)静态验证：控制输入端和数据输入端加高、低电平，用电压表测量输出高、低电平的电压值；(2)动态验证：控制输入端加高、低电平，数据输入端加连续脉冲，用示波器对应地观察数据输入波形和输出波形； 实验内容1.用与非门设计一个可以用来判别输入的4位二进制数B3B2B1B0数值范围的电路。要求：仅当2