Phương pháp đánh dấu hạt từ BKHN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO NHÓM 5
Phương pháp đánh dấu hạt từ
(Magnetic Particle Testing)

Ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa
Chuyên ngành Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Cung Thành Long

Môn học:
Mã lớp:

Đo và kiểm tra không phá hủy
125928

Chữ ký của GVHD


HÀ NỘI, 8/2021

DANH SÁCH THÀNH VIÊN NHÓM 5
ST
T
1
2
3
4

5
6
7
8
9

Họ và tên

MSSV

Nguyễn Nhật Minh (trưởng nhóm)
Đồn Trọng Nam
Trần Văn Tiến
Vũ Văn Tuấn
Đào Minh Đức
Nguyễn Khắc Quân
Nguyễn Văn Đạt
Võ Hoàng Thi
Hoàng Văn Giang

20174057
20174085
20174262
20174324
20173754
20174125
20173735
20174231
20173811

PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC
Chương
1
2
3
4
5
6
7

Thành viên phụ trách
Nguyễn Khắc Quân – 20174125
Trần Văn Tiến – 20174262
Nguyễn Nhật Minh – 20174057
Đoàn Trọng Nam – 20174085
Võ Hoàng Thi – 20174231
Nguyễn Văn Đạt – 20173735
Hoàng Văn Giang – 20173811
Vũ Văn Tuấn – 20174324
Đào Minh Đức – 20173754


LỜI MỞ ĐẦU
Trong khoảng thời gian 1 học kì vừa qua, dưới sự giảng dạy và góp ý
nhiệt tình của thầy TS. Cung Thành Long, chúng em đã biết thêm nhiều kiến thức
bổ ích về mơn học đo và kiểm tra không phá hủy (NDT). Chúng em không
những học được về phương pháp đánh dấu hạt từ của nhóm mà cịn được nghe
các nhóm khác trình bày về các phương pháp kiểm tra không phá hủy khác. Sau
đây là báo cáo của chúng em về phương pháp đánh dấu hạt từ. Nội dung được

chia thành 7 chương chính là:
Chương 1: Tổng quan về phương pháp đánh dấu hạt từ
Chương 2: Kỹ thuật từ hóa kim loại sắt từ
Chương 3: Phương pháp đánh dấu hạt từ khô
Chương 4: Phương pháp đánh dấu hạt từ ướt
Chương 5: Kỹ thuật khử từ
Chương 6: Các tiêu chuẩn và quy định cho phương pháp đánh dấu hạt từ
Chương 7: Ứng dụng trong công nghiệp
Do kiến thức còn nhiều hạn chế nên bản báo cáo này chắc chắn cịn nhiều
thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự góp ý và chỉnh sửa của thầy để có
thể hồn thiện tốt hơn báo cáo về phương pháp này.
Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn.


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH DẤU HẠT TỪ....1
1.1

1.2

1.3

Lịch sử hình thành và phát triển phương pháp đánh dấu hạt từ.................1
1.1.1

Phát hiện.....................................................................................1

1.1.2

Hình thành..................................................................................1

1.1.3

Phát triển....................................................................................2

Nguyên lý cơ bản của phương pháp..........................................................2
1.2.1

Ví dụ về thanh nam châm...........................................................2

1.2.2

Những yếu tố ảnh hưởng từ thơng rị rỉ......................................3

1.2.3

Ngun lý cơ bản........................................................................4

Ưu, nhược điểm của phương pháp............................................................5
1.3.1

Ưu điểm......................................................................................5

1.3.2

Nhược điểm................................................................................5

CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT TỪ HĨA KIM LOẠI SẮT TỪ..............................6
2.1

2.2

Giới thiệu về từ trường..............................................................................6
2.1.1

Từ tính........................................................................................6

2.1.2

Phản ứng của vật liệu với từ trường............................................6

2.1.3

Đặc điểm từ trường.....................................................................9

2.1.4

Điện từ trường..........................................................................10

2.1.5

Từ trường được tạo ra bởi một cuộn dây mang điện.................12

2.1.6

Hiện tượng từ trễ và các thuộc tính từ tính..............................13

2.1.7

Độ từ thẩm................................................................................14

2.1.8

Định hướng từ trường và khả năng phát hiện khuyết tật...........15

Kỹ thuật từ hóa kim loại sắt từ................................................................17
2.2.1

Tổng quan kỹ thuật từ hóa kim loại sắt từ................................17

2.2.2

Kỹ thuật từ hóa gián tiếp..........................................................18

2.2.3

Kỹ thuật từ hóa trực tiếp...........................................................20

2.2.4

Các loại dịng điện từ hóa.........................................................24

CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH DẤU HẠT TỪ KHƠ........................28
3.1

Hạt từ khơ................................................................................................28

3.2

Phương pháp đánh dấu hạt từ khơ...........................................................28

3.3

Các bước kiểm tra hạt từ khô...................................................................29

CHƯƠNG 4. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH DẤU HẠT TỪ ƯỚT........................30


4.1

Giới thiệu phương pháp đánh dấu hạt từ ướt...........................................30

4.2

Dung dịch gốc dầu hoặc gốc nước...........................................................30

4.3

Kiểm soát chất lượng & quy trình...........................................................31

4.4

So sánh giữa phương pháp hạt từ ướt và hạt từ khô.................................31

4.5

Các bước thực hiện phương pháp............................................................32

CHƯƠNG 5. KỸ THUẬT KHỬ TỪ................................................................34
5.1

Lý do phải khử từ....................................................................................34

5.2

Nguyên tắc khử từ...................................................................................34

5.3

Phương pháp khử từ................................................................................35
5.3.1

Bằng nhiệt độ - Tác động cơ học..............................................35

5.3.2

Khử từ bằng từ trường..............................................................35

5.4

Định nghĩa về sự khử từ trong các tiêu chuẩn.........................................41

5.5

Phương pháp đo mật độ từ thông dư.......................................................41

CHƯƠNG 6. CÁC TIÊU CHUẨN VÀ QUY ĐỊNH CHO PHƯƠNG PHÁP
ĐÁNH DẤU HẠT TỪ.......................................................................................42
6.1

Quy tắc và các tiêu chuẩn........................................................................42

6.2

Thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn tương ứng.............................................44

6.3

Trình độ và chứng nhận của nhân sự.......................................................45

6.4

Lợi ích của các tiêu chuẩn.......................................................................45

CHƯƠNG 7. ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP...................................47
7.1

Kiểm tra cuối cùng..................................................................................47

7.2

Kiểm tra nghiệm thu................................................................................48

7.3

Kiểm tra thử nghiệm và kiểm sốt chất lượng.........................................49

7.4

Bảo trì và đại tu trong ngành giao thông vận tải......................................51

7.5

Bảo dưỡng dụng cụ và máy móc.............................................................52

7.6

Kiểm tra các đối tượng lớn và nặng.........................................................53

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................55


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Nguồn pin tạo điện một chiều.................................................................1
Hình 1.2 Nguồn điện xoay chiều dùng máy biến áp..............................................1
Hình 1.3 Thiết bị tự động kiểm tra đạn xuyên giáp...............................................2
Hình 1.4 Từ trường của thanh nam châm..............................................................3
Hình 1.5 Từ thơng rị rỉ của thanh nam châm bị nứt..............................................3
Hình 1.6 Từ thơng rị rỉ phụ thuộc vào góc với sai hỏng.......................................3
Hình 1.7 Từ thơng rị rỉ phụ thuộc vào độ sâu của sai hỏng..................................4
Hình 1.8 Từ thơng rị rỉ phụ thuộc vào hình dạng sai hỏng...................................4
Hình 1.9 Nguyên lý cơ bản...................................................................................4
Hình 2.1 Cấu tạo bên trong nguyên tử...................................................................6
Hình 2.2 Chuyển động cặp của electron................................................................7
Hình 2.3 Vật liệu nghịch từ...................................................................................7
Hình 2.4 Vật liệu thuận từ.....................................................................................8
Hình 2.5 Vật liệu sắt từ.........................................................................................8
Hình 2.6 Từ trường sinh ra bởi thanh nam châm...................................................9
Hình 2.7 Nam châm hình chữ U............................................................................9

Hình 2.8 Hình dạng đường sức từ.......................................................................10
Hình 2.9 Từ trường sinh ra bởi dịng điện...........................................................11
Hình 2.10 Quy tắc bàn tay phải...........................................................................11
Hình 2.11 Từ trường sinh ra bởi cuộn dây...........................................................12
Hình 2.12 Hiện tượng từ trễ................................................................................13
Hình 2.13 Đồ thị từ trễ của hai vật liệu khác nhau..............................................15
Hình 2.14 Từ trường vịng...................................................................................16
Hình 2.15 Từ trường dọc.....................................................................................16
Hình 2.16 Phát hiện khuyết tật............................................................................16
Hình 2.17 Một thanh sắt từ đơn giản được từ hóa...............................................17
Hình 2.18 Hình ảnh một nam châm vĩnh cửu......................................................18
Hình 2.19 Hình ảnh một nam châm điện.............................................................19
Hình 2.20 Hình ảnh một cuộn dây.......................................................................20
Hình 2.21 Hình ảnh dây dẫn trung tâm...............................................................20
Hình 2.22 Hình ảnh thiết bị cấp dịng điện..........................................................21
Hình 2.23 Ví dụ thiết bị cấp dịng điện ngồi thực tế..........................................21
Hình 2.24 Hình ảnh một prod..............................................................................22
Hình 2.25 Mẫu tiếp xúc sản phẩm dọc theo mối hàn để đảm bảo rằng sự gián
đoạn nằm giữa 90 và 45° đối với một số trường cảm ứng...................................23


Hình 2.26 Đồ thị các loại dịng điện....................................................................24
Hình 2.27 Đồ thị dịng điện một chiều................................................................24
Hình 2.28 Đồ thị dịng điện xoay chiều...............................................................25
Hình 2.29 Ba loại dịng điện chỉnh lưu thường được sử dụng.............................26
Hình 2.30 Mơ hình chỉnh lưu một nửa chu kì.....................................................26
Hình 2.31 Mơ hình chỉnh lưu hai nửa chu kì.......................................................27
Hình 2.32 Mơ hình chỉnh lưu cầu ba pha............................................................27
Hình 4.1 Tư thế hàn từ phía dưới lên..................................................................32
Hình 5.1 Mơ tả các mơ men từ trong vật liệu......................................................34

Hình 5.2 Mơ tả sự biến đổi của các miền từ hóa.................................................36
Hình 7.1 Q trình kiểm tra trục xoay của động cơ bánh xe ô tô........................48
Hình 7.2 Hệ thống kiểm tra sản phẩm tự động....................................................49
Hình 7.3 Hệ thống kiểm tra sản phẩm bán tự động.............................................49
Hình 7.4 Vết nứt trên bánh răng..........................................................................51
Hình 7.5 Quá trình kiểm tra bộ phận tiếp đất trên máy bay.................................52
Hình 7.6 Kiểm tra bộ phận nâng của máy nâng hàng..........................................53
Hình 7.7 Quá trình kiểm tra các bộ phận của tên lửa..........................................54
Hình 7.8 Q trình kiểm tra đường ống dẫn khí..................................................54


0


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH DẤU HẠT TỪ

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển phương pháp đánh dấu hạt từ
1.1.1

Phát hiện

Trong tập 5 của tạp chí Engineering năm 1868, S.H.Saxby báo cáo rằng
các lỗi trong nòng pháo và các thành phần sắt khác có thể được phát hiện nếu
chúng được từ hóa. Khơng sử dụng hạt nhưng ngun tắc tìm kiếm từ trường rị
rỉ đã được sử dụng.
Năm 1917, W.E. Hoke, làm việc ở Cục tiêu chuẩn Mỹ, đã nhận thấy các
mạt thép mài nhỏ khi được giữ trên mâm cặp từ lại bám vào các vết nứt trên bề
mặt. Đây là cơ sở thiết yếu của từ hóa dọc đối với vị trí của các vết nứt ngang
bằng phương pháp đánh dấu hạt từ.
Có thể nói, đánh dấu hạt từ là phương pháp đo khơng khơng phá huỷ được

phát hiện đầu tiên. Nó cùng với X-ray là 2 phương pháp xuất hiện sớm nhất cùng
trong Thế chiến I.
1.1.2

Hình thành

Năm 1928-1929, A.V de Forest đã cải tiến thí nghiệm của Hoke bằng cách
sử dụng dịng điện đủ lớn qua các mảnh sắt để tạo từ trường trịn, giúp từ hố
theo nhiều hướng. Ơng cũng nhấn mạnh việc sử dụng hạt từ có kích thước, hình
dạng và đặc tính từ được kiểm sốt để tạo ra kết quả nhất quán và đáng tin cậy.
Những đóng góp này tạo động lực để phương pháp trở nên thực sự thiết thực và
hữu ích.
Năm 1934, A.V. de Forest và F.B. Doane sáng lập Magnaflux Corporation.
Công ty vẫn nổi tiếng đến tận ngày nay.
Những năm 1930, đánh dấu hạt từ bắt đầu được ứng dụng trong công
nghiệp với các thiết bị ban đầu cịn khá thơ sơ và đơn giản như hình bên dưới.

Hình 1.1 Nguồn pin tạo điện
một chiều

Hình 1.2 Nguồn điện xoay chiều dùng máy biến áp

1


Cùng với sự phát triển của hai phương pháp đầu, các phương pháp đo
không phá huỷ khác cũng dần được phát hiện.
1.1.3

Phát triển

Những năm 1940, Thế chiến II khiến nhu cầu đo không phá huỷ tăng
mạnh kéo theo sự phát triển của tất cả các phương pháp, tìm ra các kỹ thuật và
ứng dụng mới. Nó khởi xướng thiết kế và ứng dụng của các thiết bị kiểm tra tự
động như hình 3. Phát triển nhanh cũng kéo theo nhiều vấn đề như thiếu kinh
nghiệm trong kiểm tra, ứng dụng kiểm tra bừa bãi, chi phí đắt đỏ…

Hình 1.3 Thiết bị tự động kiểm tra đạn xuyên giáp

Sau chiến tranh, bên cạnh sự phát triển nhanh chóng của các phương pháp
khác, đánh dấu hạt từ vẫn giữ được vị trí ưu việt trong phạm vi ứng dụng của nó
là các vật liệu sắt từ. Các thiết bị ngày càng lớn hơn, tự động hơn, cải tiến các kỹ
thuật từ hoá và hạt từ mới.
Ngày nay, phương pháp ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, ngay cả các
ngành yêu cầu độ tin cậy cao như hạt nhân và không gian. Với kinh ngiệm tích
luỹ nhiều như vậy, phương pháp vẫn sẽ hữu dụng và tìm được những ứng dụng
mới trong tương lai.
1.2 Nguyên lý cơ bản của phương pháp
1.2.1

Ví dụ về thanh nam châm

Một vật liệu được từ hố có những tính chất giống như thanh nam châm.
Từ thơng có ở trong và xung quanh thanh nam châm, nó đi ra từ cực Bắc và đi
vào cực Nam. Các rắc mạt sắt vào thanh nam châm, cúng bị hút vào hai cực.

2


Hình 1.4 Từ trường của thanh nam châm

Khi thanh nam châm có vết nứt thì hai cạnh vết nứt biến thành hai cực
nam và bắc. Có từ thơng thốt ra canh này và đi vào cạnh còn lại, ta gọi nó là từ
thơng rị rỉ. Các mạt sắt cũng bị hút vào vết nứt giống như hai cực, đây là cơ sở
của phương pháp đánh dấu hạt từ.

Hình 1.5 Từ thơng rị rỉ của thanh nam châm bị nứt

1.2.2

Những yếu tố ảnh hưởng từ thơng rị rỉ

Từ thơng rị rỉ có cường độ càng mạnh, hình dáng càng nhọn thì kết quả
kiểm tra càng rõ ràng. Vì vậy những yếu tố ảnh hưởng đến từ thơng rị rỉ sau đây
cũng ảnh hưởng đến phương pháp kiểm tra.
 Góc giữa từ thơng và sai hỏng
Từ thơng rị rỉ mạnh nhất khi góc giữa nó và sai hỏng là 900 và giảm dần
về hầu như khơng có khi góc giảm về 0.
Vì vậy, khi kiểm tra u cầu cần từ hố ít nhất theo hai hướng vng góc
nhau, đặc biệt là từ hố dọc.

Hình 1.6 Từ thơng rị rỉ phụ thuộc vào góc với sai hỏng

 Độ sâu của sai hỏng
3


Từ thơng rị rỉ mạn nhất khi sai hỏng ở trên bề mặt, càng yếu dần khi sai
hỏng càng xa bề mặt.
Vì vậy, phương pháp chỉ áp dụng cho kiểm tra bề mặt và ngay sát bề mặt.

Hình 1.7 Từ thơng rị rỉ phụ thuộc vào độ sâu của sai hỏng

 Hình dáng của sai hỏng
Từ thơng rị rỉ càng mạnh khi sai hỏng càng hẹp và sâu và càng yếu với sai
hỏng nông và bè.
Đối với các trường hợp từ thơng rị rỉ yếu nói chung thì u cầu dịng điện
từ hố phải đủ lớn và hạt từ phải dễ quan sát.

Hình 1.8 Từ thơng rị rỉ phụ thuộc vào hình dạng sai hỏng

1.2.3

Nguyên lý cơ bản

Hình 1.9 Nguyên lý cơ bản

4


•

•
•

•

Từ hóa đối tượng: dùng nam châm vĩnh cửu, nam châm điện hoặc cho
dòng điện một chiều, xoay chiều chạy qua để từ hố đối tượng. Sau từ
hố, có từ thơng chạy qua đối tượng và bị rị rỉ tại các sai hỏng.

Rắc hạt từ lên bề mặt được từ hóa: dùng hạt từ khơ hoặc hạt từ ướt rải lên
bề mặt đối tượng. Các hạt từ sẽ tập trung tại các sai hỏng.
Kiểm tra đối tượng: quan sát các đám hạt từ ta xác định được vị trí, kích
thước, hình dáng của sai hỏng. Có thể dùng kính lúp, huỳnh quang, tia
UV… để dễ quan sát hơn.
Khử từ đối tượng: Sau khi kiểm tra xong, phải khử từ để đối tượng trở về
trạng thái ban đầu.
Các bước tiến hành trên sẽ được trình bày cụ thể ở các phần sau.

1.3 Ưu, nhược điểm của phương pháp
1.3.1
•
•
•
•

Khơng cần khâu làm sạch trước khi kiểm tra quá chặt chẽ
Nhanh, đơn giản, kinh tế
Ít bị giới hạn bởi hình dạng, kích thước mẫu vật
Dễ thực hiện, dễ đào tạo người kiểm tra
1.3.2

•
•
•
•

Ưu điểm

Nhược điểm

Chỉ áp dụng với vật liệu sắt từ
Chỉ phát hiện sai hỏng trên và gần bề mặt
Hướng và độ lớn của từ trường có ảnh hưởng lớn
Yêu cầu phải khử từ sau kiểm tra

5


CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT TỪ HÓA KIM LOẠI SẮT TỪ

2.1 Giới thiệu về từ trường
2.1.1

Từ tính

Thuật ngữ "từ trường" chỉ đơn giản mơ tả một thể tích khơng gian nơi có
sự thay đổi năng lượng trong thể tích đó. Vị trí mà từ trường thốt ra hoặc đi vào
vật chất được gọi là cực từ. Các cực từ chưa bao giờ được phát hiện một cách cô
lập mà luôn luôn xảy ra theo cặp, do đó có tên là lưỡng cực. Do đó, lưỡng cực là
vật có cực từ ở một đầu và cực từ ở hai đầu, bằng nhau nhưng ngược chiều. Nam
châm dạng thanh là một lưỡng cực có cực bắc ở một đầu và cực nam ở đầu kia.
Nguồn gốc của từ tính nằm trong khối cấu tạo cơ bản của mọi vật chất, đó
là nguyên tử. Nguyên tử được cấu tạo bởi proton, neutron và electron. Các proton
và neutron nằm trong hạt nhân nguyên tử và các electron chuyển động không đổi
xung quanh hạt nhân. Các electron mang điện tích âm và tạo ra từ trường khi
chúng di chuyển trong không gian. Một từ trường được tạo ra bất cứ khi nào một
điện tích chuyển động. Cường độ của trường này được gọi là mơmen từ.

Hình 2.10 Cấu tạo bên trong nguyên tử

Khi dòng điện chạy qua vật dẫn, chuyển động của các electron qua vật dẫn
sẽ tạo ra từ trường xung quanh vật dẫn. Từ trường có thể được phát hiện bằng
cách sử dụng la bàn. Vì tất cả vật chất đều bao gồm các nguyên tử, nên tất cả các
vật chất đều bị ảnh hưởng bởi từ trường theo một cách nào đó. Tuy nhiên, các vật
liệu không phản ứng theo cùng một cách với từ trường.
2.1.2

Phản ứng của vật liệu với từ trường

Khi một vật liệu được đặt trong một từ trường, lực từ của các electron của
vật liệu đó sẽ bị ảnh hưởng. Hiệu ứng này được gọi là Định luật Cảm ứng Từ của
Faraday. Tuy nhiên, vật liệu có thể phản ứng hoàn toàn khác với sự hiện diện của
từ trường bên ngồi. Mơmen từ liên kết với ngun tử có ba nguồn gốc: chuyển
6


động của electron, sự thay đổi chuyển động do từ trường ngồi gây ra và chuyển
động quay của electron.

Hình 2.11 Chuyển động cặp của electron

Trong hầu hết các nguyên tử, các electron xảy ra theo cặp mà các cặp này
quay theo hướng ngược nhau. Hướng quay ngược nhau của các cặp electron làm
cho từ trường của chúng triệt tiêu lẫn nhau. Do đó, khơng tồn tại từ trường thuần.
Mặt khác, các vật liệu có một số electron chưa ghép đơi sẽ có từ trường thuần và
sẽ phản ứng nhiều hơn với trường bên ngoài. Theo tương tác của chúng với từ
trường, các vật liệu có thể được phân loại thành:
 Vật liệu nghịch từ:
-

Có độ nhạy yếu , nghịch với từ trường. Khi tác động với từ trường ngoài, các
phân tử sẽ sinh ra dòng điện phụ và tạo ra từ trường phụ ngược chiều với từ
trường bên ngoài theo xu hướng cảm ứng điện từ. Trong vật liệu nghịch từ, tất
cả các electron đều ghép đôi nên không tồn tại mômen từ trường trên mỗi
nguyên tử. Hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn, bao gồm đồng, bạc
và vàng, đều nghịch từ.

Hình 2.12 Vật liệu nghịch từ

 Vật liệu thuận từ:
7


-

Có độ nhạy yếu, thuận với từ trường. Trái ngược với nghịch từ, khi có tác
dụng của từ trường ngồi, các moment từ này sẽ bị quay theo từ trường ngoài,
làm cho cảm ứng từ tổng cộng trong chất tăng lên. Thuận từ có một số
electron chưa ghép đơi. Ví dụ về vật liệu thuận từ bao gồm magiê, molypden
và liti.

Hình 2.13 Vật liệu thuận từ

 Vật liệu sắt từ:
-

Có độ nhạy lớn, thuận với chiều từ trường bên ngoài. Chúng thể hiện một lực
từ mạnh đối với từ trường và có thể giữ lại các đặc tính từ sau khi loại bỏ từ
trường bên ngoài. Vật liệu sắt từ có một số electron chưa ghép đơi nên

ngun tử của chúng có momen từ trường lớn. Chúng có đặc tính từ tính
mạnh do sự hiện diện của các miền từ tính. Trong các miền này, một số lượng
lớn mơmen của nguyên tử được sắp xếp song song để lực từ bên trong miền
mạnh. Khi một vật liệu sắt từ ở trạng thái khơng có từ tính, các miền gần như
được tổ chức ngẫu nhiên (vì các tinh thể nằm theo các hướng tùy ý) và từ
trường thuần của toàn bộ phần bằng khơng. Khi một lực từ hóa được áp dụng,
các miền trở nên thẳng hàng để tạo ra từ trường mạnh bên trong bộ phận. Sắt,
niken và coban là những ví dụ về vật liệu sắt từ. Các thành phần làm bằng các
vật liệu này thường được kiểm tra bằng phương pháp đánh dấu hạt hạt từ tính.

-

Hình 2.14 Vật liệu sắt từ

8


2.1.3

Đặc điểm từ trường

2.1.3.1. Từ trường bên trong và xung quanh thanh nam châm

Hình 2.15 Từ trường sinh ra bởi thanh nam châm

Từ trường bao quanh một thanh nam châm có thể được nhìn thấy trong
hình từ kế bên dưới. Có thể tạo ra từ trường bằng cách đặt một mảnh giấy lên
trên nam châm và rắc mạt sắt lên giấy. Các hạt tự sắp xếp theo đường sức từ do
nam châm tạo ra. Có thể thấy trong từ kế có các cực dọc theo chiều dài của nam
châm nhưng các cực lại tập trung ở hai đầu của nam châm (cực bắc và cực nam).

2.1.3.2. Từ trường bên trong và xung quanh nam châm chữ U

Hình 2.16 Nam châm hình chữ U

Nam châm có nhiều hình dạng khác nhau và một trong những loại phổ
biến hơn cả là nam châm hình chữ U. Nam châm hình chữ U có các cực bắc và
9


nam giống như nam châm thanh nhưng nam châm cong nên các cực nằm trong
cùng một mặt phẳng. Đường sức từ truyền từ cực sang cực giống như trong nam
châm thanh. Tuy nhiên, vì các cực nằm gần nhau hơn và tồn tại một con đường
trực tiếp hơn cho các đường từ thông di chuyển giữa các cực, nên từ trường tập
trung giữa các cực.
2.1.3.3. Tính chất chung của đường sức từ

Hình 2.17 Hình dạng đường sức từ

Đường sức từ có một số tính chất quan trọng, bao gồm:
 Trong một nam châm đơn được hiển thị, họ cố gắng tạo thành các
vịng khép kín từ cực này sang cực khác.
 Chúng không bao giờ vượt qua nhau.
 Tất cả đều có năng lượng như nhau.
 Mật độ của chúng giảm khi khoảng cách từ các cực tăng lên.
 Mật độ của chúng giảm (chúng lan ra) khi chúng di chuyển từ vùng có
độ từ thẩm cao hơn sang vùng có độ từ thẩm thấp hơn.
 Chúng di chuyển từ cực nam sang cực bắc trong một vật liệu và từ cực
bắc sang cực nam trong khơng khí.
2.1.4

Điện từ trường

Nam châm không phải là nguồn duy nhất của từ trường. Dòng điện chạy
qua vật dẫn tạo ra từ trường. Khi dòng điện chạy trong một dây dẫn thẳng dài,
xung quanh dây dẫn sẽ sinh ra một từ trường tròn và cường độ từ trường này tỉ lệ
10


thuận với cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn. Cường độ của trường mạnh
nhất bên cạnh dây và giảm dần theo khoảng cách. Trong hầu hết các dây dẫn, từ
trường chỉ tồn tại khi có dịng điện chạy qua. Tuy nhiên, trong vật liệu sắt từ,
dòng điện sẽ làm cho một số hoặc tất cả các miền từ trường thẳng hàng và một từ
trường dư sẽ vẫn cịn.

Hình 2.18 Từ trường sinh ra bởi dịng điện

Hình 2.19 Quy tắc bàn tay phải

Ngoài ra, hướng của từ trường phụ thuộc vào hướng của dòng điện trong
dây dẫn. Hướng của từ trường xung quanh một vật dẫn có thể được xác định
bằng cách sử dụng một quy tắc đơn giản gọi là “quy tắc nắm tay phải”. Nếu một
người nắm một dây dẫn trong tay phải của một người với ngón tay cái chỉ theo
11


hướng của dịng điện, các ngón tay sẽ xoay trịn dây dẫn theo hướng của từ
trường.
Công thức từ trường sinh ra bởi trong 1 dây dẫn dài:
với I: Cường độ dòng điện (A),
R: khoảng cách từ điểm đo đến dây dẫn (m).

2.1.5

Từ trường được tạo ra bởi một cuộn dây mang điện

Khi một dây mang dòng điện được tạo thành nhiều vòng để tạo thành một
cuộn dây, từ trường quay quanh mỗi vòng kết hợp với trường từ các vòng khác
để tạo ra một trường tập trung qua tâm của cuộn dây (trường chạy dọc theo trục
dọc và các vòng trở lại xung quanh bên ngồi của cuộn dây).

Hình 2.20 Từ trường sinh ra bởi cuộn dây

Khi các vòng của cuộn dây được quấn chặt chẽ, một từ trường đều được
phát triển trong suốt chiều dài của cuộn dây. Cường độ của từ trường tăng lên
khơng chỉ khi dịng điện tăng lên mà còn với mỗi vòng dây được thêm vào cuộn
dây. Một cuộn dây dài, thẳng được gọi là cuộn dây điện từ và có thể được sử
dụng để tạo ra một từ trường gần như đồng đều tương tự như từ trường của một
nam châm thanh. Từ trường tập trung bên trong cuộn dây rất hữu ích trong việc
từ hóa vật liệu sắt từ để kiểm tra bằng phương pháp kiểm tra hạt từ tính.
Cơng thức về từ trường được biểu diễn như sau:
với I: cường độ dòng điện qua mỗi vịng dây (A),
R: bán kính khung dây (m),
N: số vòng dây.

12


2.1.6

Hiện tượng từ trễ và các thuộc tính từ tính

Có thể tìm hiểu rất nhiều thơng tin về các đặc tính từ tính của vật liệu
bằng cách nghiên cứu vịng từ trễ của nó. Một vịng lặp trễ cho thấy mối quan hệ
giữa mật độ từ thông cảm ứng (B) và lực từ hóa (H). Nó thường được gọi là vịng
lặp B-H. Một vịng lặp trễ ví dụ được hiển thị bên dưới.

Hình 2.21 Hiện tượng từ trễ

Vịng lặp được tạo ra bằng cách đo từ thông của vật liệu sắt từ trong khi
lực từ hóa bị thay đổi. Một vật liệu sắt từ chưa từng được từ hóa trước đó hoặc đã
được khử từ hồn tồn sẽ đi theo đường đứt đoạn khi H tăng lên. Như đường
biểu diễn, lượng dịng điện đặt vào (H +) càng lớn thì từ trường trong thành phần
(B +) càng mạnh.
Tại điểm "a" hầu như tất cả các miền từ đều thẳng hàng và sự gia tăng
thêm lực từ hóa sẽ tạo ra sự gia tăng rất ít từ thơng. Vật liệu đã đạt đến điểm bão
hịa từ tính. Khi H giảm xuống 0, đường cong sẽ di chuyển từ điểm "a" đến điểm
"b". Tại thời điểm này, có thể thấy rằng một số từ thơng vẫn cịn trong vật liệu
mặc dù lực từ hóa bằng khơng. Đây được gọi là điểm hồi lưu trên biểu đồ và cho
biết mức độ từ tính dư trong vật liệu (Một số miền từ tính vẫn thẳng hàng nhưng
một số miền đã mất liên kết). Khi lực từ hóa đảo ngược, đường cong di chuyển
đến điểm "c", tại đó từ thơng đã giảm xuống bằng khơng. Đây được gọi là điểm
của lực từ hóa trên đường cong (lực từ hóa đảo ngược đã lật đủ các miền để từ
thông thực trong vật liệu bằng không). Lực cần thiết để loại bỏ từ tính dư ra khỏi
vật liệu được gọi là lực cưỡng bức hay lực kháng từ của vật liệu.
Khi lực từ hóa tăng lên theo chiều âm, vật liệu sẽ lại trở nên bão hòa từ
tính nhưng theo hướng ngược lại, điểm "d". Giảm H về 0 đưa đường cong tới
điểm "e". Nó sẽ có mức từ tính dư bằng với mức đạt được theo hướng khác. Tăng
H trở lại theo chiều dương sẽ đưa B về không. Lưu ý rằng đường cong không
13

quay trở lại điểm gốc của đồ thị vì cần phải có một số lực để loại bỏ từ tính dư.
Đường cong sẽ đi theo một đường khác từ điểm "f" trở lại điểm bão hịa nơi nó
hồn thành vịng lặp.
Từ vịng từ trễ, một số đặc tính từ chính của vật liệu có thể được xác định:
 Từ hóa dư- Phép đo mật độ từ thông dư tương ứng với cảm ứng bão
hịa của vật liệu từ tính. Nói cách khác, vật liệu có khả năng giữ lại
một lượng từ trường dư nhất định khi lực từ hóa bị loại bỏ sau khi đạt
được độ bão hòa (Giá trị của B tại điểm b trên đường cong từ trễ).
 Từ trường dư hoặc Từ thông dư - Mật độ từ thơng duy trì trong vật
liệu khi lực từ hóa bằng khơng. Lưu ý rằng từ tính dư và từ tính trở lại
giống nhau khi vật liệu đã được từ hóa đến điểm bão hịa. Tuy nhiên,
mức từ tính dư có thể thấp hơn giá trị từ tính khi lực từ hóa khơng đạt
đến mức bão hịa.
 Độ kháng từ - Lượng từ trường ngược tác dụng lên vật liệu từ để làm
cho từ thông trở về 0 (Giá trị của H tại điểm c trên đường cong từ trễ).
 Độ thẩm thấu, µ - Một thuộc tính của vật liệu mô tả mức độ dễ dàng
mà từ thông được thiết lập trong vật liệu.
 Cảm ứng từ - Là thuộc tính của vật liệu chống lại việc tạo ra từ thông
tương tự như điện trở trong mạch điện.
2.1.7

Độ từ thẩm

Như đã đề cập trước đây, độ từ thẩm (µ) là một thuộc tính vật liệu mơ tả
mức độ dễ dàng mà từ thông được thiết lập trong một thành phần. Nó là tỷ số
giữa mật độ từ thơng (B) được tạo ra trong vật liệu với trường từ hóa (H) và được
biểu diễn bằng phương trình sau:
Phương trình này mô tả độ dốc của đường cong tại bất kỳ điểm nào trên
vòng lặp trễ. Giá trị độ thấm được cho trong nhiệt độ đối với vật liệu thường là
độ thấm tối đa hoặc độ thấm tương đối lớn nhất. Độ từ thẩm lớn nhất là điểm mà

độ dốc của đường cong B / H đối với vật liệu không từ tính là lớn nhất. Điểm này
thường được coi là điểm mà một đường thẳng từ gốc tọa độ tiếp tuyến với đường
cong B / H.
Hình dạng của vịng lặp trễ nói lên rất nhiều điều về vật liệu được từ hóa.
Các đường cong từ trễ của hai vật liệu khác nhau được thể hiện trong đồ thị.
So với các vật liệu khác, một vật liệu có chiều rộng vịng lặp trễ có:
-

Độ từ thẩm thấp

-

Từ hóa dư cao

-

lực Kháng từ cao

-

từ trở cao

-

Mật độ từ thông dư cao
14


Vật liệu có vịng lặp trễ nhỏ thì ngược lại

Hình 2.22 Đồ thị từ trễ của hai vật liệu khác nhau

Trong thử nghiệm hạt từ tính, mức độ mật độ thông lương dư là rất quan
trọng. Mật độ thông lương dư bị ảnh hưởng bởi độ thẩm thấu, có thể liên quan
đến hàm lượng cacbon và hợp kim của vật liệu. Một thành phần có hàm lượng
cacbon cao sẽ có độ từ thẩm thấp và sẽ giữ được nhiều từ thơng hơn so với một
vật liệu có hàm lượng cacbon thấp.
2.1.8

Định hướng từ trường và khả năng phát hiện khuyết tật

Để kiểm tra đúng cách một bộ phận để tìm vết nứt hoặc các khuyết tật
khác, điều quan trọng là phải hiểu rằng hướng của vết nứt so với các đường sức
từ quyết định nếu vết nứt có thể được phát hiện hoặc khơng thể phát hiện được.
Có hai loại từ trường chung có thể được thiết lập trong một thành phần.
-

Một từ trường theo chiều dọc có đường lực từ chạy song song với trục
dài của phần. Từ hóa theo chiều dọc của một thành phần có thể được
thực hiện bằng cách sử dụng trường dọc được thiết lập bởi cuộn dây
hoặc cuộn dây điện từ. Nó cũng có thể được thực hiện bằng cách sử
dụng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện.

-

Một từ trường trịn đều có các đường sức từ chạy theo chu vi quanh
chu vi một phần. Một từ trường tròn được tạo ra trong một vật bằng
cách cho dòng điện đi qua linh kiện hoặc cho dòng điện chạy qua vật
dẫn được bao quanh bởi thành phần đó.

15


Hình 2.23 Từ trường vịng

Hình 2.24 Từ trường dọc

Loại từ trường được thiết lập được xác định bằng phương pháp được sử
dụng để từ hóa mẫu vật. Khả năng từ hóa bộ phận theo hai hướng là rất quan
trọng vì việc phát hiện khuyết tật tốt nhất xảy ra khi các đường sức từ được thiết
lập vng góc với chiều dài nhất của khuyết tật. Sự định hướng này tạo ra sự
gián đoạn lớn nhất của từ trường bên trong bộ phận và sự rị rỉ từ thơng lớn nhất
trên bề mặt bộ phận. Nếu từ trường song song với khuyết tật, trường sẽ ít bị gián
đoạn và khơng tạo ra từ trường rị rỉ từ thơng.

Hình 2.25 Phát hiện khuyết tật

16