CN104062505A - 基于四端子实验信号和数值仿真的局域电导率测定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于四端子实验信号和数值仿真的局域电导率测定方法，首先对待测区域利用四端子检测仪进行扫描测量，在四端子探针的外侧两个端子A、D上施加已知大小的恒定电流I，利用探针内侧两端子B、C测量其间的电位差V，并通过四端子检测仪获取测量电位差和所施加恒定电流的比值；其次，利用有限元数值仿真软件，通过调整待测区域电导率大小，使所得电位差/电流比值的仿真结果与实验测量一致，进而获取待测区域的电导率值；本发明适合于导体、半导体固体构件电导率的定量评估，具有原理简单，操作方便易行，数据量小等优点，可应用于核电结构应力腐蚀裂纹、局部腐蚀减薄等缺陷区域电导率的测定。

Description

基于四端子实验信号和数值仿真的局域电导率测定方法

技术领域

本发明涉及固态材料电导率测定的技术领域，具体涉及一种基于四端子实验信号和数值仿真的局域电导率测定方法。

背景技术

在核电结构中，广泛采用奥氏体不锈钢和高镍合金等应力腐蚀感受性材料，这些机械构件普遍存在加工装配产生的残余拉伸应力和运行中工作拉应力，同时又处在轻水腐蚀环境中，因此应力腐蚀裂纹的存在不可避免。应力腐蚀裂纹常导致不锈钢容器、管道等构件在较低应力、没有明显宏观变形的情况下出现渗漏甚至断裂，隐蔽性强，危害性大，对核电站等大型机械结构的正常运行和人员安全构成严重威胁，各国核电标准都要求对核电关键结构的应力腐蚀裂纹进行定期无损检测以确保结构完整性。

为了减小应力腐蚀裂纹导致的核电设备利用率低，在保证结构安全的前提下减少维修时间和次数，各国均导入了核电设备维护技术标准，允许含裂纹系统经评价安全时继续运行。核电设备维护技术标准主要包括缺陷检测、进展评价和维修方法三个部分，其中定量无损检测是检测的主要内容，也是裂纹进展评价的前提。核电设备应力腐蚀裂纹的定量无损检测主要采用超声检测(UT)方法。由于不锈钢焊部柱状晶各向异性和表面回波效应，超声方法对焊接部位和浅应力腐蚀裂纹的定量检测存在不足。考虑到材料电导率特性较少依赖焊部各向异性且涡电流存在趋肤效应，涡流检测方法(ECT)对焊部应力腐蚀裂纹的 定量检测具有独特优势，在核电设备应力腐蚀裂纹定量无损检测中已成为超声方法的有力补充。但由于应力腐蚀裂纹不同于一般的人工裂纹，存在着弱于基体材料的部分导电性，然而到目前为止，其导电率测定方法尚不成熟，电导率分布特性尚不明确，严重影响了涡流检测定量精度的提高。目前的四端子电导率测定方法，仅限于测量无限大试件，即试件厚度与探针间距之比L/s＝∞，无法准确的测量厚度与探针间距相当的试样的电导率。

鉴于此，本发明提出了利用四端子直流电位实验测定结果和数值仿真信号对比分析的新方法，可以实现应力腐蚀裂纹电导率分布的测定。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于四端子实验信号和数值仿真的局域电导率测定方法，能够完成对固体材料应力裂纹电导率分布的测定，具有操作简单，易实现，数据量小的优点，可广泛用于核电等机械结构中应力腐蚀裂纹电导率的定量评估。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于四端子实验信号和数值仿真的局域电导率测定方法，包括如下步骤：

步骤1：基于四端子方法实验测量应力裂纹不同深度处的电位差/电流的比值R，具体步骤如下：

1)将待测应力腐蚀裂纹试件表面进行打磨处理以使四端子探针的四个端子与试件表面良好有效的接触，将打磨处理后的试件放置在扫描台上，将四端子探针安装在扫描台上，并确定试件待测区域；

2)步骤1)中所述的四端子探针的外侧两个电极端子为电流的加载端子，内侧两个电极端子为电位差的测量端子，在检测实验时，将四端子探针置于试 件待测区域并沿着设定的采样线进行扫描实验，采样线与裂纹长度方向垂直，在每个测量点处均要确保探针的四个端子都与试件良好接触，在探针外侧的两个电极端子上施加一恒定电流，在中间两个电极端子间就会产生电位差，在每个扫描点处，通过四端子电阻率检测仪读取电位差与施加电流的比值，在此将其称之为电阻R＝V_BC/I₀；

3)提取每条采样线上的电阻最大值R_i，即裂纹处的R_i值并求取平均值将该平均值作为与下面仿真结果进行对比分析的表面层最终实验测定信号

4)将试件的表面层测量结束后，将试件表层沿裂纹深度方向多次机械打磨掉预设厚度，然后采用上述步骤1)-3)的方法分别进行多次实验检测，获得距离裂纹表面不同深度裂纹处的每条采样线上的电阻最大值R_i，即裂纹处的R_i值并求取平均值将该平均值作为与下面仿真结果进行对比分析的不同深度层最终实验测定信号

步骤2：基于数值模拟结果和实验测定信号综合比对分析的不同裂纹深度的电导率评估，具体步骤如下：

1)根据实际的应力腐蚀裂纹试件，采用有限元软件，先建立尺寸一致的数值仿真模型，然后划分网格进行有限元离散，保证步骤1中的每个实验点都对应为数值模型中的一个节点，以便于电流的加载和电位差的数值计算；

2)与步骤1实验扫描检测一致，在对应的位置进行电流的加载和电位差的测量，加载的电流值与步骤1实验值相同，再通过公式R′＝V′_BC/I′₀计算获得仿真电阻值R′；

3)在仿真时假设同一层上的电导率是均匀分布的，即每一层只有一个电导率值，但裂纹不同深度处的电导率是不同的，需要对不同深度的每一层设定不同的电导率，因为各层测量值受当层SCC区域电导率影响最大，同时也受其它 各层电导率影响。因此，在调整各层电导率时，先调整当层电导率值，使当层仿真电阻值R′_j与当层最终实验测定信号一致；在调整下一层的电导率时，不仅要使该层的仿真值与该层最终实验测定信号一致，同时在下面各层SCC区域的影响下，以上各层的仿真值与最终实验测定信号也要一致，最终在多层SCC区域的电导率共同作用下，各层的仿真值R′_j与最终实验测定信号一致或在允许误差范围之内；就可获得数值模拟中应力裂纹各层的电导率，即为待测试件的电导率。

所采用的有限元软件为ANSYS、ANSOFT、ABAQUS或COMSOL。

所述有限元软件为ANSOFT。

步骤1所述的扫描步长为1mm，相邻两采样线之间的距离亦为1mm。

步骤1所述的多次机械打磨掉预设厚度为1mm。

步骤2所述的允许误差范围为最终实验测定信号与仿真值R′_j的相对误差小于5％。

和现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明方法采用数值模拟和实验信号吻合对比分析的策略反演获得待测试件的电导率值，能够对应力腐蚀裂纹不同深度处的电导率进行测试，获得裂纹区域电导率的分布；且本方法具有原理简单，操作方便易实现，数据量小等优点，能广泛用于固态金属电导率的测定；

2)本发明检测探头为普通四端子探针，但采用数值仿真与实验信号对比分析的反演方法，克服了常规四端子方法测量对象只能为半无限大体的局限性，同时保证了测量结果的精确性。

附图说明

图1为本发明的四端子测量原理示意图。

图2为待测应力腐蚀裂纹试件。

图3为沿裂纹深度逐层打磨示意图。

图4为实验检测采用的扫描路径。

图5为数值仿真模型。

图6为电位数值仿真结果。

具体实施方式

如图1所示，本发明方法的检测原理为：依据四端子直流电位法检测原理，在四端子探针的外侧两端子上施加一特定大小的恒定电流，内侧两探针端子用于测量电位差，实际测量试件待测区域的电位分布，通过四端子电阻率检测仪可以读取到电位检测端的电压和所施加的恒定电流的比值R＝V_BC/I₀，同时，利用ANSOFT有限元数值仿真软件，通过调整电导率的具体数值，使电阻R的仿真结果与实验测量信号相一致的方法，对比分析获取被测试件的电导率值。

下面结合图2、图3、图4、图5和图6及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本实施例一种基于四端子实验信号和数值仿真的局域电导率测定方法，包括如下步骤：

步骤1：基于四端子方法实验测量应力裂纹不同深度处的电阻，具体步骤如下：

1)对于待测应力腐蚀裂纹试件，如图2所示，平板试件几何尺寸为200mm×100mm×10mm，采用超声时差衍射法测量平板试件中央处的应力腐蚀裂纹深度为3.1mm，以1mm厚度为间距，将裂纹从表面沿深度方向分为四层。在实 验检测前，首先将其表面进行打磨处理，然后放置在扫描台上，将四端子探针安装在扫描台上，并调整其处在扫描起始点位置；

2)步骤1)中所述的四端子探针的外侧两个端子为电流的加载端子，内侧两个为电位差的测量端子，在检测实验时，在外侧两个端子上加载恒定的电流，就会在试件表面形成特定的电势分布，利用四端子探针内侧的两个端子可以测量指定位置的电位差，然后通过三菱化学电阻率检测仪可以读取到电位检测端的电压和所施加的恒定电流的比值R＝V_BC/I₀；利用扫描台在待检测区域内进行扫描实验，如图3所示，检测范围为裂纹周围18mm×16mm，扫描步长为1mm，相邻两采样线之间的距离亦为1mm，在每个扫描点处，三菱化学电阻率检测仪可以读取到该测量点处两电位检测端子间的电压与电流的比值R＝V_BC/I₀；

3)提取每条采样线上的电阻最大值R_i，即裂纹处的R_i值并求取平均值R，将该平均值R作为与下面仿真结果进行对比分析的表面层最终实验测定信号

4)将试件的表面层测量结束后，将试件表层沿深度方向机械打磨掉1mm，如图4所示，然后采用上述步骤1)-3)的方法进行实验检测，获得距离表面分别为1mm、2mm、3mm深度裂纹处的电阻值，得到与下面仿真结果进行对比分析的不同深度层最终实验测定信号

步骤2：基于ANSOFT软件数值模拟结果和实验测定信号综合比对分析的不同裂纹深度的电导率评估，具体步骤如下：

1)根据实际的应力腐蚀裂纹试件，采用ANSOFT软件，先建立尺寸一致的数值仿真模型，如图5所示，然后划分网格进行有限元离散，保证每个实验点都对应为数值模型中的一个节点，以便于电流的加载和电位差的数值计算；

2)与实验扫描检测一致，在对应的位置进行电流的加载和电位差的测量，加载的电流值与步骤1实验值相同，然后给定一个电导率值进行电位分布的计算，如图6所示，再计算出电位差V′_BC即可通过公式R′＝V′_BC/I′₀计算获得仿真R′；

3)在仿真时假设同一层上的电导率是均匀分布的，即每一层只有一个电导率值，需要对不同深度的每一层设定不同的电导率，因为各层测量值受当层SCC区域电导率影响最大，同时也受其它各层电导率影响。因此，在调整各层电导率时，先调整当层电导率值，使当层仿真值与实测值一致；在调整下一层的电导率时，不仅要使该层的仿真值与实测值一致，同时在下面各层SCC区域的影响下，以上各层的仿真值与实测值也要一致。具体为：首先调整数值仿真中第一层的电导率σ′₁，以下各层的电导率先假定均为材料基体的电导率，使仿真结果R₁′与实验结果一致，如此得到第一层的电导率σ₁₁＝σ′₁，然后在已知第一层电导率为σ₁₁的前提下，调整仿真中第二层电导率σ′₂，同样的，此时仍假设第三、四层的电导率为基体材料电导率，同时微调第一层电导率σ₁₁，使在这两层电导率的共同作用下，第一层和第二层的仿真结果R₁′、R₂′与实验测定一致，同理，最终可以获得在这四层电导率的共同影响下，使四层的仿真结果与实验测定均一致，即可获得应力腐蚀裂纹各层的电导率σ₁、σ₂、σ₃、σ₄，使其每层的数值仿真结果和实验检测信号一致或在允许误差之内。

需要说明的是：在实际的测量中可以重复上述步骤1中对于每层信号的实验检测多次，求出平均值作为步骤1中4)所述R的测量结果以达到更加精确的测量。

Claims (6)

1.一种基于四端子实验信号和数值仿真的局域电导率测定方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：基于四端子方法实验测量应力裂纹不同深度处电位差/电流的比值R，具体步骤如下：

1)将待测应力腐蚀裂纹试件表面进行打磨处理以使四端子探针的四个端子与试件表面良好有效的接触，将打磨处理后的试件放置在扫描台上，将四端子探针安装在扫描台上，并确定试件待测区域；

2)步骤1)中所述的四端子探针的外侧两个电极端子为电流的加载端子，内侧两个电极端子为电位差的测量端子，在检测实验时，将四端子探针置于试件待测区域并沿着设定的采样线进行扫描实验，采样线与裂纹长度方向垂直，在每个测量点处均要确保探针的四个端子都与试件良好接触，在探针外侧的两个电极端子上施加一恒定电流，在中间两个电极端子间就会产生电位差，在每个扫描点处，通过四端子电阻率检测仪读取电位差与施加电流的比值，在此将其称之为电阻R＝V_BC/I₀；

3)提取每条采样线上的电阻最大值R_i，即裂纹处的R_i值并求取平均值将该平均值作为与下面仿真结果进行对比分析的表面层最终实验测定信号

4)将试件的表面层测量结束后，将试件表层沿裂纹深度方向多次机械打磨掉预设厚度，然后采用上述步骤1)-3)的方法分别进行多次实验检测，获得距离裂纹表面不同深度裂纹处的每条采样线上的电阻最大值R_i，即裂纹处的R_i值并求取平均值将该平均值作为与下面仿真结果进行对比分析的不同深度层最终实验测定信号

步骤2：基于数值模拟结果和实验测定信号综合比对分析的不同裂纹深度的电导率评估，具体步骤如下：

1)根据实际的应力腐蚀裂纹试件，采用有限元软件，先建立尺寸一致的数值仿真模型，然后划分网格进行有限元离散，保证步骤1中的每个实验点都对应为数值模型中的一个节点，以便于电流的加载和电位差的数值计算；

2)与步骤1实验扫描检测一致，在对应的位置进行电流的加载和电位差的测量，加载的电流值与步骤1实验值相同，再通过公式R′＝V′_BC/I′₀计算获得仿真电阻值R′；

3)在仿真时假设同一层上的电导率是均匀分布的，即每一层只有一个电导率值，但裂纹不同深度处的电导率是不同的，需要对不同深度的每一层设定不同的电导率，因为各层测量值受当层SCC区域电导率影响最大，同时也受其它各层电导率影响。因此，在调整各层电导率时，先调整当层电导率值，使当层仿真电阻值R′_j与当层最终实验测定信号一致；在调整下一层的电导率时，不仅要使该层的仿真值R′_j与该层最终实验测定信号一致，同时在下面各层SCC区域的影响下，以上各层的仿真值与最终实验测定信号也要一致，最终在多层SCC区域的电导率共同作用下，各层的仿真值R′_j与最终实验测定信号一致或在允许误差范围之内；就可获得数值模拟中应力裂纹各层的电导率，即为待测试件的电导率。

2.根据权利要求1所述的基于四端子实验信号和数值仿真的局域电导率测定方法，其特征在于：所采用的有限元软件为ANSYS、ANSOFT、ABAQUS或COMSOL。

3.根据权利要求2所述的基于四端子实验信号和数值仿真的局域电导率测定方法，其特征在于：所述有限元软件为ANSOFT。

4.根据权利要求1所述的基于四端子实验信号和数值仿真的局域电导率测定方法，其特征在于：步骤1所述的扫描步长为1mm，相邻两采样线之间的距离亦为1mm。

5.根据权利要求1所述的基于四端子实验信号和数值仿真的局域电导率测定方法，其特征在于：步骤1所述的多次机械打磨掉预设厚度为1mm。

6.根据权利要求1所述的基于四端子实验信号和数值仿真的局域电导率测定方法，其特征在于：步骤2所述的允许误差范围为最终实验测定信号与仿真值R′_j的相对误差小于5％。