基于四端子實驗信號和數(shù)值仿真的局域電導(dǎo)率測定方法
【專利摘要】一種基于四端子實驗信號和數(shù)值仿真的局域電導(dǎo)率測定方法，首先對待測區(qū)域利用四端子檢測儀進(jìn)行掃描測量，在四端子探針的外側(cè)兩個端子A、D上施加已知大小的恒定電流I，利用探針內(nèi)側(cè)兩端子B、C測量其間的電位差V，并通過四端子檢測儀獲取測量電位差和所施加恒定電流的比值；其次，利用有限元數(shù)值仿真軟件，通過調(diào)整待測區(qū)域電導(dǎo)率大小，使所得電位差/電流比值的仿真結(jié)果與實驗測量一致，進(jìn)而獲取待測區(qū)域的電導(dǎo)率值；本發(fā)明適合于導(dǎo)體、半導(dǎo)體固體構(gòu)件電導(dǎo)率的定量評估，具有原理簡單，操作方便易行，數(shù)據(jù)量小等優(yōu)點，可應(yīng)用于核電結(jié)構(gòu)應(yīng)力腐蝕裂紋、局部腐蝕減薄等缺陷區(qū)域電導(dǎo)率的測定。
【專利說明】基于四端子實驗信號和數(shù)值仿真的局域電導(dǎo)率測定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及固態(tài)材料電導(dǎo)率測定的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于四端子實驗信號 和數(shù)值仿真的局域電導(dǎo)率測定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在核電結(jié)構(gòu)中，廣泛采用奧氏體不銹鋼和高鎳合金等應(yīng)力腐蝕感受性材料，這些 機(jī)械構(gòu)件普遍存在加工裝配產(chǎn)生的殘余拉伸應(yīng)力和運行中工作拉應(yīng)力，同時又處在輕水腐 蝕環(huán)境中，因此應(yīng)力腐蝕裂紋的存在不可避免。應(yīng)力腐蝕裂紋常導(dǎo)致不銹鋼容器、管道等構(gòu) 件在較低應(yīng)力、沒有明顯宏觀變形的情況下出現(xiàn)滲漏甚至斷裂，隱蔽性強(qiáng)，危害性大，對核 電站等大型機(jī)械結(jié)構(gòu)的正常運行和人員安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，各國核電標(biāo)準(zhǔn)都要求對核電關(guān) 鍵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕裂紋進(jìn)行定期無損檢測以確保結(jié)構(gòu)完整性。
[0003] 為了減小應(yīng)力腐蝕裂紋導(dǎo)致的核電設(shè)備利用率低，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下減少 維修時間和次數(shù)，各國均導(dǎo)入了核電設(shè)備維護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，允許含裂紋系統(tǒng)經(jīng)評價安全時繼 續(xù)運行。核電設(shè)備維護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括缺陷檢測、進(jìn)展評價和維修方法三個部分，其中定 量無損檢測是檢測的主要內(nèi)容，也是裂紋進(jìn)展評價的前提。核電設(shè)備應(yīng)力腐蝕裂紋的定量 無損檢測主要采用超聲檢測（UT)方法。由于不銹鋼焊部柱狀晶各向異性和表面回波效應(yīng)， 超聲方法對焊接部位和淺應(yīng)力腐蝕裂紋的定量檢測存在不足?？紤]到材料電導(dǎo)率特性較少 依賴焊部各向異性且渦電流存在趨膚效應(yīng)，渦流檢測方法（ECT)對焊部應(yīng)力腐蝕裂紋的定 量檢測具有獨特優(yōu)勢，在核電設(shè)備應(yīng)力腐蝕裂紋定量無損檢測中已成為超聲方法的有力補(bǔ) 充。但由于應(yīng)力腐蝕裂紋不同于一般的人工裂紋，存在著弱于基體材料的部分導(dǎo)電性，然而 到目前為止，其導(dǎo)電率測定方法尚不成熟，電導(dǎo)率分布特性尚不明確，嚴(yán)重影響了渦流檢測 定量精度的提高。目前的四端子電導(dǎo)率測定方法，僅限于測量無限大試件，即試件厚度與探 針間距之比L/s =c?，無法準(zhǔn)確的測量厚度與探針間距相當(dāng)?shù)脑嚇拥碾妼?dǎo)率。
[0004] 鑒于此，本發(fā)明提出了利用四端子直流電位實驗測定結(jié)果和數(shù)值仿真信號對比分 析的新方法，可以實現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋電導(dǎo)率分布的測定。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于四端子實驗 信號和數(shù)值仿真的局域電導(dǎo)率測定方法，能夠完成對固體材料應(yīng)力裂紋電導(dǎo)率分布的測 定，具有操作簡單，易實現(xiàn)，數(shù)據(jù)量小的優(yōu)點，可廣泛用于核電等機(jī)械結(jié)構(gòu)中應(yīng)力腐蝕裂紋 電導(dǎo)率的定量評估。
[0006] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種基于四端子實驗信號和數(shù)值仿真的局域電導(dǎo)率測定方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1 :基于四端子方法實驗測量應(yīng)力裂紋不同深度處的電位差/電流的比值R， 具體步驟如下：
[0009] 1)將待測應(yīng)力腐蝕裂紋試件表面進(jìn)行打磨處理以使四端子探針的四個端子與試 件表面良好有效的接觸，將打磨處理后的試件放置在掃描臺上，將四端子探針安裝在掃描 臺上，并確定試件待測區(qū)域；
[0010] 2)步驟1)中所述的四端子探針的外側(cè)兩個電極端子為電流的加載端子，內(nèi)側(cè)兩 個電極端子為電位差的測量端子，在檢測實驗時，將四端子探針置于試件待測區(qū)域并沿著 設(shè)定的采樣線進(jìn)行掃描實驗，采樣線與裂紋長度方向垂直，在每個測量點處均要確保探針 的四個端子都與試件良好接觸，在探針外側(cè)的兩個電極端子上施加一恒定電流，在中間兩 個電極端子間就會產(chǎn)生電位差，在每個掃描點處，通過四端子電阻率檢測儀讀取電位差與 施加電流的比值，在此將其稱之為電阻R = V%/% ;
[0011] 3)提取每條采樣線上的電阻最大值Ri，即裂紋處的Ri值并求取平均值R，將該平 均值作為與下面仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析的表面層最終實驗測定信號R ;
[0012] 4)將試件的表面層測量結(jié)束后，將試件表層沿裂紋深度方向多次機(jī)械打磨掉預(yù)設(shè) 厚度，然后采用上述步驟1)_3)的方法分別進(jìn)行多次實驗檢測，獲得距離裂紋表面不同深 度裂紋處的每條采樣線上的電阻最大值氏，即裂紋處的氏值并求取平均值艮，，將該平均值 J 作為與下面仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析的不同深度層最終實驗測定信號&|;
[0013] 步驟2 :基于數(shù)值模擬結(jié)果和實驗測定信號綜合比對分析的不同裂紋深度的電導(dǎo) 率評估，具體步驟如下：
[0014] 1)根據(jù)實際的應(yīng)力腐蝕裂紋試件，采用有限元軟件，先建立尺寸一致的數(shù)值仿真 模型，然后劃分網(wǎng)格進(jìn)行有限元離散，保證步驟1中的每個實驗點都對應(yīng)為數(shù)值模型中的 一個節(jié)點，以便于電流的加載和電位差的數(shù)值計算；
[0015] 2)與步驟1實驗掃描檢測一致，在對應(yīng)的位置進(jìn)行電流的加載和電位差的測量， 加載的電流值與步驟1實驗值相同，再通過公式w ^計算獲得仿真電阻值 ；
[0016] 3)在仿真時假設(shè)同一層上的電導(dǎo)率是均勻分布的，即每一層只有一個電導(dǎo)率值， 但裂紋不同深度處的電導(dǎo)率是不同的，需要對不同深度的每一層設(shè)定不同的電導(dǎo)率，因為 各層測量值受當(dāng)層SCC區(qū)域電導(dǎo)率影響最大，同時也受其它各層電導(dǎo)率影響。因此，在調(diào) 整各層電導(dǎo)率時，先調(diào)整當(dāng)層電導(dǎo)率值，使當(dāng)層仿真電阻值V ^與當(dāng)層最終實驗測定信號 & 一致；在調(diào)整下一層的電導(dǎo)率時，不僅要使該層的仿真值與該層最終實驗測定信號 一致，同時在下面各層SCC區(qū)域的影響下，以上各層的仿真值與最終實驗測定信號也要 一致，最終在多層SCC區(qū)域的電導(dǎo)率共同作用下，各層的仿真值R' ^與最終實驗測定信號 艮纟一致或在允許誤差范圍之內(nèi)；就可獲得數(shù)值模擬中應(yīng)力裂紋各層的電導(dǎo)率，即為待測試 件的電導(dǎo)率。
[0017] 所采用的有限元軟件為ANSYS、ANSOFT、ABAQUS或C0MS0L。
[0018] 所述有限元軟件為ANS0FT。
[0019] 步驟1所述的掃描步長為1mm，相鄰兩采樣線之間的距離亦為1mm。
[0020] 步驟1所述的多次機(jī)械打磨掉預(yù)設(shè)厚度為1mm。
[0021] 步驟2所述的允許誤差范圍為最終實驗測定信號I與仿真值R' d勺相對誤差小 于5%。
[0022] 和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點如下：
[0023] 1)本發(fā)明方法采用數(shù)值模擬和實驗信號吻合對比分析的策略反演獲得待測試件 的電導(dǎo)率值，能夠?qū)?yīng)力腐蝕裂紋不同深度處的電導(dǎo)率進(jìn)行測試，獲得裂紋區(qū)域電導(dǎo)率的 分布；且本方法具有原理簡單，操作方便易實現(xiàn)，數(shù)據(jù)量小等優(yōu)點，能廣泛用于固態(tài)金屬電 導(dǎo)率的測定；
[0024] 2)本發(fā)明檢測探頭為普通四端子探針，但采用數(shù)值仿真與實驗信號對比分析的反 演方法，克服了常規(guī)四端子方法測量對象只能為半無限大體的局限性，同時保證了測量結(jié) 果的精確性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的四端子測量原理示意圖。
[0026] 圖2為待測應(yīng)力腐蝕裂紋試件。
[0027] 圖3為沿裂紋深度逐層打磨示意圖。
[0028] 圖4為實驗檢測采用的掃描路徑。
[0029] 圖5為數(shù)值仿真模型。
[0030] 圖6為電位數(shù)值仿真結(jié)果。

【具體實施方式】
[0031] 如圖1所示，本發(fā)明方法的檢測原理為：依據(jù)四端子直流電位法檢測原理，在四端 子探針的外側(cè)兩端子上施加一特定大小的恒定電流，內(nèi)側(cè)兩探針端子用于測量電位差，實 際測量試件待測區(qū)域的電位分布，通過四端子電阻率檢測儀可以讀取到電位檢測端的電壓 和所施加的恒定電流的比值R = VBC/IQ，同時，利用ANS0FT有限元數(shù)值仿真軟件，通過調(diào)整 電導(dǎo)率的具體數(shù)值，使電阻R的仿真結(jié)果與實驗測量信號相一致的方法，對比分析獲取被 測試件的電導(dǎo)率值。
[0032] 下面結(jié)合圖2、圖3、圖4、圖5和圖6及具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0033] 本實施例一種基于四端子實驗信號和數(shù)值仿真的局域電導(dǎo)率測定方法，包括如下 步驟：
[0034] 步驟1 :基于四端子方法實驗測量應(yīng)力裂紋不同深度處的電阻，具體步驟如下：
[0035] 1)對于待測應(yīng)力腐蝕裂紋試件，如圖2所示，平板試件幾何尺寸為 200mmX100mmX10mm，采用超聲時差衍射法測量平板試件中央處的應(yīng)力腐蝕裂紋深度為 3. 1mm，以1mm厚度為間距，將裂紋從表面沿深度方向分為四層。在實驗檢測前，首先將其表 面進(jìn)行打磨處理，然后放置在掃描臺上，將四端子探針安裝在掃描臺上，并調(diào)整其處在掃描 起始點位置；
[0036] 2)步驟1)中所述的四端子探針的外側(cè)兩個端子為電流的加載端子，內(nèi)側(cè)兩個 為電位差的測量端子，在檢測實驗時，在外側(cè)兩個端子上加載恒定的電流，就會在試件表 面形成特定的電勢分布，利用四端子探針內(nèi)側(cè)的兩個端子可以測量指定位置的電位差，然 后通過三菱化學(xué)電阻率檢測儀可以讀取到電位檢測端的電壓和所施加的恒定電流的比值 R = ;利用掃描臺在待檢測區(qū)域內(nèi)進(jìn)行掃描實驗，如圖3所示，檢測范圍為裂紋周圍 18mmX 16mm，掃描步長為1mm，相鄰兩采樣線之間的距離亦為1mm，在每個掃描點處，三菱化 學(xué)電阻率檢測儀可以讀取到該測量點處兩電位檢測端子間的電壓與電流的比值R = VB。/ 1〇 ;
[0037] 3)提取每條采樣線上的電阻最大值&，即裂紋處的氏值并求取平均值R，將該平 均值R作為與下面仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析的表面層最終實驗測定信號&;
[0038] 4)將試件的表面層測量結(jié)束后，將試件表層沿深度方向機(jī)械打磨掉1mm，如圖4 所示，然后采用上述步驟1)_3)的方法進(jìn)行實驗檢測，獲得距離表面分別為lmm、2mm、3mm 深度裂紋處的電阻值，得到與下面仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析的不同深度層最終實驗測定信號 & (j=2,3,4)。
[0039] 步驟2 :基于ANS0FT軟件數(shù)值模擬結(jié)果和實驗測定信號綜合比對分析的不同裂紋 深度的電導(dǎo)率評估，具體步驟如下：
[0040] 1)根據(jù)實際的應(yīng)力腐蝕裂紋試件，采用ANS0FT軟件，先建立尺寸一致的數(shù)值仿真 模型，如圖5所示，然后劃分網(wǎng)格進(jìn)行有限元離散，保證每個實驗點都對應(yīng)為數(shù)值模型中的 一個節(jié)點，以便于電流的加載和電位差的數(shù)值計算；
[0041] 2)與實驗掃描檢測一致，在對應(yīng)的位置進(jìn)行電流的加載和電位差的測量，加載的 電流值與步驟1實驗值相同，然后給定一個電導(dǎo)率值進(jìn)行電位分布的計算，如圖6所示，再 計算出電位差V' BC即可通過公式R' =V' ^計算獲得仿真V ;
[0042] 3)在仿真時假設(shè)同一層上的電導(dǎo)率是均勻分布的，即每一層只有一個電導(dǎo)率值， 需要對不同深度的每一層設(shè)定不同的電導(dǎo)率，因為各層測量值受當(dāng)層SCC區(qū)域電導(dǎo)率影響 最大，同時也受其它各層電導(dǎo)率影響。因此，在調(diào)整各層電導(dǎo)率時，先調(diào)整當(dāng)層電導(dǎo)率值，使 當(dāng)層仿真值與實測值一致；在調(diào)整下一層的電導(dǎo)率時，不僅要使該層的仿真值與實測值一 致，同時在下面各層SCC區(qū)域的影響下，以上各層的仿真值與實測值也要一致。具體為：首 先調(diào)整數(shù)值仿真中第一層的電導(dǎo)率σ ' i，以下各層的電導(dǎo)率先假定均為材料基體的電導(dǎo) 率，使仿真結(jié)果R/與實驗結(jié)果Ri-致，如此得到第一層的電導(dǎo)率i，然后在已 知第一層電導(dǎo)率為σ n的前提下，調(diào)整仿真中第二層電導(dǎo)率σ ' 2，同樣的，此時仍假設(shè)第 三、四層的電導(dǎo)率為基體材料電導(dǎo)率，同時微調(diào)第一層電導(dǎo)率σ n，使在這兩層電導(dǎo)率的共 同作用下，第一層和第二層的仿真結(jié)果R/、IV與實驗測定Rp R2-致，同理，最終可以 獲得在這四層電導(dǎo)率的共同影響下，使四層的仿真結(jié)果與實驗測定均一致，即可獲得應(yīng)力 腐蝕裂紋各層的電導(dǎo)率〇2、〇3、〇4，使其每層的數(shù)值仿真結(jié)果和實驗檢測信號一致或 在允許誤差之內(nèi)。
[〇〇43] 需要說明的是：在實際的測量中可以重復(fù)上述步驟1中對于每層信號的實驗檢測 多次，求出平均值作為步驟1中4)所述R的測量結(jié)果&,，以達(dá)到更加精確的測量。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于四端子實驗信號和數(shù)值仿真的局域電導(dǎo)率測定方法，其特征在于：包括如 下步驟： 步驟1 :基于四端子方法實驗測量應(yīng)力裂紋不同深度處電位差/電流的比值R，具體步 驟如下： 1) 將待測應(yīng)力腐蝕裂紋試件表面進(jìn)行打磨處理以使四端子探針的四個端子與試件表 面良好有效的接觸，將打磨處理后的試件放置在掃描臺上，將四端子探針安裝在掃描臺上， 并確定試件待測區(qū)域； 2) 步驟1)中所述的四端子探針的外側(cè)兩個電極端子為電流的加載端子，內(nèi)側(cè)兩個電 極端子為電位差的測量端子，在檢測實驗時，將四端子探針置于試件待測區(qū)域并沿著設(shè)定 的采樣線進(jìn)行掃描實驗，采樣線與裂紋長度方向垂直，在每個測量點處均要確保探針的四 個端子都與試件良好接觸，在探針外側(cè)的兩個電極端子上施加一恒定電流，在中間兩個電 極端子間就會產(chǎn)生電位差，在每個掃描點處，通過四端子電阻率檢測儀讀取電位差與施加 電流的比值，在此將其稱之為電阻R = VBC/IQ ; 3) 提取每條采樣線上的電阻最大值氏，即裂紋處的氏值并求取平均值R，將該平均值 作為與下面仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析的表面層最終實驗測定信號R ; 4) 將試件的表面層測量結(jié)束后，將試件表層沿裂紋深度方向多次機(jī)械打磨掉預(yù)設(shè)厚 度，然后采用上述步驟1)_3)的方法分別進(jìn)行多次實驗檢測，獲得距離裂紋表面不同深度 裂紋處的每條采樣線上的電阻最大值Ri，即裂紋處的Ri值并求取平均值I，將該平均值作 為與下面仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析的不同深度層最終實驗測定信號&i; 步驟2 :基于數(shù)值模擬結(jié)果和實驗測定信號綜合比對分析的不同裂紋深度的電導(dǎo)率評 估，具體步驟如下： 1) 根據(jù)實際的應(yīng)力腐蝕裂紋試件，采用有限元軟件，先建立尺寸一致的數(shù)值仿真模型， 然后劃分網(wǎng)格進(jìn)行有限元離散，保證步驟1中的每個實驗點都對應(yīng)為數(shù)值模型中的一個節(jié) 點，以便于電流的加載和電位差的數(shù)值計算； 2) 與步驟1實驗掃描檢測一致，在對應(yīng)的位置進(jìn)行電流的加載和電位差的測量，加載 的電流值與步驟1實驗值相同，再通過公式V =V' BC/I' ^計算獲得仿真電阻值R'; 3) 在仿真時假設(shè)同一層上的電導(dǎo)率是均勻分布的，即每一層只有一個電導(dǎo)率值，但裂 紋不同深度處的電導(dǎo)率是不同的，需要對不同深度的每一層設(shè)定不同的電導(dǎo)率，因為各層 測量值受當(dāng)層SCC區(qū)域電導(dǎo)率影響最大，同時也受其它各層電導(dǎo)率影響。因此，在調(diào)整各 層電導(dǎo)率時，先調(diào)整當(dāng)層電導(dǎo)率值，使當(dāng)層仿真電阻值R' ^與當(dāng)層最終實驗測定信號一 致；在調(diào)整下一層的電導(dǎo)率時，不僅要使該層的仿真值V ^與該層最終實驗測定信號^一 致，同時在下面各層SCC區(qū)域的影響下，以上各層的仿真值與最終實驗測定信號也要一 致，最終在多層SCC區(qū)域的電導(dǎo)率共同作用下，各層的仿真值R' ^與最終實驗測定信號 一致或在允許誤差范圍之內(nèi)；就可獲得數(shù)值模擬中應(yīng)力裂紋各層的電導(dǎo)率，即為待測試件 的電導(dǎo)率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四端子實驗信號和數(shù)值仿真的局域電導(dǎo)率測定方法，其 特征在于：所采用的有限元軟件為ANSYS、ANSOFT、ABAQUS或COMSOL。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于四端子實驗信號和數(shù)值仿真的局域電導(dǎo)率測定方法，其 特征在于：所述有限元軟件為ANSOFT。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四端子實驗信號和數(shù)值仿真的局域電導(dǎo)率測定方法，其 特征在于：步驟1所述的掃描步長為1mm，相鄰兩采樣線之間的距離亦為1mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四端子實驗信號和數(shù)值仿真的局域電導(dǎo)率測定方法，其 特征在于：步驟1所述的多次機(jī)械打磨掉預(yù)設(shè)厚度為1mm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四端子實驗信號和數(shù)值仿真的局域電導(dǎo)率測定方法，其 特征在于：步驟2所述的允許誤差范圍為最終實驗測定信號與仿真值V ^的相對誤差 小于5%。
【文檔編號】G01R27/08GK104062505SQ201410193554
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月8日
【發(fā)明者】陳振茂, 蔡文路, 解社娟, 李勇, 黃太回, 李紅梅, 王麗 申請人:西安交通大學(xué)