張 靜，解社娟，陳振茂

（西安交通大學 強度與振動教育部重點實驗室，西安 710049）

圖1 泡沫金屬示例

泡沫金屬（圖1）具有輕質、比強度高、比表面積大、隔音、隔熱和電磁屏蔽等優(yōu)點，在航空航天、汽車、軍事等諸多領域具有廣泛的應用前景[1]。在泡沫金屬的制備過程中，由于條件控制不良等因素，可能造成多個孔泡相互融合形成大孔缺陷，若實際使用可能造成嚴重后果。因此，泡沫金屬使用前須對材料進行定量無損檢測。

直流電位檢測方法（DCPD）由于沒有集膚效應，電流可進入材料內部，在缺陷部分形成擾動[2－5]，并引起檢測面電位分布的變化。通過檢測這一變化可以推斷材料內部缺陷的存在和大小，因此直流電位法有望成為泡沫金屬內大孔缺陷檢測的有效方法。圖2為直流電位法的示意圖。

為確定直流電位法檢測實際泡沫金屬缺陷孔洞及大小的有效性，對實物泡沫金屬進行了直流電位法無損檢測試驗。同時為確定有效的試驗條件，還運用有限元程序對檢測信號進行了數值模擬。

圖2 直流電位法示意圖

1 數值計算

1.1 有限元程序簡介[6]

恒流場中基本方程[7]：

式中：E——電場強度矢量；

J——電流密度矢量；

σ——導體的電導率分布函數。

由上式可得如下恒流場控制方程：

選用立方體八節(jié)點等參元和伽遼金有限元法對式（4）進行離散求解。利用單元剛度陣：

可得恒流加載時的有限元方程：

式中I和－I分別為加載點的流入和流出電流。

當恒壓加載時，只需把加載點相應方程換為φi＝φ0，再把其他方程中的未知數φi換成加載電位φ0，并乘以系數后移到右端即可。

1.2 有效試驗條件的確定

為確定有效的試驗條件，對不同條件的檢測問題，建立了數值計算模型，利用上述有限元程序對檢測信號進行了計算。

所建立數值計算模型如圖3所示，主要參數為板長200 mm，寬50 mm，厚10 mm，缺陷孔洞在板的中央，缺陷直徑分別為30，24，18，12，6 mm。

考慮到泡沫金屬材料的特點，計算模型中用比致密金屬材料電導率小的均勻材料來模擬泡沫金屬[8]。

1.2.1 加載方式的影響

針對三種典型加載方式（側面中心加載、上表面對邊中點加載和體對頂點加載），用有限元程序計算所得上表面電位差分布如圖4所示。其中所加恒定電流大小均為4 A。

可見，三種加載方式的結果在缺陷處電位差有一個峰值，可由此檢測泡沫金屬的內部缺陷。這些結果初步證明DCPD法對泡沫金屬缺陷檢測的有效性。

加載方式2和3的電極位置在上表面（檢測面），電極的影響使其附近電位差值較大，不宜識別。因此采用方式1加載。

1.2.2 加載電流的影響

圖5為采用加載方式1（側面中心加載），分別施加4和10 A激勵電流時，計算所得上表面中線上相鄰點電位差。

計算結果表明，電流較大時缺陷信號增大，更易檢出缺陷。結合試驗中恒流源及納伏表儀器檢測范圍，決定采用10 A的激勵電流進行直流電位法檢測試驗。

圖5 電流為4和10 A時上表面電位

1.2.3 不同缺陷大小模型的電位差分布

對圖3所示模型，不同直徑缺陷產生的電位差信號如圖6所示。計算中采用了側面中心加載方式，加載電流為10 A。

圖6 不同缺陷大小的電位差

可見，當缺陷孔洞位置都在中心、孔洞大小不同時，檢測信號的峰值位置相同，但峰值大小隨缺陷孔洞的增大而有規(guī)律地增大。因此可通過信號的峰值來推定缺陷的大小。

2 試驗

2.1 直流電位法試驗平臺的搭建

試驗系統(tǒng)由直流電源（Agilent N6700B）、納伏表（Agilent 71/2 Nano Volt/Micro Ohm Meter HP34401 A）、限流電阻（3個1Ω，50 W電阻并聯(lián)）、三維掃查臺（日本中央精機CHUO SEIKI 2軸控制器驅動QT－CM2）、試件、電位測量探針、電極及相應的夾具構成，系統(tǒng)結構如圖7所示。直流電源、試件和限流電阻通過導線形成回路。

直流電源用來給試件加載恒流電流，從電源接出的兩個電極夾在試件上；掃描臺由步進電機精確控制，可由PC1上的Q－Edit軟件進行編程控制；納伏表測量試件檢測表面的電位分布，探針在掃描臺的控制下以一定的步長移動，每移動到下一點停止運動，將此刻測得的兩探針間的電位差信號送入納伏表；PC2與納伏表連接，采集記錄納伏表測得的電位差。搭建的試驗平臺如圖8所示。

圖7 試驗系統(tǒng)結構圖

設計制作的具有不同大小缺陷的試件如圖9所示。試件尺寸和數值計算模型相同。

2.2 泡沫金屬直流電位法檢測試驗

在搭建的試驗平臺對上述試件進行直流電位法檢測試驗（圖10）。具體試驗條件為：恒定電流10 A；加載方式為側面中心加載；納伏表探針一端固定，另一端在掃描臺控制下掃描。

圖11 電位差分信號濾波結果

為了觀察檢測面電位差的分布，對試驗測得電位信號相鄰兩點進行差分，并且對差分信號進行濾波處理以提高信噪比。所得上表面的電位差分布結果如圖11所示。

可以看到，在缺陷位置有明顯電位差峰值。1，2，3號試件中的缺陷從測量結果中可以分辨出，但4號試件信號很小，較難分辨。3號試件缺陷直徑為18 mm，即寬度方向大孔缺陷檢測能力在36%以上。

由于泡沫金屬的電導率很大，電位差信號很小，這就對測量儀器的精度提出了很高的要求。泡沫金屬材料本身不規(guī)則的小孔以及檢測面的不平也給結果造成了明顯的噪聲。納伏表的理論精度為1 n V，但實際測量時存在漂移，這對試驗測量結果的精度有一定的影響。如果增大恒流源的電流值，檢測出的電位值也會增大，這對減小噪聲的影響有一定的作用。采用穩(wěn)定性更好的納伏表和更大的激勵電流，會進一步有效增加本方法的檢測能力。

3 結論

對實物泡沫金屬進行了直流電位法無損檢測試驗，運用有限元分析程序對試驗條件進行了選擇。試驗和數值結果顯示，即使對于實物泡沫金屬，也可以利用直流電位方法檢出缺陷，且缺陷大小和檢測電位信號的大小有一定對應關系。所得結果為泡沫金屬的定量無損檢測打下了基礎。

[1]盧天健，何德坪，陳常青，等.超輕多孔金屬材料的多功能特性及應用[J].力學進展，2006，36（4）：517－518.

[2]李家偉，陳積懋.無損檢測手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002：2－4；426.

[3]Tada N，Naoya.Application of direct－current potential difference method to evaluation of various damages in conductive materials[C].ASME 2008 Pressure Vessel and Piping Conference.USA：Chicago，2008.

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[6]解社娟.泡沫金屬無損檢測方法研究[D].西安：西安交通大學，2009.

[7]盛劍霓.工程電磁場數值分析[M].西安：西安交通大學出版社，1999.

[8]劉培生，李鐵藩.泡沫金屬電阻率的計算方法[J].稀有金屬材料與工程，1999，28（4）：19.