第30卷 第11期航 空 学 报V ol 30N o 11 2009年 11月ACT A A ERON A U T ICA ET A ST RO N AU T ICA SIN ICA N ov 2009收稿日期:2008 09 22;修订日期:2008 12 08通讯作者:王慧E mail:wanghn pu@126,com文章编号:1000 6893(2009)11 218508蚀坑几何形貌的三维模拟王慧,宋笔锋,王乐,吕国志,崔卫民(西北工业大学航空学院,陕西西安 710072)Three dimensional C omputational S imulation of C orrosion Pit Growth MorphologyWang H ui,Song Bifeng,Wang Le,Lu Guozhi,Cui W eimin(Schoo l o f Aer onaut ics,N or thw estern Po ly technical U niv ersity ,X i an 710072,China)摘 要:点蚀是导致结构失效的重要机理之一,点蚀形貌中隐含了大量的有用信息。
针对点蚀形貌及尺寸的演化情况,采用三维元胞自动机技术对腐蚀环境中的金属腐蚀生长演化过程进行模拟。
将腐蚀损伤生长过程模拟成一个离散的动力学系统,在模拟过程中着重考虑了腐蚀过程中发生的质量转移、金属溶解及钝化、I R 降等基本化学物理现象,并定义了相应的局部规则。
通过模拟得到了在不同环境下蚀坑的腐蚀损伤形貌。
将蚀坑看做半椭球体,可以得到蚀坑的等效深度,定义蚀坑深度比为蚀坑等效深度与蚀坑模拟深度的比值,利用该参数对蚀坑趋近于半椭球体的程度进行分析;对等效为半椭球体的蚀坑,采用蚀坑尺寸比率对等效蚀坑的几何形貌进行研究。
结果表明:蚀坑在生长过程中,几何形貌会达到一种相对稳定的状态。
初步的研究将有助于进一步理解点蚀生长机理,为疲劳寿命预测及结构完整性分析提供有用信息。
关键词:点蚀;元胞自动机;蚀坑形貌;深度比;尺寸比率;模拟中图分类号:V 215 5;V252 文献标识码:AAbstract:P itting co rr osio n is one of the most sig nificant deg radatio n mechanisms t hat affect t he integ rity o f a st ructur e,and a g reat dea l of useful infor mation may be rev ea led by a study on cor ro sion pit g ro wth mor pholo g y.T o o bt ain the co rr osio n pit mor pho log y as well as the aspect char act eristics of an o bject subjected to a co r r osiv e enviro nment,a thr ee dimensional model is dev elo ped t o simulate the ev olution o f pitting cor ro sion dam ag e based on cellula r automato n (CA )techno lo gy.T he cor ro sion damage ev olut ion pr ocess is simulat ed as a discr ete dynamical system,and the fo llow ing element ary physicochemical processes are taken into acco unt in the pro po sed model:mass t ranspo rt,IR dro p,metal disso lutio n and r epassiv asion,which ar e descr ibed by a number of local rules.T he pitting co rr osion mor pholog y at different co rr osive envir onments is obtained by im plementing the simulation pro cedure.T he pit depth ratio,w hich is defined as the ratio of the equiv alent pit depth to the simulated pit depth,is intr oduced to char acter ize the tendency o f a pit to a semi ellipsoid;and the pit aspect ratio is used to study the equiv alent pit mor pho log y character istic for the cor ro sion pit consider ed as the semi ellipso id.T he r esults show that pit g ro wth can achiev e a relat ive st eady state during the pitt ing co rr o sio n pr ocess.T hese preliminar y investigatio n results will motivate further w or k t o understand the pitting co r r osio n mechanism,and pro vide v aluable informat ion fo r fatig ue life pr ediction and structural integ rity analysis.Key words:pit ting cor ro sion;cellular auto maton;pit mo rpholog y;depth ratio ;aspect r atio ;simulat ion腐蚀严重影响着飞机结构的疲劳寿命。
蚀坑的存在能导致承受疲劳载荷的结构快速失效。
因此,在进行腐蚀损伤构件的寿命预测之前,有必要对飞机结构的腐蚀损伤程度进行考虑,提出一种能预测蚀坑生长机理及过程的计算模型,从而能对结构进行腐蚀损伤容限完整性分析[1]。
在所有的腐蚀类型中,点蚀是飞机结构经常遇到的腐蚀破坏形态,是破坏性和隐患最大的腐蚀形式之一。
点蚀是一个复杂的过程,包含了许多复杂的现象,如质量转移、IR 降以及金属溶解和钝化等,使得整个点蚀过程的建模十分复杂。
点蚀影响因素也很多,如金属的化学成分、介质的pH 值和温度、介质的成分和浓度以及介质成分的运动速度等。
目前已有文献[2 4]从电化学角度就环境因素和材料因素及两者之间的交互作用对金属腐蚀过程造成的影响展开研究。
但由于受到腐蚀环境诱发,金属的力学行为、电化学行为以及材料的抗腐蚀特性等都存在不可避免的变化,点蚀损伤实际上不可能被精确测量[5]。
众多学者都致力于建立一种能反映腐蚀损伤航 空 学 报第30卷机理和过程的金属腐蚀损伤模型。
一些概率分析模型[5 8]被提出,在这些模型中考虑了点蚀生长过程的关键随机变量,如溶液浓度、环境温度、腐蚀时间等,用以对腐蚀程度和腐蚀疲劳寿命进行评估。
其中,D G H arlow和R P Wei[6]通过考虑蚀坑大小、密度以及阴极阳极粒子的位置等随机变量,给出了给定时间内蚀坑尺寸的累积分布函数,同时也给出了蚀坑尺寸随时间的变化规律,可用于进行多腐蚀损伤分析和预测。
对于点蚀的成核和生长过程可以采用随机过程模型进行建模[9]。
总的来说,一个更符合实际的腐蚀损伤模型,必须包含大量来自材料科学、溶液以及电化学等方面的随机参数。
蚀坑的几何尺寸和腐蚀形貌中包含了大量的信息,但目前仍然缺少对此描述的蚀坑生长模型。
因此,除了上述文献中这些经验性的、随机性的方法,还应该基于局部反应规则的点蚀生长模式,提出一种能预测蚀坑生长过程、反映蚀坑腐蚀形貌的计算模型[1]。
近年来,元胞自动机(Cellular Automaton, CA)技术已经逐步应用于材料科学的很多领域[10 11]尤其是腐蚀科学领域[1,12 14]。
CA技术是一种描述、模拟复杂物理化学系统行为的工具,它的功能极为强大,在复杂系统建模上优于其他传统的计算方法。
它可以在微观水平或介观水平下对系统进行建模,其微观水平或介观水平下的累计影响将会反映宏观性能。
CA模型的特点使得它是一种能方便模拟腐蚀损伤生长过程并直观表现蚀坑形貌的理想计算方法[1,12]。
本文采用CA法来模拟金属腐蚀损伤演化过程,在三维元胞空间中,金属/膜/电解液系统被认为是一个有某种特殊局部规则/变换规则的自动机系统,并将其离散成CA系统中有序的元胞网格。
对金属表面产生的蚀坑形貌及尺寸的演化过程进行模拟。
给定简单的局部规则来定义腐蚀过程中的基本物理化学反应(如质量转移、金属溶解和钝化以及IR降等),通过模拟,得到了蚀坑的损伤形貌,分析了蚀坑趋近于半球体的程度随时间的变化规律,得到了蚀坑的尺寸比率随时间的变化规律。
1 物理模型研究金属/膜/电解液系统中的金属/电解液的交界面,当金属与酸性溶液接触可能发生化学反应,使得金属产生溶解或是钝化。
假定该腐蚀体系为扩散控制的金属腐蚀体系,且腐蚀过程只发生在金属/电解液的交界面上[1,12 14],若不区分阴极、阳极区,水溶液中金属溶解的反应通式[12]为M e+H2O M eOH aq+(1/2)H2(1)式中:M eOH aq为反应过后进入溶液中的物质,不予以考虑。
钝化的反应通式为M e+H2O M eOH solid+(1/2)H2(2)该反应产生了腐蚀产物M eOH solid附着在表面,形成阻碍溶解发生的钝化膜。
假定反应式(1)和反应式(2)不会改变该区域内的溶液的酸碱性。
2 CA模型2 1 元胞空间的定义在CA模型中用一个离散的空间表征金属/膜/电解液系统,并通过在离散时间上的元胞状态的转换规则来定义金属腐蚀的动力学特性。
本文选择的CA空间为一个N x N y N z的三维正方形空间(这里采用N x=N y=N z=100),每个格位由该点的位置(i,j,k)来表示;选用的边界条件为周期型边界条件,用以模拟无限空间。