金属腐蚀损伤及微裂纹演化过程研究

发布时间：2020-09-14 08:48

　　 腐蚀环境中的金属材料,由于环境介质与材料元素之间的化学与电化学反应,在结构表面容易形成腐蚀损伤,腐蚀损伤处在外界载荷作用下容易萌生微裂纹群;微裂纹之间相互影响、相互促进,最后形成宏观裂纹;宏观裂纹继续发展将最终引起结构的破坏。环境作用下金属材料的这一破坏过程包括了腐蚀损伤形成、腐蚀损伤处微裂纹萌生与扩展、宏观裂纹的形成与扩展和失效破坏四个阶段。其中,腐蚀损伤及微裂纹成核与扩展阶段占结构损伤破坏总寿命的70%～90%。针对环境作用下材料的这一破坏过程,本文先采用元胞自动机方法,通过MATLAB编程,对结构表面由环境引起的多点腐蚀损伤及腐蚀坑的演化过程进行模拟;然后将元胞自动机模型中的金属元胞简化为分子动力学模型中的原子,选取势函数、运动方程和系综,通过编程,对多点腐蚀坑底部在外界载荷作用下萌生的微裂纹群演化过程进行研究,探讨了微裂纹间在不同条件下的相互影响规律,论文完成了如下主要内容:1.阐述了金属材料在环境作用下损伤形成及破坏过程,并介绍了国内外关于腐蚀损伤、微裂纹扩展及宏观裂纹扩展的研究现状。2.介绍了元胞自动机方法,以及采用元胞自动机方法对金属材料表面多点腐蚀坑的形成及演化过程进行模拟,并得到了多点腐蚀坑随时间演化的形貌图。3.介绍了分子动力学方法的基本理论,其中包括边界条件、势函数、运动方程、积分算法、系综和控制方法等问题,然后在元胞自动机模拟多点腐蚀损伤的基础上,采用分子动力学方法对多点腐蚀坑底部在外界荷载作用下的微裂纹萌生及微裂纹之间的相互影响过程进行模拟。
【学位单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O346.1;TG172
【部分图文】：

广一２＋逦‘邋＞逡逑？汶电浼逡逑图２－丨金属的电化学腐蚀逡逑阳极金属发生氧化反应，放出电子，阴极发生还原反应，吸收电子。其电极反应式如下所示：逡逑阳极：逦Ｍ邋４邋Ｍｎ＋邋＋邋ｎｅ逦（２－２）逡逑阴极：逦２Ｈ＋邋＋邋２ｅ４Ｈ２ｔ逦（２－３）逡逑总反应式：逦Ｍ邋＋邋２Ｈ＋４Ｍｎ＋邋＋邋Ｈ２逦（２－４）逡逑将化学腐蚀和电化学腐蚀进行对比可以发现，电化学腐蚀实质上是形成了一个闭合回路，其逡逑中有电流产生，这种短路的原电池又称为腐蚀原电池（腐蚀电池）？。逡逑２．３金属点腐蚀逡逑点腐蚀是由金属表面局部腐蚀所产生的小孔状腐蚀坑，简称点蚀或孔蚀，如图２－２。点蚀由于逡逑其发生较为隐蔽，很难引起人们的注意，其发生的位置极易出现穿孔破坏，因此很可能造成破坏逡逑性极大的安全事故。逡逑Ａ：Ｖ：，．逡逑图２－２金属的点腐蚀逡逑一８邋－逡逑

中有电流产生，这种短路的原电池又称为腐蚀原电池（腐蚀电池）？。逡逑２．３金属点腐蚀逡逑点腐蚀是由金属表面局部腐蚀所产生的小孔状腐蚀坑，简称点蚀或孔蚀，如图２－２。点蚀由于逡逑其发生较为隐蔽，很难引起人们的注意，其发生的位置极易出现穿孔破坏，因此很可能造成破坏逡逑性极大的安全事故。逡逑Ａ：Ｖ：，．逡逑图２－２金属的点腐蚀逡逑一８邋－逡逑

孔口直径一般不大于孔的深度，尺寸介于几十微米到几百微米之间点蚀通常沿重力方向向下逡逑发展，表现为从水平结构表面向下生长，也有少数出现在垂直表面向内发展，但也有极小概率出逡逑现从结构的下表面向上发展｜７＇点蚀的断面形状如图２－３所示。逡逑ａ邋．邋ｂ逦ｃ逡逑ｄ逦ｅ逡逑１邋／逦）邋／／Ａ＾ｙ邋／邋／邋）邋ｔ逡逑（水平）ｆ邋（垂直）逡逑图２－３点蚀的断面形状：（ａ）宅深形，（ｂ）椭圆形，（ｃ）宽浅形，（ｄ）皮下形，⑷底切形，（0水平形和垂直形逡逑２．３．２点腐蚀的机理逡逑点蚀的形成及演变主要分为两个阶段：蚀孔成核（发生）和蚀孔生长（发展）。点蚀的发生到逡逑成核需要一个很漫长的过程，其主要是因为金属材料表面局部组织和结构的不均匀性使表面钝化逡逑膜的某些部位比较薄弱，从而在该部位极易发生点蚀成核｜７＇蚀孔一旦形成，孔洞内外将会发生逡逑一系列的复杂变化，促使蚀孔的快速发展。逡逑０，邋０，邋0，逡逑＂＂Ｉ邋７逡逑阳极＾＾逡逑图２－４点蚀机理逡逑以不锈钢在充气氯化钠溶液中点蚀的过程为例％邋（如图所示）

【参考文献】

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本文编号：2817968