一種加載條件下不銹鋼亞穩(wěn)態(tài)點蝕模擬的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種加載條件下不銹鋼亞穩(wěn)態(tài)點蝕模擬的方法，屬于不銹鋼腐蝕【技術(shù)領(lǐng)域】，該方法通過元胞自動機實現(xiàn)不銹鋼陽極溶解、鈍化、氫離子擴散和鹽膜水解，氫離子擴散采用蕭邦區(qū)段方法提高擴散模擬的效率，在蝕坑生長過程中使用有限元實時分析蝕坑表面的應(yīng)力和應(yīng)變分布，再通過古特曼模型計算蝕坑表面各個微區(qū)的力學(xué)因素對腐蝕作用，以此作為元胞自動機的邊界條件進行點蝕模擬。本發(fā)明方法能夠在介觀尺度上了解力學(xué)和電化學(xué)交互作用下不銹鋼亞穩(wěn)態(tài)點蝕生長和轉(zhuǎn)變機理，對預(yù)防不銹鋼點蝕破壞提供有利的幫助。
【專利說明】一種加載條件下不銹鋼亞穩(wěn)態(tài)點蝕模擬的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于不銹鋼腐蝕【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種加載條件下不銹鋼亞穩(wěn)態(tài)點蝕模擬的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]不銹鋼使用廣泛，而點蝕是其主要的腐蝕破壞形式，特別是在加載條件下，載荷會促進點蝕生長，而且點蝕還是應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞裂紋的主要萌生源，對承力結(jié)構(gòu)壽命有著至關(guān)重要的影響。點蝕一般萌生于不銹鋼表面的夾雜處，然后進入到亞穩(wěn)態(tài)生長，亞穩(wěn)態(tài)生長對于點蝕的生長非常重要，在一定條件下亞穩(wěn)態(tài)點蝕能進入穩(wěn)態(tài)生長直至不銹鋼破壞，或者亞穩(wěn)態(tài)點蝕發(fā)生再鈍化不再生長。目前點蝕的模擬方法中元胞自動機方法相對于蒙特卡洛等方法，由于易于再現(xiàn)物理系統(tǒng)的本質(zhì)特征而較具優(yōu)勢。針對于不銹鋼亞穩(wěn)態(tài)點蝕模擬方法，經(jīng)檢索僅發(fā)現(xiàn)文獻報道使用元胞自動機方法在不受力情況下的模擬(文獻 I:L.Li, X.G.Li, C.F.Dong, K.Xiao, L.Lu, Electrochemistry Communications11 (2009) 1826 ；文獻 2:L.Li, X.G.Li, C.F.Dong, Υ.Z.Huang, Electrochimica Acta54 (2009) 6389)，而在加載條件下不銹鋼亞穩(wěn)態(tài)點蝕模擬方法沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)的專利和文獻報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是使用元胞自動機耦合有限元方法模擬在加載條件下不銹鋼亞穩(wěn)態(tài)點蝕生長。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0005]一種加載條件下不銹鋼亞穩(wěn)態(tài)點蝕模擬的方法，該方法通過元胞自動機實現(xiàn)點蝕過程中蝕坑內(nèi)部的不銹鋼陽極溶解、鈍化、氫離子擴散和鹽膜水解的模擬，氫離子擴散采用蕭邦區(qū)段方法提高擴散模擬的效率，在蝕坑生長過程中使用有限元實時分析蝕坑表面的應(yīng)力和應(yīng)變分布，再通過古特曼模型計算蝕坑表面各個微區(qū)的力學(xué)因素對腐蝕作用，以此作為元胞自動機的邊界條件進行點蝕模擬。
[0006]該方法具體包括如下步驟:
[0007](I)建立一個二維元胞空間。元胞空間采用諾埃曼鄰域，即每個元胞只考慮上、下、左、右四個最近鄰元胞對它的作用。設(shè)定7種元胞:中性溶液元胞、酸性溶液元胞、金屬元胞、活性金屬元胞、鈍化元胞、鹽膜元胞、表面鈍化膜元胞。中性溶液元胞是指當(dāng)前元胞位置由水占據(jù)；酸性溶液元胞是指當(dāng)前元胞位置由水合氫離子占據(jù)；金屬元胞是指當(dāng)前元胞位置由金屬占據(jù)，并且金屬不和中性溶液元胞或酸性溶液元胞接觸；活性金屬元胞是指當(dāng)前元胞位置由金屬占據(jù)，并且金屬至少和一個中性溶液元胞或酸性溶液元胞接觸；鈍化元胞是指當(dāng)前元胞位置由鈍化的金屬占據(jù)；鹽膜元胞是指當(dāng)前元胞位置由鹽膜占據(jù)，鹽膜元胞主要成分是FeCl2 ;表面鈍化膜元胞是指當(dāng)前元胞位置由不銹鋼表面的鈍化膜占據(jù)。如果某一活性金屬元胞或鈍化元胞所有的溶液元胞鄰居都是中性溶液元胞，稱此元胞處于中性環(huán)境，如果某一活性金屬元胞或鈍化元胞的溶液元胞鄰居中至少有一個酸性溶液元胞，稱此元胞處于酸性環(huán)境。因此活性金屬元胞和鈍化元胞就構(gòu)成了蝕坑的表面。除了鹽膜元胞夕卜，所有的元胞都是排他性的，即當(dāng)前位置只能有一種元胞類型，而鹽膜元胞必須與中性溶液元胞或酸性溶液元胞共存；
[0008](2)設(shè)置元胞空間初始狀態(tài)。在元胞空間中間位置的水平方向上放置一層表面鈍化膜元胞，在這層表面鈍化膜元胞下方全部放置金屬元胞，在這層表面鈍化膜元胞上方全部放置中性溶液元胞。在這層表面鈍化膜元胞的中間制作一個破損，用酸性溶液元胞替換表面鈍化膜元胞的位置，用以模擬點蝕的萌生。假定蝕坑內(nèi)發(fā)生陽極反應(yīng)，表面鈍化膜發(fā)生陰極反應(yīng)，并且不銹鋼點蝕體系溶液中存在氯離子和充分的溶解氧；
[0009](3)使用有限元計算蝕坑表面的應(yīng)力應(yīng)變分布。
[0010]3.1得到蝕坑表面所有元胞(即活性金屬元胞和鈍化元胞)坐標(biāo)，制作蝕坑邊界線，與平板邊界線連接形成完整的平面圖；所述蝕坑邊界線是指構(gòu)成蝕坑表面的曲線，平板邊界線是由表面鈍化膜元胞以下空間的左側(cè)、右側(cè)和底邊邊界直線以及蝕坑邊界線左、右端點分別到左、右側(cè)邊界直線的垂直連線構(gòu)成；
[0011]3.2創(chuàng)建與平面圖相應(yīng)的部件；
[0012]3.3創(chuàng)建材料，分配不銹鋼彈性和塑性屬性；創(chuàng)建截面屬性，給部件賦予截面屬性；
[0013]3.4定義裝配件，分配部件實例；
[0014]3.5設(shè)置分析步,有三個分析步,分別為初始分析步,輸出原始坐標(biāo)分析步,施加載荷分析步；所述初始分析步是指有限元計算開始時的分析步，輸出原始坐標(biāo)分析步是指輸出平板所有點原始坐標(biāo)時的分析步，施加載荷分析步是指在平板邊界線施加拉伸載荷時的分析步；
[0015]3.6定義載荷和邊界條件，在平板右側(cè)邊界線施加拉伸載荷，在平板左側(cè)邊界線和底邊邊界線施加約束；
[0016]3.7劃分網(wǎng)格，在平板邊界線和蝕坑邊界線分別定義種子，確保蝕坑邊界線的網(wǎng)格有足夠密度以保證精度；
[0017]3.8提交分析作業(yè)，分析完成后，通過路徑得到蝕坑邊界線所有點的原始坐標(biāo)、靜水壓力、等效塑性應(yīng)變，用于步驟(4)中的力學(xué)化學(xué)效應(yīng)計算；
[0018](4)將蝕坑邊界線上所有酸性環(huán)境中的活性金屬元胞、中性環(huán)境中的活性金屬元胞、酸性環(huán)境中的鈍化元胞分別進行標(biāo)注，隨機選取任一個活性金屬元胞或鈍化元胞，按照以下4.1-4.3過程中的演化規(guī)則進行演化，然后重復(fù)4.1-4.3過程，直到標(biāo)注的所有活性金屬元胞和鈍化元胞演化完成；
[0019]4.1如果活性金屬元胞是處于酸性環(huán)境中，則根據(jù)腐蝕概率發(fā)生腐蝕，即Fe — Fe2+，F(xiàn)e2++H20 — FeOH++H+,所述腐蝕概率是指金屬發(fā)生腐蝕的幾率。首先得到該活性金屬元胞的靜水壓力和等效塑性應(yīng)變，根據(jù)古德曼模型(文獻:E.M.Gutman，Mechanochemistry of Materials, Cambridge International SciencePublishing, 1998)，計算力學(xué)化學(xué)效應(yīng)影響因子I/Ia，根據(jù)力學(xué)化學(xué)效應(yīng)影響因子誤差容限，得到與該活性金屬元胞相連并具有相同力學(xué)化學(xué)效應(yīng)影響因子的活性金屬元胞。然后根據(jù)力學(xué)化學(xué)效應(yīng)影響因子的大小，將該活性金屬元胞和相連的活性金屬元胞替換為酸性溶液元胞，并在每個酸性溶液元胞上放置一個鹽膜元胞；所述力學(xué)化學(xué)效應(yīng)影響因子誤差容限是指力學(xué)化學(xué)效應(yīng)影響因子設(shè)定的誤差范圍，在此范圍內(nèi)力學(xué)化學(xué)效應(yīng)影響因子看做是相同的。
[0020]古德曼模型:
[0021]彈性變形
【權(quán)利要求】
1.一種加載條件下不銹鋼亞穩(wěn)態(tài)點蝕模擬的方法，其特征在于:該方法通過元胞自動機實現(xiàn)點蝕過程中蝕坑內(nèi)部的不銹鋼陽極溶解、鈍化、氫離子擴散和鹽膜水解的模擬，氫離子擴散采用蕭邦區(qū)段方法提高擴散模擬的效率，在蝕坑生長過程中使用有限元實時分析蝕坑表面的應(yīng)力和應(yīng)變分布，再通過古特曼模型計算蝕坑表面各個微區(qū)的力學(xué)因素對腐蝕作用，以此作為元胞自動機的邊界條件進行點蝕模擬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述加載條件下不銹鋼亞穩(wěn)態(tài)點蝕模擬的方法，其特征在于:該方法包括如下步驟: (1)建立一個二維元胞空間；設(shè)定七種元胞:中性溶液元胞、酸性溶液元胞、金屬元胞、活性金屬元胞、鈍化元胞、鹽膜元胞、表面鈍化膜元胞；所述元胞空間采用諾埃曼鄰域，即每個元胞只考慮上、下、左、右四個最近鄰元胞對它的作用；如果某一活性金屬元胞或鈍化元胞所有的溶液元胞鄰居都是中性溶液元胞，稱此元胞處于中性環(huán)境，如果某一活性金屬元胞或鈍化元胞的溶液元胞鄰居中至少有一個酸性溶液元胞，稱此元胞處于酸性環(huán)境；除了鹽膜元胞外，所有的元胞都是排他性的，即當(dāng)前位置只能有一種元胞類型，而鹽膜元胞必須與中性溶液元胞或酸性溶液元胞共存； (2)設(shè)置元胞空間初始狀態(tài)；在元胞空間中間位置的水平方向上放置一層表面鈍化膜元胞，在這層表面鈍化膜元胞下方全部放置金屬元胞，在這層表面鈍化膜元胞上方全部放置中性溶液元胞；在這層表面鈍化膜元胞的中部用酸性溶液元胞替換表面鈍化膜元胞的位置，用以模擬點蝕的萌生； (3)使用有限元計算蝕坑表面的應(yīng)力應(yīng)變分布；包括如下步驟: .3.1得到蝕坑表面所有元胞坐標(biāo)，制作蝕坑邊界線，與平板邊界線連接形成完整的平面圖；所述蝕坑邊界線是指構(gòu)成蝕坑表面的曲線，平板邊界線是由表面鈍化膜元胞以下空間的左側(cè)、右側(cè)和底邊邊界直線以及蝕坑邊界線左、右端點分別到左、右側(cè)邊界直線的垂直連線構(gòu)成； .3.2創(chuàng)建與平面圖相應(yīng)的部件； .3.3創(chuàng)建材料，分配不銹鋼彈性和塑性屬性；創(chuàng)建截面屬性，給部件賦予截面屬性； .3.4定義裝配件，分配部件實例； .3.5設(shè)置分析步,有三個分析步,分別為初始分析步,輸出原始坐標(biāo)分析步,施加載荷分析步；所述初始分析步是指有限元計算開始時的分析步，輸出原始坐標(biāo)分析步是指輸出平板所有點原始坐標(biāo)時的分析步，施加載荷分析步是指在平板邊界線施加拉伸載荷時的分析步； .3.6定義載荷和邊界條件，在平板右側(cè)邊界線施加拉伸載荷，在平板左側(cè)邊界線和底邊邊界線施加約束； .3.7劃分網(wǎng)格，在平板邊界線和蝕坑邊界線分別定義種子，確保蝕坑邊界線的網(wǎng)格有足夠密度以保證精度； .3.8提交分析作業(yè)，分析完成后，通過路徑得到蝕坑邊界線所有點的原始坐標(biāo)、靜水壓力、等效塑性應(yīng)變，用于步驟(4)中的力學(xué)化學(xué)效應(yīng)計算； (4)將蝕坑邊界線上所有酸性環(huán)境中的活性金屬元胞、中性環(huán)境中的活性金屬元胞、酸性環(huán)境中的鈍化元胞分別進行標(biāo)注，隨機選取任一個活性金屬元胞或鈍化元胞，按照以下.4.1-4.3過程中的演化規(guī)則進行演化，然后重復(fù)4.1-4.3過程，直到標(biāo)注的所有活性金屬元胞和鈍化元胞演化完成； .4.1如果活性金屬元胞是處于酸性環(huán)境中，則根據(jù)腐蝕概率發(fā)生腐蝕,所述腐蝕概率是指金屬發(fā)生腐蝕的幾率；首先得到該活性金屬元胞的靜水壓力和等效塑性應(yīng)變，根據(jù)古德曼模型計算力學(xué)化學(xué)效應(yīng)影響因子I/Ia，根據(jù)力學(xué)化學(xué)效應(yīng)影響因子誤差容限，得到與該活性金屬元胞相連并具有相同力學(xué)化學(xué)效應(yīng)影響因子的活性金屬元胞；然后根據(jù)力學(xué)化學(xué)效應(yīng)影響因子的大小，將該活性金屬元胞和相連的活性金屬元胞替換為酸性溶液元胞，并在每個酸性溶液元胞上放置一個鹽膜元胞；所述力學(xué)化學(xué)效應(yīng)影響因子誤差容限是指力學(xué)化學(xué)效應(yīng)影響因子設(shè)定的誤差范圍，在此范圍內(nèi)力學(xué)化學(xué)效應(yīng)影響因子看做是相同的；所述古德曼模型為:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述加載 條件下不銹鋼亞穩(wěn)態(tài)點蝕模擬的方法，其特征在于:步驟(O中所述中性溶液元胞是指當(dāng)前元胞位置由水占據(jù)；酸性溶液元胞是指當(dāng)前元胞位置由水合氫離子占據(jù)；金屬元胞是指當(dāng)前元胞位置由金屬占據(jù)，并且金屬不和中性溶液元胞或酸性溶液元胞接觸；活性金屬元胞是指當(dāng)前元胞位置由金屬占據(jù)，并且金屬至少和一個中性溶液元胞或酸性溶液元胞接觸；鈍化元胞是指當(dāng)前元胞位置由鈍化的金屬占據(jù)；鹽膜元胞是指當(dāng)前元胞位置由鹽膜占據(jù)，鹽膜元胞主要成分是FeCl2,表面鈍化膜元胞是指當(dāng)前元胞位置由不銹鋼表面的鈍化膜占據(jù)。
【文檔編號】G01N17/00GK103454206SQ201210177818
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月31日
【發(fā)明者】王海濤, 韓恩厚 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所