循环载荷作用下不锈钢的点蚀萌生和生长机理研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51171200
项目类别：
面上项目
资助金额：
60.0万
负责人：
张波
依托单位：
中国科学院金属研究所
学科分类：
E0103.金属材料使役行为与表面工程
结题年份：
2015
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2015-12-31

项目参与者：
郑宇礼；周宇；尚秀玲；孙晓英；侯东岑；
关键词：
不锈钢点蚀腐蚀疲劳有限元模拟电化学噪声

项目摘要

点蚀是导致材料的腐蚀疲劳寿命降低的主要原因之一。但循环载荷作用下点蚀的形核和生长规律缺乏定量研究。本项目拟通过有限元模拟、电化学噪声技术和统计等方法研究循环载荷对不锈钢的稳态点蚀萌生和生长的作用机理。首先将电化学噪声方法和统计分析（Weibull和Gumbel等）相结合，定量研究循环载荷因素与点蚀孕育期、形核率的关系。其次，通过有限元模拟建立不锈钢蚀坑的最大局部应力应变与蚀坑尺寸和外加载荷的定量关系，推导蚀坑生长速度与应力幅和频率关系的理论生长模型，并通过与实验获得的动力学行为的对比分析来揭示循环载荷作用下稳态点蚀生长机制。本项目的研究将促进有限元模拟和电化学噪声在腐蚀疲劳研究中的应用，为研究循环载荷作用下点蚀的萌生和生长提供一种新的途径。这不仅对深入理解点蚀机理和建立科学的腐蚀疲劳寿命预测模型有重要意义，而且在安全评估等工程问题上也有重要应用价值。

结项摘要

工程合金的腐蚀疲劳裂纹往往从点蚀坑处萌生，该过程对腐蚀疲劳寿命有非常重要的影响，但循环载荷作用下点蚀如何形核和生长缺乏定量的研究。本项目采用多种研究手段和测量方法（腐蚀疲劳过程中的点蚀电流测量技术、微电极技术、电化学噪声技术、统计观察以及有限元模拟），针对这一科学问题进行了探索。主要结论如下：1）实验证明疲劳载荷能显著改变稳态点蚀的生长动力学，为了定量地解释这个现象，我们通过有限元方法获得了蚀坑底部局部塑形形变与蚀坑尺寸的定量关系，揭示蚀坑内局部塑性形变是稳态蚀坑生长的主要控制因素；2）针对疲劳载荷作用下的亚稳态点蚀生长问题，我们发展了应变电流测量技术，并首次报道了疲劳过程中的亚稳点蚀行为，发现循环弹性应力对小于临界尺寸的亚稳态蚀坑生长没有影响，而促进亚稳态点蚀的形核和生长的主控因素为局部的塑性应变；3）从理论上证明循环弹性加载条件下应变电流的本质为非法拉第电流，理论预计与实验结果吻合；4）为了确定坑内阴极反应的作用大小，发展了微纳尺度缺陷溶解电流的微电极测试方法，直接证明在钝化区间不锈钢点蚀过程中的非法拉第电流和坑内的析氢反应电流¬均可忽略，这点与铝合金中富铁相周围蚀坑阴极反应明显不同，其差异本质上是由坑内电位和坑内阴极反应交换电流密度不同所致，当蚀坑内阴极反应不能忽略时，电化学方法不能真实地测出坑内发生的阳极溶解电流。以上研究成果对于深入理解点蚀现象和建立更为准确的腐蚀疲劳寿命预测模型有重要科学价值。