一种加载条件下不锈钢亚稳态点蚀模拟的方法
【专利摘要】本发明公开了一种加载条件下不锈钢亚稳态点蚀模拟的方法，属于不锈钢腐蚀【技术领域】，该方法通过元胞自动机实现不锈钢阳极溶解、钝化、氢离子扩散和盐膜水解，氢离子扩散采用萧邦区段方法提高扩散模拟的效率，在蚀坑生长过程中使用有限元实时分析蚀坑表面的应力和应变分布，再通过古特曼模型计算蚀坑表面各个微区的力学因素对腐蚀作用，以此作为元胞自动机的边界条件进行点蚀模拟。本发明方法能够在介观尺度上了解力学和电化学交互作用下不锈钢亚稳态点蚀生长和转变机理，对预防不锈钢点蚀破坏提供有利的帮助。
【专利说明】一种加载条件下不锈钢亚稳态点蚀模拟的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于不锈钢腐蚀【技术领域】，具体涉及一种加载条件下不锈钢亚稳态点蚀模拟的方法。
【背景技术】
[0002]不锈钢使用广泛，而点蚀是其主要的腐蚀破坏形式，特别是在加载条件下，载荷会促进点蚀生长，而且点蚀还是应力腐蚀和腐蚀疲劳裂纹的主要萌生源，对承力结构寿命有着至关重要的影响。点蚀一般萌生于不锈钢表面的夹杂处，然后进入到亚稳态生长，亚稳态生长对于点蚀的生长非常重要，在一定条件下亚稳态点蚀能进入稳态生长直至不锈钢破坏，或者亚稳态点蚀发生再钝化不再生长。目前点蚀的模拟方法中元胞自动机方法相对于蒙特卡洛等方法，由于易于再现物理系统的本质特征而较具优势。针对于不锈钢亚稳态点蚀模拟方法，经检索仅发现文献报道使用元胞自动机方法在不受力情况下的模拟(文献 I:L.Li, X.G.Li, C.F.Dong, K.Xiao, L.Lu, Electrochemistry Communications11 (2009) 1826 ；文献 2:L.Li, X.G.Li, C.F.Dong, Υ.Z.Huang, Electrochimica Acta54 (2009) 6389)，而在加载条件下不锈钢亚稳态点蚀模拟方法没有发现相关的专利和文献报道。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是使用元胞自动机耦合有限元方法模拟在加载条件下不锈钢亚稳态点蚀生长。
[0004]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0005]一种加载条件下不锈钢亚稳态点蚀模拟的方法，该方法通过元胞自动机实现点蚀过程中蚀坑内部的不锈钢阳极溶解、钝化、氢离子扩散和盐膜水解的模拟，氢离子扩散采用萧邦区段方法提高扩散模拟的效率，在蚀坑生长过程中使用有限元实时分析蚀坑表面的应力和应变分布，再通过古特曼模型计算蚀坑表面各个微区的力学因素对腐蚀作用，以此作为元胞自动机的边界条件进行点蚀模拟。
[0006]该方法具体包括如下步骤:
[0007](I)建立一个二维元胞空间。元胞空间采用诺埃曼邻域，即每个元胞只考虑上、下、左、右四个最近邻元胞对它的作用。设定7种元胞:中性溶液元胞、酸性溶液元胞、金属元胞、活性金属元胞、钝化元胞、盐膜元胞、表面钝化膜元胞。中性溶液元胞是指当前元胞位置由水占据；酸性溶液元胞是指当前元胞位置由水合氢离子占据；金属元胞是指当前元胞位置由金属占据，并且金属不和中性溶液元胞或酸性溶液元胞接触；活性金属元胞是指当前元胞位置由金属占据，并且金属至少和一个中性溶液元胞或酸性溶液元胞接触；钝化元胞是指当前元胞位置由钝化的金属占据；盐膜元胞是指当前元胞位置由盐膜占据，盐膜元胞主要成分是FeCl2 ;表面钝化膜元胞是指当前元胞位置由不锈钢表面的钝化膜占据。如果某一活性金属元胞或钝化元胞所有的溶液元胞邻居都是中性溶液元胞，称此元胞处于中性环境，如果某一活性金属元胞或钝化元胞的溶液元胞邻居中至少有一个酸性溶液元胞，称此元胞处于酸性环境。因此活性金属元胞和钝化元胞就构成了蚀坑的表面。除了盐膜元胞夕卜，所有的元胞都是排他性的，即当前位置只能有一种元胞类型，而盐膜元胞必须与中性溶液元胞或酸性溶液元胞共存；
[0008](2)设置元胞空间初始状态。在元胞空间中间位置的水平方向上放置一层表面钝化膜元胞，在这层表面钝化膜元胞下方全部放置金属元胞，在这层表面钝化膜元胞上方全部放置中性溶液元胞。在这层表面钝化膜元胞的中间制作一个破损，用酸性溶液元胞替换表面钝化膜元胞的位置，用以模拟点蚀的萌生。假定蚀坑内发生阳极反应，表面钝化膜发生阴极反应，并且不锈钢点蚀体系溶液中存在氯离子和充分的溶解氧；
[0009](3)使用有限元计算蚀坑表面的应力应变分布。
[0010]3.1得到蚀坑表面所有元胞(即活性金属元胞和钝化元胞)坐标，制作蚀坑边界线，与平板边界线连接形成完整的平面图；所述蚀坑边界线是指构成蚀坑表面的曲线，平板边界线是由表面钝化膜元胞以下空间的左侧、右侧和底边边界直线以及蚀坑边界线左、右端点分别到左、右侧边界直线的垂直连线构成；
[0011]3.2创建与平面图相应的部件；
[0012]3.3创建材料，分配不锈钢弹性和塑性属性；创建截面属性，给部件赋予截面属性；
[0013]3.4定义装配件，分配部件实例；
[0014]3.5设置分析步,有三个分析步,分别为初始分析步,输出原始坐标分析步,施加载荷分析步；所述初始分析步是指有限元计算开始时的分析步，输出原始坐标分析步是指输出平板所有点原始坐标时的分析步，施加载荷分析步是指在平板边界线施加拉伸载荷时的分析步；
[0015]3.6定义载荷和边界条件，在平板右侧边界线施加拉伸载荷，在平板左侧边界线和底边边界线施加约束；
[0016]3.7划分网格，在平板边界线和蚀坑边界线分别定义种子，确保蚀坑边界线的网格有足够密度以保证精度；
[0017]3.8提交分析作业，分析完成后，通过路径得到蚀坑边界线所有点的原始坐标、静水压力、等效塑性应变，用于步骤(4)中的力学化学效应计算；
[0018](4)将蚀坑边界线上所有酸性环境中的活性金属元胞、中性环境中的活性金属元胞、酸性环境中的钝化元胞分别进行标注，随机选取任一个活性金属元胞或钝化元胞，按照以下4.1-4.3过程中的演化规则进行演化，然后重复4.1-4.3过程，直到标注的所有活性金属元胞和钝化元胞演化完成；
[0019]4.1如果活性金属元胞是处于酸性环境中，则根据腐蚀概率发生腐蚀，即Fe — Fe2+，Fe2++H20 — FeOH++H+,所述腐蚀概率是指金属发生腐蚀的几率。首先得到该活性金属元胞的静水压力和等效塑性应变，根据古德曼模型(文献:E.M.Gutman，Mechanochemistry of Materials, Cambridge International SciencePublishing, 1998)，计算力学化学效应影响因子I/Ia，根据力学化学效应影响因子误差容限，得到与该活性金属元胞相连并具有相同力学化学效应影响因子的活性金属元胞。然后根据力学化学效应影响因子的大小，将该活性金属元胞和相连的活性金属元胞替换为酸性溶液元胞，并在每个酸性溶液元胞上放置一个盐膜元胞；所述力学化学效应影响因子误差容限是指力学化学效应影响因子设定的误差范围，在此范围内力学化学效应影响因子看做是相同的。
[0020]古德曼模型:
[0021]弹性变形
【权利要求】
1.一种加载条件下不锈钢亚稳态点蚀模拟的方法，其特征在于:该方法通过元胞自动机实现点蚀过程中蚀坑内部的不锈钢阳极溶解、钝化、氢离子扩散和盐膜水解的模拟，氢离子扩散采用萧邦区段方法提高扩散模拟的效率，在蚀坑生长过程中使用有限元实时分析蚀坑表面的应力和应变分布，再通过古特曼模型计算蚀坑表面各个微区的力学因素对腐蚀作用，以此作为元胞自动机的边界条件进行点蚀模拟。
2.根据权利要求1所述加载条件下不锈钢亚稳态点蚀模拟的方法，其特征在于:该方法包括如下步骤: (1)建立一个二维元胞空间；设定七种元胞:中性溶液元胞、酸性溶液元胞、金属元胞、活性金属元胞、钝化元胞、盐膜元胞、表面钝化膜元胞；所述元胞空间采用诺埃曼邻域，即每个元胞只考虑上、下、左、右四个最近邻元胞对它的作用；如果某一活性金属元胞或钝化元胞所有的溶液元胞邻居都是中性溶液元胞，称此元胞处于中性环境，如果某一活性金属元胞或钝化元胞的溶液元胞邻居中至少有一个酸性溶液元胞，称此元胞处于酸性环境；除了盐膜元胞外，所有的元胞都是排他性的，即当前位置只能有一种元胞类型，而盐膜元胞必须与中性溶液元胞或酸性溶液元胞共存； (2)设置元胞空间初始状态；在元胞空间中间位置的水平方向上放置一层表面钝化膜元胞，在这层表面钝化膜元胞下方全部放置金属元胞，在这层表面钝化膜元胞上方全部放置中性溶液元胞；在这层表面钝化膜元胞的中部用酸性溶液元胞替换表面钝化膜元胞的位置，用以模拟点蚀的萌生； (3)使用有限元计算蚀坑表面的应力应变分布；包括如下步骤: .3.1得到蚀坑表面所有元胞坐标，制作蚀坑边界线，与平板边界线连接形成完整的平面图；所述蚀坑边界线是指构成蚀坑表面的曲线，平板边界线是由表面钝化膜元胞以下空间的左侧、右侧和底边边界直线以及蚀坑边界线左、右端点分别到左、右侧边界直线的垂直连线构成； .3.2创建与平面图相应的部件； .3.3创建材料，分配不锈钢弹性和塑性属性；创建截面属性，给部件赋予截面属性； .3.4定义装配件，分配部件实例； .3.5设置分析步,有三个分析步,分别为初始分析步,输出原始坐标分析步,施加载荷分析步；所述初始分析步是指有限元计算开始时的分析步，输出原始坐标分析步是指输出平板所有点原始坐标时的分析步，施加载荷分析步是指在平板边界线施加拉伸载荷时的分析步； .3.6定义载荷和边界条件，在平板右侧边界线施加拉伸载荷，在平板左侧边界线和底边边界线施加约束； .3.7划分网格，在平板边界线和蚀坑边界线分别定义种子，确保蚀坑边界线的网格有足够密度以保证精度； .3.8提交分析作业，分析完成后，通过路径得到蚀坑边界线所有点的原始坐标、静水压力、等效塑性应变，用于步骤(4)中的力学化学效应计算； (4)将蚀坑边界线上所有酸性环境中的活性金属元胞、中性环境中的活性金属元胞、酸性环境中的钝化元胞分别进行标注，随机选取任一个活性金属元胞或钝化元胞，按照以下.4.1-4.3过程中的演化规则进行演化，然后重复4.1-4.3过程，直到标注的所有活性金属元胞和钝化元胞演化完成； .4.1如果活性金属元胞是处于酸性环境中，则根据腐蚀概率发生腐蚀,所述腐蚀概率是指金属发生腐蚀的几率；首先得到该活性金属元胞的静水压力和等效塑性应变，根据古德曼模型计算力学化学效应影响因子I/Ia，根据力学化学效应影响因子误差容限，得到与该活性金属元胞相连并具有相同力学化学效应影响因子的活性金属元胞；然后根据力学化学效应影响因子的大小，将该活性金属元胞和相连的活性金属元胞替换为酸性溶液元胞，并在每个酸性溶液元胞上放置一个盐膜元胞；所述力学化学效应影响因子误差容限是指力学化学效应影响因子设定的误差范围，在此范围内力学化学效应影响因子看做是相同的；所述古德曼模型为:
3.根据权利要求2所述加载 条件下不锈钢亚稳态点蚀模拟的方法，其特征在于:步骤(O中所述中性溶液元胞是指当前元胞位置由水占据；酸性溶液元胞是指当前元胞位置由水合氢离子占据；金属元胞是指当前元胞位置由金属占据，并且金属不和中性溶液元胞或酸性溶液元胞接触；活性金属元胞是指当前元胞位置由金属占据，并且金属至少和一个中性溶液元胞或酸性溶液元胞接触；钝化元胞是指当前元胞位置由钝化的金属占据；盐膜元胞是指当前元胞位置由盐膜占据，盐膜元胞主要成分是FeCl2,表面钝化膜元胞是指当前元胞位置由不锈钢表面的钝化膜占据。
【文档编号】G01N17/00GK103454206SQ201210177818
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年5月31日 优先权日:2012年5月31日
【发明者】王海涛, 韩恩厚 申请人:中国科学院金属研究所