多物理场耦合作用下不锈钢缝隙腐蚀行为的仿真模拟

【作者】 王海涛； 丁佳伟； 韩恩厚；

【机构】 中国科学院金属研究所中国科学院核用材料与安全评价重点实验室；

【摘要】 不锈钢由于具有良好的机械性能和耐腐蚀性能在工程结构中广泛使用,然而不锈钢对局部腐蚀却具有一定的敏感性,缝隙腐蚀就是不锈钢这种易钝化材料经常发生的一种局部腐蚀,影响了不锈钢的使用寿命,制约了不锈钢的应用范围。缝隙的存在导致缝隙和本体溶液之间的物质传递受到限制,从而引起电化学阴极/阳极的分离,影响缝隙中发生的反应动力学进而导致缝隙内部严重腐蚀。我们通过仿真模拟研究了多物理场耦合作用下304不锈钢在侵蚀性氯化钠溶液中的缝隙腐蚀行为。模型考虑了金属/溶液界面局部阴阳极电化学反应,溶液中不同物质的传输以及均相反应,利用变形网格方法模拟缝隙壁因腐蚀随时间发生的几何尺寸变化,采用水平集方法定量描述沉淀过程及其对电化学反应的影响,以此揭示缝隙生长动力学和溶液水化学的暂态变化过程。研究结果显示靠近缝隙开口位置处腐蚀最严重,缝隙腐蚀从缝隙口向缝隙底部逐渐减弱,缝隙内电流分布是由电位促进和沉淀阻碍共同作用所引起的,在缝隙中间位置溶液pH值和氯离子浓度达到最低;随着缝隙几何形状因子的降低,电位电流、pH值整体逐渐升高,但沿缝隙的分布变得更加平缓从而减缓了腐蚀的不均匀性,而由于扩散和沉淀之间的竞争使氯离子整体浓度变得更加复杂。模拟结果与实验数据吻合较好,显示了模型具有很高的可靠性。该模型有助于理解缝隙腐蚀的机理,并可进一步扩展到其他相关形式的局部腐蚀。更多还原