近场动力学轻合金腐蚀演化仿真研究

【作者】 吕胜利； 张伟； 妙远洋； 童小燕；

【机构】 西北工业大学； 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)；

【摘要】 腐蚀会导致材料表面产生机械损伤,降低材料强度。腐蚀损伤演化过程的理解和模拟,对工程结构的剩余服役寿命预测、可靠性分析、以及材料耐腐蚀设计等至关重要。近场动力学(Peridynamics,简称PD)理论是一种非局部理论,它通过求解空间积分方程描述物质力学(扩散)行为,避免了基于连续性假设建模和求解空间微分方程的传统方法在面临不连续问题时的奇异性[1]。在PD腐蚀模型中[2],腐蚀过程的阳极反应被理解为电解质-金属固体双相系统中的动态扩散过程,并伴随着导致界面自发演化的相变机制,同时在金属内部的腐蚀会在金属表面附近产生一定厚度的扩散腐蚀层。两相材料扩散包括金属表面附近金属原子失电子的溶解(金属内部扩散)和溶液中金属离子的扩散。本研究中的腐蚀损伤模型基于钝化膜破裂时的阳极反应,发生在溶液中的腐蚀是金属离子与液体离子的交换过程。金属离子向外扩散的可能机制之一是在金属中扩散的溶液为金属离子向外扩散提供了途径。基于MATLAB编制程序,实现了上述理论和数值算法。本研究应用近场动力学理论模拟高强度钛合金的腐蚀损伤。建立了求解离子扩散控制方程的隐式有限差分方法,并在MATLAB中实现;提出了基于无网格近场动力学方法的腐蚀坑形核与生长预测算法,并对不同形状的腐蚀坑在生长过程中的形态演化进行了模拟,得到了宽而浅和钻蚀型腐蚀坑的形态演化结果。数值计算结果与实验结果吻合较好,证明了该数值方法的有效性;模型中损伤演化是自发进行的,不需要人为地跟踪或者标定腐蚀界面;在该模型引入力学化学效应和断裂准则,则可以很容易地延伸到应力腐蚀开裂模型(SCC)。更多还原