腐蚀致金属结构力学性能退化研究

摘要

金属材料由于具备优良的力学特性而被广泛的应用于重大工程中，但它们很容易受到服役环境的影响。在服役环境下，由于材料元素和环境介质之间发生的化学与电化学反应，在金属结构表面容易形成大量随机的半椭球形或半球形的腐蚀坑，形成一层氧化膜，这些腐蚀坑在外界载荷作用下会形成应力集中并伴有微裂纹产生，相邻裂纹在疲劳载荷作用下会出现强烈的相互作用并发生贯通，从而形成一个主裂纹，主裂纹继续扩展将引起结构破坏。针对结构的这一破坏过程，国内外学者开展了大量关于服役环境中结构损伤形成与演化破坏的试验和理论研究。为了更好地理解服役环境下的金属材料的力学性能退化机理，本文利用元胞自动机方法，探索了金属在服役环境下的腐蚀损伤演化机理，实现了结构腐蚀原况到计算机模型的映射。最后，结合图像处理技术和有限元法研究了腐蚀损伤对结构完整性和应力分布的影响，为研究服役环境下金属结构的退化机理提供理论依据。
　　 本文主要工作有：
　　 (1)采用元胞自动机法模拟金属腐蚀损伤演化的形成及扩展过程，首先建立元胞自动机模型，定义演化规则，利用计算机编译程序模拟金属腐蚀产物膜生长行为，并探讨了扩散速率对腐蚀产物膜生长行为和腐蚀前沿的影响。
　　 (2)本文通过对多种常用的腐蚀图像处理算法逐一进行对比，寻求找出腐蚀图像处理的最优算法流程。依次采用腐蚀图像灰度变换、目标轮廓边缘检测、几何形貌特征提取与识别的算法实现腐蚀图像的拓扑特征提取。
　　 (3)利用元胞自动机模拟金属腐蚀图像并结合图像处理技术，提取图像中的腐蚀损伤信息，获取金属腐蚀后的几何形貌，在CAD软件中生成几何模型。将几何模型导入有限元分析软件中进行应力分析。研究了不同的腐蚀时步下，腐蚀坑的剖面形貌、尺寸、蚀坑位置、蚀坑间距等对试件的应力分布和临界载荷大小的影响。
　　 (4)本文探讨了由介观尺度的元胞自动机模拟到宏观有限元分析这一研究方法的可行性，从而验证了这是一种适用于研究金属腐蚀损伤、预测试件剩余强度和寿命的有效方法。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外腐蚀研究现状与分析

1.3 本文研究的内容

第二章 金属腐蚀电化学理论

2.1 腐蚀的一般机理及影响因素

2.2 主要的腐蚀形态类型

2.3 腐蚀电池

2.4 电化学腐蚀热力学

2.5 电化学腐蚀动力学

2.6 本章小结

第三章 腐蚀损伤的计算机模拟

3.1 元胞自动机法

3.2 随机行走理论

3.3 金属腐蚀损伤的元胞自动机模拟

3.4 金属腐蚀损伤的物理模型

3.5 金属腐蚀损伤的元胞自动机模型

3.6 模拟结果及分析

3.7 本章小结

第四章 腐蚀环境下结构的应力分析

4.1 腐蚀损伤图形图像处理技术

4.2 建立腐蚀损伤形貌的几何模型

4.3 金属腐蚀损伤的应力分析

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间参与的科研项目及研究成果