金屬腐蝕“3等線”和試驗(yàn)日歷壽命確定方法

張福澤空軍裝備研究院 航空裝備研究所， 北京 100076

金屬腐蝕“3等線”和試驗(yàn)日歷壽命確定方法

張福澤*
空軍裝備研究院 航空裝備研究所， 北京 100076

為了探討金屬日歷壽命，通過理論分析和試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)金屬腐蝕的一種等濕等溫等時線，它在腐蝕損傷與試驗(yàn)溶液濃度d坐標(biāo)系中是一條直線，在這條直線上每一點(diǎn)的腐蝕試驗(yàn)濕度、溫度和時間各自保持相等，簡稱腐蝕“3等線”。通過“3等線”與其他綜合研究，推導(dǎo)出試驗(yàn)日歷壽命計(jì)算公式和確定方法。同時又進(jìn)行了腐蝕損傷與腐蝕時間的線性規(guī)律和腐蝕“3等線”存在的試驗(yàn)驗(yàn)證。

材料腐蝕； 金屬腐蝕“3等線”； 日歷壽命； 腐蝕環(huán)境； 腐蝕損傷

眾所周知，在金屬日歷壽命確定中，至今仍沒有找到直接應(yīng)用腐蝕試驗(yàn)損傷給出使用日歷壽命的計(jì)算公式和確定方法，而是必須進(jìn)行“當(dāng)量折算”，即把試驗(yàn)值轉(zhuǎn)換為使用值。在金屬腐蝕領(lǐng)域中，關(guān)于“當(dāng)量折算”已有很多論述[1-3]，但都存在某些嚴(yán)重不足，因此尚沒有得到有效的應(yīng)用。本文通過大量腐蝕試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)一種等濕等溫等時線，也稱之為腐蝕“3等線” 。根據(jù)此曲線和其他綜合研究，推導(dǎo)出了一種直接應(yīng)用試驗(yàn)損傷值求取試驗(yàn)日歷壽命的計(jì)算公式。它在使用環(huán)境的濕度和溫度不變的情況下，僅用提高試驗(yàn)介質(zhì)濃度的方法進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，利用試驗(yàn)獲得的損傷值就可以直接求出金屬在使用環(huán)境下的試驗(yàn)日歷壽命，不需要上述的“當(dāng)量折算”。因此，這是一種簡單易行的求腐蝕試驗(yàn)日歷壽命的方法。

1 金屬腐蝕的等濕等溫等時線

1.1 理論分析

從腐蝕機(jī)理上分析，絕大多數(shù)金屬腐蝕是由電化學(xué)反應(yīng)引起的，這一點(diǎn)已為國內(nèi)外同行學(xué)者所認(rèn)同[4-7]。電化學(xué)反應(yīng)的腐蝕損傷量可由著名的法拉第定律表示

(1)

式中：D為金屬腐蝕量；Ic為腐蝕電流；F為常數(shù)；h為腐蝕時間。

文獻(xiàn)[3,5]指出，Ic為腐蝕溫度、濕度和電解溶液濃度的函數(shù)。由于在溫-濕譜試驗(yàn)中，每級濃度的試驗(yàn)溫度、濕度和時間都各自保持不變，故只有電解溶液濃度為變量，因此式(1)中的腐蝕損傷D為溶液濃度的單值函數(shù)。這樣一來，D與腐蝕溶液濃度可能存在著一種簡單的線性關(guān)系。這種分析的線性關(guān)系在后續(xù)試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

1.2 腐蝕試驗(yàn)研究

為了探討金屬腐蝕的等濕等溫等時線，采用提高腐蝕試驗(yàn)濃度的方法，進(jìn)行了30CrMnSiA 鋼和LY12CZ鋁、LC4SC鋁的腐蝕試驗(yàn)研究。在腐蝕試驗(yàn)中，試驗(yàn)濃度di由海南陵水地區(qū)的實(shí)測介質(zhì)濃度值(d=1)加倍所得(見表1、表2)；Di為每種材料在試驗(yàn)濕度RH、溫度T和腐蝕時間H設(shè)定值不變的情況下，各級試驗(yàn)di對應(yīng)的多個試件腐蝕損傷的平均值(見表3)。試驗(yàn)曲線如圖1所示，圖中：ΔD和Δd分別為D和d的截距。

從圖1中可以看出：①在試驗(yàn)中，RH、T和H保持常值不變的情況下，腐蝕損傷D與試驗(yàn)濃度d呈近似線性關(guān)系，即等濕等溫等時線呈近似線性關(guān)系。②3條等濕等溫等時線的線性度和斜率各不相同。

1.3 金屬腐蝕等濕等溫等時線的定義和特性

通過上述試驗(yàn)和研究，本文找到了一種金屬腐蝕等濕等溫等時線，如圖2所示。圖中的橫坐標(biāo)為腐蝕溶液濃度d(使用環(huán)境下d=1，試驗(yàn)環(huán)境d可取遠(yuǎn)大于1的溶液濃度)，縱坐標(biāo)為腐蝕損傷D。當(dāng)d=0，D=0時，等濕等溫等時線為通過坐標(biāo)原點(diǎn)的一條直線(0-1-t)，可將其定義為標(biāo)準(zhǔn)等溫等濕等時線。

表1 海南陵水的介質(zhì)成分和含量

表2 海南陵水4 L、6 L和12 L的介質(zhì)含量

表3 3種材料腐蝕試驗(yàn)的平均損傷

圖1 30CrMnSiA鋼、LY12CZ鋁和LC4SC鋁的“3等線”

Fig.1 “3 equal-lines” of 30CrMnSiA steel, LY12CZ aluminum and LC4SC aluminum

圖2 標(biāo)準(zhǔn)“3等線”

Fig.2 Standard “3 equal-line”

等濕等溫等時線的物理含義是，在金屬每一級溶液濃度的腐蝕試驗(yàn)過程中，濕度、溫度和時間要保持不變，腐蝕損傷D隨溶液濃度d的增加呈線性增加。在這條線性線上，任意兩點(diǎn)的濕度、溫度和時間都是相等的，故稱為等濕等溫等時線，又稱為“3等線”。

找到這條等濕等溫等時線，對于探討通過腐蝕試驗(yàn)給出使用環(huán)境下的金屬日歷壽命的計(jì)算公式有重要意義。

2 試驗(yàn)日歷壽命公式的建立

2.1 通過坐標(biāo)原點(diǎn)的腐蝕“3等線”的試驗(yàn)日歷壽命公式

1) 使用濃度(d1=1)的損傷(D1)表達(dá)式。

假設(shè)1 圖2中的腐蝕溶液濃度d1=1為某機(jī)場使用環(huán)境的濃度；dt為試驗(yàn)溶液濃度，它是d1的整數(shù)倍。

假設(shè)2 圖2中各級溶液濃度的試驗(yàn)是在使用環(huán)境的溫度和濕度下進(jìn)行的，每級濃度的試驗(yàn)皆進(jìn)行Ht小時。

由上述假設(shè)，圖2中的等濕等溫等時線的每一點(diǎn)都是使用環(huán)境的濕度和溫度，每一點(diǎn)的腐蝕時間都是Ht小時。也就是說，當(dāng)用濃度dt進(jìn)行Ht小時的腐蝕試驗(yàn)時，可獲得Dt的腐蝕損傷量。而用濃度d1=1進(jìn)行Ht小時的腐蝕試驗(yàn)時，則可獲得D1的腐蝕損傷量。因此，由圖2可得試驗(yàn)損傷Dt與D1的換算關(guān)系為

(2)

式中：D1為用使用濃度d1=1試驗(yàn)Ht小時的損傷量；Dt為用試驗(yàn)濃度dt試驗(yàn)Ht小時的損傷量。

2) 腐蝕容限損傷(D1c)與相應(yīng)的腐蝕時間H1c的計(jì)算公式。

由于在建立D1c與H1c的計(jì)算公式時，需要腐蝕損傷D與腐蝕時間H呈線性規(guī)律的結(jié)論，因此本文在試驗(yàn)驗(yàn)證中，進(jìn)行了高濃度試驗(yàn)的純腐蝕和腐蝕疲勞的28條試驗(yàn)D-H曲線，同時又統(tǒng)計(jì)了多種材料在使用環(huán)境濃度d1=1情況下的D-H曲線，這些曲線都近似遵循線性規(guī)律，具體見本文的試驗(yàn)驗(yàn)證。

現(xiàn)假設(shè)腐蝕損傷D與腐蝕時間H的示意曲線，如圖3所示。

圖3 使用環(huán)境(d、RH和T)的D -H曲線

Fig.3 D -H curve of service environment (d, RH and T)

圖3為使用環(huán)境下的濃度、濕度和溫度的D-H曲線。由于容限腐蝕損傷D1c為設(shè)計(jì)已知定值，使用濃度d1=1下的D1與Ht可由圖2中的等濕等溫等時線獲得，因此可導(dǎo)出D1c的計(jì)算公式。

(3)

由式(2)和d1=1可得

(4)

式中：H1c為使用濃度、濕度和溫度下的D1c相應(yīng)的腐蝕時間，即金屬相對容限腐蝕損傷的日歷壽命(小時)；Ht為使用濃度、濕度和溫度下的D1相應(yīng)的腐蝕試驗(yàn)時間(Ht=H1)；D1c為使用濃度、濕度和溫度下的腐蝕容限損傷量；Dt為在試驗(yàn)濃度dt、 使用濕度和溫度下，試驗(yàn)Ht小時的損傷量；dt為試驗(yàn)濃度(dt=nd1，由于d1=1，所以有dt=n，通常取n>5的整數(shù))。

由式(4)可以看出，在給定D1c的情況下，只要選定一個便于加速腐蝕試驗(yàn)的濃度dt，用dt和使用環(huán)境的濕度溫度試驗(yàn)Ht小時后，測得Dt，則H1c可求出。

當(dāng)試驗(yàn)時間為譜塊時，則式(4)化為

(5)

當(dāng)用譜塊試驗(yàn)到D1c=Dt時，則有

(6)

式中：λt為用譜塊試驗(yàn)的循環(huán)周數(shù)；hi為第i級溫度試驗(yàn)時間。式(5)和式(6)就是用譜塊試驗(yàn)時的金屬日歷壽命H1c的日歷壽命(小時)計(jì)算公式。

當(dāng)式(5)和式(6)的試驗(yàn)譜是以日歷年編制(一個譜塊為1日歷年)，而日歷壽命H1c也以日歷年計(jì)算時，式(5)和式(6)可簡化為

(7)

λ1c=dtλt

(8)

式中：λ1c為腐蝕容限值對應(yīng)的日歷壽命，年。

2.2 不通過坐標(biāo)原點(diǎn)的腐蝕“3等線”的試驗(yàn)日歷壽命公式

圖4 日歷壽命修正公式原理

Fig.4 Principle of calendar life amending formula

在工程定壽中，對于沒有試驗(yàn)的腐蝕“3等線”，只有1個或2個dt的試驗(yàn)Dt值，且無法修正時，可以直接應(yīng)用具有中等腐蝕損傷的式(4)、式(5)和式(7)計(jì)算日歷壽命。

2.3 試驗(yàn)日歷壽命確定步驟和計(jì)算實(shí)例

步驟1 編制真實(shí)使用環(huán)境譜。如海南陵水環(huán)境的3維譜，如表4所示。

表4 海南陵水試驗(yàn)譜

步驟2 配置真實(shí)使用環(huán)境的濃度。如表1d=1的海南陵水實(shí)測值和加重20倍值。

步驟3 選定試驗(yàn)材料，如LY12鋁合金。

步驟4 按編制的3維譜和配置的濃度d進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)實(shí)測腐蝕損傷值Dt見表5。

步驟5 LY12CZ鋁合金在海南陵水地區(qū)日歷壽命計(jì)算實(shí)例。

假設(shè)LY12CZ鋁合金的腐蝕容限值為D1c=0.6 mm。

表5 在海南陵水譜和dt=20下的LY12CZ試驗(yàn)損傷Dt

Table 5 LY12CZ test damagedtat Lingshui, Haihan spectrum andDt=20

dtSpecimenCorrosiondepth/mmAveragedepth/mmSumupaveragedepth/mm2060.85,0.85,0.83,0.83,0.80,0.80,0.76,0.75,0.72,0.720.79170.85,0.83,0.80,0.78,0.76,0.76,0.76,0.75,0.70,0.680.76980.82,0.78,0.78,0.76,0.76,0.76,0.76,0.75,0.68,0.680.75390.80,0.80,0.80,0.78,0.78,0.76,0.75,0.70,0.68,0.650.750100.82,0.82,0.80,0.78,0.76,0.76,0.73,0.70,0.66,0.650.7480.7622

由表5中的試驗(yàn)結(jié)果，可得式(7)中的Dt=0.762 2 mm 和試驗(yàn)濃度dt=20以及試驗(yàn)溫-濕譜的循環(huán)周數(shù)λt=1。由式(7)計(jì)算得到LY12CZ鋁合金在海南陵水地區(qū)的腐蝕容限深度為 0.6 mm 時，需要的日歷年λ1c為

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文在推導(dǎo)金屬腐蝕日歷壽命的計(jì)算公式和確定方法時，使用了腐蝕損傷D與時間H呈線性關(guān)系的結(jié)論，盡管這個結(jié)論已有公認(rèn)，但仍有疑異。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種線性關(guān)系的正確性，本文進(jìn)行如下試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 試驗(yàn)環(huán)境下金屬腐蝕損傷D與時間H的線性關(guān)系驗(yàn)證

為了研究金屬腐蝕損傷隨腐蝕時間的變化規(guī)律，進(jìn)行3種溫度(5 ℃、25 ℃和50 ℃)、4種濃度溶液(在海南陵水地區(qū)各介質(zhì)為1倍的基礎(chǔ)上加權(quán)10倍、50倍、90倍和130倍，分別以A、B、C、D表示)的兩種材料的純腐蝕試驗(yàn)和腐蝕疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下。

1) 30CrMnSiA合金鋼純腐蝕的損傷與時間變化規(guī)律

試驗(yàn)曲線如圖5所示。

圖5 在4種濃度3種溫度(5 ℃、25 ℃和50 ℃)下的30CrMnSiA純腐蝕D -H曲線

Fig.5 Pure corrosion D -H curves of 30CrMnSiA at four densities and three temperatures (5 ℃,25 ℃ and 50 ℃) respectively

2) 30CrMnSiA合金鋼腐蝕疲勞的損傷與時間變化規(guī)律

試驗(yàn)曲線如圖6所示。

圖6 在4種濃度3種溫度(5 ℃、25 ℃和50 ℃)下的30CrMnSiA腐蝕疲勞D -H曲線

Fig.6 Corrosion fatigue D -H curves of 30CrMnSiA at four densities and three temperatures (5 ℃, 25 ℃ and 50 ℃) respectively

3) LY12CZ鋁合金腐蝕疲勞的損傷與時間變化規(guī)律

LY12CZ鋁合金的純腐蝕試驗(yàn)和腐蝕疲勞試驗(yàn)與30CrMnSiA合金鋼的6組試驗(yàn)是一樣多的，但為了壓縮論文篇幅，此處只列出在50 ℃和A、B、C、D這4種溶液下的腐蝕疲勞試驗(yàn)曲線，如圖7 所示。

圖7 在4種濃度、50 ℃下的LY12CZ腐蝕疲勞D -H曲線

Fig.7 Corrosion fatigue D -H curves of LY12CZ at four densities and 50 ℃

4) 曲線的線性與腐蝕動力學(xué)分析

對圖5～圖7的31條曲線都進(jìn)行了線性回歸分析。它們中的每條曲線的線性關(guān)系都是顯著的，R值絕大多數(shù)在0.980 0以上。腐蝕動力學(xué)規(guī)律也都遵循線性關(guān)系，每條曲線的腐蝕速度也基本保持不變。有關(guān)金屬腐蝕損傷與腐蝕時間的線性曲線，文獻(xiàn)[2]等都有相關(guān)的試驗(yàn)曲線，其線性關(guān)系也是顯著的，此處不再贅述。

3.2 使用環(huán)境下金屬腐蝕損傷D與時間H的線性關(guān)系驗(yàn)證

為進(jìn)行金屬在自然環(huán)境下的腐蝕損傷D與時間H呈線性關(guān)系的驗(yàn)證，本文選擇由北京航空材料研究院郭洪全研究員提供的LY12CZ鋁和17種鋼在自然大氣環(huán)境下的腐蝕數(shù)據(jù)，如表6～表8所示。

表6 LY12CZ腐蝕速率

表7 17種鋼在青島的腐蝕速率

表8 17種鋼在瓊海的腐蝕速率

1) LY12CZ在大氣中的腐蝕損傷D與時間H的近似線性關(guān)系

根據(jù)表6 LY12CZ在大氣中的腐蝕損傷數(shù)據(jù)，可計(jì)算出平均損傷Di和總平均腐蝕損傷量Dn，列入表6中，并由此數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖8所示。

圖8 自然環(huán)境中的LY12CZ腐蝕D -H曲線

Fig.8 Corrosion D -H curve of LY12CZ in natural environment

2) 17種鋼在青島、瓊海自然大氣中的腐蝕損傷量Dn與時間H的線性關(guān)系

由17種鋼腐蝕率計(jì)算總平均損傷量，列入表7 和表8，由此繪制D-H線性曲線如圖9所示。

3) 曲線線性分析

對圖8和圖9中的3條曲線進(jìn)行線性回歸分析，可知它們的線性關(guān)系是顯著的，每條線的R值都在0.099 00以上。這說明LY12CZ鋁合金和17種鋼在自然大氣腐蝕環(huán)境下，腐蝕損傷量D與腐蝕時間H確實(shí)存在線性關(guān)系。由此線性關(guān)系建立的模型式(3)～式(8)也是有試驗(yàn)基礎(chǔ)的。

3.3 金屬腐蝕的等濕等溫等時線的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證金屬腐蝕的等濕等溫等時線的存在和損傷量D與濃度d的近似線性關(guān)系，進(jìn)行LY12CZ和A3的D-d曲線實(shí)測研究。溶液濃度是在海南陵水地區(qū)介質(zhì)濃度基礎(chǔ)上加到10、30、50倍。

圖9 17種鋼在青島和瓊海自然環(huán)境下的D -H曲線

Fig.9 D -H curves of 17 steels in Qingdao and Qionghai natural environments

表9 LY12CZ “3等線”試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1) LY12CZ鋁合金的等濕等溫等時線的試驗(yàn)驗(yàn)證

在LY12CZ每級濃度的腐蝕試驗(yàn)中，濕度、溫度和時間都保持各自相等不變，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表9，由此數(shù)據(jù)繪制的等濕等溫等時線見圖10。

2) A3鋼的等溫等時線的試驗(yàn)驗(yàn)證

在A3鋼每級濃度的腐蝕試驗(yàn)中，溫度和時間都保持相同，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表10，由此數(shù)據(jù)繪制的等濕等溫等時線見圖11。

3) 線性分析

經(jīng)過對圖10和圖11兩條曲線回歸分析，可知它們的線性關(guān)系是顯著的，每條線的R值都在0.099 00 以上。這說明LY12CZ鋁合金和A3鋼在等濕等溫等時的腐蝕試驗(yàn)中，它們的腐蝕損傷D與溶液濃度d存在著近似線性關(guān)系，即存在著等濕等溫等時線。這也說明，在建立模型式(3)～式(8)時，用法拉第定律論證的等濕等溫等時線是存在的、正確的。

圖10 LY12CZ “3等線”

Fig.10 “3 equal-line” of LY12CZ

表10 A3鋼“3等線”試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖11 A3鋼“3等線”

Fig.11 “3 equal-line” of A3 steel

4 結(jié) 論

1) 通過理論分析和對鋼、鋁兩種材料的腐蝕試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)的金屬材料有一條等濕等溫等時曲線存在，在這條曲線上任意兩點(diǎn)的濕度、溫度、時間皆相等。它對建立試驗(yàn)日歷壽命公式和確定方法具有重要使用價值。

2) 建立了金屬試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)腐蝕“3等線”的使用日歷壽命公式，這些公式只要有一個使用溫度濕度譜下的試驗(yàn)損傷值Dt，即可求出使用環(huán)境下的試驗(yàn)日歷壽命，如式(4)和式(7)。

3) 給出試驗(yàn)日歷壽命的確定方法和步驟：①編制出使用溫度濕度譜；②配置試驗(yàn)的濃度dt；③用編制的溫濕譜和配置濃度dt進(jìn)行試驗(yàn)，測出損傷Dt；④將設(shè)定的D1c和試驗(yàn)得到的Dt代入式(4)或式(7)，可求得使用環(huán)境下的試驗(yàn)日歷壽命。

4) 通過30CrMnSiA和LY12CZ兩種材料的高濃度腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及LY12CZ和17種鋼在自然大氣環(huán)境下腐蝕數(shù)據(jù)的研究和分析，驗(yàn)證了這些金屬材料在自然使用環(huán)境下，腐蝕損傷D與腐蝕時間H存在近似線性關(guān)系。

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張福澤 男， 中國工程院院士。主要研究方向： 飛機(jī)壽命。

Tel: 010-66713310

E-mail: zhangfuzemail@163.com

Received： 2015-09-30； Revised： 2015-11-28； Accepted： 2015-12-14； Published online： 2015-12-22 14:59

URL： www.cnki.net/KCMS/detail/11.1929.V.20151222.1459.004.html

*Corresponding author. Tel.： 010-66713310 E-mail: zhangfuzemail@163.com

Metallic corrosion “3 equal-line” and formula of test calendar life andits determination method

ZHANG Fuze*

AeronauticalArmamentsResearchInstitute,EquipmentAcademyofAirForce,Beijing100076,China

For research calendar life of metal, this paper through theoretic analysis and test research, a line with equal humidity, teperature and time of metallic corrosion is found out, which presents a straight line indcoordinate system of corrosion damage and solution concentration. Each point on this straight line, known as “3 equal-line”, has equal corrosion test humidity, temperature and time. The formula of service calendar life and determination method of the test are deduced from the research of the “3 equal-line” and other comprehensive research. Meanwhile, we also carry out test to verify the linear regularities of corrosion damage and corrosion time as well as the existence of the “3 equal-line”.

material corrosion; “3 equal-line” of metallic corrosion; calendar life; corrosion environment; corrosion damage

2015-09-30；退修日期：2015-11-28；錄用日期：2015-12-14； < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間：

時間： 2015-12-22 14:59

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張福澤． 金屬腐蝕“3等線”和試驗(yàn)日歷壽命確定方法[J]． 航空學(xué)報(bào), 2016, 37(2): 371-380. ZHANG F Z. Metallic corrosion “3 equal-line” and formula of test calendar life and its determination method[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(2): 371-380.

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