局部腐蝕對(duì)多孔結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響

關(guān)鍵詞：腐蝕；二氯甲烷溶液；聚乳酸多孔結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能

0 引言

多孔結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的緩沖吸能、吸聲、隔熱、低密度和比剛度大等性能［1-2］，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、醫(yī)療器械等領(lǐng)域［3］。已有很多學(xué)者對(duì)多孔結(jié)構(gòu)孔隙率、材料厚度、疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展［4］進(jìn)行了大量的研究，并總結(jié)了其壓縮性能［5］、剪切性能［6］、拉伸性能［7］的變化規(guī)律。在多孔結(jié)構(gòu)腐蝕損傷方面，孔蝕是普遍存在的一種腐蝕損傷形式，尤其在濕度大、易腐蝕的環(huán)境下，較長(zhǎng)時(shí)間的使用導(dǎo)致表面磨損，有一定的剝落，易產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象［8］，不僅影響結(jié)構(gòu)外觀，還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)截面減小、材料力學(xué)性能發(fā)生變化，嚴(yán)重影響其使用效能。因此，研究多孔結(jié)構(gòu)在化學(xué)因素作用下的孔蝕損傷有著非常重要的意義。

近些年，國(guó)內(nèi)外許多研究者從不同的角度對(duì)腐蝕損傷進(jìn)行分析研究。JIN等［9］提供一種使用二氯甲烷降低熔融沉積成型零件中聚乳酸（PolylacticAcid，PLA）零件表面粗糙度的方法；AO等［10］研究了不銹鋼纖維多孔材料在硫酸、鹽酸中的腐蝕類(lèi)型、腐蝕行為和腐蝕機(jī)制，并討論了介質(zhì)濃度、纖維絲徑、孔隙度對(duì)其腐蝕行為的影響；蔣穩(wěn)等［11］探討了腐蝕液配方的改變對(duì)多孔陣列結(jié)構(gòu)形貌的影響；ZHANG等［12］研究了多孔金屬流動(dòng)分布器在腐蝕環(huán)境下性能的穩(wěn)定性；妙遠(yuǎn)洋等［13］根據(jù)點(diǎn)蝕基本原理，建立了一種點(diǎn)蝕損傷彈性模量計(jì)算模型，并通過(guò)拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性；馬劍軍等［14］基于腐蝕疲勞中力學(xué)-電化學(xué)交互作用過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換，建立E690高強(qiáng)鋼的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率理論模型，并通過(guò)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)驗(yàn)證該理論模型的準(zhǔn)確性；李嘉棟等［15］總結(jié)與討論了彈性應(yīng)力、塑性應(yīng)力以及殘余應(yīng)力對(duì)不銹鋼點(diǎn)蝕及腐蝕開(kāi)裂行為的影響規(guī)律；TOKUDA等［16］在MgCl2浸泡試驗(yàn)中，研究了外加應(yīng)力對(duì)敏化304不銹鋼點(diǎn)蝕的影響。

本文通過(guò)SolidWorks軟件構(gòu)建正四邊形、正六邊形和內(nèi)凹形3種不同孔隙率的模型，并使用3D打印機(jī)熔融沉積成型進(jìn)行模型制備，采取液滴法引入二氯甲烷溶液作為腐蝕介質(zhì)，對(duì)比試驗(yàn)和Abaqus軟件仿真結(jié)果，分析了不同腐蝕周期和區(qū)域?qū)ζ矫娑嗫捉Y(jié)構(gòu)板力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用正四邊形、正六邊形和內(nèi)凹形3類(lèi)平面多孔結(jié)構(gòu)板，按照類(lèi)別不同設(shè)計(jì)了9種孔隙率模型，制備了45個(gè)試件，研究不同腐蝕周期和區(qū)域?qū)ζ矫娑嗫捉Y(jié)構(gòu)板力學(xué)性能的影響。結(jié)構(gòu)基本尺寸為120mm×74mm×10mm，局部腐蝕位置如圖1所示（白色標(biāo)注為腐蝕位置）。圖1中前3列基本模型為孔隙率分別為72%、63%和54%的單胞元腐蝕，第4列為孔隙率54%的單胞元擴(kuò)大區(qū)域腐蝕。

為方便試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)如表1所示。例如H-1-f-2由4項(xiàng)組成，表示孔隙率72%、單胞元腐蝕、2周期的正六邊形結(jié)構(gòu)。

1.2 模型制備

采用SolidWorks軟件構(gòu)建模型，表2所示為建立的9種模型的幾何參數(shù)。使用3D打印機(jī)進(jìn)行模型制備，打印速度為30mm/s。3D打印用材為聚乳酸，密度為1.25g/cm3。

2 試驗(yàn)測(cè)試

2.1 腐蝕試驗(yàn)

腐蝕介質(zhì)采用密度為1.325g/cm3的二氯甲烷溶液，采取液滴法［17］引入腐蝕介質(zhì)。在試件預(yù)設(shè)腐蝕部位上方定量點(diǎn)滴，腐蝕溶液以24h時(shí)間間隔滴注在試件表面上。腐蝕溶液的容量與試件表面積的比率在20～200mL/cm2范圍內(nèi)［18］，每次滴取1.5mL二氯甲烷溶液覆蓋在單胞元表面上，滴取3mL在擴(kuò)大區(qū)域，如圖1所示。未腐蝕狀態(tài)設(shè)定為0周期，腐蝕溶液作用7天為一個(gè)周期，采用電子顯微鏡觀察腐蝕位置結(jié)構(gòu)變化，如圖2所示（以孔隙率為54%的內(nèi)凹形結(jié)構(gòu)為例）。試驗(yàn)過(guò)程中，采用滴管滴液，如圖3所示?？紤]到腐蝕介質(zhì)的環(huán)境要求，試件在密封狀態(tài)存放，如圖4所示。試驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生的二氯甲烷廢液裝入密封容器，交由化學(xué)實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一收集處理。

試件微觀變化如表3所示，除了進(jìn)行單胞元腐蝕損傷外，選取孔隙率為54%的試件開(kāi)展擴(kuò)大區(qū)域腐蝕。結(jié)果表明，隨著周期增加，試件表面損傷逐漸明顯，到第3周期時(shí)，試件底部受腐蝕損傷的影響形成一個(gè)局部密實(shí)體，腐蝕損傷程度關(guān)系：孔隙率72%lt;孔隙率63%lt;孔隙率54%。

2.2 壓縮試驗(yàn)

采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)完成準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，壓縮試驗(yàn)加載方式采用位移控制，加載速度為1mm/min，下壓位移為30mm，加載裝置如圖5所示（以孔隙率為54%的內(nèi)凹形結(jié)構(gòu)為例），試驗(yàn)過(guò)程中采用高分辨照相機(jī)對(duì)試件的破壞過(guò)程進(jìn)行記錄。

選取孔隙率為72%的單胞元腐蝕進(jìn)行分析，正四邊形結(jié)構(gòu)的變形情況如表4所示。0周期初始，失穩(wěn)從底部第2層開(kāi)始，第2輪失穩(wěn)發(fā)生在底部第3層，整體失穩(wěn)趨勢(shì)向左；第1周期第1輪失穩(wěn)層與0周期相同，第2輪失穩(wěn)發(fā)生在腐蝕位置所在層，隨著腐蝕周期加長(zhǎng)，失穩(wěn)趨勢(shì)向右，其原因是受到腐蝕位置的影響（腐蝕位置靠中心軸右側(cè)）。

分析不同腐蝕周期正六邊形結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程，如表5所示。結(jié)果表明，初始變形從斜對(duì)角線開(kāi)始，隨著下壓位移的增加，逐漸呈現(xiàn)出“X”形破壞模式；0周期結(jié)構(gòu)有輕微的失穩(wěn)屈曲現(xiàn)象，第1周期至第3周期內(nèi)未出現(xiàn)屈曲，說(shuō)明腐蝕損傷位置的存在為結(jié)構(gòu)提供了一定緩沖作用，消除了結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)現(xiàn)象，隨著腐蝕周期的持續(xù)，緩沖作用逐漸明顯。

內(nèi)凹形結(jié)構(gòu)壓縮變形情況如表6所示，未腐蝕試件初始變形在中心層兩側(cè)，腐蝕試件的變形從腐蝕損傷位置開(kāi)始。結(jié)果表明，0周期初始變形在上、下邊緣第2、第3層處，并向兩邊擴(kuò)散，逐漸由兩端向內(nèi)收縮；第1周期至第3周期初始變形從腐蝕損傷位置開(kāi)始，隨下壓位移的增加，變形由中間向兩端延伸。

2.3 結(jié)果分析

為驗(yàn)證腐蝕結(jié)果的可靠性，試驗(yàn)選取孔隙率為72%的正六邊形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了兩組重復(fù)試驗(yàn)。如圖6所示，選取下壓位移為15mm的數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明，每個(gè)周期內(nèi)的兩組試驗(yàn)誤差在5%以內(nèi)。

在正六邊形結(jié)構(gòu)兩次重復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其他類(lèi)型結(jié)構(gòu)進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)載荷-位移關(guān)系曲線如圖7～圖10所示。準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下，平面多孔結(jié)構(gòu)板的載荷-位移曲線大致分為3個(gè)階段：彈性階段、屈服平臺(tái)階段以及密實(shí)階段。正四邊形結(jié)構(gòu)腐蝕前后載荷-位移曲線如圖7所示。由圖7可知，加載初期載荷-位移曲線成線性增加，達(dá)到峰值載荷后，曲線急劇下降再緩慢增加，0周期產(chǎn)生的峰值力最大，第2周期產(chǎn)生的峰值力大于第1周期和第3周期。如圖7（a）所示，第1周期和第3周期的彈性階段曲線斜率比0周期小，第2周期曲線的斜率較大。這表明，第2周期時(shí)腐蝕損傷效果不穩(wěn)定，導(dǎo)致試件剛度加強(qiáng)，第3周期時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，試件剛度退化。

如圖8（a）、圖8（b）所示，正六邊形結(jié)構(gòu)在彈性階段時(shí)，0周期的峰值力大于其他周期，第2周期的峰值力大于第1周期。當(dāng)結(jié)構(gòu)孔隙率由54%增加到63%時(shí)，對(duì)應(yīng)0、1、2、3周期的承載能力分別下降了約39.5%、53.6%、37.4%、47.5%；當(dāng)孔隙率由63%增加到72%時(shí)，對(duì)應(yīng)0、1、2、3周期的承載能力分別下降了約58.5%、56.9%、53%、59.2%。結(jié)果表明，提高結(jié)構(gòu)孔隙率，試件的承載能力降低，產(chǎn)生的原因?yàn)槎嗫捉Y(jié)構(gòu)板密實(shí)度越高，承載能力越大。

如圖9（a）所示，孔隙率為72%的內(nèi)凹形結(jié)構(gòu)，在0周期的峰值力比第1周期增加了約6.4%，比第2周期增加了約10.4%，比第3周期增加了約11.1%。隨后，峰值急劇減小為一個(gè)平臺(tái)力，到達(dá)平臺(tái)階段時(shí)0周期平臺(tái)力均高于其他周期，當(dāng)位移達(dá)到27mm時(shí)，結(jié)構(gòu)達(dá)到致密化階段。如圖9（b）所示，孔隙率為63%，彈性階段0周期所產(chǎn)生的峰值力比第1周期減少了約12.8%，比第2周期增加了約30.8%，比第3周期增加了約25.9%。如圖9（c）所示，孔隙率為54%時(shí)，結(jié)構(gòu)密實(shí)，承載能力增強(qiáng)，易產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

孔隙率為54%的結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)加載過(guò)程中，存在屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象，下壓位移達(dá)到10mm時(shí)趨于穩(wěn)定。其中，正四邊形結(jié)構(gòu)如圖10（a）所示，承載能力關(guān)系為0周期gt;第3周期gt;第2周期gt;第1周期，表明擴(kuò)大區(qū)域腐蝕加強(qiáng)了試件表面的密實(shí)程度；與第1周期相比，隨著周期的持續(xù)，提高了正四邊形結(jié)構(gòu)的承載能力。正六邊形結(jié)構(gòu)如圖10（b）所示，在彈性階段，第1周期和第3周期曲線斜率重合，表明這兩個(gè)周期在彈性階段的變形能力相同。內(nèi)凹形結(jié)構(gòu)如圖10（c）所示，在彈性階段，承載能力關(guān)系為第3周期lt;第2周期lt;第1周期lt;0周期，腐蝕周期越長(zhǎng)，承載能力越低，表明內(nèi)凹形結(jié)構(gòu)擴(kuò)大區(qū)域腐蝕沒(méi)有產(chǎn)生密實(shí)現(xiàn)象，腐蝕缺陷的存在降低了結(jié)構(gòu)的承載能力。

結(jié)構(gòu)最大載荷數(shù)值如表7所示，孔隙率為72%時(shí)，0周期至第3周期承載能力分別降低了約22.6%、25.6%和2.2%；孔隙率為63%時(shí)，0周期至第3周期承載能力分別降低了約25.4%、24.4%和20.6%；孔隙率為54%時(shí)，單胞元腐蝕0周期至第3周期分別降低了約25.6%、12.9%、6.6%，此時(shí)擴(kuò)大區(qū)域腐蝕0周期至第3周期承載能力分別降低了約16.4%、22.5%、21.7%。分析單胞元腐蝕與擴(kuò)大區(qū)域腐蝕承載能力的差異，發(fā)現(xiàn)正四邊形結(jié)構(gòu)在第1周期和第3周期內(nèi)，前者的峰值力比后者分別減少了約5.7%和11.1%，在第2周期內(nèi)前者的峰值力比后者增加了約9.7%；正六邊形結(jié)構(gòu)在第1、2、3周期內(nèi)前者的承載能力比后者分別增加了約25%、18.9%、12.4%；內(nèi)凹形結(jié)構(gòu)同樣分別增加了約18.1%、4.5%、19.2%。

結(jié)果表明，孔隙率為72%時(shí)，正六邊形結(jié)構(gòu)單胞元腐蝕缺陷承載能力最弱，內(nèi)凹形結(jié)構(gòu)的承載能力最強(qiáng)；孔隙率為63%和54%時(shí)，正四邊形結(jié)構(gòu)受腐蝕影響最大，正六邊形結(jié)構(gòu)擴(kuò)大區(qū)域腐蝕承載能力最弱，內(nèi)凹形結(jié)構(gòu)擴(kuò)大區(qū)域腐蝕承載能力最強(qiáng)；在外界腐蝕條件作用下，平面多孔結(jié)構(gòu)板為正六邊形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)承載能力最弱。

3 有限元仿真

3.1 仿真模擬

運(yùn)用Abaqus軟件對(duì)不同孔隙率及周期的多孔結(jié)構(gòu)板腐蝕狀態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)壓縮進(jìn)行模擬［19-20］，引入文獻(xiàn)［21］的方法進(jìn)行腐蝕仿真模擬。

腐蝕狀態(tài)是通過(guò)對(duì)相應(yīng)腐蝕位置減小區(qū)域板厚、彈性模量和表面載荷實(shí)現(xiàn)的，表面載荷施加在單胞元及其擴(kuò)大區(qū)域的外表面和內(nèi)壁，材料對(duì)應(yīng)的腐蝕性能如表8所示。

腐蝕仿真在部件模塊下，將實(shí)體轉(zhuǎn)換為殼部件，運(yùn)用拆分面命令進(jìn)入草圖分區(qū)，畫(huà)出腐蝕區(qū)域，采用偏移面命令選擇已拆分的腐蝕區(qū)域，偏移距離為腐蝕缺陷大小，刪除面命令將試件腐蝕區(qū)域表面刪除。在屬性模塊下，創(chuàng)建腐蝕作用區(qū)域和未腐蝕作用區(qū)域材料的屬性，并指派到具體的截面位置，屬性定義如圖11所示（以孔隙率為72%的正六邊形結(jié)構(gòu)為例）。裝配后，將腐蝕位置的作用定義為表面載荷，邊界條件為底端固定端約束，試件內(nèi)部約束為位移轉(zhuǎn)角，網(wǎng)格采用尺寸為1mm的六面體單元進(jìn)行劃分。腐蝕計(jì)算完成后，將.odb格式文件導(dǎo)入新的工況進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，導(dǎo)入試件并創(chuàng)建壓板，壓板是直徑為150mm離散剛體，壓板屬性為慣性作用。將壓板與試件裝配如圖12所示，分析步設(shè)置為動(dòng)力顯式，相互作用中添加通用接觸和剛體約束。上部剛性板采用1mm/min的豎直恒速，下部剛性板為固定端約束，壓縮過(guò)程中相互接觸采用一般接觸罰來(lái)模擬，切向行為的摩擦因數(shù)設(shè)為0.3，并選用硬接觸作為法向行為，壓板和試件網(wǎng)格采用尺寸為1mm的六面體單元進(jìn)行劃分。

通過(guò)有限元后處理分析獲得不同平面多孔結(jié)構(gòu)板的變形及應(yīng)力分布，如表9所示?？紫堵蕿?2%時(shí)，正四邊形結(jié)構(gòu)在0周期最大變形發(fā)生在頂部壓頭與低端壓頭橫向作用最邊緣，并由兩邊向中間遞減；在第1周期，試件整體的變形趨勢(shì)主要集中在中間區(qū)域，腐蝕位置應(yīng)力較??；在第2周期，試件變形比第1周期明顯減弱。相對(duì)于未腐蝕狀態(tài)下，腐蝕周期的存在使其變形較為明顯。

3.2 結(jié)果驗(yàn)證

為方便觀察試驗(yàn)與仿真結(jié)果，選取下壓位移為10mm的數(shù)據(jù)分析。對(duì)比分析部分試件載荷-位移曲線試驗(yàn)與仿真結(jié)果，如圖13、圖14所示。結(jié)果顯示，曲線在達(dá)到塑性變形前后顯示出差異；0周期結(jié)構(gòu)曲線最高；隨著腐蝕程度的加深曲線逐漸下降；同一類(lèi)型結(jié)構(gòu)曲線趨勢(shì)一致；腐蝕影響結(jié)構(gòu)的承載能力；隨著腐蝕程度加深，結(jié)構(gòu)的最大承載力降低。結(jié)構(gòu)達(dá)到塑性階段后，變形趨勢(shì)基本相同，這說(shuō)明腐蝕產(chǎn)生的影響不再發(fā)揮作用。整體曲線的有限元仿真結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果偏大，結(jié)果存在誤差的主要原因有以下幾個(gè)方面：①未腐蝕狀態(tài)下，試件準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過(guò)程中有輕微的屈曲未考慮進(jìn)仿真；②腐蝕試驗(yàn)時(shí)，不同腐蝕周期模擬的腐蝕環(huán)境存在一定差異；③腐蝕區(qū)域板厚逐漸減小過(guò)程未考慮。

4 結(jié)論

以不同孔隙率的正四邊形、正六邊形和內(nèi)凹形多孔結(jié)構(gòu)板為研究對(duì)象，采取液滴法引入二氯甲烷溶液作為腐蝕介質(zhì)，分析了不同腐蝕周期和區(qū)域?qū)廴樗岫嗫捉Y(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響規(guī)律，通過(guò)試驗(yàn)和有限元仿真得出結(jié)論如下：

1）內(nèi)凹形結(jié)構(gòu)受腐蝕周期的影響最小，正四邊形和正六邊形結(jié)構(gòu)受腐蝕周期的影響有賴(lài)于孔隙率的大小。

2）孔隙率72%正六邊形結(jié)構(gòu)單胞元腐蝕缺陷承載能力最弱，內(nèi)凹形結(jié)構(gòu)的承載能力最強(qiáng)；孔隙率54%正四邊形結(jié)構(gòu)受單胞元腐蝕影響最大，內(nèi)凹形結(jié)構(gòu)影響最小，其中正六邊形結(jié)構(gòu)單胞元擴(kuò)大區(qū)域腐蝕承載能力相比單胞元腐蝕更弱，正四邊形結(jié)構(gòu)單胞元擴(kuò)大區(qū)域腐蝕承載能力相比單胞元腐蝕較強(qiáng)。

3）隨著孔隙率的增加，正四邊形結(jié)構(gòu)承載能力受腐蝕周期的影響逐漸增加，正六邊形結(jié)構(gòu)承載能力受腐蝕周期的影響逐漸減小。