金属表面腐蚀损伤演化过程的元胞自动机模拟

 用一个简单的元胞自动机从介观的角度对腐蚀环境中金属表面的腐蚀损伤演化过程进行研究。假定腐蚀体系为扩散过程控制的金属腐蚀体系,定义了简单的局部规则反映腐蚀现象中的基本化学物理过程,例如质量转移、金属溶解和钝化过程等。对于单个蚀坑,得到了蚀坑等效半径随模拟时间的变化曲线;对于多个蚀坑,认为蚀坑的成核时间服从威布尔分布,通过对该分布函数进行随机抽样,使得在不同时刻金属表面会随机产生大量的蚀坑,对金属表面的腐蚀损伤情况进行模拟,得到了表面腐蚀损伤度随模拟时间的变化规律。结果表明元胞自动机法可以用于腐蚀损伤演化过程的模拟,这对于更好地进行腐蚀损伤的量化及结构完整性的评估有着重要的实际意义。     

蚀坑几何形貌的三维模拟

 点蚀是导致结构失效的重要机理之一,点蚀形貌中隐含了大量的有用信息。针对点蚀形貌及尺寸的演化情况,采用三维元胞自动机技术对腐蚀环境中的金属腐蚀生长演化过程进行模拟。将腐蚀损伤生长过程模拟成一个离散的动力学系统,在模拟过程中着重考虑了腐蚀过程中发生的质量转移、金属溶解及钝化、IR降等基本化学物理现象,并定义了相应的局部规则。通过模拟得到了在不同环境下蚀坑的腐蚀损伤形貌。将蚀坑看做半椭球体,可以得到蚀坑的等效深度,定义蚀坑深度比为蚀坑等效深度与蚀坑模拟深度的比值,利用该参数对蚀坑趋近于半椭球体的程度进行分析;对等效为半椭球体的蚀坑,采用蚀坑尺寸比率对等效蚀坑的几何形貌进行研究。结果表明:蚀坑在生长过程中,几何形貌会达到一种相对稳定的状态。初步的研究将有助于进一步理解点蚀生长机理,为疲劳寿命预测及结构完整性分析提供有用信息。     

CA-FEM模拟β21S合金多道次热变形过程中的组织演变

本研究基于一种改进的元胞自动机(CA)与非线性有限元(FEM),建立了多道次热变形过程CA-FEM模型,模拟了β21s合金多道次非等温热压缩过程中的组织演变过程.通过有限元分析获得温度场、应变场、应变速率场等局部参数,作为元胞自动机模型的输入,模拟得到坯料心部与端部在多道次热变形过程中的组织演变特征.模拟过程中综合考虑热变形、静态再结晶、亚动态再结晶和动态再结晶等物理冶金现象.结果表明,坯料的局部热变形参数对组织演变影响较大,坯料心部再结晶程度大于坯料端部,心部组织细化效果优于端部.变形过程中的动态再结晶起主要的晶粒细化作用.     

双辊连续铸轧纯铝薄带凝固微观组织模拟及验证

以双辊连续铸轧薄带工艺凝固过程为基础,同时基于金属凝固的基本原理建立了双辊连铸薄带凝固过程的异质形核模型、修正的枝晶尖端生长动力学模型、柱状晶向等轴晶转变(CET)的解析模型以及基于元胞自动机(CA)的双辊连续铸轧薄带凝固组织演变的仿真模型。数值模拟结果表明,所建立的数学模型能够合理描述晶粒沿任意角度生长的过程,温度场、溶质场和微观组织形貌的模拟计算结果合理,同时利用双辊薄带连续铸轧工业纯铝凝固过程验证了数学模拟的可行性。     

基于CAFE的铝双辊连续铸轧凝固微观组织

基于元胞自动机CA的形核和长大模型与宏观传热模型相耦合对双辊连续铸轧纯铝薄带凝固微观组织进行了模拟,模拟计算中采用连续性异质形核模型和修正的枝晶尖端生长动力学模型(KGT)。另外,模拟研究了铸轧工艺参数和金属凝固参数对双辊连续铸轧纯铝薄带凝固微观组织的影响规律。模拟结果可很好地解释和预测啮合点前柱状晶和等轴晶之间的转化和晶粒尺寸大小,柱状晶主要分布在靠近铸轧辊面附近,等轴晶则是远离铸轧辊面而靠近薄带的中心区域。     

对流作用下Al-4.7％Cu合金枝晶生长的形貌特征和成分分布的数值模拟

建立了用于模拟Al-4.7％ Cu(质量分数)单相固溶体合金凝固过程温度场、流场、溶质场以及微观组织模拟的元胞自动机-格子玻尔兹曼方法(CA-LBM)数值模型,分析对流作用下枝晶生长的形貌与成分变化.模型处理溶质场计算中固液(S/L)界面处溶质的分配过程,使浓度场的变化和实际的传输过程更加相符.计算结果表明,与不计入流动过程的纯扩散型合金凝固过程相比较,对流对合金枝晶形貌的影响显著,呈现非对称生长形貌.在强制对流条件下,枝晶晶粒大小呈均匀化趋势,枝晶间的局部区域的成分更加均匀,在整体凝固区域内的成分呈现出上游到下游的一定的梯度化趋势.     

大型民用飞机应急撤离模型与仿真方法研究

在元胞自动机模型和行人流模型基础上,解决了飞机疏散模型中的元胞严重冲突问题,实现了模型元胞速度动态可变和对不同出口的流量控制,针对多出口状态下准确地模拟绕过复杂障碍物等要求,建立了基于大型飞机环境特点约束的网格吸引力概率模型,并通过应用某型飞机客舱布局作为算例进行了乘客应急疏散的过程模拟。最后在DELMIA平台下对人员的疏散行为进行建模并实现三维演示验证,模型的仿真过程接近真实情况,仿真结果和现有疏散实验结果相吻合。     

TC4-DT钛合金β锻动态再结晶元胞自动机模拟

通过对TC4-DT钛合金β单相区的等温恒应变速率压缩实验,分析合金的动态再结晶行为,并建立合金的动态再结晶的元胞自动机模型(CA模型)。在DEFORM-3D平台上,采用CA法模拟TC4-DT钛合金压缩过程中的显微组织演变。结果表明:随着应变量的增加动态再结晶的发生越来越充分;试样不同部位发生的动态再结晶程度有所不同,中心区域发生的动态再结晶更充分,很好地细化了原始组织;动态再结晶行为随着应变速率的增大而逐渐被抑制,但晶粒尺寸反而减小;模拟结果与实验结果相当吻合。     

基于半经验模型的霍尔推力器壁面腐蚀形貌预测方法研究

为了研究霍尔推力器通道壁面溅射腐蚀对于推力器寿命的影响，针对霍尔推力器通道壁面溅射腐蚀演化过程，建立了预测推力器腐蚀形貌的半经验模型。该模型根据试验测量形貌数据，反推离子源模型，结合腐蚀速率公式，对霍尔推力器的壁面形貌进行演化预测。分别以SPT-100，T-220及KM-45短时间的壁面形貌作为输入条件，对不同功率量级推力器的壁面腐蚀过程、预测误差和腐蚀速率进行了研究。数值模拟结果表明，对于10kW级T-220，1kW级SPT-100以及百瓦级KM-45推力器，壁面形貌的平均误差分别为2.65%，2.88%和3.64%。推力器壁面形貌的预测结果与实际测量值基本一致，该模型可用于霍尔推力器壁面形貌预测以及寿命预估。     

金属激光增材制造过程数值模拟

金属激光增材制造过程中,热应力导致零件发生形变;气孔与熔合不良等缺陷降低零件的拉伸以及疲劳性能;熔池内的凝固微观组织,尤其是柱状晶等轴晶转变(Columnar to Equiaxed Transition,CET)是影响零件性能的重要因素。针对上述3个方面,回顾了金属激光增材制造数值模拟的发展历史,对其研究现状和存在问题进行了评述,阐述了金属激光增材制造过程中所采用的数值模型和数值方法,包括热应力分析的有限元(Finite Element Method,FEM)方法、模拟熔池金属液流动的计算流体力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD),以及凝固微观组织模拟的相场法(Phase Field,PF)和元胞自动机方法(Cellular Automaton,CA)。在此基础上对金属激光增材制造过程数值模拟的前景及趋势进行了展望。     

铝合金加速腐蚀因子模型与分析

以腐蚀深度衡量铝合金的腐蚀损伤,假设蚀坑深度服从对数正态分布、腐蚀深度与腐蚀时间的关系为幂函数式,建立了加速腐蚀因子模型,给出了常用铝合金加速腐蚀因子的表达式;得到了加速腐蚀因子与腐蚀时间无关的结论。并建立了加速腐蚀因子估计值的分布特性和统计分析方法。     

金属腐蚀“3等线”和试验日历寿命确定方法

为了探讨金属日历寿命,通过理论分析和试验研究,发现金属腐蚀的一种等湿等温等时线,它在腐蚀损伤与试验溶液浓度d坐标系中是一条直线,在这条直线上每一点的腐蚀试验湿度、温度和时间各自保持相等,简称腐蚀"3等线"。通过"3等线"与其他综合研究,推导出试验日历寿命计算公式和确定方法。同时又进行了腐蚀损伤与腐蚀时间的线性规律和腐蚀"3等线"存在的试验验证。     

含Sc的超高强Al-Zn-Cu-Mg-Zr合金的晶间腐蚀和剥落腐蚀行为

研究了含钪Al-Zn-Cu-Mg-Zr合金的晶间腐蚀和剥落腐蚀行为.结果表明:合金在过时效状态下具有最低的晶间腐蚀与剥落腐蚀敏感性;随着时效时间的延长,其晶间腐蚀与剥落腐蚀敏感性逐渐降低;在EXCO溶液中进行的极化曲线测试也表现出相同的趋势.合金发生晶间腐蚀与η'和S'相的析出与分布紧密相关.随着时效时间的延长,η'和S'相不断析出并向平衡相η和S转变,进一步聚集长大,一方面减少了晶间腐蚀的阳极通道,另一方面减小了沉淀相与基体之间的开路电位,从而使晶间腐蚀和剥落腐蚀的速率降到最低.     

金属任意腐蚀损伤量的日历寿命计算模型和曲线

国际机械日历寿命研究,都是在假设已知腐蚀损伤容限Dc的前提下,求在这个Dc下的金属日历寿命。为了便于应用,本文不再假设腐蚀损伤容限Dc为已知数,而是把Dc当做变量,求金属任意腐蚀损伤量Di的日历寿命。本文通过多方面深入研究,发现腐蚀试验溶液的浓度dt与试验时间Ht的乘积除以试验获得的腐蚀损伤Dt等于一个常数。由此给出一种简单易行的金属任意腐蚀损伤量日历寿命的计算模型和相应的求解曲线。由此模型或曲线,可求得金属任意腐蚀损伤量的日历寿命。     

服役条件下飞机结构腐蚀损伤概率模型研究

 从现役飞机结构腐蚀损伤外场调研数据入手,对飞机结构主要材料 LY12 CZ的腐蚀特征量进行了统计分析。结果表明,给定时间下腐蚀损伤深度服从 Weibull分布;给定可靠度下,腐蚀深度 (d)随时间的变化符合 Sigmoid曲线规律;在较为恶劣环境下某型机内部件防腐涂层的有效期约为 2.5年。     

Corrosion Properties of Light-weight and High-strength 2195 Al-Li Alloy

The intergranular corrosion and exfoliation corrosion of 2195 Al-Li alloy treated by multi-step heating-rate controlled aging (MSRC) are studied. The corrosion features of 2195 Al-Li alloys which are respectively treated by high-temperature nucleation MSRC (H-M) and low-temperature nucleation MSRC (L-M) are contrasted. And the corrosion mechanism of 2195 Al-Li alloy is also discussed from the viewpoint of microstructure (types, distribution, etc.) of the strengthening phase. The results show that 2195 Al-Li alloy after H-M is more susceptible to intergranular corrosion and exfoliation corrosion than that of alloy after L-M. The degree of intergranular corrosion increases with the increase of predeformation amount and the surface parallel to the rolling direction is more prone to exfoliation corrosion. The main reason of intergranular corrosion and exfoliation corrosion is the for-mation of corrosion galvanic couples among T1 phase, ?θ’ phase and grain boundary precipitate-free zones (PFZ).     

K_(Imax)<K_(Iscc)时30CrMnSiNi2A钢的腐蚀疲劳与失效机理

 应用电化学-断裂力学方法研究了30CrMnSiNi2A钢在室温模拟潮湿大气（H₂O）及海洋大气（3.5％NaCl）环境中低K范围内不同电位下的疲劳裂纹扩展特性。通过动力学及断口分析,提出在K_ImaxIscc范围内高强度钢可发生循环应力腐蚀开裂,其湿腐蚀疲劳失效机理应是裂尖局部阳极溶解与氢脆共同作用,且两者对△K_th及da/dN的意义不同,从而对以往高强度钢湿腐蚀疲劳的纯氢脆模型作出修正。     

材料腐蚀预测数学模型的研究

分别用灰色 GM( 1,1 )模型、动态数据双向差分模型对腐蚀试验数据进行了拟合和预测。结果表明 :灰色 GM( 1,1 )模型对腐蚀数据有较好的拟合和预测精度,且对数据有较好的适应性;动态数据双向差分模型对波动不大的腐蚀数据有较好的拟合和预测精度,对波动较大的腐蚀数据其拟合和预测的误差较大。并将两种模型和大气腐蚀研究中常用的幂函数模型进行了比较。     

预腐蚀疲劳退化加速因子研究

考虑预腐蚀对材料疲劳性能的影响,以疲劳强度作为腐蚀量,给出了考虑预腐蚀疲劳退化的加速腐蚀因子的定义和表达式,并结合疲劳分析方法,以细节疲劳额定值(DFR)作为疲劳强度的衡量,给出了预腐蚀条件下的DFR确定方法,通过加速环境和实际服役环境下DFR随预腐蚀时间退化规律的对比分析,建立基于DFR的加速腐蚀因子,并进行参数估计,最后,给出了LY12CZ铝合金试件在典型环境下的加速腐蚀因子取值.      

温度对2A12铝合金在模拟油箱积水环境中初期腐蚀行为的影响

 基于飞机油箱舱内的铝合金在油箱积水环境中发生的腐蚀损伤问题,通过研究腐蚀形貌、最大点蚀坑深度、最大点蚀坑开口面积、表面腐蚀损伤度、交流阻抗响应等变化,分析了温度对2A12铝合金在模拟油箱积水环境中初期腐蚀行为的影响。研究发现,最大点蚀坑深度、开口面积、表面腐蚀损伤度都随着温度的升高而增加,特别当温度升高到65℃和75℃时,腐蚀严重加剧,各项评价指标显著增大。在25、35、45、55℃模拟油箱积水环境中,最大点蚀坑深度及开口面积随时间的关系呈现幂函数变化规律,而在65℃、75℃时,其遵循最小二乘法多项式拟合。电化学交流阻抗谱测试结果表明,2A12铝合金在3个特征温度(常温25℃、中温55℃及高温75℃)下的腐蚀速度快慢为V_75℃ > V_55℃ > V_25℃。