[发明专利]一种加载条件下不锈钢亚稳态点蚀模拟的方法

权利要求书

1.一种加载条件下不锈钢亚稳态点蚀模拟的方法，其特征在于：该方法通过元胞自动机实现点蚀过程中蚀坑内部的不锈钢阳极溶解、钝化、氢离子扩散和盐膜水解的模拟，氢离子扩散采用萧邦区段方法提高扩散模拟的效率，在蚀坑生长过程中使用有限元实时分析蚀坑表面的应力和应变分布，再通过古特曼模型计算蚀坑表面各个微区的力学因素对腐蚀作用，以此作为元胞自动机的边界条件进行点蚀模拟。

2.根据权利要求1所述加载条件下不锈钢亚稳态点蚀模拟的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

（1）建立一个二维元胞空间；设定七种元胞：中性溶液元胞、酸性溶液元胞、金属元胞、活性金属元胞、钝化元胞、盐膜元胞、表面钝化膜元胞；所述元胞空间采用诺埃曼邻域，即每个元胞只考虑上、下、左、右四个最近邻元胞对它的作用；如果某一活性金属元胞或钝化元胞所有的溶液元胞邻居都是中性溶液元胞，称此元胞处于中性环境，如果某一活性金属元胞或钝化元胞的溶液元胞邻居中至少有一个酸性溶液元胞，称此元胞处于酸性环境；除了盐膜元胞外，所有的元胞都是排他性的，即当前位置只能有一种元胞类型，而盐膜元胞必须与中性溶液元胞或酸性溶液元胞共存；

（2）设置元胞空间初始状态；在元胞空间中间位置的水平方向上放置一层表面钝化膜元胞，在这层表面钝化膜元胞下方全部放置金属元胞，在这层表面钝化膜元胞上方全部放置中性溶液元胞；在这层表面钝化膜元胞的中部用酸性溶液元胞替换表面钝化膜元胞的位置，用以模拟点蚀的萌生；

（3）使用有限元计算蚀坑表面的应力应变分布；包括如下步骤：

3.1得到蚀坑表面所有元胞坐标，制作蚀坑边界线，与平板边界线连接形成完整的平面图；所述蚀坑边界线是指构成蚀坑表面的曲线，平板边界线是由表面钝化膜元胞以下空间的左侧、右侧和底边边界直线以及蚀坑边界线左、右端点分别到左、右侧边界直线的垂直连线构成；

3.2创建与平面图相应的部件；

3.3创建材料，分配不锈钢弹性和塑性属性；创建截面属性，给部件赋予截面属性；

3.4定义装配件，分配部件实例；

3.5设置分析步，有三个分析步，分别为初始分析步，输出原始坐标分析步，施加载荷分析步；所述初始分析步是指有限元计算开始时的分析步，输出原始坐标分析步是指输出平板所有点原始坐标时的分析步，施加载荷分析步是指在平板边界线施加拉伸载荷时的分析步；

3.6定义载荷和边界条件，在平板右侧边界线施加拉伸载荷，在平板左侧边界线和底边边界线施加约束；

3.7划分网格，在平板边界线和蚀坑边界线分别定义种子，确保蚀坑边界线的网格有足够密度以保证精度；

3.8提交分析作业，分析完成后，通过路径得到蚀坑边界线所有点的原始坐标、静水压力、等效塑性应变，用于步骤（4）中的力学化学效应计算；

（4）将蚀坑边界线上所有酸性环境中的活性金属元胞、中性环境中的活性金属元胞、酸性环境中的钝化元胞分别进行标注，随机选取任一个活性金属元胞或钝化元胞，按照以下4.1-4.3过程中的演化规则进行演化，然后重复4.1-4.3过程，直到标注的所有活性金属元胞和钝化元胞演化完成；

4.1如果活性金属元胞是处于酸性环境中，则根据腐蚀概率发生腐蚀，所述腐蚀概率是指金属发生腐蚀的几率；首先得到该活性金属元胞的静水压力和等效塑性应变，根据古德曼模型计算力学化学效应影响因子I/I_a，根据力学化学效应影响因子误差容限，得到与该活性金属元胞相连并具有相同力学化学效应影响因子的活性金属元胞；然后根据力学化学效应影响因子的大小，将该活性金属元胞和相连的活性金属元胞替换为酸性溶液元胞，并在每个酸性溶液元胞上放置一个盐膜元胞；所述力学化学效应影响因子误差容限是指力学化学效应影响因子设定的误差范围，在此范围内力学化学效应影响因子看做是相同的；所述古德曼模型为：

弹性变形IIa=expΔPMRTρ;]]>塑性变形IIa=(Δϵϵ0+1)expΔPMRTρ]]>公式(1)

公式（1）中：I是变形后的阳极电流，I_a是变形前的阳极电流，ΔP是静水压力，M是摩尔质量，ρ是密度，Δε是等效塑性应变，ε₀是应变硬化开始时的应变，R是气体常数，T是温度；

4.2如果活性金属元胞是处于中性环境中，则根据钝化概率发生钝化，即将该活性金属元胞替换为钝化元胞；所述钝化概率是指金属发生钝化的几率；

4.3如果钝化元胞是处于酸性环境中，则根据溶解概率发生溶解，即将该活性金属元胞替换为中性溶液元胞；所述溶解概率是指钝化的金属发生溶解的几率；

（5）盐膜元胞水解；如果盐膜元胞的邻居有中性溶液元胞，则将该中性溶液元胞替换为酸性溶液元胞，如果达到盐膜元胞氢离子释放数，就移走盐膜元胞；盐膜元胞由于重力作用要不断地向下移动，直到盐膜元胞下面是金属元胞、活性金属元胞、钝化元胞或盐膜元胞；所述盐膜元胞氢离子释放数是指盐膜元胞中能够释放出的氢离子数；

（6）设置表面钝化膜元胞破损；当达到表面钝化膜元胞破损时间时，得到蚀坑口的表面钝化膜元胞数，根据表面钝化膜元胞破损程度，从蚀坑口的表面钝化膜元胞中间向两边移走相应的元胞数，并放置中性溶液元胞；所述表面钝化膜元胞破损时间是指将蚀坑口的表面钝化膜元胞移走的计算时间步，表面钝化膜元胞破损程度是指移走的蚀坑口表面钝化膜元胞数和蚀坑口表面钝化膜元胞总数的比；

（7）氢离子扩散；采用萧邦区段方法，根据公式(2)得到计算时间间隔和扩散时间间隔的关系，设定区段长度和区段迭代次数；根据区段长度，将元胞空间分成L×L个区段，在每个区段中，将该区段所有的中性溶液元胞和酸性溶液元胞在区段内重新进行随机分布，然后将每个区段向下和向左移动一半，再重新进行每个区段溶液元胞的随机分布，直到区段迭代次数；

计算时间间隔dt＝nl²；扩散时间间隔公式(2)

公式(2)中，dt是计算时间间隔，dt_D是扩散时间间隔，n是区段迭代次数，l是区段长度，a是晶格常数，D₀是氢离子扩散系数；

（8）根据公式(3)-(5)计算暂态电流、电流密度，蚀坑半径；

电流I(t)=π(2a2π)3/2zFρMdtN(t)1/2dN(t)]]>公式(3)；

电流密度i(t)=I(t)4a2N(t)]]>公式(4)；

蚀坑半径R(t)=2N(t)a2π]]>公式(5)；

公式(3)-(5)中：I(t)是t时刻的电流，i(t)是t时刻的电流密度，R(t)是t时刻的蚀坑半径，z是价电子数，F是法拉第常数，N(t)是在t时间内溶解的金属元胞总数，dN(t)是在dt时间间隔内溶解的金属元胞数；

（9）重复步骤(3)-(8)过程，直到计算迭代次数。

3.根据权利要求2所述加载条件下不锈钢亚稳态点蚀模拟的方法，其特征在于：步骤（1）中所述中性溶液元胞是指当前元胞位置由水占据；酸性溶液元胞是指当前元胞位置由水合氢离子占据；金属元胞是指当前元胞位置由金属占据，并且金属不和中性溶液元胞或酸性溶液元胞接触；活性金属元胞是指当前元胞位置由金属占据，并且金属至少和一个中性溶液元胞或酸性溶液元胞接触；钝化元胞是指当前元胞位置由钝化的金属占据；盐膜元胞是指当前元胞位置由盐膜占据，盐膜元胞主要成分是FeCl₂，表面钝化膜元胞是指当前元胞位置由不锈钢表面的钝化膜占据。