设计耐腐蚀材料的策略

每年在美国花费数十亿美元来修复腐蚀损失。为了帮助降低腐蚀的高成本，华盛顿特区海军研究实验室（NRL）的工程师正在使用多物理学模拟来更好地了解基本机制。NRL的成功研究结果将建立金属微结构，腐蚀和机械强度之间的相关性。然后，材料设计人员可以使用这些新信息开发更强大的耐腐蚀材料。

腐蚀：维护问题

Siddiq Qidwai，机械工程师NRL， 曾是2013波士顿Comsol会议上的主题演讲者乐动滚球app下载，在那里他开启了一个挤满了礼堂，讲述了与腐蚀相关的巨大成本和危害。Qidwai还解释了他们为更好地了解金属腐蚀机制所做的重要工作。他们希望这种新知识将有助于设计耐腐蚀的材料。

Qidwai在他的演讲中解释说：“对于海军而言，腐蚀是第一的维护问题。”无论是在雨中留下的自行车，一辆经历了太多苛刻的冬季，还是在我们家中定期使用的管道和金属固定装置，我们都可以肯定地与这种观点有关 - 无论是在雨中剩下的自行车，还是遭受了太多苛刻的冬季的汽车。

受他的演讲的启发，Qidwai和他的同事的作品在2014年版comsol新闻，在文章中模拟预防腐蚀的策略”第36页。

从左到右：Siddiq Qidwai（NRL），Virginia Degiorgi（NRL）和Nithyanand Kota（Leidos Corp.），理解金属中腐蚀基本机制的研究人员。

金属微结构，凹坑生长和机械强度

腐蚀开始的地方以及如何传播取决于金属的微观结构。在下图中，在NRL上获得的电子显微照片表明，由于铝合金中的凹坑生长，形成了不规则的表面。如果微观结构并不重要，我们希望在图像中看到一个更光滑的表面。

电子显微照片。图像由C. Feng和S. Policastro提供。

金属中的蚀腐蚀是由电化学反应和电解质溶液中的质量转运引起的，如下图所示。该图描述了淹没在海水中的钢的一般腐蚀过程。随着腐蚀的进行，金属离子，例如fe²⁺，从金属表面散布到电解质溶液中，导致坑的形成。该图不仅显示了凹坑的生长，还显示了不规则的形成腐蚀方面。腐蚀阵线是沿沿着电化学反应的表面。

腐蚀过程的图。

沿着正面，由于每种晶粒的尺寸，形状和晶体学方向的差异，反应速率因差异而有所不同。显示了不锈钢的微观结构，并带有图中标记的晶界。与每种谷物相关的各种速率导致形成不规则的腐蚀前沿。因此，在研究金属中的蚀腐蚀时考虑金属微观结构很重要。

现在，考虑到蚀腐蚀进展时会发生什么。金属的结构被破坏，导致坑周围的应力增加，从而损害了其机械强度。如果您曾经打过一块玻璃以使其更容易破裂，那么您已经可以与正在发生的事情联系起来。与破碎玻璃的过程，用于金属中的腐蚀，降低的强度是不可取的，可能导致材料或成分故障。因此，NRL的研究旨在建立微观结构，腐蚀和机械强度之间的关系，以帮助设计耐腐蚀材料。

使用模拟更好地理解腐蚀

Qidwai及其同事正在努力开发一种在金属中的完全耦合的多物理学模型，包括电化学反应和大规模运输。为了克服该领域先前研究的局限性，他们开发了一种将金属微结构纳入其蚀腐蚀模型的方法。

将金属微结构掺入蚀腐蚀模型中。

NRL的研究人员能够从使用的3D图像中重建钢的微观结构方向成像显微镜（OIM）。重建的金属微结构在上图中的左侧显示，并表明每种谷物的晶体学取向。在右边，您可以看到ComsolMultiphysics®仿真软件中实现的模型几何形状。

为了开发316钢的完整模型的蚀腐蚀模型，Qidwai正在使用稀释物种的运输大众运输，拉普拉斯和泊松方程的界面以及腐蚀阵线的移动网格技术。Qidwai解释说：“您可以将comsol多物理与腐蚀模块一起解决此问题。”“所有以前看起来都很困难的工作都是如此容易，因为您的模块为您做了很多工作。”

由于金属微观结构而实施不规则的腐蚀前部运动在其模拟工作中提出了独特的挑战。Qidwai说：“在沿着腐蚀方面的每个位置，我们必须确定晶体方向以计算相应的腐蚀电位，这反过来决定了前部的腐蚀速率和运动。”“ Livelink™为了MATLAB®是我们为包括金属微观结构的效果而成为我们的重要特征。”尤其是在MATLAB®中确定腐蚀电位，以达到特定的晶体学取向。

他们的工作还包括对金属凹坑生长的结构力学分析。您可以看到下面ComsolDesktop®环境的屏幕截图中左侧的样子。该模拟导致右侧图显示凹坑生长具有不规则的腐蚀方面。

NRL的未来工作将致力于创建包括结构力学在内的完全耦合的点蚀腐蚀模型。这样，考虑到凹坑生长对材料机械强度的影响，以及机械载荷对蚀腐蚀的影响。该模型完成并得到验证后，它可以用作有价值的工具，以帮助材料设计师创建耐腐蚀的材料，这最终对所有人都带来了巨大的好处。

进一步阅读

• 有关使用NRL多物理学模拟进行腐蚀研究的更多信息，请阅读完整的文章“模拟预防腐蚀的策略”。
• 看着原始主题演示文稿有关在微观结构尺度上建模点蚀腐蚀由2013波士顿Comsol会议的Siddiq Qi乐动滚球app下载dwai撰写。
• Kota，n。;Qidwai，S.M。;和Degiorgi，V.G。;“建模微观结构对腐蚀坑生长的影响并导致应力浓度，”EC交易，卷。58，第31页，第35-44页，2014年。

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