预腐蚀7075铝合金应力腐蚀行为数值仿真和实验验证

华磊; 黄桂平; 刘雪峰

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2507725

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (29) :12557-12566 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2507725

矿冶工程

预腐蚀7075铝合金应力腐蚀行为数值仿真和实验验证

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Numerical Simulation and Experimental Validation of Stress Corrosion Behavior in Pre-corroded 7075 Aluminum Alloy

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摘要

金属材料在应力腐蚀条件下表面会产生局部蚀坑,从而造成局部应力集中,加快腐蚀速度。而以光滑试样为研究对象的应力腐蚀仿真预测有可能导致仿真与实际不符。因此开展预腐蚀状态下的应力腐蚀仿真研究,对精准预测材料腐蚀演化具有重要意义。分析了预腐蚀前后材料的应力腐蚀差异,采用电化学工作站测得3.5%NaCl溶液中铝合金的动电位极化曲线,建立预腐蚀前后铝合金应力腐蚀仿真模型,并将其结果与实验结果进行对比分析。结果表明:经过稳态和瞬态仿真模拟,预腐蚀铝合金在应力的作用下,电极电位逐渐负移,与实验值吻合良好,且平均及最大阳极电流密度、腐蚀深度均高于未腐蚀铝合金。可见预腐蚀在铝合金表面引入的腐蚀缺陷,使材料表面呈现活性电位特征,为应力腐蚀的发生创造了初始条件,显著放大了应力对腐蚀的促进作用,导致铝合金在预腐蚀后的应力腐蚀行为更加严重。研究结果说明在应力腐蚀的仿真中有必要针对材料表面腐蚀形貌的变化而对腐蚀进程进行动态预测。

Abstract

Under stress corrosion conditions, local corrosion pits are generated on the surface of metallic materials, thereby inducing local stress concentration and accelerating the corrosion rate. However, the simulation and prediction of stress corrosion based on smooth specimens may lead to inconsistencies with actual service conditions. Therefore, conducting simulation research on stress corrosion under pre-corrosion conditions is of great significance for accurately predicting the corrosion evolution of materials. The differences in stress corrosion behavior of the aluminum alloy before and after pre-corrosion were analyzed. Potentiodynamic polarization curves of the aluminum alloy in 3.5% NaCl solution were measured using an electrochemical workstation. Simulation models for stress corrosion of the aluminum alloy before and after pre-corrosion were established, and the simulation results were compared with experimental data. The results indicate that, through steady-state and transient simulations, the electrode potential of the pre-corroded aluminum alloy shifts gradually negatively under applied stress, which is in good agreement with the experimental values. Moreover, the average and maximum anodic current densities as well as the corrosion depth of the pre-corroded aluminum alloy are higher than those of the uncorroded alloy. It is evident that the corrosion defects introduced on the aluminum alloy surface by pre-corrosion lead to active potential characteristics, thereby creating initial conditions for the occurrence of stress corrosion and significantly amplifying the promoting effect of stress on corrosion. Consequently, the stress corrosion behavior of the aluminum alloy becomes more severe after pre-corrosion. This study demonstrates that it is necessary to dynamically predict the corrosion process based on the evolution of surface corrosion morphology in stress corrosion simulation.

Graphical abstract

关键词

应力腐蚀 / 7075铝合金 / 预腐蚀 / 缺陷

Key words

stress corrosion / 7075 aluminum alloy / pre-corrosion / defects

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华磊, 黄桂平, 刘雪峰. 预腐蚀7075铝合金应力腐蚀行为数值仿真和实验验证[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(29): 12557-12566 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507725

HUA Lei, HUANG Gui-ping, LIU Xue-feng. Numerical Simulation and Experimental Validation of Stress Corrosion Behavior in Pre-corroded 7075 Aluminum Alloy[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(29): 12557-12566 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507725

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7系铝合金作为高强度铝合金之一,具有加工性好、比强度高、耐腐蚀等性能,在航空航天中得到广泛应用,例如飞机框架、翼梁和纵梁等关键结构件^[1-4]。但在实际服役过程中,7系铝合金自身具有较高的应力腐蚀敏感性,面临载荷和腐蚀环境的共同作用时,应力腐蚀是其失效的主要原因^[5-6]。这种应力腐蚀失效对航空装备的安全性和使用寿命构成致命威胁。

目前,中外许多研究学者针对铝合金应力腐蚀问题开展了研究,并取得了一定的研究成果。实验研究方法多采用恒载荷法^[6-7]、慢应变速率法^[8-9]等,并逐渐与原位电化学测试相结合。恒载荷法可定量分析材料在不同应力水平条件下的腐蚀敏感性,慢应变速率法可通过拉伸断裂后的数据推断材料的力学性能,分析开裂过程^[10-12]。翟熙伟等^[13]采用恒载荷法研究5383铝合金焊接接头应力腐蚀行为时发现,随着载荷增大,合金表面钝化膜的缺陷增多,其保护性能降低。外加应力对铝合金腐蚀的影响是一种力学-电化学效应,随着应力的增加,腐蚀敏感性增加^[14-15]。Cui等^[16-17]研究应力与电偶因素对铝合金腐蚀行为的影响,发现拉应力主要影响铝合金电化学势,随着应力增大和持续时间延长,腐蚀坑洞扩大并贯通,导致其机械性能逐渐下降。Yan等^[18]采用恒载荷法研究拉伸应力对7050铝合金在模拟恶劣海洋环境中腐蚀行为的影响,发现在低应力水平下会促进离子在铝合金表面吸附,腐蚀表现为均匀腐蚀,而高应力水平会加速腐蚀速率,导致颗粒剥离、点蚀以及其他表面状况的出现,并从实验上指出7050铝合金的腐蚀电位随着应力的增大而下降。然而,也有其他学者持相反观点,Li等^[19]采用慢应变速率拉伸研究局部应变对7075-T6铝合金微电偶腐蚀行为的影响,研究指出在弹性变形下,金属间颗粒与基体材料之间的伏特电位差减小,使得材料抗点蚀性能有所提升,而塑性变形则伏特电位差增大,材料的抗点蚀性能下降。

虽然实验研究能够直观反映材料的应力腐蚀行为,但它存在成本较高、周期较长且难以捕捉微观细节变化等局限性。与之相比,数值仿真具有高效稳定且能深入展现内在规律的优势,从而得到广泛应用。随着数值仿真技术的发展,已建立了一系列的预测模型。Yang等^[5]通过COMSOL软件对铝合金结构件进行有限元仿真,发现结构件表面出现塑性应变,会导致腐蚀电流瞬时增加,应力集中区域腐蚀更加严重。文献[20 -22]针对带缺口试样进行仿真研究,指出在缺陷处由于应力集中,局部塑性变形显著加快阳极溶解反应,提高了其腐蚀速率。Zhang等^[23]通过分子动力学模拟研究了铝合金在不同腐蚀深度表面下的裂纹扩展行为,研究表明腐蚀孔洞是调控材料微观结构演变的关键因素,导致应力分布局部化差异明显,进而影响裂纹在材料中的扩展路径。Dong等^[24]构建带正弦曲线特征的腐蚀形貌开展应力腐蚀数值仿真研究,发现应力能通过促成腐蚀形貌并提高溶解速率,降低具有粗糙表面结构的服役寿命。

目前的仿真研究尚未考虑材料表面已存在一定腐蚀损伤(即预腐蚀)的应力腐蚀行为,未能充分耦合预腐蚀对后续应力腐蚀行为的影响机制,易导致实际腐蚀速率被低估。因此,现研究7075铝合金预腐蚀后的应力腐蚀行为,以实际预腐蚀试样的截面为基础构建模型,开展针对性的数值仿真研究。

1 仿真模型建立

1.1 几何模型与边界条件

试验材料选用符合AMS-QQ-A-250/12标准的T6态7075铝合金板材,其化学成分如表1所示。依据国家标准《金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第2部分:弯梁试样的制备和应用》(GB/T 15970.2—2000)对7075铝合金板材加工成弯梁试样(厚度2 mm),如图1所示。对其用水磨砂纸逐级打磨,抛光膏抛光至无明显加工痕迹,随后再用酒精清洗并烘干。留出试样中央1 cm²的面积区域作为测试区域,于其背面开口并嵌入导线,除测试区域外的其余部位均用防水胶带密封处理。

预腐蚀试验和电化学测量的主要设备为Princeton V3F电化学工作站,采用经典三电极体系,电解液为pH=7的3.5%NaCl溶液。在正式测试之前,需将工作电极放置在电解液中静置30 min,然后测试15 min开路电位,待电位稳定在±5 mV范围内时,即可认为试样表面达到准稳态。预腐蚀试验采用恒电位极化法,以开路电位(open-circuit potential,OCP)作为电位零点基准,参数设置为+0.5 V(vs. OCP),测试时长300 s。动电位极化扫描区间为-0.5~+0.5V(vs. OCP),扫描速率为0.167 mV/s。

采用浓硝酸对预腐蚀后铝合金试样进行3 min的超声波振荡处理,以去除表面腐蚀产物,随后截取试样横截面,依次进行镶嵌、打磨、抛光处理,最后通过金相观察获得预腐蚀铝合金截面金相图,如图2(a)所示。为构建预腐蚀铝合金仿真几何模型,先利用R2V插件对图2(a)中的边界线进行识别与描边,随后结合AutoCAD Mechanical软件对生成的图形进行优化处理,清除其中多余或重合的点线,以防止无法生成完整的面域,处理效果如图2(b)所示。

根据图2(b)描边图在COMSOL仿真软件中建立与试样厚度尺寸一致的二维截面模型,其尺寸为0.6 mm×2 mm,并在模型四周构建0.6 mm×3 mm的电解质区域,模型如图3所示,图3(a)为宏观几何模型,图3(b)为边界局部放大图(下文同)。网格设置采用自由三角形网格划分方式,对试样腐蚀表面边界进行网格细化,设定其最大单元尺寸为0.01 mm,模型其余区域的最大单元尺寸则设为0.1 mm,如图4所示,共计28 073个网格单元,平均单元质量为0.832。为与未预腐蚀试样结果进行对比,构建尺寸0.6 mm×2 mm矩形试样作为对比几何模型。

计算模块采用固体力学和二次电流分布物理场对其进行应力腐蚀仿真分析。首先设置固体力学边界条件,约束试样底部,对其两边施加拉应力,拉应力水平分别为0 MPa(0σ_s)、251.5 MPa(50%σ_s)、452.7 MPa(90%σ_s)以及750.9 MPa(塑性载荷)。有限元模型的输入参数采用7075铝合金的固有参数,其中弹性模量为71.7 GPa,屈服强度为503 MPa,泊松比为0.33。在实际过程中,铝合金进入塑性阶段后,随着应变的增大,会表现出更强的抗变形能力。为准确模拟铝合金的机械行为,采用非线性弹塑性模型,启用Swift硬化模型,硬化函数公式为

(1)σ_s=σ_s0${\left(1+\frac{{\mathit{\epsilon }}_{\mathrm{p}\mathrm{e}}}{{\mathit{\epsilon }}_{0}}\right)}^{\mathit{n}}$

式(1)中:σ_s0为初始屈服强度;ε_pe为等效塑性应变;ε₀为参考应变,ε₀=0.019 7;n为硬化指数,n=0.122。以上参数取值均参考文献[25]。

随后设置电化学边界条件,主要考虑试样表面区域的阳极溶解反应和阴极吸氧反应。阳极溶解反应方程式和阴极吸氧反应方程式如下。

(2)Al→Al³⁺+3e^-

(3)O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-

利用电化学工作站测得7075铝合金在无应力条件下的动电位极化曲线,如图5所示。对极化曲线进行拟合获得电化学参数,并利用能斯特方程计算得出阴、阳极平衡电位(相对于饱和甘汞电极,SCE),参数如表2所示。将其导入有限元软件中,结合Gutman公式获得在应力作用下的电化学参数,进行数值仿真。

1.2 基本原理和控制方程

选用铝合金作为电流导体,遵循电流分布和电荷守恒方程,分别用式(4)和式(5)描述为

(4)i_s=-σ_s_▽γ_s

(5)▽·i_s=Q_s

式中:i_s为金属电极电流密度矢量;γ_s为固体相电导率; ▽γ_s为电势梯度矢量;Q_s为电荷源项。

在二次电流分布物理场中,满足物质守恒方程,用式(6)描述为

(6)$\frac{\partial {\mathit{c}}_{\mathit{i}}}{\partial \mathit{t}}$+▽N_i=R_i_,tot

式(6)中:R_i_,tot为物质总量;N_i为物质i的通量;c_i为物质i的浓度;t为时间。

腐蚀仿真模型中的动力学用Tafel方程描述为

(7)H=a+blgi

式(7)中:H为过电位;i为电流密度;a、b为实验拟合常数。

在材料服役过程中,弹塑性变形不仅会改变材料的宏观力学性能,还会对材料的电化学特性产生影响,其中平衡电位的变化是重要的表现形式之一,可通过Gutman理论公式计算得出^[26]。文献[27-28]通过构建多样化的仿真体系,结合不同材料参数和工况模拟,验证了Gutman理论公式的可靠性。Gutman理论公式为

(8)ΔE^e_eq,a=-$\frac{\mathrm{\Delta }\mathit{p}{\mathit{V}}_{\mathrm{m}}}{\mathit{z}\mathit{F}}$

(9)ΔE^p_eq,a=-$\frac{\mathit{T}\mathit{R}}{\mathit{z}\mathit{F}}$ln$\left(\frac{\mathit{v}\mathit{\alpha }}{{\mathit{N}}_{0}}{\mathit{\epsilon }}_{\mathrm{p}}+1\right)$

(10)E_eq,a=${\mathit{E}}_{\mathrm{e}\mathrm{q},\mathrm{a}}^{0}$-$\frac{\mathrm{\Delta }{\mathit{p}}_{\mathrm{m}}{\mathit{V}}_{\mathrm{m}}}{\mathit{z}\mathit{F}}$-$\frac{\mathit{T}\mathit{R}}{\mathit{z}\mathit{F}}$ln$\left(\frac{\mathit{v}\mathit{\alpha }}{{\mathit{N}}_{0}}{\mathit{\epsilon }}_{\mathrm{p}}+1\right)$

式中:${\mathit{E}}_{\mathrm{e}\mathrm{q},\mathrm{a}}^{0}$为无应力状态下的平衡电位,在无应力状态下通过动电化学工作站测得,如表2所示;ΔE^e_eq,a和ΔE^p_eq,a分别为弹性变形和塑性变形下阳极平衡电位的变化量;Δp为单轴拉伸应力的1/3;Δp_m为超过极限弹性变形的极限拉力;ε_p为塑性应变;α为系数;T为绝对温度,T=298.15 K;v为取向相关因子,v=0.45;F为法拉第常数;z为铝的电荷数,z=3;N₀为初始位错密度,N₀=1×10⁸cm^-2。具体数值与参考文献[27]一致。

2 仿真结果研究

2.1 稳态研究结果

图6和图7分别为预腐蚀铝合金在不同应力水平下的von Mises应力分布图和电流密度分布图。可以看出,在无应力状态下的铝合金试样表面电流密度分布均匀。随着应力水平增加至251.5 MPa(50%σ_s),铝合金试样表面凹陷区域开始出现明显的应力集中现象,应力水平超过其屈服强度,发生塑性变形,其表面电流密度增大;而试样表面凸起区域应力水平较低,电流密度较小。因此,在应力作用下预腐蚀铝合金表面呈现出电流密度分布不均的特征。

为了进一步定量分析应力对预腐蚀铝合金腐蚀行为的影响,将0、251.5、452.7以及750.9 MPa共4种应力水平下的平均电极电位和平均阳极电流密度进行汇总绘图,如图8所示。在低应力阶段,铝合金的平均电极电位处于较高水平,平均阳极电流密度则相对较低,此时材料的电化学稳定性较强,腐蚀倾向较弱;随着应力的持续增加,铝合金的平均电极电位呈现出下降趋势,而平均阳极电流密度呈现上升趋势,这一变化特征直观表明了应力的引入对铝合金的腐蚀过程具有显著的促进作用。

此外,当应力从251.5 MPa增加至750.9 MPa时,平均电极电位的下降斜率和平均阳极电流密度的上升斜率均明显大于0~251.5 MPa阶段,这是由于在251.5 MPa应力作用下,预腐蚀铝合金表面仅小部分发生塑性变形,其他区域仍处于弹性变形状态;而当应力达到452.7 MPa后,塑性变形逐渐成为主导。这种变形状态的差异直接体现在腐蚀电化学行为的变化速率上,表明塑性变形阶段对铝合金腐蚀的促进作用显著大于弹性变形阶段。

进一步将未预腐蚀铝合金在不同应力下的平均电流密度结果绘图(如图8所示),并与预腐蚀铝合金的对应数据进行对比分析,可知未预腐蚀铝合金的平均阳极电流密度在弹性变形阶段(0~452.7 MPa)增幅较小,且在同一应力水平下,其数值始终低于预腐蚀铝合金,两者的差值随应力增大逐步扩大。但是在塑性变形阶段(750.9 MPa)时,未腐蚀铝合金的平均电流密度略大于预腐蚀铝合金,为定量分析这一现象,进一步提取了预腐蚀铝合金试样表面x=0.041 9 mm处蚀坑顶部与x=0.029 2 mm处蚀坑底部的局部电流密度,并与未预腐蚀铝合金的表面电流密度进行对比,结果如表3所示,发现预腐蚀铝合金蚀坑顶部应力水平较低,对应的电流密度仅为1.886 A/m²,显著低于未预腐蚀铝合金表面的电流密度,从而拉低了稳态下预腐蚀铝合金的整体平均阳极电流密度。

为明确预腐蚀对铝合金应力腐蚀失效风险的影响,图9给出了不同应力下预腐蚀铝合金与未预腐蚀铝合金的最大阳极电流密度对比图。由图9可见,预腐蚀铝合金的最大阳极电流密度随应力增加呈显著递增趋势,如应力为251.5 MPa时达12.125 A/m²,应力升至750.9 MPa时,进一步增长至17.627 A/m²;而未预腐蚀铝合金,即便应力增加至750.9 MPa,其最大阳极电流密度也仅为5.564 A/m²,始终处于较低水平。这一现象表明,应力增加会增强铝合金腐蚀活性,而预腐蚀状态会放大应力对腐蚀的促进作用,使铝合金在应力作用下更容易发生腐蚀。若仿真时未考虑预腐蚀对表面形貌的影响,计算出的腐蚀速率将与实际偏差较大,造成构件寿命预测不准确,故需重视预腐蚀对应力腐蚀的影响。

2.2 瞬态研究结果

图10为预腐蚀铝合金在不同应力下的腐蚀深度对比图。由图10可见,随着腐蚀时间的延长,预腐蚀铝合金表面缺陷的整体腐蚀深度呈现出持续增加的趋势。从局部特征来看,腐蚀坑底部的腐蚀深度随时间变化尤为明显,而腐蚀坑两侧底部的腐蚀深度变化相对平缓,即使腐蚀时间延长,其腐蚀深度增量也明显小于坑底区域,形成了坑底深、两侧浅的腐蚀特征。

为定量分析应力对预腐蚀铝合金腐蚀深度的影响,以原始缺陷深度(即腐蚀0 h)为基准值,进一步提取不同应力下的平均腐蚀深度数据,如图11所示,从整体趋势来看,随着应力水平的升高,预腐蚀铝合金的平均腐蚀深度呈现出显著的增大趋势。且在相同应力水平下,腐蚀时间越长,平均腐蚀深度越深。在腐蚀2 h后,0 MPa下平均腐蚀深度为0.805 μm,750.9 MPa下为1.442 μm,差值为0.637 μm;对比4 h的数据可见,同一最高应力(750.9 MPa)下,随着腐蚀时间从2 h延长至4 h,平均腐蚀深度与无应力工况的差值从0.637 μm扩大至1.334 μm,表明应力与时间的耦合作用会持续加剧腐蚀深度发展。

“最大电流密度处”是指铝合金试样表面阳极电流密度始终保持最大值的位置(对应x=0.029 2 mm处)。对于材料失效分析而言,局部最大电流密度处的腐蚀破坏,往往是引发材料失效的关键诱因,因此需重点关注此处腐蚀深度的演变规律。基于此,以原始最大电流密度处的腐蚀深度(即腐蚀0 h)为基准值,输出不同应力下预腐蚀铝合金的最大电流密度处腐蚀深度随时间变化关系图,并与未腐蚀铝合金进行对比分析,如图12所示。由图12可知,预腐蚀铝合金在无应力水平下腐蚀深度随时间增长呈线性增长趋势;随着应力的施加,腐蚀深度的增长趋势转变为抛物线型,深度增幅明显加快。未预腐蚀铝合金则表现出不同特征:在弹性载荷作用下,其腐蚀深度一致,而在塑性载荷下腐蚀深度才出现明显加深。从预腐蚀与未预腐蚀铝合金的对比分析可见,无应力作用时,预腐蚀铝合金的腐蚀深度仅略高于未预腐蚀铝合金;随着应力的施加,在相同腐蚀时间和应力水平下,预腐蚀铝合金的腐蚀深度均远超过未预腐蚀铝合金,即使腐蚀时间仅为1 h,预腐蚀铝合金在251.5 MPa应力下的腐蚀深度也大于未预腐蚀铝合金在750.9 MPa应力下的腐蚀深度。以上现象表明,预腐蚀铝合金的腐蚀深度增长规律与应力水平、腐蚀时间紧密相关,也明确了预腐蚀对铝合金腐蚀失效的加速作用。

2.3 实验验证

为验证预腐蚀铝合金应力腐蚀仿真模型的可靠性,开展实验验证工作,搭建四点弯曲梁+原位电化学测试平台,如图13所示。通过自制四点弯曲夹具给铝合金试样施加不同的应力水平,夹具采用316L不锈钢材质。实验中,7075铝合金的屈服强度采用σ_s表示,其值为503 MPa。弹性应力可通过国家标准《金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第2部分:弯梁试样的制备和应用》(GB/T 15970.2—2000)中的四点弯曲梁挠度-应力转换公式[式(11)]计算得出。而对于塑性阶段应力,则基于有限元法采用ANSYS仿真获得。实验时,将铝合金试样放置在四点弯曲夹具中,通过螺栓旋紧施加挠度,同时利用挠度计测量挠度值,从而实现应力载荷的施加。本研究对试样施加的挠度值分别为0、4.02、7.235以及12 mm,对应的应力水平依次为0 MPa(0%σ_s)、251.5 MPa(50%σ_s)、452.7 MPa(90%σ_s)以及750.9 MPa(塑性应力)。挠度-应力转换公式为

(11)σ=$\frac{12\mathit{E}\mathit{t}\mathit{y}}{3{\mathit{H}}^{2}-4{\mathit{A}}^{2}}$

式(11)中:E为材料弹性模量;t为试样厚度;y为外支点间的最大挠度;H为外支点间的距离;A为内支点间的距离,通常选用A=H/4。

实验测试预腐蚀铝合金的开路电位,测试时长设置为15 min,其余实验环境参数均与预腐蚀试验方法的环境参数保持一致,为确保实验数据的可靠性,每组实验均至少开展三次平行实验。以预腐蚀7075铝合金在452.7 MPa下的开路电位测试为例,三次平行实验中每次平均开路电位结果分别为-0.900 7、-0.901 2、-0.901 9 V,取其中位数作为最终结果,三组数据的平均值与中位数相差不大,后续所有测试均采用相同取值方式,并展示中位数对应的开路电位变化曲线。

图14为7075铝合金经预腐蚀后在不同应力水平下的开路电位变化图,可以看出预腐蚀后的铝合金试样在无应力加载下的电位最高,随着应力的施加,电位明显降低,腐蚀倾向增大。并且在弹性变形下,开路电位较为平缓,而在塑性变形(750.9 MPa)下有明显波动,表明预腐蚀铝合金在塑性变形下的电化学状态不稳定,易增加腐蚀发生的可能性。

以实验和仿真中预腐蚀铝合金在无应力工况下的电位分别作为实验和仿真分析时的电位基准值,定量分析在不同应力水平下实验和仿真的结果,并计算开路电位相对误差,其数据如表4所示。

由表4可见实验与仿真在不同应力水平下的开路电位及电位变化值吻合度良好,相对误差均控制在很小的范围内。这表明仿真模型能够较为准确地模拟预腐蚀铝合金在不同应力下的腐蚀行为。

3 结论

金属结构在服役一段时间后可能受到腐蚀侵袭,在其表面形成腐蚀缺陷,此时受到应力腐蚀的影响会产生局部应力集中,加剧应力腐蚀程度,进一步降低金属结构的使用寿命。因此以往针对初始光滑表面应力腐蚀的仿真方法会低估应力腐蚀的发展速度。建立了不同应力下预腐蚀铝合金的应力腐蚀仿真模型,得到如下结论。

(1)将预腐蚀形貌导入应力腐蚀仿真模型,计算了铝合金表面电极电位分布,发现应力会显著降低电极电位,尤其是在局部应力集中区域电极电位更低,导致表面平均电极电位降低、平均腐蚀电流密度增大。

(2)计算了铝合金表面边界随时间的动态变化,结果显示平均腐蚀深度与最大电流密度处的腐蚀深度均随着应力的增大而增大,而且由于应力集中逐渐加剧,最大电流密度处的腐蚀深度呈抛物线增长趋势,深度增幅明显加快。这表明在应力腐蚀仿真中,表面腐蚀形貌变化导致的应力集中对腐蚀有加速作用,因此有必要在应力腐蚀仿真预测中考虑腐蚀形貌对应力分布的影响,以提升预测的准确性。

(3)针对预腐蚀后的铝合金材料开展应力腐蚀实验,获得了金属表面的平均电位,发现仿真结果与实验结果吻合较好,验证了仿真模型的有效性。

在金属材料应力腐蚀过程中,随着腐蚀的发展,腐蚀速度会高于初始状态且随时间增长而逐渐加快,尤其是缺陷底部的应力集中区域。因此在航空构件寿命预测、维修决策过程中,对应力腐蚀的评估不应将其作为一个定值,而应考虑到腐蚀速度的动态增长,作出更偏保守的预测。

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