金屬腐蝕“3等線”和試驗日歷壽命確定方法

張福澤空軍裝備研究院 航空裝備研究所， 北京 100076

金屬腐蝕“3等線”和試驗日歷壽命確定方法

張福澤*
空軍裝備研究院 航空裝備研究所， 北京 100076

為了探討金屬日歷壽命，通過理論分析和試驗研究，發現金屬腐蝕的一種等濕等溫等時線，它在腐蝕損傷與試驗溶液濃度d坐標系中是一條直線，在這條直線上每一點的腐蝕試驗濕度、溫度和時間各自保持相等，簡稱腐蝕“3等線”。通過“3等線”與其他綜合研究，推導出試驗日歷壽命計算公式和確定方法。同時又進行了腐蝕損傷與腐蝕時間的線性規律和腐蝕“3等線”存在的試驗驗證。

材料腐蝕； 金屬腐蝕“3等線”； 日歷壽命； 腐蝕環境； 腐蝕損傷

眾所周知，在金屬日歷壽命確定中，至今仍沒有找到直接應用腐蝕試驗損傷給出使用日歷壽命的計算公式和確定方法，而是必須進行“當量折算”，即把試驗值轉換為使用值。在金屬腐蝕領域中，關于“當量折算”已有很多論述[1-3]，但都存在某些嚴重不足，因此尚沒有得到有效的應用。本文通過大量腐蝕試驗研究，發現一種等濕等溫等時線，也稱之為腐蝕“3等線” 。根據此曲線和其他綜合研究，推導出了一種直接應用試驗損傷值求取試驗日歷壽命的計算公式。它在使用環境的濕度和溫度不變的情況下，僅用提高試驗介質濃度的方法進行腐蝕試驗，利用試驗獲得的損傷值就可以直接求出金屬在使用環境下的試驗日歷壽命，不需要上述的“當量折算”。因此，這是一種簡單易行的求腐蝕試驗日歷壽命的方法。

1 金屬腐蝕的等濕等溫等時線

1.1 理論分析

從腐蝕機理上分析，絕大多數金屬腐蝕是由電化學反應引起的，這一點已為國內外同行學者所認同[4-7]。電化學反應的腐蝕損傷量可由著名的法拉第定律表示

(1)

式中：D為金屬腐蝕量；Ic為腐蝕電流；F為常數；h為腐蝕時間。

文獻[3,5]指出，Ic為腐蝕溫度、濕度和電解溶液濃度的函數。由于在溫-濕譜試驗中，每級濃度的試驗溫度、濕度和時間都各自保持不變，故只有電解溶液濃度為變量，因此式(1)中的腐蝕損傷D為溶液濃度的單值函數。這樣一來，D與腐蝕溶液濃度可能存在著一種簡單的線性關系。這種分析的線性關系在后續試驗中得到了驗證。

1.2 腐蝕試驗研究

為了探討金屬腐蝕的等濕等溫等時線，采用提高腐蝕試驗濃度的方法，進行了30CrMnSiA 鋼和LY12CZ鋁、LC4SC鋁的腐蝕試驗研究。在腐蝕試驗中，試驗濃度di由海南陵水地區的實測介質濃度值(d=1)加倍所得(見表1、表2)；Di為每種材料在試驗濕度RH、溫度T和腐蝕時間H設定值不變的情況下，各級試驗di對應的多個試件腐蝕損傷的平均值(見表3)。試驗曲線如圖1所示，圖中：ΔD和Δd分別為D和d的截距。

從圖1中可以看出：①在試驗中，RH、T和H保持常值不變的情況下，腐蝕損傷D與試驗濃度d呈近似線性關系，即等濕等溫等時線呈近似線性關系。②3條等濕等溫等時線的線性度和斜率各不相同。

1.3 金屬腐蝕等濕等溫等時線的定義和特性

通過上述試驗和研究，本文找到了一種金屬腐蝕等濕等溫等時線，如圖2所示。圖中的橫坐標為腐蝕溶液濃度d(使用環境下d=1，試驗環境d可取遠大于1的溶液濃度)，縱坐標為腐蝕損傷D。當d=0，D=0時，等濕等溫等時線為通過坐標原點的一條直線(0-1-t)，可將其定義為標準等溫等濕等時線。

表1 海南陵水的介質成分和含量

表2 海南陵水4 L、6 L和12 L的介質含量

表3 3種材料腐蝕試驗的平均損傷

圖1 30CrMnSiA鋼、LY12CZ鋁和LC4SC鋁的“3等線”

Fig.1 “3 equal-lines” of 30CrMnSiA steel, LY12CZ aluminum and LC4SC aluminum

圖2 標準“3等線”

Fig.2 Standard “3 equal-line”

等濕等溫等時線的物理含義是，在金屬每一級溶液濃度的腐蝕試驗過程中，濕度、溫度和時間要保持不變，腐蝕損傷D隨溶液濃度d的增加呈線性增加。在這條線性線上，任意兩點的濕度、溫度和時間都是相等的，故稱為等濕等溫等時線，又稱為“3等線”。

找到這條等濕等溫等時線，對于探討通過腐蝕試驗給出使用環境下的金屬日歷壽命的計算公式有重要意義。

2 試驗日歷壽命公式的建立

2.1 通過坐標原點的腐蝕“3等線”的試驗日歷壽命公式

1) 使用濃度(d1=1)的損傷(D1)表達式。

假設1 圖2中的腐蝕溶液濃度d1=1為某機場使用環境的濃度；dt為試驗溶液濃度，它是d1的整數倍。

假設2 圖2中各級溶液濃度的試驗是在使用環境的溫度和濕度下進行的，每級濃度的試驗皆進行Ht小時。

由上述假設，圖2中的等濕等溫等時線的每一點都是使用環境的濕度和溫度，每一點的腐蝕時間都是Ht小時。也就是說，當用濃度dt進行Ht小時的腐蝕試驗時，可獲得Dt的腐蝕損傷量。而用濃度d1=1進行Ht小時的腐蝕試驗時，則可獲得D1的腐蝕損傷量。因此，由圖2可得試驗損傷Dt與D1的換算關系為

(2)

式中：D1為用使用濃度d1=1試驗Ht小時的損傷量；Dt為用試驗濃度dt試驗Ht小時的損傷量。

2) 腐蝕容限損傷(D1c)與相應的腐蝕時間H1c的計算公式。

由于在建立D1c與H1c的計算公式時，需要腐蝕損傷D與腐蝕時間H呈線性規律的結論，因此本文在試驗驗證中，進行了高濃度試驗的純腐蝕和腐蝕疲勞的28條試驗D-H曲線，同時又統計了多種材料在使用環境濃度d1=1情況下的D-H曲線，這些曲線都近似遵循線性規律，具體見本文的試驗驗證。

現假設腐蝕損傷D與腐蝕時間H的示意曲線，如圖3所示。

圖3 使用環境(d、RH和T)的D -H曲線

Fig.3 D -H curve of service environment (d, RH and T)

圖3為使用環境下的濃度、濕度和溫度的D-H曲線。由于容限腐蝕損傷D1c為設計已知定值，使用濃度d1=1下的D1與Ht可由圖2中的等濕等溫等時線獲得，因此可導出D1c的計算公式。

(3)

由式(2)和d1=1可得

(4)

式中：H1c為使用濃度、濕度和溫度下的D1c相應的腐蝕時間，即金屬相對容限腐蝕損傷的日歷壽命(小時)；Ht為使用濃度、濕度和溫度下的D1相應的腐蝕試驗時間(Ht=H1)；D1c為使用濃度、濕度和溫度下的腐蝕容限損傷量；Dt為在試驗濃度dt、 使用濕度和溫度下，試驗Ht小時的損傷量；dt為試驗濃度(dt=nd1，由于d1=1，所以有dt=n，通常取n>5的整數)。

由式(4)可以看出，在給定D1c的情況下，只要選定一個便于加速腐蝕試驗的濃度dt，用dt和使用環境的濕度溫度試驗Ht小時后，測得Dt，則H1c可求出。

當試驗時間為譜塊時，則式(4)化為

(5)

當用譜塊試驗到D1c=Dt時，則有

(6)

式中：λt為用譜塊試驗的循環周數；hi為第i級溫度試驗時間。式(5)和式(6)就是用譜塊試驗時的金屬日歷壽命H1c的日歷壽命(小時)計算公式。

當式(5)和式(6)的試驗譜是以日歷年編制(一個譜塊為1日歷年)，而日歷壽命H1c也以日歷年計算時，式(5)和式(6)可簡化為

(7)

λ1c=dtλt

(8)

式中：λ1c為腐蝕容限值對應的日歷壽命，年。

2.2 不通過坐標原點的腐蝕“3等線”的試驗日歷壽命公式

圖4 日歷壽命修正公式原理

Fig.4 Principle of calendar life amending formula

在工程定壽中，對于沒有試驗的腐蝕“3等線”，只有1個或2個dt的試驗Dt值，且無法修正時，可以直接應用具有中等腐蝕損傷的式(4)、式(5)和式(7)計算日歷壽命。

2.3 試驗日歷壽命確定步驟和計算實例

步驟1 編制真實使用環境譜。如海南陵水環境的3維譜，如表4所示。

表4 海南陵水試驗譜

步驟2 配置真實使用環境的濃度。如表1d=1的海南陵水實測值和加重20倍值。

步驟3 選定試驗材料，如LY12鋁合金。

步驟4 按編制的3維譜和配置的濃度d進行試驗，試驗實測腐蝕損傷值Dt見表5。

步驟5 LY12CZ鋁合金在海南陵水地區日歷壽命計算實例。

假設LY12CZ鋁合金的腐蝕容限值為D1c=0.6 mm。

表5 在海南陵水譜和dt=20下的LY12CZ試驗損傷Dt

Table 5 LY12CZ test damagedtat Lingshui, Haihan spectrum andDt=20

dtSpecimenCorrosiondepth/mmAveragedepth/mmSumupaveragedepth/mm2060.85,0.85,0.83,0.83,0.80,0.80,0.76,0.75,0.72,0.720.79170.85,0.83,0.80,0.78,0.76,0.76,0.76,0.75,0.70,0.680.76980.82,0.78,0.78,0.76,0.76,0.76,0.76,0.75,0.68,0.680.75390.80,0.80,0.80,0.78,0.78,0.76,0.75,0.70,0.68,0.650.750100.82,0.82,0.80,0.78,0.76,0.76,0.73,0.70,0.66,0.650.7480.7622

由表5中的試驗結果，可得式(7)中的Dt=0.762 2 mm 和試驗濃度dt=20以及試驗溫-濕譜的循環周數λt=1。由式(7)計算得到LY12CZ鋁合金在海南陵水地區的腐蝕容限深度為 0.6 mm 時，需要的日歷年λ1c為

3 試驗驗證

本文在推導金屬腐蝕日歷壽命的計算公式和確定方法時，使用了腐蝕損傷D與時間H呈線性關系的結論，盡管這個結論已有公認，但仍有疑異。為了進一步驗證這種線性關系的正確性，本文進行如下試驗驗證。

3.1 試驗環境下金屬腐蝕損傷D與時間H的線性關系驗證

為了研究金屬腐蝕損傷隨腐蝕時間的變化規律，進行3種溫度(5 ℃、25 ℃和50 ℃)、4種濃度溶液(在海南陵水地區各介質為1倍的基礎上加權10倍、50倍、90倍和130倍，分別以A、B、C、D表示)的兩種材料的純腐蝕試驗和腐蝕疲勞試驗，試驗結果如下。

1) 30CrMnSiA合金鋼純腐蝕的損傷與時間變化規律

試驗曲線如圖5所示。

圖5 在4種濃度3種溫度(5 ℃、25 ℃和50 ℃)下的30CrMnSiA純腐蝕D -H曲線

Fig.5 Pure corrosion D -H curves of 30CrMnSiA at four densities and three temperatures (5 ℃,25 ℃ and 50 ℃) respectively

2) 30CrMnSiA合金鋼腐蝕疲勞的損傷與時間變化規律

試驗曲線如圖6所示。

圖6 在4種濃度3種溫度(5 ℃、25 ℃和50 ℃)下的30CrMnSiA腐蝕疲勞D -H曲線

Fig.6 Corrosion fatigue D -H curves of 30CrMnSiA at four densities and three temperatures (5 ℃, 25 ℃ and 50 ℃) respectively

3) LY12CZ鋁合金腐蝕疲勞的損傷與時間變化規律

LY12CZ鋁合金的純腐蝕試驗和腐蝕疲勞試驗與30CrMnSiA合金鋼的6組試驗是一樣多的，但為了壓縮論文篇幅，此處只列出在50 ℃和A、B、C、D這4種溶液下的腐蝕疲勞試驗曲線，如圖7 所示。

圖7 在4種濃度、50 ℃下的LY12CZ腐蝕疲勞D -H曲線

Fig.7 Corrosion fatigue D -H curves of LY12CZ at four densities and 50 ℃

4) 曲線的線性與腐蝕動力學分析

對圖5～圖7的31條曲線都進行了線性回歸分析。它們中的每條曲線的線性關系都是顯著的，R值絕大多數在0.980 0以上。腐蝕動力學規律也都遵循線性關系，每條曲線的腐蝕速度也基本保持不變。有關金屬腐蝕損傷與腐蝕時間的線性曲線，文獻[2]等都有相關的試驗曲線，其線性關系也是顯著的，此處不再贅述。

3.2 使用環境下金屬腐蝕損傷D與時間H的線性關系驗證

為進行金屬在自然環境下的腐蝕損傷D與時間H呈線性關系的驗證，本文選擇由北京航空材料研究院郭洪全研究員提供的LY12CZ鋁和17種鋼在自然大氣環境下的腐蝕數據，如表6～表8所示。

表6 LY12CZ腐蝕速率

表7 17種鋼在青島的腐蝕速率

表8 17種鋼在瓊海的腐蝕速率

1) LY12CZ在大氣中的腐蝕損傷D與時間H的近似線性關系

根據表6 LY12CZ在大氣中的腐蝕損傷數據，可計算出平均損傷Di和總平均腐蝕損傷量Dn，列入表6中，并由此數據繪制曲線，如圖8所示。

圖8 自然環境中的LY12CZ腐蝕D -H曲線

Fig.8 Corrosion D -H curve of LY12CZ in natural environment

2) 17種鋼在青島、瓊海自然大氣中的腐蝕損傷量Dn與時間H的線性關系

由17種鋼腐蝕率計算總平均損傷量，列入表7 和表8，由此繪制D-H線性曲線如圖9所示。

3) 曲線線性分析

對圖8和圖9中的3條曲線進行線性回歸分析，可知它們的線性關系是顯著的，每條線的R值都在0.099 00以上。這說明LY12CZ鋁合金和17種鋼在自然大氣腐蝕環境下，腐蝕損傷量D與腐蝕時間H確實存在線性關系。由此線性關系建立的模型式(3)～式(8)也是有試驗基礎的。

3.3 金屬腐蝕的等濕等溫等時線的試驗驗證

為了驗證金屬腐蝕的等濕等溫等時線的存在和損傷量D與濃度d的近似線性關系，進行LY12CZ和A3的D-d曲線實測研究。溶液濃度是在海南陵水地區介質濃度基礎上加到10、30、50倍。

圖9 17種鋼在青島和瓊海自然環境下的D -H曲線

Fig.9 D -H curves of 17 steels in Qingdao and Qionghai natural environments

表9 LY12CZ “3等線”試驗數據

1) LY12CZ鋁合金的等濕等溫等時線的試驗驗證

在LY12CZ每級濃度的腐蝕試驗中，濕度、溫度和時間都保持各自相等不變，其試驗數據見表9，由此數據繪制的等濕等溫等時線見圖10。

2) A3鋼的等溫等時線的試驗驗證

在A3鋼每級濃度的腐蝕試驗中，溫度和時間都保持相同，其試驗數據見表10，由此數據繪制的等濕等溫等時線見圖11。

3) 線性分析

經過對圖10和圖11兩條曲線回歸分析，可知它們的線性關系是顯著的，每條線的R值都在0.099 00 以上。這說明LY12CZ鋁合金和A3鋼在等濕等溫等時的腐蝕試驗中，它們的腐蝕損傷D與溶液濃度d存在著近似線性關系，即存在著等濕等溫等時線。這也說明，在建立模型式(3)～式(8)時，用法拉第定律論證的等濕等溫等時線是存在的、正確的。

圖10 LY12CZ “3等線”

Fig.10 “3 equal-line” of LY12CZ

表10 A3鋼“3等線”試驗數據

圖11 A3鋼“3等線”

Fig.11 “3 equal-line” of A3 steel

4 結 論

1) 通過理論分析和對鋼、鋁兩種材料的腐蝕試驗研究，發現試驗的金屬材料有一條等濕等溫等時曲線存在，在這條曲線上任意兩點的濕度、溫度、時間皆相等。它對建立試驗日歷壽命公式和確定方法具有重要使用價值。

2) 建立了金屬試驗的標準和非標準腐蝕“3等線”的使用日歷壽命公式，這些公式只要有一個使用溫度濕度譜下的試驗損傷值Dt，即可求出使用環境下的試驗日歷壽命，如式(4)和式(7)。

3) 給出試驗日歷壽命的確定方法和步驟：①編制出使用溫度濕度譜；②配置試驗的濃度dt；③用編制的溫濕譜和配置濃度dt進行試驗，測出損傷Dt；④將設定的D1c和試驗得到的Dt代入式(4)或式(7)，可求得使用環境下的試驗日歷壽命。

4) 通過30CrMnSiA和LY12CZ兩種材料的高濃度腐蝕試驗數據以及LY12CZ和17種鋼在自然大氣環境下腐蝕數據的研究和分析，驗證了這些金屬材料在自然使用環境下，腐蝕損傷D與腐蝕時間H存在近似線性關系。

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張福澤 男， 中國工程院院士。主要研究方向： 飛機壽命。

Tel: 010-66713310

E-mail: zhangfuzemail@163.com

Received： 2015-09-30； Revised： 2015-11-28； Accepted： 2015-12-14； Published online： 2015-12-22 14:59

URL： www.cnki.net/KCMS/detail/11.1929.V.20151222.1459.004.html

*Corresponding author. Tel.： 010-66713310 E-mail: zhangfuzemail@163.com

Metallic corrosion “3 equal-line” and formula of test calendar life andits determination method

ZHANG Fuze*

AeronauticalArmamentsResearchInstitute,EquipmentAcademyofAirForce,Beijing100076,China

For research calendar life of metal, this paper through theoretic analysis and test research, a line with equal humidity, teperature and time of metallic corrosion is found out, which presents a straight line indcoordinate system of corrosion damage and solution concentration. Each point on this straight line, known as “3 equal-line”, has equal corrosion test humidity, temperature and time. The formula of service calendar life and determination method of the test are deduced from the research of the “3 equal-line” and other comprehensive research. Meanwhile, we also carry out test to verify the linear regularities of corrosion damage and corrosion time as well as the existence of the “3 equal-line”.

material corrosion; “3 equal-line” of metallic corrosion; calendar life; corrosion environment; corrosion damage

2015-09-30；退修日期：2015-11-28；錄用日期：2015-12-14； < class="emphasis_bold">網絡出版時間：

時間： 2015-12-22 14:59

www.cnki.net/KCMS/detail/11.1929.V.20151222.1459.004.html

.Tel.： 010-66713310 E-mail: zhangfuzemail@163.com

張福澤． 金屬腐蝕“3等線”和試驗日歷壽命確定方法[J]． 航空學報, 2016, 37(2): 371-380. ZHANG F Z. Metallic corrosion “3 equal-line” and formula of test calendar life and its determination method[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(2): 371-380.

http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2015.0342

V215.5

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： 1000-6893(2016)02-0371-10

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