基于元胞自動機的鋁合金多坑腐蝕及疲勞壽命研究

華磊 劉雪峰 常冬梅

摘要：將陰陽極反應分離的元胞自動機法引入到鋁合金多坑腐蝕過程的模擬當中。通過腐蝕模擬得到了較為符合實際特征的鋁合金材料多坑腐蝕形貌圖。通過計算不同腐蝕步數下的蝕坑形貌參數，發現蝕坑深度近似于隨腐蝕時間線性增加，同時腐蝕失重也隨時間增加，但是增加的速度逐漸增加。將腐蝕形貌導入ANSYS軟件中進行力學分析，給出了鋁合金材料腐蝕后的應力分布，并且由此計算了腐蝕后的剩余疲勞壽命。發現隨著腐蝕時間的增加，剩余疲勞壽命大體上呈逐漸減少的趨勢。但是，由于蝕坑底端附近局部幾何形貌造成應力集中的影響，這一趨勢并不一定總是單調的。

關鍵詞：鋁合金；腐蝕；元胞自動機；疲勞

中圖分類號：TG171文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.09.009

基金項目：航空科學基金（201902067004）；中央高校基本科研業務費項目（3122018C008）

鋁合金材料具有重量（質量）輕、比強度大等優點，因此在航空航天領域得到廣泛的應用。但是鋁合金材料在服役過程中容易發生腐蝕，從而影響材料的可靠性。因此，對鋁合金腐蝕問題的研究受到廣泛的關注。過去對于鋁合金腐蝕問題的研究以試驗方法為主，但是試驗方法往往費時費力，成本較高，因此近些年在腐蝕數值模擬方面的研究越來越多。多數腐蝕數值模擬方法是針對一系列有關材料和環境參數方程的求解，因此為確定性方法[1]。確定性方法可以較準確地模擬出材料的宏觀腐蝕進程，但是，確定性方法沒有考慮到材料和環境在介觀或微觀尺度上的不均勻性，因此不適合模擬由此造成的材料較小尺度上的不規則腐蝕。而這種較小尺度的不規則腐蝕往往對材料的疲勞、斷裂等力學性質有較大的影響。因此，在研究鋁合金的不規則腐蝕以及其造成的應力集中等力學問題時，有必要引入非確定性腐蝕模擬方法。

元胞自動機方法是一種典型的非確定性算法，最早被用來模擬生物的生長問題，之后被應用于植被生長過程[2]、交通流[3]和火災蔓延過程[4]等很多方面的模擬。近年來，該方法作為一種有效的非確定性方法被引入到金屬材料的腐蝕模擬中，取得了較好的效果。2004年，Vautrin等[5]在元胞自動機模型中允許陰極和陽極反應在不同位置同時發生反應，很好地模擬了真實的電化學腐蝕過程，并且由此驗證了蝕坑內的氫離子濃度指數（pH）不均衡現象。Aarao等[6]在2006年對這一模型的相關參數進行了分析。之后出現了一系列基于這一模型的研究[7-9]。2016年，Pérez-Brokate等[10]將該模型引入到三維情況下，得到了更符合實際的模擬結果。2013年，Wang[11]和Han[12]將有限元與元胞自動機腐蝕模型結合，研究了應力作用下的腐蝕模擬問題。隨后將研究引申到了雙蝕坑的問題上。但是，到目前為止，基于元胞自動機模擬得到的腐蝕形貌對材料力學性質的研究仍然很少見到，而在這方面的研究有利于分析介觀到宏觀尺度腐蝕對材料力學性質的影響。因此，本文將基于陰陽極分離的元胞自動機腐蝕模型模擬鋁合金多坑腐蝕形貌，并且在此基礎上研究鋁合金疲勞壽命隨腐蝕進程的變化。

1基于元胞自動機的多坑腐蝕形貌

1.1元胞自動機模型

在酸性堿性元胞的擴散方面，假設A、B元胞在每個反應步中會發生Ndiff次布朗運動，當其運動到E元胞的位置，則與之交換位置，而當A元胞運動到B元胞的位置或相反時，A、B元胞中和，兩個元胞均變為E元胞。每個反應步中，每個C元胞都有一定概率發生失效，該元胞和其下面的相鄰M元胞變為E元胞。

以上反應的概率見表1。其中，NA-B為鄰居中A、B元胞個數差，NE為鄰居元胞中液態元胞（A、B、E）的個數。在每一步腐蝕模擬過程中，每次隨機選取一對可以發生反應的R元胞和S元胞，按照式（6）～式（9）發生反應，反復選取，直到沒有可供反應的元胞為止。然后進行Ndiff步A、B元胞的擴散模擬，每次隨機選取一個A或B元胞進行擴散，直到所有A、B元胞選取結束算作一個擴散步。Ndiff步擴散步結束后，算作一步腐蝕模擬結束，進行下一步腐蝕模擬，直到結束所有模擬步。

1.2模擬結果

本文采用摩爾鄰居，元胞個數為1024×128個，設PB為1/100000，PSSE為0.2，PRE為0，PPE為1/8，PPE為1/800，即為PPE的1/100。因此，在中性條件下，再鈍化產物的水解概率為酸性條件下的1/100。每個反應步中的擴散步數Ndiff為200。在MATLAB中編寫程序，由此得到500、1000和1500反應步后的腐蝕形貌如圖1（a）～圖1（c）所示，腐蝕形貌與實際腐蝕形貌特征相符。由圖可以明顯地看到，隨著計算步數的增加，蝕坑逐漸增大，而且有新的蝕坑逐漸產生。蝕坑邊界具有明顯的不規則性，接近于真實的蝕坑，這與確定性方法得到的結果是不同的。在第500步時，橫坐標0～100區域內有三個小蝕坑。由圖1（b）可見，到第1000步時，這三個小蝕坑已經合并成為一個大蝕坑，而且相比于其他蝕坑，這個合并的大蝕坑更不規則。在試驗中經常會看到類似的蝕坑合并現象。

針對模型的隨機性，每個步數進行5次計算取平均值，得到平均腐蝕失重率隨著步數的變化曲線如圖2所示。其中，腐蝕失重為A、B、E元胞個數除以總元胞個數。腐蝕失重隨時間逐漸增加，而且隨著時間的增加，腐蝕失重增加的速度有所增加。

除了材料的腐蝕失重率以外，蝕坑的深度也是受關注的焦點。尤其是所有蝕坑中的最大深度，對材料的損傷情況有較大的影響。本文中，將R和P元胞作為蝕坑表面，由此將蝕坑表面的最低點與上表面的距離（元胞個數）作為最大蝕坑深度。與前面相同，計算不同腐蝕步數情況下5次模擬的最大蝕坑平均深度如圖3所示。可以看到，最大蝕坑平均深度近似隨著腐蝕步數線性增加。

2疲勞壽命分析

在本文中，利用有限元軟件ANSYS進行鋁合金腐蝕后的疲勞壽命分析。首先需要將腐蝕形貌圖導入到ANSYS中。而ANSYS無法自動識別腐蝕形貌，需要用其他軟件將蝕坑邊界信息提取出來再導入到ANSYS中建立模型。

首先，識別蝕坑的邊界。如圖1可以看到，蝕坑的邊界實際上是由點描繪的圖形。這里采用軟件R2V提取材料的邊界，然后將結果導入AutoCAD，以圖1（b）中的1000步的腐蝕形貌圖為例，得到邊界圖如圖4所示。

在AutoCAD中調整邊界尺寸，假設每個元胞的邊長為2μm，則整個模型的尺寸為2048μm×256μm。將圖形保存后導入ANSYS進行受力分析。選取的鋁合金材料楊氏模量為7.17×104MPa，泊松比0.3，左側固定，右側施加10N/μm的拉應力，進行計算得到x方向的應力云圖如圖5所示。可以看到，在蝕坑底端附近出現了明顯的應力集中現象，通常在較大的蝕坑底端的應力集中更明顯。

應力集中會大大影響材料的疲勞壽命。以計算得到的應力為基礎，可以進一步計算鋁合金材料腐蝕后的剩余疲勞壽命。基于ANSYS疲勞分析模塊，以模型的最大Mises應力作為疲勞分析的最大應力，以0作為最小應力計算疲勞壽命，S—N曲線數值表見表2。其中參數由試驗數據進行擬合得到，由于本文中主要針對疲勞壽命的趨勢問題進行定性研究，因此具體的參數選擇僅取為典型值即可。

在本例中，由此得到其對應的疲勞壽命為2.43×105次。

按照以上步驟，重新進行一次腐蝕進程模擬，分別將步數為500、600、800、1000、1200、1400、1500時的腐蝕形貌導入ANSYS中，得到材料疲勞壽命隨腐蝕步數的變化曲線如圖6所示。隨著腐蝕步數的增加，疲勞壽命大體上是逐漸減少的。但是，這一趨勢并不是線性的，甚至當腐蝕步數為600步時的疲勞壽命還高于500步時。這是因為在這種條件下的疲勞壽命變化主要與應力集中有關，而應力集中除取決于蝕坑深度外，也與局部的腐蝕形貌有很大關系。在有些時候盡管蝕坑深度已經較大，但是蝕坑底端的表面形貌比較光滑，因此局部應力反而有所減小。例如，在本例中，腐蝕步數為500和600步時，最大應力分別為32.14MPa和30.03MPa，由于在500步時應力集中造成的最大應力更大，因此在500步時計算得到的疲勞壽命反而更少。但是由于蝕坑深度是單調增加的，因此疲勞壽命的整體趨勢隨腐蝕步數的增加而逐漸減少。

3結論

本文基于元胞自動機法模擬了鋁合金材料的多坑電化學腐蝕過程，在算法中允許陰陽極反應發生在不同位置。通過模擬，成功得到了較符合實際特征的腐蝕形貌圖。在此基礎上，將腐蝕形貌進行處理后導入ANSYS軟件中進行力學分析，得到了鋁合金材料腐蝕后的應力分布，并由此分析了鋁合金材料腐蝕后的疲勞壽命，得到了以下結論：

（1）運用陰陽極反應分離的元胞自動機算法可以成功模擬鋁合金的腐蝕進程，并且可以觀測到實際應用中常見到的蝕坑合并現象。

（2）在本算法模擬的條件下，鋁合金的腐蝕失重隨時間逐漸增加，而且增速逐漸加大，蝕坑的最大深度接近于隨時間線性增加。

（3）鋁合金腐蝕后的剩余疲勞壽命大體上隨腐蝕時間減少，但是并不完全單調遞減。這是因為疲勞壽命與應力集中現象有關，而應力集中除取決于蝕坑深度以外，也受到蝕坑底部局部幾何形貌的影響，而這隨著腐蝕過程而劇烈變化。

參考文獻

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Study on Multi-Pits Corrosion of Aluminum Alloy and Its Fatigue Life Based on Cellular Automata

Hua Lei1，Liu Xuefeng1，Chang Dongmei2

1. Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

2. Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Precision Machining，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China

Abstract： In this paper， the cellular automata method of reaction separation between anode and cathode is introduced into the simulation of multi-pit corrosion process of aluminum alloy. Through corrosion simulation， the multipit corrosion morphology of aluminum alloy was obtained. It is found that the pit depth increases linearly with the corrosion time approximately， and the corrosion weight loss also increases with the corrosion time， but the increasing speed increases with time gradually. The corrosion morphology is imported into ANSYS software for mechanical analysis， the stress distribution of aluminum alloy after corrosion is obtained， and the residual fatigue life after corrosion is calculated. It is found that the residual fatigue life decreases with corrosion time. However， this trend is not always monotonous due to the effect of local geometry near the bottom of the pit on the stress concentration.

Key Words： aluminum alloys； corrosion； cellular automata； fatigue