CN103487366A - 材料腐蚀过程动态形貌特征测试评价方法 - Google Patents

Abstract

材料腐蚀过程动态形貌特征测试评价方法，包括下述步骤：先将服役过程中不同阶段的样品裁剪成一定尺寸的测试样品，去离子水冲洗后用丙酮进行超声清洗，再用超纯水冲洗后，吹干，备用；使用图像获取工具对样品进行表面成像并记录三维坐标数据；根据腐蚀介质的雷诺数判定其流动状态；计算腐蚀介质流动状态边界层厚度；利用高斯评定基准进行数据处理；绘制等高线型腐蚀形貌图形，并计算腐蚀过程样品表面积变化程度；判定材料腐蚀特征。本发明对材料腐蚀过程动态形貌特征测试评价的处理过程简便，获取的腐蚀过程动态信息完整，能够有效评价材料腐蚀过程形貌演变，能够准确判定材料的腐蚀特征。

Description

材料腐蚀过程动态形貌特征测试评价方法

技术领域

本发明属于材料腐蚀测试评价技术领域，涉及一种材料腐蚀过程动态形貌特征测试评价方法。

背景技术

材料与腐蚀介质接触，经历了复杂的物理化学和电化学等过程，由于这些过程的非线性，形成的表面形貌常常是不规则、凹凸起伏的。材料腐蚀形貌图像是判断腐蚀类型、分析腐蚀程度、研究腐蚀规律与特征以及采取有效防护措施的重要依据。对腐蚀形貌图像进行深入的分析，可以从中获取有用的腐蚀程度评价数据，有助于分析腐蚀的发生和发展变化的规律、判定材料的服役性能和使用寿命。

目前，针对材料腐蚀形貌特征的评价方法主要有腐蚀表观形貌标准图谱法、基于分形理论的腐蚀形貌图像处理法、基于图像像素灰度值的腐蚀形貌图像分析诊断法等。以上方法通过腐蚀形貌图像平面位置反映二维信息，或通过像素颜色和灰度等附加第三维信息反映三维信息，对材料原始腐蚀形貌图像的质量要求较高，且不能完整反映出材料腐蚀过程全动态信息，也无法准确判定出材料腐蚀过程的特征。

发明内容

为了解决材料腐蚀过程动态形貌特征测试评价问题，本发明的目的在于提供一种材料腐蚀过程动态形貌特征测试评价方法。

本发明测试评价方法的具体步骤如下：

步骤一：将服役过程中不同阶段的样品裁剪成一定尺寸的测试样品，去离子水冲洗后用丙酮进行超声清洗，再用超纯水冲洗后，吹干，备用；

步骤二：使用图像获取工具对步骤-处理后的样品进行腐蚀历程表面成像并设置合适的形貌测量区域S、三维方向截至频率(ω_cx、ω_cy、ω_cz)、采样间距d记录三维坐标数据；

步骤三：计算腐蚀介质的雷诺数Re，判定其流动状态，如以下公式所示，

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{Lv\ρ}}{\mathrm{\μ}}$

式中，v为腐蚀介质的流动速度；L为腐蚀介质流动几何特征尺寸；ρ为腐蚀介质的密度；μ为腐蚀介质的粘度；

一般，雷诺数Re＜2300为层流状态，Re＞4000为紊流状态，Re＝2300～4000为过渡状态；

步骤四：根据步骤二获取的流动方向腐蚀表面坐标数据z和步骤三中获取的腐蚀介质雷诺数Re，将腐蚀介质在试样上的流动按步骤二采样间距d离散成在若干微平板上的流动，计算腐蚀介质流动状态边界层厚度δ，如以下公式所示，

$\frac{\mathrm{\δ}}{z}=\frac{m}{{\mathrm{Re}}^n}$

式中，当Re＜2300时，m取值4.64，n取值0.5；当Re＞4000时，m取值0.376，n取值0.2；当Re＝2300～4000时，δ可以取以上两种情况的平均值；

步骤五：将步骤二获取的腐蚀表面三维坐标数据以流动方向数据z小于等于步骤四获取的边界层厚度δ的部分利用高斯评定基准进行数据处理，并定义f(x，y)为三维表面测量轮廓，如以下公式所示，

f(x，y)＝s₁(x，y)+s₂(x，y)

式中，s₁(x，y)为三维表面评定的基准面，s₂(x，y)为三维表面轮廓；

s₁(x，y)和s₂(x，y)满足：

$S_1({\mathrm{\ω}}_x,{\mathrm{\ω}}_y)=\left\{\begin{array}{c}F({\mathrm{\ω}}_x,{\mathrm{\ω}}_y),\left|{\mathrm{\ω}}_x\right|\≤{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cx}};\left|{\mathrm{\ω}}_y\right|\≤{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cy}}\\ 0,\left|{\mathrm{\ω}}_x\right|>{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cx}};\left|{\mathrm{\ω}}_y\right|>{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cy}}\end{array}\right.$

$S_2({\mathrm{\ω}}_x,{\mathrm{\ω}}_y)=\left\{\begin{array}{c}F({\mathrm{\ω}}_x,{\mathrm{\ω}}_y),\left|{\mathrm{\ω}}_x\right|>{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cx}};\left|{\mathrm{\ω}}_y\right|{>\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cy}}\\ 0,\left|{\mathrm{\ω}}_x\right|\≤{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cx}};\left|{\mathrm{\ω}}_y\right|\≤{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cy}}\end{array}\right.$

式中，S₁(ω_x，ω_y)、S₂(ω_x，ω_y)分别是s₁(x，y)和s₂(x，y)的Fourier变换，F(ω_x，ω_y)是f(x，y)的Fourier变换，ω_cx、ω_cy分别是x、y向截止频率。

步骤六：将步骤五处理后的数据进行等高线型腐蚀形貌图形绘制，并计算腐蚀过程样品表面积变化程度(样品腐蚀后表面积与测试区域截面积之比)；

步骤七：根据步骤六绘制的腐蚀形貌图形和表面积变化程度，判定材料腐蚀特征。

本发明中所述的材料可以是金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料或复合材料。

本发明中所述的腐蚀介质可以是气态、液态、气-液混合态、液-固混合态或半固态。

本发明中所述的腐蚀介质可以是酸性、碱性或中性。

本发明中所述的样品裁剪方法是不破坏样品表面形貌状态的加工方法。

本发明中所述的样品清洗方式可以样品表面污秽程度设定去离子水冲洗时间、丙酮超声清洗频率和时间。

本发明中所述的图像获取工具是具有可设定形貌测量区域、三维方向截至频率、采样间距来成像及记录三维坐标数据的图像工具。

本发明中所述的腐蚀介质雷诺数计算是采用流体力学理论中的雷诺数公式。

本发明中所述的腐蚀介质流动状态边界层厚度计算是采用平板层流边界层近似公式。

本发明中所述的高斯评定基准是采用国际标准ISO11562高斯权函数与测量三维坐标数据进行卷积后所得的三维坐标数据。

本发明中所述的等高线型腐蚀形貌图形绘制和表面积计算方法可以采用常规的数据处理软件工具。

本发明方法能够获取材料腐蚀过程全动态信息的测试评价及判定材料的腐蚀特征，具有处理过程简便、动态信息完整、特征判定准确的特点。

附图说明

图1是具体实施方式一中45#钢腐蚀过程形貌激光共聚焦显微镜成像图，其中，(a)腐蚀3天，(b)腐蚀6天，(c)腐蚀9天，(d)腐蚀12天，图中X、Y、Z代表三维坐标方向。

图2是具体实施方式一中45#钢腐蚀过程形貌特征图，其中，(a)腐蚀3天，(b)腐蚀6天，(c)腐蚀9天，(d)腐蚀12天，图中X、Y代表二维坐标方向。

图3是具体实施方式二中为紫铜腐蚀过程形貌激光共聚焦显微镜成像图，其中，(a)腐蚀3天，(b)腐蚀6天，(c)腐蚀9天，(d)腐蚀12天，图中X、Y、Z代表三维坐标方向。

图4是具体实施方式二中紫铜腐蚀过程形貌特征图，其中，(a)腐蚀3天，(b)腐蚀6天，(c)腐蚀9天，(d)腐蚀12天，图中X、Y代表二维坐标方向。

具体实施方式

具体实施方式一

本实施方式包括以下步骤：

步骤一：将3.5％NaCl溶液环境下服役3天、6天、9天、12天的45#钢部件线切割成尺寸10mm×10mm×2mm的测试样品，去离子水冲洗5分钟后用质量浓度为10％的丙酮进行超声清洗10分钟，超声清洗频率为20KHz，再用超纯水冲洗后，吹干，备用；

步骤二：使用Olympus OLS3000激光共聚焦显微镜对步骤一处理后的样品进行腐蚀历程表面成像，如图1所示，并设置形貌测量区域128μm×96μm、三维方向截至频率2800Hz、采样间距0.125μm记录三维坐标数据；

步骤三：根据实际情况，管道直径0.03米，流速0.1米/秒，密度1千克/立方米，粘度1×10^-6帕斯卡·秒，可计算得到管道内3.5％NaCl溶液的雷诺数Re＝300＜2300，为层流流动；

步骤四：根据步骤二获取的流动方向腐蚀表面坐标数据z和步骤三中获取的3.5％NaCl溶液雷诺数Re＝300，将腐蚀介质在试样上的流动按步骤二采样间距0.125μm离散成在若干微平板上的流动，可计算得到腐蚀介质流动状态边界层厚度δ值，腐蚀3天时为11.09μm；腐蚀6天时为4.41μm；腐蚀9天时为3.03μm；腐蚀12天时为12.08μm；

步骤五：将步骤二获取的腐蚀表面三维坐标数据以流动方向数据z小于等于步骤四获取的边界层厚度δ的部分利用高斯评定基准进行数据处理；

步骤六：将步骤五处理后的数据进行等高线型腐蚀形貌图形绘制，如图2所示，并计算腐蚀过程样品表面积变化程度；

步骤七：根据步骤六绘制的腐蚀形貌图形和表面积变化程度，判定材料腐蚀特征。

本实施方式45#钢在海水介质中的腐蚀历程经由“点蚀-腐蚀产物膜-表层脱落-基体点蚀”持续进行，表面积变化程度，腐蚀3天时为59.04％；腐蚀6天时为41.24％；腐蚀9天时为55.06％；腐蚀12天时为69.89％，腐蚀特征为剥层腐蚀。

具体实施方式二

本实施方式包括以下步骤：

步骤一：将3.5％NaCl溶液环境下服役3天、6天、9天、12天的T2紫铜部件线切割成尺寸10mm×10mm×2mm的测试样品，去离子水冲洗5分钟后用质量浓度为10％的丙酮进行超声清洗10分钟，超声清洗频率为20KHz，再用超纯水冲洗后，吹干，备用；

步骤二：使用Olympus OLS3000激光共聚焦显微镜对步骤一处理后的样品进行腐蚀历程表面成像，如图3所示，并设置形貌测量区域128μm×96μm、三维方向截至频率2800Hz、采样间距0.125μm记录三维坐标数据；

步骤三：根据实际情况，管道直径0.03米，流速0.1米/秒，密度1千克/立方米，粘度1×10^-6帕斯卡·秒，可计算得到管道内3.5％NaCl溶液的雷诺数Re＝300＜2300，为层流流动；

步骤四：根据步骤二获取的流动方向腐蚀表面坐标数据z和步骤三中获取的3.5％NaCl溶液雷诺数Re＝300，将腐蚀介质在试样上的流动按步骤二采样间距0.125μm离散成在若干微平板上的流动，可计算得到腐蚀介质流动状态边界层厚度δ值，腐蚀3天时为2.21μm；腐蚀6天时为8.08μm；腐蚀9天时为8.73μm；腐蚀12天时为11.44μm；

步骤五：将步骤二获取的腐蚀表面三维坐标数据以流动方向数据z小于等于步骤四获取的边界层厚度δ的部分利用高斯评定基准进行数据处理；

步骤六：将步骤五处理后的数据进行等高线型腐蚀形貌图形绘制，如图4所示，并计算腐蚀过程样品表面积变化程度；

步骤七：根据步骤六绘制的腐蚀形貌图形和表面积变化程度，判定材料腐蚀特征。

本实施方式紫铜在海水介质中的腐蚀历程经由“均匀点蚀-点蚀扩展-腐蚀产物膜-表面溶解-点蚀”持续进行，表面积变化程度，腐蚀3天时为41.09％；腐蚀6天时为54.01％；腐蚀9天时为29.22％；腐蚀12天时为46.79％，腐蚀特征为孔蚀。

依据上述实施方式，本发明内容所述范围均能实施，本发明不仅仅局限于上述实施方式。

本发明提供一种材料腐蚀过程动态形貌特征测试评价方法，经实际测试证明，采用该方法可以获取材料腐蚀过程全动态信息并判定材料腐蚀特征。

Claims (7)

1.材料腐蚀过程动态形貌特征测试评价方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一：将服役过程中不同阶段的样品裁剪成一定尺寸的测试样品，去离子水冲洗后用丙酮进行超声清洗，再用超纯水冲洗后，吹干，备用；

步骤二：使用图像获取工具对步骤一处理后的样品进行腐蚀历程表面成像并设置合适的形貌测量区域、三维方向截至频率、采样间距记录三维坐标数据；

步骤三：计算腐蚀介质的雷诺数，判定其流动状态；

步骤四：根据步骤二获取的流动方向腐蚀表面坐标数据和步骤三中获取的腐蚀介质雷诺数，将腐蚀介质在试样上的流动按步骤二中采样间距离散成在若干微平板上的流动，计算腐蚀介质流动状态边界层厚度；

步骤五：将步骤二获取的腐蚀表面三维坐标数据以流动方向数据小于等于步骤四获取的边界层厚度的部分利用高斯评定基准进行数据处理；

步骤六：将步骤五处理后的数据进行等高线型腐蚀形貌图形绘制，并计算腐蚀过程样品表面积变化程度(样品腐蚀后表面积与测试区域截面积之比)；

步骤七：根据步骤六绘制的腐蚀形貌图形和表面积变化程度，判定材料腐蚀特征。

2.根据权利要求1所述的材料腐蚀过程动态形貌特征测试评价方法，其特征在于，所述材料为金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料或复合材料。

3.根据权利要求1所述的材料腐蚀过程动态形貌特征测试评价方法，其特征在于，所述腐蚀介质为气态、液态、气-液混合态、液-固混合态或半固态。

4.根据权利要求1所述的材料腐蚀过程动态形貌特征测试评价方法，其特征在于，所述腐蚀介质为酸性、碱性或中性。

5.根据权利要求1所述的材料腐蚀过程动态形貌特征测试评价方法，其特征在于，所述腐蚀介质雷诺数计算是采用流体力学理论中的雷诺数公式。

6.根据权利要求1所述的材料腐蚀过程动态形貌特征测试评价方法，其特征在于，所述腐蚀介质流动状态边界层厚度计算是采用平板层流边界层近似公式。

7.根据权利要求1所述的材料腐蚀过程动态形貌特征测试评价方法，其特征在于，所述高斯评定基准是采用国际标准ISO11562高斯权函数与测量三维坐标数据进行卷积后所得的三维坐标数据。

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