CN113252547B - 一种基于环境阈值的铝合金腐蚀疲劳的风险等级评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属材料腐蚀疲劳性能测试方法技术领域，具体涉及一种基于环境阈值的铝合金腐蚀疲劳的风险等级评价方法。本发明所提供的铝合金腐蚀疲劳的风险等级评价方法是基于铝合金服役环境的环境因素、铝合金的材料因素来评价铝合金腐蚀疲劳的风险等级的。针对铝合金自身材料及腐蚀疲劳的特点，本发明筛选合适的腐蚀疲劳相关因素，即基于铝合金服役环境的环境因素、铝合金的材料因素，实现对不同环境因素条件下腐蚀疲劳风险程度的快速、准确的评价。同时该方法也能用于新型铝合金的研发、生产及选材过程中的相关评价和测试；本发明所述方法为铝合金材料的使用和防护提供有利的依据。

Description

一种基于环境阈值的铝合金腐蚀疲劳的风险等级评价方法

技术领域

本发明属于金属材料腐蚀疲劳性能测试方法技术领域，具体涉及一种基于环境阈值的铝合金腐蚀疲劳的风险等级评价方法。

背景技术

目前，随着高铁动车组的飞速发展，商用高强铝合金因其质量轻、比强度高等优点，在轨道交通中扮演着重要角色。

然而，由于运输结构需承受交变力，导致材料承受的应力本质上是周期性的，所以极易引起铝合金的疲劳；又由于服役环境的多变性，导致铝合金的腐蚀疲劳事故频发，对高强铝合金的腐蚀疲劳性能提出了更高的要求。

目前铝合金的腐蚀疲劳的常规测试方法及评价方法为采用室内环境气氛暴露试验的测试评价方法，但该方法操作复杂、成本高、实现困难且耗时较长，难以实现对不同环境因素条件下腐蚀疲劳风险程度的快速评价。

因此，有必要建立一种基于环境阈值的高强铝合金腐蚀疲劳风险评价方法，从而有效的、快速的实现高强铝合金腐蚀疲劳风险评价。

CN1111965061A公开了一种模拟并评价焊接热影响区腐蚀疲劳性能的测试方法，所述方法首先按国标加工疲劳试样，然后采用热模拟试验机在设定的焊接热循环参数下制备模拟焊接热影响区，实现狭窄焊接热影响区的模拟和“放大”，经过重新打磨后将模拟焊接热影响区之外的其他区域密封，仅暴露目标区域作为工作段。随后将疲劳试样安装在带有环境腔的疲劳试验机上进行腐蚀疲劳试验，环境腔可加入模拟溶液或通入腐蚀气氛，最终实现模拟焊接热影响区在特定环境中腐蚀疲劳性能的定量评定。该方法仅适用于焊接热影响区，同时由于须额外加工疲劳试样，依然存在操作复杂、成本高、周期长等问题。

CN111191318A公开了一种大跨桥梁缆索系统的腐蚀疲劳寿命预测方法及系统。该方法基于大跨桥梁缆索系统的特点，考虑了环境因素建立环境加速谱，同时提取应力时程建立荷载谱，再建立两者与腐蚀疲劳寿命的关系实现预测。但由于铝合金与大跨桥梁缆索系统不同，不存在应力时程因素，且环境因素与铝合金不同，因此该方法同样无法高效、快速、准确地实现高强铝合金腐蚀疲劳风险评价。

发明内容

本发明提供一种基于环境阈值的高强铝合金的腐蚀疲劳风险评价方法。该方法主要基于环境腐蚀数据信息实现对高强铝合金腐蚀疲劳等级评估；相对于传统的腐蚀疲劳实验方法，本发明所述的腐蚀疲劳的风险等级评价方法具有现场可操作性强、试验耗时短的优点，不仅能实现高强铝合金的腐蚀疲劳评价，同时也能用于新型铝合金的研发、生产及选材过程中的相关评价和测试；本发明所述方法为铝合金材料的使用和防护提供有利的依据。

本发明所提供的铝合金腐蚀疲劳的风险等级评价方法是基于铝合金服役环境的环境因素、铝合金的材料因素来评价铝合金腐蚀疲劳的风险等级的。

本领域公知，传统的测试评价方法需要先制备试样，再模拟腐蚀环境进行室内环境气氛暴露试验，这一过程操作复杂且成本高、实现困难且耗时较长，难以实现对不同环境因素条件下腐蚀疲劳风险程度的快速评价。而现有技术介绍的其他腐蚀疲劳判断及预测方法，或需要加工试件，操作复杂，或采集特定信息不适用于铝合金工件的腐蚀疲劳测试，总之同样难以实现对不同环境因素条件下腐蚀疲劳风险程度的快速、准确的评价。

为此，本发明针对铝合金自身材料及腐蚀疲劳的特点，筛选合适的腐蚀疲劳相关因素，即基于铝合金服役环境的环境因素、铝合金的材料因素，实现对不同环境因素条件下腐蚀疲劳风险程度的快速、准确的评价。

进一步地，本发明对铝合金服役环境的环境因素进行更深入的研究。

本领域技术人员知晓，金属腐蚀的本质是金属原子失去电子被氧化的过程。随着环境的改变，各种影响腐蚀因素更加复杂，它们会使得腐蚀的程度或是型态都跟着改变，并且增加腐蚀的严重性。目前已知的影响金属腐蚀的因素很多，主要有以下几种：

1、环境温度和湿度；一般情况下，温度的升高会加快化学反应速率。因此，温度对化学腐蚀的影响较明显；

2、与金属表面接触的溶液成分及pH值；

3、与金属表面相接触的各种环境介质；

4、金属材料本身化学成分和结构；金属越活泼，就越容易失去电子而被腐蚀；如果金属中能导电的杂质不如该金属活泼，则容易形成原电池而使金属发生电化学腐蚀；

5、金属表面光洁度(氧浓度差电池腐蚀)；金属遇潮湿空气、腐蚀性气体、电解质溶液等都容易被腐蚀。

可见，能够影响铝合金腐蚀疲劳的因素非常多。

而且，通常来讲，参考影响因素越多，腐蚀疲劳的风险等级评价越相对准确，但存在有些环境因素采集难度大、或采集操作费时费力，还有些环境相关因素较多，对提高准确性意义不大等等问题，不符合现场快速评价要求；因此有必要对这些影响因素进行筛选，尽可能采集较少的影响因素以更快、更准确地实现腐蚀疲劳风险等级评价。

为此，本发明所述环境因素除常规因素温度、相对湿度外，还包括强腐蚀性介质。

对于常规服役环境，所述强腐蚀性介质以SO₂、Cl^-为主要腐蚀因素。

但对于特定腐蚀服役环境，须优先考虑服役环境中的主要腐蚀影响因素，例如：部分工业(造纸业、农业)环境下考虑H₂S、HNO₃等。

研究表明，通过上述强腐蚀性介质与温度、相对湿度相结合，能够在保证评价结果准确性的前提下，尽可能减少因素数量，提高采集效率，且可操作性强。

除了上述金属腐蚀疲劳的共同环境因素外，本发明还考虑到铝合金材料因素对腐蚀疲劳的影响情况。研究表明，铝合金材料的材料因素主要为力学性能，但力学性能包括拉伸强度、屈服强度、硬度、延伸率等，若一一参考，显然降低评价效率。为此，本发明结合上述环境因素的具体选择，筛选所述铝合金的材料因素为屈服强度。试验表明，通过屈服强度与上述环境因素的结合，能够显著提高腐蚀疲劳风险等级评价的准确性和效率。

本发明在确定上述环境因素及材料因素屈服强度的基础上，进一步确定了两者之间的关联作用，建立模型；通过将获取的环境因素及材料因素代入模型方程，计算得到腐蚀疲劳的风险等级参数R_CF，并根据腐蚀疲劳的风险等级参数R_CF进行评价。

所述模型方程如下：

R_CF＝0.42P_d ^0.73·exp(0.025RH)+0.18S_d ^0.6·exp(0.02·RH+0.094T)+f/G

其中：

R_CF代表腐蚀疲劳的风险等级参数；

T代表单位时间平均温度，单位为摄氏度(℃)；

RH代表单位时间平均相对湿度，％；

P_d代表单位时间平均SO₂沉积率，单位为毫克每平方厘米天[mg/(cm²·d)]；

S_d代表单位时间平均Cl^-沉积率，单位为毫克每平方厘米天[mg/(cm²·d)]；

G代表材料屈服强度，单位为MPa；

f代表材料屈服强度相关系数。

其中，所述材料屈服强度相关系数f的确定方法为：

当G≤300MPa，f＝1；

当300MPa＜G≤500MPa，f＝0.8；

当G≥500MPa时，f＝0.6。

所述铝合金腐蚀疲劳的风险等级为：

R_CF 0-0.6 0.6-2 2-5 5-10 >10

腐蚀疲劳风险等级 低 中低 中 较高 高。

为了进一步提高评价准确性，所述材料因素还包括材料状态；所述材料状态，如焊缝、母材及热影响区等，同样会影响铝合金材料的腐蚀疲劳的风险等级评价结果。

根据本发明的一些实施例，在所述屈服强度的确定过程中，根据铝合金材料的材料状态，转换成铝合金的实际屈服强度值，代入上述模拟方程中，以便获得更准确的R_CF。例如：有焊接状态试样，优先考虑焊后屈服强度变化。

此外，本发明所述的材料因素还可包括受力强度；根据本发明的一些实施例，在所述屈服强度的确定过程中，根据铝合金材料的受力强度，转换成铝合金的实际屈服强度值，代入上述模拟方程中，以便获得更准确的R_CF。

本发明还提供了上述铝合金腐蚀疲劳的风险等级评价方法在铝合金的研发、生产、选材、使用及防护过程中的应用。

本发明的有益效果如下：

本发明提出一种基于环境阀值的高强铝合金腐蚀疲劳风险预测方法，该方法基于环境参数对高强Al的腐蚀疲劳风险进行快速预测，同时考虑了铝合金材料本身的材料属性状态。因此，不仅仅适用于现场的风险等级评价，更适用于高强铝合金的研发、生产及选材过程中的相关评价和测试。

附图说明

图1是本发明所述铝合金腐蚀疲劳的风险等级评价方法的流程图。

图2是本发明实施例中A、B两地区腐蚀疲劳实验结果示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案做进一步详细说明，但不用来限制本发明的范围。

如图1，一种铝合金腐蚀疲劳的风险等级评价方法，包括如下步骤：

步骤一：采集单位时间内服役环境信息参数；

重点包括服役地区主要影响腐蚀的环境参数，例如：年平均温度(单位℃)，年平均相对湿度，年平均SO₂沉降量，年平均Cl^-沉降量；

对于特定腐蚀环境，应该优先考虑服役环境中的主要腐蚀影响因素。例如：部分工业环境下考虑H₂S、HNO₃等。

步骤二：对服役铝合金材料性能参数进行测试，获取对服役铝合金的材料因素；材料因素主要为屈服强度G；还可包括受力强度和材料状态。

步骤三：建立铝合金腐蚀疲劳风险等级评价方程，方程中包括环境因素E (单位时间内主要服役环境参数)和材料因素G(屈服强度)，计算腐蚀疲劳风险等级参数R_CF。

R_CF＝0.42P_d ^0.73·exp(0.025RH)+0.18S_d ^0.6·exp(0.02·RH+0.094T)+f/G

其中：

R_CF代表腐蚀疲劳风险等级参数；

T代表单位时间平均温度，单位为摄氏度(℃)；

RH代表单位时间平均相对湿度，％；

P_d代表单位时间平均SO₂沉积率，单位为毫克每平方厘米天[mg/(cm²·d)]；

S_d代表单位时间平均Cl^-沉积率，单位为毫克每平方厘米天[mg/(cm²·d)]；

G代表材料屈服强度，单位为MPa；

f代表材料强度相关系数。

步骤四：据R_CF的大小对腐蚀疲劳风险等级参考表1进行评价和验证。

表1腐蚀疲劳风险等级表

R<sub>CF</sub>	0-0.6	0.6-2	2-5	5-10	>10
						腐蚀疲劳风险等级	低	中低	中	较高	高

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当指出，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限定本发明。

实施例1

以某商用高强铝合金服役于A地区为例，提供一种铝合金腐蚀疲劳的风险等级评价方法，包括如下步骤：

步骤一：采集单位时间内服役环境信息参数；

A地区月平均温度为25.5℃，相对湿度为79％，平均SO₂沉积率为0.001 mg/(cm²·d)，平均Cl^-沉积率为0.1423mg/(cm²·d)；

步骤二：对服役铝合金材料性能参数进行测试，获取对服役铝合金的材料因素；

实验室根据GB/T228.1-2010-《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》测定该铝合金材料的屈服强度为290.05MPa，屈服强度G≤300MPa，所以f取1。

步骤三：根据采集的环境信息及材料因素，计算腐蚀疲劳风险等级参数R_CF；

A地区：R_CF＝3.00413；

对比风险等级表可知，A地区为中等风险等级。

实施例2

以某商用高强铝合金服役于B地区为例，提供一种铝合金腐蚀疲劳的风险等级评价方法，包括如下步骤：

步骤一：采集单位时间内服役环境信息参数；

B地区由于工业污染严重，其中月平均温度为26℃，相对湿度为92％，平均SO₂沉积率为0.099mg/(cm²·d)，平均Cl^-沉积率为0.153mg/(cm²·d)。

步骤二：同实施例1。

步骤三：根据采集的环境信息及材料因素，计算腐蚀疲劳风险等级参数 R_CF；

B地区：R_CF＝5.01037。

对比风险等级表可知，B地区为较高风险等级。

同时，采用室内环境模拟试验测定S-N曲线(循环应力-疲劳寿命关系曲线)进一步对该铝合金材料在上述两地区环境下进行常规腐蚀疲劳试验进行验证，结果如图2所示。

实验结果进一步证明了B地区服役的高强铝合金的腐蚀疲劳风险较A地区更高。说明本发明所述的腐蚀疲劳风险等级评价方法结果准确。

同时，相比上述常规检测方法，本发明所述评价方法更快捷、高效。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种铝合金腐蚀疲劳的风险等级评价方法，其特征在于，基于铝合金服役环境的环境因素、铝合金的材料因素评价铝合金腐蚀疲劳的风险等级；

所述环境因素为温度、相对湿度及强腐蚀性介质；

所述强腐蚀性介质为SO₂和Cl-；

所述材料因素为力学性能；所述力学性能为屈服强度；

所述风险等级评价方法包括：将所得环境因素、材料因素代入模型方程，计算得到腐蚀疲劳的风险等级参数R_CF；根据腐蚀疲劳的风险等级参数R_CF进行评价；

所述模型方程如下：

R_CF＝0.42P_d ^0.73·exp(0.025RH)+0.18S_d ^0.6·exp(0.02·RH+0.094T)+f/G

其中：

R_CF代表腐蚀疲劳的风险等级参数；

T代表单位时间平均温度，单位为℃；

RH代表单位时间平均相对湿度，％；

P_d代表单位时间平均SO₂沉积率，单位为mg/(cm²·d)；

S_d代表单位时间平均Cl-沉积率，单位为mg/(cm²·d)；

G代表材料屈服强度，单位为MPa；

f代表材料屈服强度相关系数；

所述铝合金腐蚀疲劳的风险等级为：

2.根据权利要求1所述的铝合金腐蚀疲劳的风险等级评价方法，其特征在于，在所述屈服强度的确定过程中，根据铝合金材料的材料状态，转换成铝合金的实际屈服强度值，代入风险等级评价方程。

3.权利要求1或2所述铝合金腐蚀疲劳的风险等级评价方法在铝合金的研发、生产、选材、使用及防护过程中的应用。

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