金屬任意腐蝕損傷量的日歷壽命計算模型和曲線

張福澤

空軍裝備研究院 航空裝備研究所， 北京 100076

金屬任意腐蝕損傷量的日歷壽命計算模型和曲線

張福澤*

空軍裝備研究院 航空裝備研究所， 北京 100076

國際機械日歷壽命研究，都是在假設已知腐蝕損傷容限Dc的前提下，求在這個Dc下的金屬日歷壽命。為了便于應用，本文不再假設腐蝕損傷容限Dc為已知數，而是把Dc當做變量，求金屬任意腐蝕損傷量Di的日歷壽命。本文通過多方面深入研究，發現腐蝕試驗溶液的濃度dt與試驗時間Ht的乘積除以試驗獲得的腐蝕損傷Dt等于一個常數。由此給出一種簡單易行的金屬任意腐蝕損傷量日歷壽命的計算模型和相應的求解曲線。由此模型或曲線，可求得金屬任意腐蝕損傷量的日歷壽命。

金屬腐蝕； 腐蝕損傷容限； 腐蝕試驗； 日歷壽命； 計算模型

文獻[1-8]研究給出在使用環境下機械日歷壽命確定的理論和技術體系，它包括：3維等損傷環境譜編制、日歷壽命計算、試驗日歷壽命的確定、金屬和涂層日歷壽命計算公式和可靠性處理方法等。這是機械日歷壽命確定方法的一套完整的理論體系。用這套理論體系，可直接用機械使用環境參數計算和試驗給出機械使用的日歷壽命，并已得到中國第2代飛機日歷壽命數值的驗證，這是國際機械日歷壽命研究中，其他理論和方法所不能達到的。但這套體系給出的使用環境下的機械日歷壽命有前提條件，即假定已知機械在使用環境下的腐蝕損傷容限Dc。只有已知Dc，才可以用這套理論計算和試驗出與Dc相對應的日歷壽命。由于腐蝕損傷容限Dc受多種因素影響，在工程上很難準確給出，這樣就給日歷壽命的確定帶來變數。此外，由于腐蝕是一個緩慢的過程，需要隨時根據腐蝕損傷判斷日歷壽命，因此工程上需要一種確定任意腐蝕損傷量日歷壽命的方法。

為了解決上述問題，在本文中，不再假設已知某種腐蝕損傷容限Dc是常數，而把它當做變量，來探討此變量與日歷壽命之間的關系，從而給出計算公式和圖解曲線。為實現這一目標，本文通過文獻[8]的試驗使用日歷壽命公式進行研究，并發現這一公式的腐蝕試驗溶液濃度dt與試驗時間Ht的乘積除以試驗獲得的腐蝕損傷Dt等于一個常數，由這個常數即可獲得金屬任意腐蝕損傷量日歷壽命的計算公式和求解曲線。以此便可算得金屬任意腐蝕損傷量的日歷壽命。

1 腐蝕損傷與腐蝕時間(日歷壽命)的關系

本文作者為了研究飛機日歷壽命,曾進行了一些基礎腐蝕試驗和自然大氣環境下的各種金屬腐蝕數據統計,這些試驗、統計數據和曲線作為通用基礎數據和曲線,可供各種腐蝕研究使用。根據需要，筆者直接將文獻[8]和文獻[9]中的一些曲線作為本文論證的基礎曲線。

1.1 試驗環境下金屬腐蝕損傷與時間的線性關系曲線

為了研究金屬腐蝕損傷隨腐蝕時間的變化規律，進行了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、50、90和130倍，分別用A、B、C、D表示)下2種材料的純腐蝕試驗和腐蝕疲勞試驗。

1) 30CrMnSiA合金鋼純腐蝕的損傷D與時間H變化規律的試驗曲線，如圖1[8]所示。

圖1 在4種濃度、3種溫度下30CrMnSiA 的純腐蝕D -H曲線[8]Fig.1 D -H curves of pure corrosion of 30CrMnSiA at 4 densities and 3 temperatures[8]

2) 30CrMnSiA合金鋼腐蝕疲勞的損傷D與時間H變化規律的試驗曲線，如圖2[8]所示。

3) LY12CZ鋁合金腐蝕疲勞的損傷D與時間H變化規律的試驗曲線，如圖3[8]所示。

4) 曲線的線性與腐蝕動力學分析[10]

對圖1～圖3的28條曲線進行了線性回歸分析，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。

圖2 在4種濃度、3種溫度下的30CrMnSiA 腐蝕疲勞D -H曲線[8]Fig.2 D -H curves of corrosion fatigue of 30CrMnSiA at 4 densities and 3 temperatures[8]

圖3 在4種濃度、50 ℃下的LY12CZ腐蝕疲勞D -H曲線[8]Fig.3 D -H curves of corrosion fatigue of LY12CZ at 4 densities and 50 ℃[8]

1.2 使用環境(自然大氣環境)下金屬腐蝕損傷與時間的線性關系曲線

1) LY12CZ鋁合金在自然大氣環境中的腐蝕損傷D(7個區域的平均值)與時間H的自然腐蝕曲線，如圖4[8]所示。

2) 17種鋼在青島和瓊海自然大氣環境中的腐蝕損傷D與時間H的自然腐蝕曲線，如圖5[8]所示。

3) 曲線線性關系分析

對圖4和圖5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0.990 0以上。這說明LY12CZ鋁合金和17種鋼在大氣腐蝕環境下，腐蝕損傷D與腐蝕時間H存在線性關系。

圖4 7個區域自然環境下LY12CZ的腐蝕D -H曲線[8]Fig.4 Corrosion D -H curve of LY12CZ in average natural environment of 7 regions[8]

圖5 17種鋼在青島和瓊海自然環境下的D -H曲線[8]Fig.5 D -H curves of 17 steels at natural environments of Qingdao and Qionghai[8]

2 試驗日歷壽命模型分析

2.1 試驗日歷壽命H1c計算模型

文獻[8]通過腐蝕“3等線”和D-H曲線，推導出如式(1)和式(2)所示的腐蝕試驗日歷壽命的計算模型。

(1)

(2)

式中：D1c為使用濃度、濕度和溫度下的腐蝕損傷容限值；H1c為使用濃度、濕度和溫度下與D1c相應的腐蝕時間，即使用環境下的試驗日歷壽命；Dt為在試驗濃度dt、使用濕度和溫度下，試驗Ht時間后的腐蝕損傷值；λt為譜塊試驗的循環周數；hi為第i級溫度試驗時間；k為溫濕譜中溫度的級數；n為溫濕譜中濕度的級數。

2.2 試驗日歷壽命模型的功能分析

1) 求出試驗日歷壽命H1c

由試驗日歷壽命模型式(1)，在給出使用環境下的腐蝕損傷容限D1c時，只要選定一個便于腐蝕試驗的dt，用dt和使用環境的濕度和溫度，試驗Ht時間后，測得Dt，用式(1)則可求出使用環境下的試驗日歷壽命H1c。這是自1813年《法拉弟定律》創建200多年來，腐蝕界一直追求解決的難題，從此，可以像疲勞壽命那樣，用使用環境參量進行試驗，直接給出試驗日歷壽命H1c。

2) 用式(1)計算H1c，不需要當量折算

在國際日歷壽命確定中，當量折算是不可或缺的，這是因為日歷壽命的給出，必須進行腐蝕試驗，而由于試驗環境參數與使用環境參數不一致，為了給出使用環境下的日歷壽命，必須通過當量折算把試驗結果轉化為使用結果。因為在式(1)模型建立過程中，已把試驗結果轉化到使用結果上，因此，式(1)模型計算的H1c不需要當量折算，這正是式(1)模型比其他模型和方法優越之處。詳見文獻[8]。

3 金屬任意腐蝕損傷量日歷壽命的求解原理

3.1 式(1)理論模型的參數D1c由常數改為變量

在用腐蝕試驗參量計算日歷壽命時，式(1)模型的參數D1c是金屬腐蝕損傷容限的已知定值，根據這個容限定值和腐蝕試驗參量dt、Ht和Dt，便可計算出與它相對應的金屬日歷壽命H1c，現在換一種思維，把腐蝕試驗參量dt、Ht和Dt作為已知常數，把腐蝕損傷容限D1c作為未知變量，則式(1)模型形式變為式(3)模型形式。

(3)

即

(4)

3.2 論證K是常數且不受試驗時間的影響

圖6 試驗Dt-Ht曲線[8]Fig.6 Dt-Ht curve of test[8]

由圖1～圖5的純腐蝕和腐蝕疲勞試驗曲線以及自然環境下的腐蝕曲線，都驗證：在某一介質條件下，腐蝕損傷量D與腐蝕時間H近似呈線性關系。因此可以認為圖6也是線性曲線，在圖6的曲線上取4個點，可得式(5)，這證明不同試驗時間Hti與對應的腐蝕損傷Dti的比值是常數C1。

(5)

由于在腐蝕試驗中dt是常數，而Ht/Dt也是常數，常數乘以常數等于一個新常數K，因此可得式(6)。K是一個常數，不因Ht的改變而改變(見式(6))，因此日歷壽命H1c也不受Ht的影響(見式(3))。

(6)

3.3 論證K是常數且不受試驗溶液濃度的影響

由腐蝕“3等線”的線性關系(見圖7[8]和圖8)，在圖8的“3等線”上取4個點，同樣可得到式(7)。由于“3等線”上各點Ht是相等的，因此可得式(8)。由式(8)可知，K是常數，而且不受dt影響，因此日歷壽命H1c也不受Ht影響(見式(3))。

圖7 LY12CZ的試驗“3等線”[8]Fig.7 “3 equal-line” of test of LY12CZ[8]

圖8 A3鋼的試驗“3等線”Fig.8 “3 equal-line” of test of A3 steel

(7)

(8)

3.4 金屬任意腐蝕損傷量日歷壽命的求解曲線

由于K為常數，因此，可由式(3)繪出圖9的0-B曲線。0-B曲線就是金屬任意腐蝕損傷量日歷壽命的求解曲線。例如，求任意腐蝕損傷量Dm和Dn對應的日歷壽命，只需在圖9中， 找到對應的Hm和Hn即可求解。

圖9 任意腐蝕損傷量日歷壽命的求解曲線Fig.9 Curves of solution for arbitrary corrosion damage calendar life

3.5 推 論

1) 試驗日歷壽命H1c不受腐蝕試驗時間Ht長短的影響，也不受試驗溶液濃度dt高低的影響，這可由式(6)和式(8)得到解釋。這與疲勞壽命截然不同，疲勞壽命的長短直接取決于疲勞試驗的應力水平和時間。

2) 一個地區一種金屬材料的試驗日歷壽命H1c，在腐蝕常數K確定后，給出一種腐蝕損傷Di值，用式(3)或圖9曲線，可求得相對應的日歷壽命H1i。

3) 一種金屬材料在3個地區使用，有3個腐蝕常數K1、K2和K3，，因此也只有3條如圖9所示壽命曲線(0-A、0-B、0-C)。給一個Di可同時得3個地區的日歷壽命H11、H12和H13。

4 金屬任意腐蝕損傷量日歷壽命圖解的步驟

4.1 編制真實環境的等損傷3維腐蝕譜

真實環境的等損傷3維腐蝕譜中包括一年中每一天每一小時的溫度、濕度和時間的具體數據。為了數據的真實性，每個地區至少要統計5～10年的數據，且越多越好。把統計的眾多無序數據，通過等腐蝕損傷計算得到有序可控的“3維環境譜”，詳見文獻[11-13]。

4.2 實測和統計腐蝕介質的成分和含量，配置出腐蝕試驗的溶液濃度dt

詳見文獻[14]。

4.3 編制使用載荷譜

編制使用載荷譜，如飛機的疲勞試驗載荷譜，可直接于腐蝕試驗中。

4.4 制作可施加疲勞載荷的試件

試驗材料取定壽機械的真實材料，試件個數要考慮3種濃度、每種濃度5個試件的數量。試件制作時，要考慮施加疲勞載荷。

4.5 試 驗

將試件分組放于溫濕箱中，按編制的3維環境譜、配置的溶液濃度dt進行腐蝕試驗。根據機械(如飛機)使用情況，在腐蝕試驗中，隨時施加疲勞載荷和紫外線照射等其他腐蝕源。關于試驗時間，如果按式(1)模型求日歷壽命H1c，則試驗時間是小時，若按式(2)模型求日歷壽命H1c，則試驗時間是“3維譜”的循環次數λ，即一個譜塊代表一個日歷年，試驗循環4次，則試驗日歷壽命是4個日歷年。按試驗要求和程序完成試驗后，要對試件的腐蝕損傷進行實測，測出試件腐蝕損傷的平均值Dt。

4.6 求腐蝕常數K值

將試驗使用的溶液濃度dt、時間Ht(或λ)和試驗腐蝕損傷的實測值Dt代入式(4)，便可求得試驗常數K。

4.7 繪制D1c-H1c曲線

用求出的腐蝕常數K和式(3)可繪制出D1c-H1c曲線，如圖10所示。根據D1c-H1c曲線，就可以求任意腐蝕損傷量的日歷壽命H1c，如給出D1

圖10 試驗的D1c-H1c曲線Fig.10 D1c-H1c curve of test

和Di可求得H11和H1i。

5 試驗驗證

本文給出了金屬任意腐蝕損傷量日歷壽命的計算式(式(3))和求解圖(圖9)，兩者都是建立在K=dtHt/Dt為常數的基礎上，否則本文結論就不成立，因此首先要驗證這個腐蝕常數的存在，然后再驗證這個腐蝕常數不受試驗溶液濃度dt和試驗時間Ht的影響。

5.1 驗證K是常數且不受試驗時間的影響

1) 用LY12CZ鋁合金在7個地區自然腐蝕數據驗證。

取文獻[8]中表6的LY12CZ鋁合金在7個地區的自然腐蝕數據，作為本文驗證K是常數和驗證這個常數不受試驗時間Ht影響的基礎數據，列入本文表1中。由表1中7個地區各年(Ht=1,3,6,10 a)的平均腐蝕速率(Dt=0.174,0.417,1.007,1.540 μm/a)和dt=1(因為是自然環境)進行常數K的計算，可得

K1=d1H1/D1=1×1/0.174=5.75

K3=d1H3/D3=1×3/0.417=7.194

K6=d1H6/D6=1×6/1.007=5.958

K10=d1H10/D10=1×10/1.504=6.49

對由4個Ht計算得到的K進行分析，它們的最大誤差是20%，最小誤差是9.8%，這個誤差包括7個地區的統計誤差、腐蝕損傷測量誤差和計算誤差，在腐蝕領域這個誤差是可以接受的。因此可以認為，LY12CZ鋁合金在7個地區自然環境下腐蝕1、3、6、10年的腐蝕常數基本相等，它們的取值是不受腐蝕年限影響的。

2) 用17種鋼在瓊海自然環境下的腐蝕數據

表1 LY12CZ腐蝕速率[8]Table 1 Corrosion ratio of LY12CZ[8]

進行驗證。

取文獻[8]中表8的數據(本文表2)進行常數K=dtHt/Dt計算得：K1=42.37，K2=51.41，K4=50.31，K8=39.58，K16=55.79。最大誤差是29%,最小誤差是7.8%?？梢哉J為， 17種鋼經過1、2、4、8、16 a的自然腐蝕損傷值測量和統計，其數據驗證了K不受腐蝕時間年限影響，而且近似等于常數。

表2 17種鋼在瓊海的腐蝕速率[8]Table 2 Corrosion ratio of 17 steels in Qionghai[8]

5.2 驗證K是常數且不受試驗濃度的影響

1) 以A3鋼腐蝕試驗進行驗證

此項驗證采用文獻[8]為繪制“3等線”進行的A3鋼腐蝕試驗數據。這個試驗的dt是以海南島地區介質成分和濃度為基準，加權到10、30和50倍。試驗的溫度譜和濕度譜也是在海南島地區實測得到的，試驗時間Ht是840 h，實測數據如表3所示。由表3數據進行腐蝕常數K=dtHt/Dt計算，計算結果是K10=12 919、K30=12 793、K50=12 289，從數值上看，它們是相等的，誤差僅為1%、4.8%。這不僅驗證了A3鋼的試驗腐蝕常數存在，也驗證了腐蝕常數K不受試驗濃度大小(10、20、30倍)的影響。

2) 以LY12CZ鋁合金腐蝕試驗進行驗證

LY12CZ試驗驗證與A3鋼驗證類似，也引用文獻[8]的試驗數據(見文獻[8]中表9的數據)，并經過腐蝕常數K=dtHt/Dt的計算后，一起列入本文表4中。由表4可知，LY12CZ鋁合金的試驗腐蝕常數K10、K30和K50也是基本相等的，但沒有A3鋼吻合得那樣好。溶液濃度dt=10與dt=30、dt=50的K值相對誤差是25%、33.6%，但這也足以驗證LY12CZ鋁合金的試驗腐蝕常數K是存在的，且K不隨溶液濃度dt的改變而改變。這個試驗腐蝕常數是作者在80歲時發現的，故稱“80常數”。

表3 A3鋼“3等線”試驗數據[8]和K值Table 3 “3 equal-line” test data[8] and K values of A3 steel

表4 LY12CZ“3等線”試驗數據[8]和K值Table 4 “3 equal-line” test data[8] and K values of LY12CZ

6 結 論

1) 通過對筆者近年在機械日歷壽命研究成果的綜合分析和論證，發現某一金屬在一定的溫濕譜下，試驗的溶液濃度dt和時間Ht的乘積除以試驗的腐蝕損傷Dt等于一個常數，即K=dtHt/Dt為常數，且K不隨dt和Ht的改變而改變，它的取值大小只與被腐蝕的金屬材料、腐蝕試驗的介質成分、溫度、濕度以及機械在使用中的受載情況等因素有關。這也說明試驗日歷壽命不受試驗濃度dt高低和試驗時間Ht長短的影響，可任選一種便于加速試驗的dt和Ht進行試驗，不影響試驗日歷壽命H1c的取值。

發現這個“80常數”是本文對金屬腐蝕日歷壽命研究的一個貢獻，它把復雜的日歷壽命確定的系統工程，簡化到只需確定這個常數。

2) 建立了金屬任意腐蝕損傷量日歷壽命計算公式和便于應用的求解曲線。根據此公式和曲線，就可求該種金屬在這個地區自然環境下的任意腐蝕損傷量相應的日歷壽命。

3) 理論上講，常數K用1種dt和1種Ht進行試驗即可求得，但為了消除試驗誤差，在求K時，最好用1種dt和3種Ht，或者用1種Ht和3種dt進行試驗，求其K的平均值，用求得的K的平均值求試驗日歷壽命。

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(責任編輯： 徐曉)

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170522.0914.002.html

*Corresponding author. E-mail: zhangfuzemail@sina.com

Model and curve of calendar life calculation for metal arbitrary corrosion damage value

ZHANG Fuze*

AeronauticalArmamentsResearchInstitute,EquipmentAcademyofAirForce,Beijing100076,China

Worldwide research on mechanical calendar life is carried out to obtain the calendar life of the metal under the premise of existing corrosion damage toleranceDc. To make the application more available, this paper does not assume the existing corrosion damage toleranceDc, and instead takesDcas a variable and attempts to attain the calendar life of metal arbitrary corrosion damageDi. It is found that the product of the concentration of corrosion experimentdtand the experiment timeHt，divided by corrosion damageDt, which is obtained from experiment, is equal to a constant. Therefore, a simple and highly feasible calculation model for metal arbitrary corrosion damage and the corresponding solution curve can be obtained. Through this model or curve, the calendar life of metal arbitrary corrosion damage can be obtained.

metal corrosion; corrosion damage tolerance; corrosion experiment; calendar life； calculation model

2017-01-06； Revised： 2017-03-13； Accepted： 2017-04-26； Published online： 2017-05-22 09:14

V215.5

A

1000-6893(2017)09-221110-10

2017-01-06； 退修日期： 2017-03-13； 錄用日期： 2017-04-26； 網絡出版時間： 2017-05-22 09:14

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*通訊作者. E-mail: zhangfuzemail@sina.com

張福澤. 金屬任意腐蝕損傷量的日歷壽命計算模型和曲線[J]. 航空學報， 2017, 38(9): 221110. ZHANG F Z. Model and curve of calendar life calculation for metal arbitrary corrosion damage value[J]. Acta Aeronuatica et Astronautica Sinica, 2017, 38(9): 221110.

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10.7527/S1000-6893.2017.221110