腐蚀环境下高强度铝合金的行为及跨尺度破坏机理研究

为了认识并掌握腐蚀环境中材料的行为及跨尺度破坏机理，本项目结合我国实际，综合国内外研究成果，从电化学、力学和材料学等学科角度入手，在实验室环境下，选择温度、时间和应力水平为观测因素，通过预腐蚀及疲劳试验，对高强度铝合金的腐蚀疲劳机理、腐蚀行为、环境腐蚀和载荷间的协同交互作用规律开展系统的研究，初步建立材料-环境-时间与腐蚀损伤度及疲劳寿命之间的量化关系；理论上把原子模型嵌入到连续介质模型中，采用分子动力学和有限元方法，建立描述结构局部损伤演化到整体破坏的跨尺度耦合模型，分别对铝合金表面腐蚀损伤处微裂纹成核以及微裂纹群演化所形成的广布宏观裂纹扩展过程进行多尺度模拟计算，得到腐蚀损伤结构在疲劳载荷作用下的微裂纹萌生寿命和宏观裂纹扩展寿命，为高温和高湿等复杂环境中结构损伤演化的定量评估奠定重要的理论基础。

为了认识并掌握腐蚀环境中材料的行为及跨尺度破坏机理，本项目结合我国实际，综合国内外研究成果，从电化学、力学和材料学等学科角度入手，采用试验与理论相结合的方法，对高强度铝合金材料在腐蚀环境中的损伤演化过程进行了研究，完成了如下工作:.1. 在实验室环境下，选择温度、时间和应力水平为观测因素，通过预腐蚀及疲劳试验，对高强度铝合金的腐蚀疲劳机理、腐蚀行为、环境腐蚀和载荷间的协同交互作用规律开展系统的研究，初步建立材料-环境-时间与腐蚀损伤度及疲劳寿命之间的量化关系。.2. 采用元胞自动机方法，在不同温度、腐蚀溶液浓度及时间等条件下,建立了金属腐蚀的单坑腐蚀、多坑腐蚀、均匀腐蚀、缝隙腐蚀、搭接件腐蚀及带有产物膜生成的金属腐蚀的元胞自动机模型，通过定义演化规则，利用编制的计算机程序计算得到了不同腐蚀类型的损伤演化过程，最后采用计算机图形图像处理技术，提取腐蚀特征形貌图，并结合CAD软件把提取的形貌图转化为有限元模型，对腐蚀损伤结构的静强度进行了分析。.3. 在元胞自动机方法模拟结构腐蚀损伤形成与扩张的基础上，从微观角度出发，采用分子动力学方法并结合Verlet蛙跳算法，通过求解原子间的作用势以及速度，应用自己编制的计算机程序，对广泛用于工程结构的单晶铝板，在外界载荷作用下腐蚀损伤处微裂纹成核过程进行模拟。得到了结构表面腐蚀损伤周围原子从加载初期出现位错，到继续加载各原子间无序现象进一步加强并偏离理想晶格位置从而发生畸变，直到原子键开始断裂并伴随微裂纹萌生时的坐标位置和能量图。.4.把原子模型嵌入到连续介质模型中，采用分子动力学和有限元方法，建立描述结构局部损伤演化到整体破坏的跨尺度耦合模型，分别对铝合金表面腐蚀损伤处微裂纹成核以及微裂纹群演化所形成的广布宏观裂纹扩展过程进行多尺度模拟计算，得到腐蚀损伤结构在疲劳载荷作用下的微裂纹萌生寿命和宏观裂纹扩展寿命。.5.在以上研究内容的基础上，集成各方面的研究成果，建立了腐蚀环境中金属结构腐蚀损伤演化评估的理论体系。