استراتژی برای طراحی مواد مقاوم در برابر خوردگی

سالانه میلیاردها دلار در ایالات متحده برای تعمیر آسیب های خوردگی هزینه می شود. برای کمک به کاهش هزینه های بالای خوردگی، مهندسان آزمایشگاه تحقیقات دریایی (NRL) در واشنگتن دی سی از شبیه سازی چند فیزیک برای به دست آوردن درک بهتری از مکانیسم اساسی استفاده می کنند. یک نتیجه تحقیقاتی موفق در NRL ارتباط بین ریزساختار فلزی، خوردگی و مقاومت مکانیکی را ایجاد خواهد کرد. سپس طراحان مواد می توانند با استفاده از این اطلاعات جدید، مواد قوی تر و مقاوم در برابر خوردگی تولید کنند.

خوردگی: یک مشکل تعمیر و نگهداری

صدیق قیدوای، مهندس مکانیک در NRL ، سخنران اصلی در کنفرانس COMSOL 2013 بوستون بود ، جایی که او یک سالن مملو از سخنرانی را با سخنرانی در مورد هزینه‌های قابل توجه و خطرات مرتبط با خوردگی روشن کرد. قیدوای همچنین کارهای مهمی را که برای درک بهتر مکانیسم خوردگی در فلزات انجام می دهند، توضیح داد. آنها انتظار دارند که این دانش جدید به طراحی مواد مقاوم در برابر خوردگی کمک کند.

قیدوای در سخنرانی خود توضیح داد: «به طور خاص برای نیروی دریایی، خوردگی مشکل شماره یک تعمیر و نگهداری است. مطمئناً همه ما می‌توانیم با آن احساس ارتباط برقرار کنیم – در مقیاسی بسیار کوچکتر – چه دوچرخه‌ای که زیر باران رها شده باشد، چه ماشینی که زمستان‌های بسیار سختی را تحمل کرده است، چه لوله‌ها و وسایل فلزی که به طور مرتب در خانه‌هایمان استفاده می‌شوند.

با الهام از ارائه او، کار قیدوای و همکارانش در نسخه 2014 COMSOL News ، در مقاله « استراتژی مبتنی بر شبیه سازی برای پیشگیری از خوردگی » در صفحه 36 ارائه شد.

از چپ به راست: صدیق قیدوای (NRL)، ویرجینیا دی گیورگی (NRL)، و نیتیاناند کوتا (Leidos Corp.)، محققانی که در پشت درک مکانیسم اساسی خوردگی در فلزات هستند.

ریزساختار فلزی، رشد گودال و استحکام مکانیکی

محل شروع خوردگی و نحوه انتشار آن به ریزساختار یک فلز بستگی دارد. در شکل زیر، یک میکروگراف الکترونی به دست آمده در NRL، تشکیل یک سطح نامنظم را به دلیل رشد حفره ای در آلیاژ آلومینیوم نشان می دهد. اگر ریزساختار مهم نبود، انتظار می‌رفتیم سطح بسیار صاف‌تری را در تصویر ببینیم.

میکروگراف الکترونی تصویر از C. Feng و S. Policastro، NRL.

خوردگی حفره ای در فلزات در اثر واکنش های الکتروشیمیایی و انتقال جرم در محلول الکترولیت ایجاد می شود که در شکل زیر نشان داده شده است. این نمودار فرآیند خوردگی عمومی را برای فولاد غوطه ور در آب دریا نشان می دهد. با ادامه خوردگی، یون های فلزی مانند Fe ²⁺ در محلول الکترولیت دور از سطح فلز پخش می شوند و منجر به تشکیل حفره هایی می شوند. نمودار نه تنها رشد گودال را نشان می دهد، بلکه تشکیل یک جبهه خوردگی نامنظم را نیز نشان می دهد . جبهه خوردگی سطحی است که در آن واکنش های الکتروشیمیایی رخ می دهد.

نمودار فرآیند خوردگی.

در امتداد جلو، سرعت واکنش به دلیل تفاوت در اندازه، شکل و جهت کریستالوگرافی هر دانه متفاوت است. ریزساختار فولاد ضد زنگ با مرزهای دانه نشان داده شده در نمودار نشان داده شده است. نرخ متفاوت مرتبط با هر دانه منجر به تشکیل یک جبهه خوردگی نامنظم می شود. بنابراین، در نظر گرفتن ریزساختار فلز هنگام مطالعه خوردگی حفره ای در فلزات مهم است.

حال، در نظر بگیرید که با پیشرفت خوردگی حفره‌ای چه اتفاقی می‌افتد. ساختار یک فلز مختل می شود و منجر به ایجاد مناطقی با تنش بیشتر در اطراف یک گودال می شود که در نتیجه مقاومت مکانیکی آن را به خطر می اندازد. اگر تا به حال تکه‌ای شیشه را برای شکستن آن آسان‌تر کرده‌اید، می‌توانید از قبل با آنچه در حال وقوع است ارتباط برقرار کنید. برخلاف فرآیند شکستن شیشه، برای خوردگی در فلزات، کاهش استحکام نامطلوب است و ممکن است منجر به شکست مواد یا اجزا شود. از این رو، تحقیق در NRL با هدف ایجاد رابطه بین ریزساختار، خوردگی و استحکام مکانیکی برای کمک به طراحی مواد مقاوم در برابر خوردگی است.

استفاده از شبیه سازی برای درک بهتر خوردگی

قیدوای و همکارانش در حال کار برای توسعه یک مدل چندفیزیکی کاملاً جفت شده از خوردگی حفره‌ای در فلزات، از جمله واکنش‌های الکتروشیمیایی و انتقال جرم هستند. برای غلبه بر محدودیت های تحقیقات قبلی در این زمینه، آنها روشی را برای گنجاندن ریزساختار فلزی در مدل خوردگی حفره ای خود توسعه داده اند.

ترکیب ریزساختار فلزی در یک مدل خوردگی حفره‌ای

محققان NRL توانستند ریزساختار فولاد را از تصاویر سه بعدی به دست آمده با استفاده از میکروسکوپ تصویربرداری جهت (OIM) بازسازی کنند. ریزساختار فلزی بازسازی شده در سمت چپ در شکل بالا همراه با افسانه ای که جهت کریستالوگرافی هر دانه را نشان می دهد ارائه شده است. در سمت راست، می توانید هندسه مدل پیاده سازی شده در نرم افزار شبیه سازی COMSOL Multiphysics را مشاهده کنید.

برای توسعه یک مدل کامل از خوردگی حفره‌ای در فولاد 316، Qidwai از رابط انتقال گونه‌های رقیق برای انتقال جرم، معادلات لاپلاس و پواسون برای پتانسیل الکتریکی و فناوری مش متحرک (ALE) برای جبهه خوردگی استفاده می‌کند. Qidwai توضیح می دهد: «می توانید از COMSOL Multiphysics با ماژول خوردگی برای حل این مشکل استفاده کنید. “همه کارهایی که قبلاً بسیار دشوار به نظر می رسید، اکنون بسیار آسان است زیرا ماژول کارهای زیادی را برای شما انجام می دهد.”

اجرای حرکت جلوی خوردگی نامنظم به دلیل ریزساختار فلزی یک چالش منحصر به فرد را در کار شبیه سازی آنها ارائه کرد. قیدوای می گوید: «در هر مکان در امتداد جبهه خوردگی، ما باید جهت کریستال را برای محاسبه پتانسیل خوردگی مربوطه تعیین کنیم، که به نوبه خود میزان خوردگی و حرکت جبهه را تعیین می کند. “LiveLink™ for MATLAB® یک ویژگی ضروری برای ما بوده است تا تاثیر ریزساختار فلزی را در بر بگیرد.” پتانسیل خوردگی، به ویژه، در MATLAB® برای یک جهت کریستالوگرافی خاص تعیین می شود.

کار آنها همچنین شامل تجزیه و تحلیل مکانیک ساختاری جدا شده از رشد گودال در فلزات است. می‌توانید در تصویر صفحه‌نمایش محیط COMSOL Desktop® در سمت چپ ببینید. نتایج شبیه سازی در نمودار سمت راست نشان دهنده رشد گودال با یک جبهه خوردگی نامنظم است.

کار آینده در NRL به سمت ایجاد یک مدل کاملاً جفت خوردگی حفره‌ای که شامل مکانیک سازه است، هدایت خواهد شد. به این ترتیب تأثیر رشد گودال بر مقاومت مکانیکی ماده به همراه تأثیر بارگذاری مکانیکی بر خوردگی حفره ای در نظر گرفته می شود. هنگامی که مدل تکمیل و اعتبار سنجی شد، می تواند به عنوان یک ابزار ارزشمند برای کمک به طراحان مواد در ایجاد مواد مقاوم در برابر خوردگی، که در نهایت برای همه مفید است، عمل کند.

بیشتر خواندن

• برای اطلاعات بیشتر در مورد تحقیقات خوردگی حفره‌ای با استفاده از شبیه‌سازی چندفیزیکی در NRL، مقاله کامل « استراتژی مبتنی بر شبیه‌سازی برای پیشگیری از خوردگی » را بخوانید.
• ارائه اصلی اصلی در مورد مدل‌سازی خوردگی حفره‌ای در مقیاس ریزساختاری توسط صدیق قیدوای از کنفرانس COMSOL 2013 بوستون را تماشا کنید .
• کوتا، ن. قیدوای، اس ام; و دی جورجی، وی جی. “مدلسازی تاثیر ریزساختار بر رشد گودال خوردگی و تمرکز تنش حاصله”، ECS Transactions ، جلد. 58، شماره 31، صص 35-44، 1393.

MATLAB یک علامت تجاری ثبت شده The MathWorks, Inc است. همه علائم تجاری دیگر متعلق به صاحبان مربوطه هستند. برای فهرستی از این صاحبان علامت تجاری، به http://www.comsol.com/tm مراجعه کنید . COMSOL AB و شرکت‌های تابعه و محصولات آن به این صاحبان علامت تجاری وابسته، تأیید، حمایت مالی یا پشتیبانی نمی‌شوند.