摘要
304不锈钢被广泛使用于核能、化学工业和食品医疗行业，其在大气环境中服役时会在腐蚀介质和应力的作用下发生大气应力腐蚀断裂失效，造成巨大的经济损失。针对海水制氢、核工业等使用场景下304不锈钢构件的健康监测和使用寿命预测的迫切需要，本文基于近场动力学理论，提出了近场动力学理论大气应力腐蚀断裂数值模拟计算模型，并使用该模型对304不锈钢在不同相对湿度下的大气应力腐蚀断裂开展研究，以揭示相对湿度对其裂纹扩展的影响。根据大气应力腐蚀的特征，研究了304不锈钢大气应力腐蚀过程中金属表面电解质液膜厚度、氢和应力的影响。基于近场动力学理论，构建近场动力学理论大气应力腐蚀断裂模型，并据此编写计算程序。使用该模型对相对湿度为35%和75%条件下304不锈钢的大气应力腐蚀断裂行为进行仿真试验，仿真试验结果与相关实验结果吻合度较高，验证了该模型的可行性。 本文的主要研究内容如下： (1)对304不锈钢大气应力腐蚀机理的分析。根据304不锈钢大气应力腐蚀的特点，将大气环境对其腐蚀过程的影响综合考虑为液膜厚度对其腐蚀速率的作用，其腐蚀速率随着液膜厚度增加呈先增后减的趋势。在阳极溶解型大气应力腐蚀中，腐蚀电流密度受液膜厚度、以及氢和应力的综合影响，设腐蚀速率最大值所对应的液膜厚度为λ0(对于304不锈钢，本文取λ0=30μm）：当λ＜λ0时，忽略氢原子对大气应力腐蚀的影响，腐蚀电流密度i=k(σ）i0;当λ≥λ0时，考虑氢和应力的交互作用对大气应力腐蚀的影响，i=k(H)k（σ）k(σ，H)i0。 (2)近场动力学理论大气应力腐蚀断裂数值模拟计算模型的构建及计算程序的设计。在阳极溶解型大气应力腐蚀过程中，由于腐蚀电流密度正比于腐蚀速率，可将液膜厚度、氢和应力对腐蚀电流密度的作用看作对其腐蚀速率的影响。在基于近场动力学理论构建的近场动力学理论大气应力腐蚀断裂模型中：当λ＜λ0时，材料的微溶解性ksdiss(xL，xs)=kudissk（σ）；当λ≥λ0时，ksdiss(xL，xs)=kudissk(H)k（σ）k（σ，H）。对构建的近场动力学理论大气应力腐蚀断裂模型使用MATLAB和C语言编写计算程序。 (3)不同相对湿度下304不锈钢大气应力腐蚀断裂的数值模拟仿真。采用近场动力学理论大气应力腐蚀断裂模型，对304不锈钢在不同相对湿度（RH=35%和RH=75%）下的大气应力腐蚀断裂过程进行数值模拟试验。试验结果表明：相同条件下，相对湿度越大，304不锈钢大气应力腐蚀断裂过程中的裂纹扩展区域越大，并出现了分支裂纹。将数值模拟结果与相关实验结果进行对比分析，以验证模型的可靠性。 数值模拟结果与相关实验结果吻合度较高，这表明该模型成功捕获了304不锈钢在大气应力腐蚀断裂过程中的裂纹扩展动态与分支行为，验证了该模型的可行性，为304不锈钢大气应力腐蚀断裂研究提供了新方法，对304不锈钢结构的健康监测和使用寿命预测具有重要作用。
NETL