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铸造AZ91D镁合金腐蚀动态力学性能评价及防护研究

作　者: 王强
导　师: 刘耀辉
学　校: 吉林大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 镁合金稀土改性腐蚀动态力学性能腐蚀动态强度动态评价准则微生物腐蚀
分类号: TG172
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文主要研究铸造AZ91D镁合金在普通电化学腐蚀和微生物腐蚀两种条件下的腐蚀动态力学性能,在系统深入分析AZ91D镁合金在自腐蚀条件下和微电物腐蚀条件下腐蚀剩余强度变化规律的基础上,揭示了镁合金腐蚀动态强度变化机理。大量的实验数据表明,镁合金受到腐蚀后其强度会迅速衰减,曲线拟合结果表明,随着浸泡时间的增加,铸造AZ91D镁合金腐蚀剩余强度遵循负指数变化规律。点蚀的发生是导致其腐蚀后强度处于动态衰减过程中的直接原因,点蚀坑的形核及长大造成了镁合金有效承载面积的下降和局部应力集中的形成,点蚀坑成为腐蚀发生后镁合金断裂过程中主要的裂纹源,是导致AZ91D镁合金最终断裂失效的根本原因。通过ANSYS有限元模拟分析发现,腐蚀内部应力场及应变场强度远高于基体的平均水平。因此,在外加载荷的作用下,蚀坑部位会率先失效。有限元模拟计算结果与实验数据完全吻合,从另一侧面证明了点蚀坑在镁合金腐蚀剩余强度衰减过程中的核心地位。通过对镁合金点蚀的研究,建立了镁合金多晶粒复相电极耦合模型,通过电化学热力学计算进一步建立了镁合金点蚀的热力学基础并揭示了镁合金点蚀形核的机理。通过电场模型的解释可以看出,由于腐蚀不均匀导致氯离子在电场力的作用下定向移动破坏腐蚀膜层是点蚀长大的根本原因。通过5样本最大蚀坑深度统计数据表明,稀土改性AZ91D镁合金最大蚀坑深度在腐蚀初期低于AZ91D镁合金,随着腐蚀的发展,由于稀土元素细化了β相导致其对点蚀的抑制作用降低,使得稀土改性AZ91D镁合金最大蚀坑深度在腐蚀后期高于AZ91D镁合金。AZ91D镁合金腐蚀剩余强度—最大蚀坑深度函数关系表明,腐蚀剩余强度随着最大蚀坑深度的增加呈现出良好的负线性关系。根据镁合金腐蚀剩余强度与最大腐蚀坑深度之间存在函数关系,在脆性材料经典破坏准则的基础上建立了镁合金腐蚀剩余强度评价准则,即,当最大腐蚀坑深度超过工程实际中允许的最大蚀坑深度时,镁合金构件断裂失效,材料发生破坏,式中安全因子可根据实际情况取1.0～2.0之间的数值。为镁合金产品的设计提供理论参考,同时也为正在使用和即将投入使用的镁合金产品提供安全评价依据。SF

全文目录

内容提要  5-10
第1章绪论  10-34
  1.0 引言  10-14
  1.1 镁合金腐蚀机理与防护技术研究现状  14-26
    1.1.1 镁及镁合金腐蚀  14-15
    1.1.2 镁合金腐蚀机理研究现状  15-22
    1.1.3 镁合金腐蚀防护技术研究现状  22-26
  1.2 镁合金腐蚀动态力学性能研究背景及研究现状  26-30
    1.2.1 镁合金力学性能及断裂行为研究现状  26-27
    1.2.2 镁合金腐蚀动态力学性能研究背景与现状  27-29
    1.2.3 镁合金腐蚀动态力学性能防护  29-30
    1.2.4 镁合金腐蚀动态力学性能评价  30
  1.3 本论文主要研究内容  30-31
  1.4 本论文选题特色及意义  31-34
第2章实验设备及方法  34-48
  2.0 引言  34
  2.1 实验材料制备  34-37
    2.1.1 合金成分设计  34-36
    2.1.2 合金的制备  36-37
  2.2 试验样品的制备  37-38
    2.2.1 微观组织观察样品的制备  37
    2.2.2 腐蚀形貌样品的制备  37
    2.2.3 腐蚀失重及电化学测试样品的制备  37
    2.2.4 拉伸测试样品的制备  37-38
  2.3 微观组织及断口的表征  38-39
    2.3.1 微观组织观察及分析  38
    2.3.2 显微断口分析  38-39
  2.4 腐蚀性能的表征  39-40
    2.4.1 腐蚀溶液  39
    2.4.2 腐蚀失重测试  39-40
    2.4.3 电化学测试  40
  2.5 力学性能的表征  40-41
    2.5.1 拉伸试验  40-41
    2.5.2 应力场与应变场的模拟计算  41
    2.5.3 腐蚀动态强度的表征  41
  2.6 硫酸盐还原菌的培养、提纯与鉴定  41-45
    2.6.1 硫酸盐还原菌的培养  41-43
    2.6.2 菌株的分离与提纯  43
    2.6.3 革兰氏染色与细胞形貌  43
    2.6.4 16S rDNA 扩增及序列测定  43-45
  2.7 镁合金微生物腐蚀原位腐蚀法  45-48
    2.7.1 微生物腐蚀研究方法概述  45
    2.7.2 原位腐蚀法的设计与操作  45-48
第3章自腐蚀条件下AZ91D镁合金腐蚀剩余强度变化规律及机理研究  48-68
  3.0 引言  48-49
  3.1 结果分析与讨论  49-66
    3.1.1 微观组织分析  49-50
    3.1.2 开路电位及腐蚀速率  50-52
    3.1.3 点蚀热力学分析  52-54
    3.1.4 点蚀评价  54-56
    3.1.5 腐蚀剩余强度变化规律及机理  56-59
    3.1.6 最大蚀坑深度对腐蚀剩余强度的影响  59-61
    3.1.7 腐蚀对断裂能量的影响  61-63
    3.1.8 腐蚀断口形貌分析  63-66
  3.2 本章小结  66-68
第4章稀土Y对AZ91D镁合金腐蚀动态强度的影响  68-94
  4.0 引言  68-69
  4.1 实验结果与讨论  69-92
    4.1.1 微观组织分析  69-73
    4.1.2 宏观腐蚀行为及机理分析  73-77
    4.1.3 点蚀行为及机理分析  77-81
    4.1.4 腐蚀动态力学行为分析  81-85
    4.1.5 稀土Y添加量对腐蚀剩余强度的影响  85-87
    4.1.6 断口形貌及断裂机理分析  87-88
    4.1.7 稀土Y添加量对断口形貌的影响  88-92
  4.2 本章小结  92-94
第5章稀土Ce对AZ91D镁合金腐蚀动态强度的影响  94-120
  5.0 引言  94-95
  5.1 结果与讨论  95-118
    5.1.1 微观组织分析  95-98
    5.1.2 宏观腐蚀行为及机理分析  98-102
    5.1.3 点蚀行为及机理分析  102-105
    5.1.4 力学行为分析  105-107
    5.1.5 腐蚀动态力学性能分析  107-112
    5.1.6 断口形貌及断裂机理分析  112-118
  5.2 本章小结  118-120
第6章稀土Ce、Y复合改性对AZ91D镁合金腐蚀动态强度的影响  120-140
  6.0 引言  120-121
  6.1 结果与讨论  121-137
    6.1.1 稀土Ce对AZ91D+1.0Y镁合金微观组织的影响  121-123
    6.1.2 稀土Ce对AZ91D+1.0Y镁合金力学性能的影响  123-124
    6.1.3 稀土Ce对AZ91D+1.0Y镁合金腐蚀热力学及动力学的影响  124-125
    6.1.4 稀土Ce对AZ91D+1.0Y镁合金点蚀行为的影响  125
    6.1.5 稀土Ce对AZ91D+1.0Y镁合金腐蚀动态强度的影响  125-127
    6.1.6 稀土Ce对AZ91D+1.0Y镁合金断口形貌的影响  127-129
    6.1.7 稀土Y对AZ91D+1.0Ce镁合金微观组织的影响  129-130
    6.1.8 稀土Y对AZ91D+1.0Ce镁合金力学性能的影响  130-131
    6.1.9 稀土Y对AZ91D+1.0Ce镁合金腐蚀电极动力学的影响  131-132
    6.1.10 稀土Y对AZ91D+1.0Ce镁合金点蚀行为的影响  132-133
    6.1.11 稀土Y对AZ91D+1.0Ce镁合金腐蚀动态强度的影响  133-135
    6.1.12 稀土Y对AZ91D+1.0Ce镁合金断口形貌的影响  135-137
  6.2 本章小结  137-140
第7章硫酸盐还原菌影响下AZ91D镁合金腐蚀机理与腐蚀动态强度研究  140-162
  7.0 引言  140-143
  7.1 纯镁微生物腐蚀行为及机理  143-147
    7.1.1 硫酸盐还原菌细胞形貌  143
    7.1.2 纯镁微生物腐蚀形貌分析  143-144
    7.1.3 腐蚀速率  144-145
    7.1.4 腐蚀产物分析  145-147
  7.2 铸造AZ91D镁合金的微生物腐蚀行为及机理  147-154
    7.2.1 开路电位  147-148
    7.2.2 微观组织形貌分析  148
    7.2.3 腐蚀形貌分析  148-150
    7.2.4 腐蚀动力学  150-152
    7.2.5 腐蚀产物分析  152-154
    7.2.6 腐蚀机理分析  154
  7.3 硫酸盐还原菌影响下AZ91D镁合金腐蚀剩余强度衰减规律及机理  154-159
  7.4 本章小结  159-162
第8章镁合金点蚀机理与腐蚀动态强度评价  162-188
  8.0 引言  162-164
  8.1 镁合金局部腐蚀热力学分析  164-171
    8.1.1 多晶粒复相电极耦合模型的建构  164-168
    8.1.2 镁合金点蚀“自催化效应”  168-171
  8.2 腐蚀应力场和应变场计算及分析  171-175
  8.3 镁合金腐蚀动态强度的评价准则  175-185
    8.3.1 建立镁合金腐蚀动态强度评价方法的意义  175
    8.3.2 镁合金腐蚀剩余强度的测试  175-176
    8.3.3 镁合金腐蚀动态强度评价参数的选择  176-178
    8.3.4 最大蚀坑深度法  178-183
    8.3.5 镁合金腐蚀动态强度评价准则——最大腐蚀坑深度破坏准则  183-185
  8.4 本章小结  185-188
第9章全文结论  188-192
参考文献  192-206
攻博期间发表的学术论文、相关科研成果及获得奖励  206-208
致谢  208-210
附录  210-214
摘要  214-217
ABSTRACT  217-220

铸造AZ91D镁合金腐蚀动态力学性能评价及防护研究

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