金属腐蚀“3等线”和试验日历寿命确定方法

张福泽空军装备研究院 航空装备研究所， 北京 100076

金属腐蚀“3等线”和试验日历寿命确定方法

张福泽*
空军装备研究院 航空装备研究所， 北京 100076

为了探讨金属日历寿命，通过理论分析和试验研究，发现金属腐蚀的一种等湿等温等时线，它在腐蚀损伤与试验溶液浓度d坐标系中是一条直线，在这条直线上每一点的腐蚀试验湿度、温度和时间各自保持相等，简称腐蚀“3等线”。通过“3等线”与其他综合研究，推导出试验日历寿命计算公式和确定方法。同时又进行了腐蚀损伤与腐蚀时间的线性规律和腐蚀“3等线”存在的试验验证。

材料腐蚀； 金属腐蚀“3等线”； 日历寿命； 腐蚀环境； 腐蚀损伤

众所周知，在金属日历寿命确定中，至今仍没有找到直接应用腐蚀试验损伤给出使用日历寿命的计算公式和确定方法，而是必须进行“当量折算”，即把试验值转换为使用值。在金属腐蚀领域中，关于“当量折算”已有很多论述[1-3]，但都存在某些严重不足，因此尚没有得到有效的应用。本文通过大量腐蚀试验研究，发现一种等湿等温等时线，也称之为腐蚀“3等线” 。根据此曲线和其他综合研究，推导出了一种直接应用试验损伤值求取试验日历寿命的计算公式。它在使用环境的湿度和温度不变的情况下，仅用提高试验介质浓度的方法进行腐蚀试验，利用试验获得的损伤值就可以直接求出金属在使用环境下的试验日历寿命，不需要上述的“当量折算”。因此，这是一种简单易行的求腐蚀试验日历寿命的方法。

1 金属腐蚀的等湿等温等时线

1.1 理论分析

从腐蚀机理上分析，绝大多数金属腐蚀是由电化学反应引起的，这一点已为国内外同行学者所认同[4-7]。电化学反应的腐蚀损伤量可由著名的法拉第定律表示

(1)

式中：D为金属腐蚀量；Ic为腐蚀电流；F为常数；h为腐蚀时间。

文献[3,5]指出，Ic为腐蚀温度、湿度和电解溶液浓度的函数。由于在温-湿谱试验中，每级浓度的试验温度、湿度和时间都各自保持不变，故只有电解溶液浓度为变量，因此式(1)中的腐蚀损伤D为溶液浓度的单值函数。这样一来，D与腐蚀溶液浓度可能存在着一种简单的线性关系。这种分析的线性关系在后续试验中得到了验证。

1.2 腐蚀试验研究

为了探讨金属腐蚀的等湿等温等时线，采用提高腐蚀试验浓度的方法，进行了30CrMnSiA 钢和LY12CZ铝、LC4SC铝的腐蚀试验研究。在腐蚀试验中，试验浓度di由海南陵水地区的实测介质浓度值(d=1)加倍所得(见表1、表2)；Di为每种材料在试验湿度RH、温度T和腐蚀时间H设定值不变的情况下，各级试验di对应的多个试件腐蚀损伤的平均值(见表3)。试验曲线如图1所示，图中：ΔD和Δd分别为D和d的截距。

从图1中可以看出：①在试验中，RH、T和H保持常值不变的情况下，腐蚀损伤D与试验浓度d呈近似线性关系，即等湿等温等时线呈近似线性关系。②3条等湿等温等时线的线性度和斜率各不相同。

1.3 金属腐蚀等湿等温等时线的定义和特性

通过上述试验和研究，本文找到了一种金属腐蚀等湿等温等时线，如图2所示。图中的横坐标为腐蚀溶液浓度d(使用环境下d=1，试验环境d可取远大于1的溶液浓度)，纵坐标为腐蚀损伤D。当d=0，D=0时，等湿等温等时线为通过坐标原点的一条直线(0-1-t)，可将其定义为标准等温等湿等时线。

表1 海南陵水的介质成分和含量

表2 海南陵水4 L、6 L和12 L的介质含量

表3 3种材料腐蚀试验的平均损伤

图1 30CrMnSiA钢、LY12CZ铝和LC4SC铝的“3等线”

Fig.1 “3 equal-lines” of 30CrMnSiA steel, LY12CZ aluminum and LC4SC aluminum

图2 标准“3等线”

Fig.2 Standard “3 equal-line”

等湿等温等时线的物理含义是，在金属每一级溶液浓度的腐蚀试验过程中，湿度、温度和时间要保持不变，腐蚀损伤D随溶液浓度d的增加呈线性增加。在这条线性线上，任意两点的湿度、温度和时间都是相等的，故称为等湿等温等时线，又称为“3等线”。

找到这条等湿等温等时线，对于探讨通过腐蚀试验给出使用环境下的金属日历寿命的计算公式有重要意义。

2 试验日历寿命公式的建立

2.1 通过坐标原点的腐蚀“3等线”的试验日历寿命公式

1) 使用浓度(d1=1)的损伤(D1)表达式。

假设1 图2中的腐蚀溶液浓度d1=1为某机场使用环境的浓度；dt为试验溶液浓度，它是d1的整数倍。

假设2 图2中各级溶液浓度的试验是在使用环境的温度和湿度下进行的，每级浓度的试验皆进行Ht小时。

由上述假设，图2中的等湿等温等时线的每一点都是使用环境的湿度和温度，每一点的腐蚀时间都是Ht小时。也就是说，当用浓度dt进行Ht小时的腐蚀试验时，可获得Dt的腐蚀损伤量。而用浓度d1=1进行Ht小时的腐蚀试验时，则可获得D1的腐蚀损伤量。因此，由图2可得试验损伤Dt与D1的换算关系为

(2)

式中：D1为用使用浓度d1=1试验Ht小时的损伤量；Dt为用试验浓度dt试验Ht小时的损伤量。

2) 腐蚀容限损伤(D1c)与相应的腐蚀时间H1c的计算公式。

由于在建立D1c与H1c的计算公式时，需要腐蚀损伤D与腐蚀时间H呈线性规律的结论，因此本文在试验验证中，进行了高浓度试验的纯腐蚀和腐蚀疲劳的28条试验D-H曲线，同时又统计了多种材料在使用环境浓度d1=1情况下的D-H曲线，这些曲线都近似遵循线性规律，具体见本文的试验验证。

现假设腐蚀损伤D与腐蚀时间H的示意曲线，如图3所示。

图3 使用环境(d、RH和T)的D -H曲线

Fig.3 D -H curve of service environment (d, RH and T)

图3为使用环境下的浓度、湿度和温度的D-H曲线。由于容限腐蚀损伤D1c为设计已知定值，使用浓度d1=1下的D1与Ht可由图2中的等湿等温等时线获得，因此可导出D1c的计算公式。

(3)

由式(2)和d1=1可得

(4)

式中：H1c为使用浓度、湿度和温度下的D1c相应的腐蚀时间，即金属相对容限腐蚀损伤的日历寿命(小时)；Ht为使用浓度、湿度和温度下的D1相应的腐蚀试验时间(Ht=H1)；D1c为使用浓度、湿度和温度下的腐蚀容限损伤量；Dt为在试验浓度dt、 使用湿度和温度下，试验Ht小时的损伤量；dt为试验浓度(dt=nd1，由于d1=1，所以有dt=n，通常取n>5的整数)。

由式(4)可以看出，在给定D1c的情况下，只要选定一个便于加速腐蚀试验的浓度dt，用dt和使用环境的湿度温度试验Ht小时后，测得Dt，则H1c可求出。

当试验时间为谱块时，则式(4)化为

(5)

当用谱块试验到D1c=Dt时，则有

(6)

式中：λt为用谱块试验的循环周数；hi为第i级温度试验时间。式(5)和式(6)就是用谱块试验时的金属日历寿命H1c的日历寿命(小时)计算公式。

当式(5)和式(6)的试验谱是以日历年编制(一个谱块为1日历年)，而日历寿命H1c也以日历年计算时，式(5)和式(6)可简化为

(7)

λ1c=dtλt

(8)

式中：λ1c为腐蚀容限值对应的日历寿命，年。

2.2 不通过坐标原点的腐蚀“3等线”的试验日历寿命公式

图4 日历寿命修正公式原理

Fig.4 Principle of calendar life amending formula

在工程定寿中，对于没有试验的腐蚀“3等线”，只有1个或2个dt的试验Dt值，且无法修正时，可以直接应用具有中等腐蚀损伤的式(4)、式(5)和式(7)计算日历寿命。

2.3 试验日历寿命确定步骤和计算实例

步骤1 编制真实使用环境谱。如海南陵水环境的3维谱，如表4所示。

表4 海南陵水试验谱

步骤2 配置真实使用环境的浓度。如表1d=1的海南陵水实测值和加重20倍值。

步骤3 选定试验材料，如LY12铝合金。

步骤4 按编制的3维谱和配置的浓度d进行试验，试验实测腐蚀损伤值Dt见表5。

步骤5 LY12CZ铝合金在海南陵水地区日历寿命计算实例。

假设LY12CZ铝合金的腐蚀容限值为D1c=0.6 mm。

表5 在海南陵水谱和dt=20下的LY12CZ试验损伤Dt

Table 5 LY12CZ test damagedtat Lingshui, Haihan spectrum andDt=20

dtSpecimenCorrosiondepth/mmAveragedepth/mmSumupaveragedepth/mm2060.85,0.85,0.83,0.83,0.80,0.80,0.76,0.75,0.72,0.720.79170.85,0.83,0.80,0.78,0.76,0.76,0.76,0.75,0.70,0.680.76980.82,0.78,0.78,0.76,0.76,0.76,0.76,0.75,0.68,0.680.75390.80,0.80,0.80,0.78,0.78,0.76,0.75,0.70,0.68,0.650.750100.82,0.82,0.80,0.78,0.76,0.76,0.73,0.70,0.66,0.650.7480.7622

由表5中的试验结果，可得式(7)中的Dt=0.762 2 mm 和试验浓度dt=20以及试验温-湿谱的循环周数λt=1。由式(7)计算得到LY12CZ铝合金在海南陵水地区的腐蚀容限深度为 0.6 mm 时，需要的日历年λ1c为

3 试验验证

本文在推导金属腐蚀日历寿命的计算公式和确定方法时，使用了腐蚀损伤D与时间H呈线性关系的结论，尽管这个结论已有公认，但仍有疑异。为了进一步验证这种线性关系的正确性，本文进行如下试验验证。

3.1 试验环境下金属腐蚀损伤D与时间H的线性关系验证

为了研究金属腐蚀损伤随腐蚀时间的变化规律，进行3种温度(5 ℃、25 ℃和50 ℃)、4种浓度溶液(在海南陵水地区各介质为1倍的基础上加权10倍、50倍、90倍和130倍，分别以A、B、C、D表示)的两种材料的纯腐蚀试验和腐蚀疲劳试验，试验结果如下。

1) 30CrMnSiA合金钢纯腐蚀的损伤与时间变化规律

试验曲线如图5所示。

图5 在4种浓度3种温度(5 ℃、25 ℃和50 ℃)下的30CrMnSiA纯腐蚀D -H曲线

Fig.5 Pure corrosion D -H curves of 30CrMnSiA at four densities and three temperatures (5 ℃,25 ℃ and 50 ℃) respectively

2) 30CrMnSiA合金钢腐蚀疲劳的损伤与时间变化规律

试验曲线如图6所示。

图6 在4种浓度3种温度(5 ℃、25 ℃和50 ℃)下的30CrMnSiA腐蚀疲劳D -H曲线

Fig.6 Corrosion fatigue D -H curves of 30CrMnSiA at four densities and three temperatures (5 ℃, 25 ℃ and 50 ℃) respectively

3) LY12CZ铝合金腐蚀疲劳的损伤与时间变化规律

LY12CZ铝合金的纯腐蚀试验和腐蚀疲劳试验与30CrMnSiA合金钢的6组试验是一样多的，但为了压缩论文篇幅，此处只列出在50 ℃和A、B、C、D这4种溶液下的腐蚀疲劳试验曲线，如图7 所示。

图7 在4种浓度、50 ℃下的LY12CZ腐蚀疲劳D -H曲线

Fig.7 Corrosion fatigue D -H curves of LY12CZ at four densities and 50 ℃

4) 曲线的线性与腐蚀动力学分析

对图5～图7的31条曲线都进行了线性回归分析。它们中的每条曲线的线性关系都是显著的，R值绝大多数在0.980 0以上。腐蚀动力学规律也都遵循线性关系，每条曲线的腐蚀速度也基本保持不变。有关金属腐蚀损伤与腐蚀时间的线性曲线，文献[2]等都有相关的试验曲线，其线性关系也是显著的，此处不再赘述。

3.2 使用环境下金属腐蚀损伤D与时间H的线性关系验证

为进行金属在自然环境下的腐蚀损伤D与时间H呈线性关系的验证，本文选择由北京航空材料研究院郭洪全研究员提供的LY12CZ铝和17种钢在自然大气环境下的腐蚀数据，如表6～表8所示。

表6 LY12CZ腐蚀速率

表7 17种钢在青岛的腐蚀速率

表8 17种钢在琼海的腐蚀速率

1) LY12CZ在大气中的腐蚀损伤D与时间H的近似线性关系

根据表6 LY12CZ在大气中的腐蚀损伤数据，可计算出平均损伤Di和总平均腐蚀损伤量Dn，列入表6中，并由此数据绘制曲线，如图8所示。

图8 自然环境中的LY12CZ腐蚀D -H曲线

Fig.8 Corrosion D -H curve of LY12CZ in natural environment

2) 17种钢在青岛、琼海自然大气中的腐蚀损伤量Dn与时间H的线性关系

由17种钢腐蚀率计算总平均损伤量，列入表7 和表8，由此绘制D-H线性曲线如图9所示。

3) 曲线线性分析

对图8和图9中的3条曲线进行线性回归分析，可知它们的线性关系是显著的，每条线的R值都在0.099 00以上。这说明LY12CZ铝合金和17种钢在自然大气腐蚀环境下，腐蚀损伤量D与腐蚀时间H确实存在线性关系。由此线性关系建立的模型式(3)～式(8)也是有试验基础的。

3.3 金属腐蚀的等湿等温等时线的试验验证

为了验证金属腐蚀的等湿等温等时线的存在和损伤量D与浓度d的近似线性关系，进行LY12CZ和A3的D-d曲线实测研究。溶液浓度是在海南陵水地区介质浓度基础上加到10、30、50倍。

图9 17种钢在青岛和琼海自然环境下的D -H曲线

Fig.9 D -H curves of 17 steels in Qingdao and Qionghai natural environments

表9 LY12CZ “3等线”试验数据

1) LY12CZ铝合金的等湿等温等时线的试验验证

在LY12CZ每级浓度的腐蚀试验中，湿度、温度和时间都保持各自相等不变，其试验数据见表9，由此数据绘制的等湿等温等时线见图10。

2) A3钢的等温等时线的试验验证

在A3钢每级浓度的腐蚀试验中，温度和时间都保持相同，其试验数据见表10，由此数据绘制的等湿等温等时线见图11。

3) 线性分析

经过对图10和图11两条曲线回归分析，可知它们的线性关系是显著的，每条线的R值都在0.099 00 以上。这说明LY12CZ铝合金和A3钢在等湿等温等时的腐蚀试验中，它们的腐蚀损伤D与溶液浓度d存在着近似线性关系，即存在着等湿等温等时线。这也说明，在建立模型式(3)～式(8)时，用法拉第定律论证的等湿等温等时线是存在的、正确的。

图10 LY12CZ “3等线”

Fig.10 “3 equal-line” of LY12CZ

表10 A3钢“3等线”试验数据

图11 A3钢“3等线”

Fig.11 “3 equal-line” of A3 steel

4 结 论

1) 通过理论分析和对钢、铝两种材料的腐蚀试验研究，发现试验的金属材料有一条等湿等温等时曲线存在，在这条曲线上任意两点的湿度、温度、时间皆相等。它对建立试验日历寿命公式和确定方法具有重要使用价值。

2) 建立了金属试验的标准和非标准腐蚀“3等线”的使用日历寿命公式，这些公式只要有一个使用温度湿度谱下的试验损伤值Dt，即可求出使用环境下的试验日历寿命，如式(4)和式(7)。

3) 给出试验日历寿命的确定方法和步骤：①编制出使用温度湿度谱；②配置试验的浓度dt；③用编制的温湿谱和配置浓度dt进行试验，测出损伤Dt；④将设定的D1c和试验得到的Dt代入式(4)或式(7)，可求得使用环境下的试验日历寿命。

4) 通过30CrMnSiA和LY12CZ两种材料的高浓度腐蚀试验数据以及LY12CZ和17种钢在自然大气环境下腐蚀数据的研究和分析，验证了这些金属材料在自然使用环境下，腐蚀损伤D与腐蚀时间H存在近似线性关系。

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张福泽 男， 中国工程院院士。主要研究方向： 飞机寿命。

Tel: 010-66713310

E-mail: zhangfuzemail@163.com

Received： 2015-09-30； Revised： 2015-11-28； Accepted： 2015-12-14； Published online： 2015-12-22 14:59

URL： www.cnki.net/KCMS/detail/11.1929.V.20151222.1459.004.html

*Corresponding author. Tel.： 010-66713310 E-mail: zhangfuzemail@163.com

Metallic corrosion “3 equal-line” and formula of test calendar life andits determination method

ZHANG Fuze*

AeronauticalArmamentsResearchInstitute,EquipmentAcademyofAirForce,Beijing100076,China

For research calendar life of metal, this paper through theoretic analysis and test research, a line with equal humidity, teperature and time of metallic corrosion is found out, which presents a straight line indcoordinate system of corrosion damage and solution concentration. Each point on this straight line, known as “3 equal-line”, has equal corrosion test humidity, temperature and time. The formula of service calendar life and determination method of the test are deduced from the research of the “3 equal-line” and other comprehensive research. Meanwhile, we also carry out test to verify the linear regularities of corrosion damage and corrosion time as well as the existence of the “3 equal-line”.

material corrosion; “3 equal-line” of metallic corrosion; calendar life; corrosion environment; corrosion damage

2015-09-30；退修日期：2015-11-28；录用日期：2015-12-14； < class="emphasis_bold">网络出版时间：

时间： 2015-12-22 14:59

www.cnki.net/KCMS/detail/11.1929.V.20151222.1459.004.html

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张福泽． 金属腐蚀“3等线”和试验日历寿命确定方法[J]． 航空学报, 2016, 37(2): 371-380. ZHANG F Z. Metallic corrosion “3 equal-line” and formula of test calendar life and its determination method[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(2): 371-380.

http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2015.0342

V215.5

：A

： 1000-6893(2016)02-0371-10

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