 |
خوردگی اتمسفر
معرفی
خوردگی اتمسفر ممکن است زمانی رخ دهد که لایه های نازکی از آب مایع در محدوده صدها میکرومتر بر روی سطوح فلزی در تماس با هوای مرطوب تشکیل شود. ضخامت فیلم به رطوبت نسبی هوای اطراف و همچنین به عواملی مانند زبری سطح و وجود ذرات به ویژه کریستال های نمک بستگی دارد. لایه نازک رطوبت به عنوان الکترولیت عمل می کند و ممکن است باعث پدیده های مختلف خوردگی شود، مانند خوردگی گالوانیکی یک عنصر دو فلزی یا خوردگی شکاف.
این مدل آموزشی، خوردگی گالوانیکی اتمسفر را به عنوان تابعی از رطوبت نسبی هوای اطراف و بار نمک (NaCl) روی سطح آلیاژ آلومینیوم دو فلزی – فولاد مورد مطالعه قرار می‌دهد. فرض بر این است که محلول فیلم الکترولیت در تعادل با ذرات نمک جامد است که به طور یکنواخت روی سطح در یک بار معین توزیع شده است.
مثال از داده های پارامتر از Ref استفاده می کند. 1 ، ر. 2 و رفر. 3 .
تعریف مدل
تنظیم مدل در شکل 1 نشان داده شده است .
شکل 1: تنظیم مدل. هر سطح فلزی 12 میلی متر عرض دارد.
ضخامت لایه الکترولیت هم به چگالی بار نمک و هم به رطوبت نسبی بستگی دارد، شکل 2 را ببینید . این فیلم به طور قابل توجهی به سمت رطوبت نسبی 100٪ رشد می کند.
شکل 2: ضخامت الکترولیت برای رطوبت های نسبی مختلف و چگالی بار نمک. رسانایی به صورت خطی با چگالی بار نمک متفاوت است. ( مرجع 1 )
حلالیت اکسیژن، انتشار اکسیژن و هدایت الکترولیت نیز به رطوبت نسبی بستگی دارد، شکل 3 ، شکل 4 و شکل 5 را ببینید .
شکل 3: حلالیت اکسیژن در مقابل رطوبت نسبی. ( مرجع 1 )
شکل 4: انتشار اکسیژن در مقابل رطوبت نسبی. ( مرجع 2 )
شکل 5: هدایت الکترولیت در مقابل رطوبت نسبی. ( مرجع 1 )
واکنش های الکتروشیمیایی
آلیاژ آلومینیوم نجیب تر در سلول اکسید می شود، با سینتیک واکنش الکترود که بر اساس داده های قطبش تجربی از کتابخانه مواد خوردگی توصیف شده است.
در سطح فولاد، کاهش اکسیژن رخ می دهد. واکنش کاهش اکسیژن توسط انتقال اکسیژن از طریق فیلم محدود می شود. چگالی جریان محدود کننده، i lim، O2 (واحد SI: A/m 2 )، به ضخامت فیلم، حلالیت اکسیژن و انتشار اکسیژن با توجه به موارد زیر بستگی دارد:
که در آن F (96485 C/mol) ثابت فارادی است، D (واحد SI: m 2 / s) میزان انتشار اکسیژن در فیلم است، c sol (واحد SI: mol/m3 ) حلالیت اکسیژن است، و d فیلم (واحد SI: m) ضخامت فیلم است.
با فرض وابستگی مرتبه اول سینتیک کاهش اکسیژن به چگالی جریان محلی غلظت اکسیژن، عبارت زیر برای چگالی جریان، i lim، O2 (واحد SI: A/m 2 )، می‌تواند مشتق شود:
جایی که i expr چگالی جریان محلی واکنش الکترود در غیاب محدودیت‌های انتقال جرم است که بر اساس داده‌های قطبش تجربی از کتابخانه مواد خوردگی توصیف شده است.
نتایج و بحث
شکل 6 چگالی جریان موضعی واکنش های الکترود را برای بار نمک 0.5 گرم بر متر مربع و رطوبت های نسبی مختلف نشان می دهد. جریان های کاتدی به یک فلات نزدیک به x = 0 در قدری می رسند که به طور قابل توجهی تحت تأثیر رطوبت نسبی است. این به دلیل تغییر چگالی جریان محدود کننده برای کاهش اکسیژن است. با افزایش ضخامت لایه، طول انتقال الکترولیت برای اکسیژن در ترکیب با افزایش حلالیت و انتشار اکسیژن برای رطوبت نسبی بالاتر افزایش می‌یابد.
شکل 6: چگالی جریان محلی در امتداد سطح فلز با بار نمک 0.5 گرم بر متر مربع و رطوبت نسبی (RH) از 80٪ تا 98٪.
شکل 7 حداکثر جریان های آندی را برای چگالی های مختلف بار نمک و رطوبت نسبی نشان می دهد. برای همه بارهای نمک، حداکثر چگالی جریان در اطراف رطوبت نسبی 90٪ دیده می شود.
شکل 7: حداکثر چگالی جریان آندی اکسیداسیون فلز روی سطح فلز آلیاژ آلومینیوم برای رطوبت های نسبی مختلف و چگالی بار نمک (LD).
با نگاهی به حداکثر جریان‌های کاتدی در شکل 8 ، مشاهده می‌شود که حداکثر جریان‌های اکسیژن تقریباً یک مرتبه کوچک‌تر از جریان‌های آندی هستند، اما این جریان‌ها از همان روند با حداکثر رطوبت نسبی 90 درصد پیروی می‌کنند. این جریان ها به چگالی جریان محدود کننده برای کاهش اکسیژن بسیار نزدیک هستند.
شکل 8: حداکثر چگالی جریان کاتدی کاهش اکسیژن روی سطح فلز فولاد برای رطوبت نسبی متفاوت و چگالی بار نمک (LD).
در نهایت، شکل 9 میانگین چگالی جریان آند را نشان می‌دهد که اندازه‌گیری از نرخ خوردگی کل نمونه را برای رطوبت‌های نسبی مختلف و چگالی بار نمک به ما می‌دهد. حداکثر برای چگالی بار نمک 3.5 گرم بر متر مربع و رطوبت نسبی 95 درصد یافت می شود.
شکل 9: میانگین چگالی جریان روی سطح فلز آلیاژ آلومینیوم برای رطوبت نسبی متفاوت و چگالی بار نمک (LD).
نکاتی درباره پیاده سازی COMSOL
این مدل با استفاده از توزیع جریان، رابط پوسته با دو جاروی پارامتریک برای مطالعه تأثیر طیفی از رطوبت‌های نسبی مختلف و چگالی بار نمک پیاده‌سازی شده است.
منابع
1. ZY Chen، F. Cui، و RG Kelly، “محاسبات ظرفیت تحویل جریان کاتدی و پایداری خوردگی شکاف در محیط‌های جوی”، J. Electrochemical Society , vol. 155، شماره 7، صفحات C360–368، 2008.
2. D. Mizuno و RG Kelly “خوردگی بین دانه ای ناشی از گالوانیکی AA5083-H131 تحت شرایط قرار گرفتن در اتمسفر – قسمت دوم – مدل سازی توزیع آسیب،” خوردگی ، جلد. 69، شماره 6، صفحات 580-592، 2013.
3. D. Mizuno، Y. Shi و RG Kelly، “مدل سازی برهمکنش های گالوانیکی بین AA5083 و فولاد در شرایط جوی،” گزیده ای از مجموعه مقالات کنفرانس COMSOL 2011 در بوستون .
مسیر کتابخانه برنامه: Corrosion_Module/Atmospheric_Corosion/atmospheric_corrosion
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard روی  2D کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، Electrochemistry>Primary and Secondary Current Distribution>Current Distribution، Shell (cdsh) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
هندسه 1
هندسه را به صورت دو قطعه چندضلعی خطی مجاور، هر کدام به عرض 12 میلی متر رسم کنید.
چند ضلعی 1 (pol1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Polygon کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for Polygon ، بخش Object Type را پیدا کنید . |
3 | از لیست نوع ، منحنی باز را انتخاب کنید . |
4 | بخش مختصات را پیدا کنید . از فهرست منبع داده ، Vectors را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن x ، -12[mm] 0 0 12[mm] را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن y ، 0 0 0 0 را تایپ کنید . |
7 |  روی Build All Objects کلیک کنید . |
تعاریف جهانی
پارامترهای مدل را از یک فایل متنی بارگیری کنید.
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 |  روی Load from File کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل atmospheric_corrosion_parameters.txt دوبار کلیک کنید . |
تعاریف
حالا چند عملگر متوسط و حداکثر ایجاد کنید. این موارد بعداً هنگام پس پردازش نتایج شبیه‌سازی مورد استفاده قرار خواهند گرفت.
میانگین 1 (aveop1)
1 | در نوار ابزار تعاریف ، روی  Nonlocal Couplings کلیک کنید و میانگین را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای میانگین ، بخش انتخاب منبع را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
4 | فقط مرز 1 را انتخاب کنید. |
حداکثر 1 (maxop1)
1 | در نوار ابزار تعاریف ، روی  Nonlocal Couplings کلیک کنید و حداکثر را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای حداکثر ، بخش انتخاب منبع را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
4 | فقط مرز 1 را انتخاب کنید. |
حداکثر 2 (maxop2)
1 | روی Maximum 1 (maxop1) کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای حداکثر ، بخش انتخاب منبع را پیدا کنید . |
3 |  روی Clear Selection کلیک کنید . |
4 | فقط مرز 2 را انتخاب کنید. |
مواد
از کتابخانه مواد خوردگی برای تنظیم خواص مواد برای سینتیک الکترود در سطوح الکترود آلومینیوم و فولاد استفاده کنید.
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Corrosion>Iron Alloys (Steels)> AISI 4340 steel in 0.6M NaCl در pH = 8.3 را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
مواد
فولاد AISI 4340 در 0.6M NaCl در pH = 8.3 (mat1)
1 | فقط مرز 2 را انتخاب کنید. |
2 | در پنجره Model Builder ، فولاد AISI 4340 را در 0.6M NaCl در pH = 8.3 (mat1) گره گسترش دهید. |
درون یابی 1 (iloc_exp)
1 | در پنجره Model Builder ، Component 1 (comp1)>Materials>AISI 4340 steel را در 0.6M NaCl در pH = 8.3 (mat1)> گره چگالی جریان محلی (LCD) گسترش دهید ، سپس روی Interpolation 1 (iloc_exp) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات درون یابی ، روی  Plot کلیک کنید . |
نمودار تابع باید به شکل زیر باشد:
مواد را اضافه کنید
1 | به پنجره Add Material بروید . |
2 | در درخت، Corrosion>Aluminium Alloys>AA5083-H131 را در NaCl 0.6 M انتخاب کنید . |
3 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
4 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
مواد
AA5083-H131 در 0.6 مولار NaCl (mat2)
1 | فقط مرز 1 را انتخاب کنید. |
2 | در پنجره Model Builder ، گره AA5083-H131 را در 0.6 M NaCl (mat2) گسترش دهید . |
درون یابی 1 (iloc_exp)
1 | در پنجره Model Builder ، Component 1 (comp1)>Materials>AA5083-H131 را در 0.6M NaCl (mat2)> گره چگالی جریان محلی (LCD) گسترش دهید ، سپس روی Interpolation 1 (iloc_exp) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات درون یابی ، روی  Plot کلیک کنید . |
نمودار تابع باید به شکل زیر باشد:
توزیع فعلی، شل (CDSH)
اکنون فیزیک را برای توزیع فعلی تنظیم کنید. با انتخاب پتانسیل الکترود مرجع شروع کنید.
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Current Distribution, Shell (cdsh) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای توزیع فعلی ، پوسته ، کلیک کنید تا بخش پتانسیل الکترود مرجع فیزیک در مقابل مواد را گسترش دهید . |
3 | از لیست، 0.241 V (SCE در مقابل SHE) را انتخاب کنید . |
الکترولیت 1
سپس ضخامت الکترولیت و هدایت الکترولیت را تنظیم کنید.
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Current Distribution، Shell (cdsh) روی Electrolyte 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات الکترولیت ، بخش الکترولیت را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن s ، d_film را تایپ کنید . |
4 | از لیست σ l ، User defined را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، سیگما را تایپ کنید . |
سطح الکترود 1
از گره های Electrode Surface برای تنظیم واکنش های الکترود برای دو سطح فلزی استفاده کنید.
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Electrode Surface را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 1 را انتخاب کنید. |
واکنش الکترود 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Electrode Reaction 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای واکنش الکترود ، بخش سینتیک الکترود را پیدا کنید . |
3 | از لیست i loc,expr ، گزینه From material را انتخاب کنید . |
سطح الکترود 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Electrode Surface را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 2 را انتخاب کنید. |
واکنش الکترود 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Electrode Reaction 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای واکنش الکترود ، بخش سینتیک الکترود را پیدا کنید . |
3 | از لیست i loc,expr ، گزینه From material را انتخاب کنید . |
4 | تیک گزینه Limiting current density را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن i lim ، ilim را تایپ کنید . |
مش 1
برای این مشکل از یک مش ریزتر در نقطه تقاطع بین دو سطح الکترود استفاده کنید.
لبه 1
1 | در نوار ابزار Mesh ، روی  Edge کلیک کنید . |
2 | در پنجره Graphics کلیک کنید و سپس Ctrl+A را فشار دهید تا هر دو مرز انتخاب شوند. |
توزیع 1
1 | روی Edge 1 کلیک راست کرده و Distribution را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای توزیع ، بخش توزیع را پیدا کنید . |
3 | از لیست نوع توزیع ، از پیش تعریف شده را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متنی Number of Elements عدد 50 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن نسبت عنصر ، 10 را تایپ کنید . |
6 | تیک Reverse direction را انتخاب کنید . |
توزیع 2
1 | روی توزیع 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 2 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای توزیع ، بخش توزیع را پیدا کنید . |
4 | تیک Reverse direction را پاک کنید . |
5 |  روی ساخت همه کلیک کنید . |
مش تمام شده شما اکنون باید به شکل زیر باشد:
مطالعه 1
مشکل اکنون برای حل آماده است. از یک جارو پارامتریک برای مطالعه جریان های خوردگی برای طیفی از رطوبت های نسبی مختلف و چگالی بار نمک استفاده کنید.
جارو پارامتریک
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  پارامتر Sweep کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جابجایی پارامتری ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | از لیست نوع Sweep ، همه ترکیبات را انتخاب کنید . |
4 |  روی افزودن کلیک کنید . |
5 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام پارامتر | لیست مقادیر پارامتر | واحد پارامتر |
LD (چگالی بار نمک) | 0.0005 0.001 0.002 0.0035 0.007 [kg/m^2] | کیلوگرم بر متر ^ 2 |
6 |  روی افزودن کلیک کنید . |
7 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام پارامتر | لیست مقادیر پارامتر | واحد پارامتر |
RH (رطوبت نسبی) | محدوده(0.8,0.03,0.98) |
راه حل 1 (sol1)
برای بهبود دقت راه حل ها، تحمل حل کننده را کاهش دهید.
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Show Default Solver کلیک کنید . |
2 | در پنجره Model Builder ، گره Solution 1 (sol1) را گسترش دهید ، سپس روی Stationary Solver 1 کلیک کنید . |
3 | در پنجره تنظیمات برای حل ثابت ، بخش عمومی را پیدا کنید . |
4 | در قسمت متنی Relative tolerance ، 0.00001 را تایپ کنید . |
5 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
نمودارها را از بخش نتایج و بحث به روش زیر بازتولید کنید:
گروه طرح 1 بعدی 5
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، بخش Axis را پیدا کنید . |
3 | کادر بررسی مقیاس گزارش محور y را انتخاب کنید . |
نمودار خطی 1
1 | در نوار ابزار 1D Plot Group 5 ، روی  Line Graph کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از فهرست مجموعه داده ، مطالعه 1/راه حل 1 (sol1) را انتخاب کنید . |
4 | از لیست انتخاب پارامتر (LD) ، First را انتخاب کنید . |
5 | در پنجره Graphics کلیک کنید و سپس Ctrl+A را فشار دهید تا هر دو مرز انتخاب شوند. |
6 | قسمت y-Axis Data را پیدا کنید . در قسمت متن Expression ، abs(cdsh.iloc_er1) را تایپ کنید . |
7 | چک باکس Description را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، چگالی جریان محلی را تایپ کنید . |
8 | قسمت x-Axis Data را پیدا کنید . از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید . |
9 | در قسمت Expression text، x را تایپ کنید . |
10 | برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . تیک Show legends را انتخاب کنید . |
11 | در نوار ابزار 1D Plot Group 5 ، روی  Plot کلیک کنید . |
گروه طرح 1 بعدی 6
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید .
Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید .جهانی 1
1 | در نوار ابزار 1D Plot Group 6 ، روی  Global کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
اصطلاح | واحد | شرح |
maxop1(cdsh.iloc_er1) | A/m^2 |
گروه طرح 1 بعدی 6
1 | در پنجره Model Builder ، روی 1D Plot Group 6 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . |
3 | از لیست نوع عنوان ، دستی را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متن عنوان ، Maximum Anode Current Density را تایپ کنید . |
5 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
6 | چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . در قسمت متن مربوطه، رطوبت نسبی (1) را تایپ کنید . |
7 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، تراکم جریان (A/m<sup>2</sup>) را تایپ کنید . |
8 | قسمت Legend را پیدا کنید . از لیست موقعیت ، سمت چپ بالا را انتخاب کنید . |
9 | در نوار ابزار 1D Plot Group 6 ، روی  Plot کلیک کنید . |
گروه طرح 1 بعدی 7
روی Results>1D Plot Group 6 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید .
جهانی 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره 1D Plot Group 7 را گسترش دهید ، سپس روی Global 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
اصطلاح | واحد | شرح |
maxop2(-cdsh.iloc_er1) | A/m^2 |
گروه طرح 1 بعدی 7
1 | در پنجره Model Builder ، روی 1D Plot Group 7 کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، قسمت Title را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن عنوان ، Maximum Cathode Current Density را تایپ کنید . |
4 | در نوار ابزار 1D Plot Group 7 ، روی  Plot کلیک کنید . |
گروه طرح 1 بعدی 8
در پنجره Model Builder ، در زیر Results روی 1D Plot Group 6 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید .
جهانی 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره 1D Plot Group 8 را گسترش دهید ، سپس روی Global 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
اصطلاح | واحد | شرح |
aveop1(cdsh.iloc_er1) | A/m^2 |
گروه طرح 1 بعدی 8
1 | در پنجره Model Builder ، روی 1D Plot Group 8 کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، قسمت Title را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن عنوان ، Average Anode Current Density را تایپ کنید . |
4 | در نوار ابزار 1D Plot Group 8 ، روی  Plot کلیک کنید . |
