 |
خوردگی گالوانیکی یک آلیاژ منیزیم در تماس با فولاد
معرفی
آلیاژهای منیزیم جایگزین های جذابی به عنوان مواد سبک وزن در زمینه های مختلف مهندسی هستند. با این حال، منیزیم نسبتاً غیر نجیب است و ممکن است هنگام استفاده همراه با فلزات دیگر، به عنوان مثال هنگام نصب یک جزء آلیاژ منیزیم با استفاده از بست های فولادی، دچار خوردگی گالوانیکی قابل توجهی شود.
این مثال مدل یک جفت خوردگی گالوانیکی متشکل از آلیاژ منیزیم (AZ91D) و فولاد (4150)، با آب نمک (5٪ NaCl) به عنوان الکترولیت را شبیه سازی می کند. مثال بر اساس مقاله ای از JX Jia و دیگران است ( مراجعه 1 ).
تعریف مدل
این مدل در دو بعدی با استفاده از تقارن محوری ساخته شده است، شکل 1 را ببینید ، با یک دامنه الکترولیت واحد به شعاع 10 سانتی متر و ارتفاع 7.5 سانتی متر. رسانایی الکترولیت روی 7.95 S/m تنظیم شده است.
شکل 1: هندسه مدل. دامنه الکترولیت با تقارن محوری.
شرایط مرزی
کاتد یک دیسک ساخته شده از فولاد 4150 است که در مرکز هندسه در z = 0 قرار می گیرد و در جهت r گسترش می یابد . سه شعاع دیسک مختلف بررسی شده است: 5 ، 10 ، و 30 میلی متر.
الکترود آلیاژ منیزیم AZ91D خارج از دیسک فولادی روی خط z = 0 قرار می گیرد .
سینتیک الکترود در هر دو سطح آلیاژ فولاد و منیزیم با استفاده از داده‌های قطبش تجربی موجود در کتابخانه مواد خوردگی توصیف می‌شود.
پتانسیل الکتریکی هر دو سطح الکترود روی زمین تنظیم می شود.
مرزهای بیرونی ( r = 10 سانتی متر) و بالا ( z = 7.5 سانتی متر) عایق بندی شده اند.
نتایج و بحث
شکل 2 نمودار سطح چرخشی پتانسیل الکترولیت را برای شعاع دیسک 30 میلی متر نشان می دهد.
شکل 2: پتانسیل الکترولیت برای شعاع دیسک 30 میلی متر.
شکل 3 چگالی جریان الکترود را برای سه شعاع دیسک مختلف نشان می دهد. چگالی جریان موضعی واکنش آند در مجاورت دیسک فولادی به طور قابل توجهی با افزایش شعاع دیسک فولادی افزایش می‌یابد که به نسبت سطح کاتد به آند بالاتر نسبت داده می‌شود.
شکل 3: چگالی جریان الکترود برای سه شعاع دیسک مختلف.
نکاتی درباره پیاده سازی COMSOL
رابط توزیع جریان ثانویه برای مدل‌سازی مشکل با استفاده از گره‌های سطح الکترود برای دو سطح الکترود استفاده می‌شود.
با توجه به سینتیک سریعتر و مساحت بزرگتر آند، مقدار اولیه الکترولیت مطابق با قطبش آند صفر تنظیم شده است.
یک مرحله مطالعه ثابت برای حل مشکل، با یک جارو پارامتریک برای تغییر شعاع دیسک استفاده می‌شود.
یک شبکه مثلثی آزاد برای مش بندی استفاده می شود، با یک تنظیم اندازه کوچکتر اضافی برای افزایش وضوح در نقطه تماس بین آند و کاتد.
ارجاع
1. JX Jia، A. Atrens، G. Song و TH Muster، “شبیه سازی خوردگی گالوانیکی منیزیم جفت شده به یک اتصال دهنده فولادی در محلول NaCl” Materials and Corrosion ، جلد. 56، شماره 7، صفحات 468-474، 2005.
مسیر کتابخانه برنامه: Corrosion_Module/Galvanic_Corosion/galvanic_corrosion_mg_alloy
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 Axismetric کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، Electrochemistry>Primary and Secondary Current Distribution>Secondary Current Distribution (cd) 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 . |
تعاریف جهانی
پارامترهای مدل را از یک فایل 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 galvanic_corrosion_mg_alloy_parameters.txt دوبار کلیک کنید . |
هندسه 1
هندسه را به صورت مستطیل رسم کنید. از یک نقطه برای تقسیم مرز پایین به دو بخش استفاده کنید. (هنگام تنظیم فیزیک این دو بخش به ترتیب آند و کاتد خواهند بود).
مستطیل 1 (r1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Rectangle کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width ، R_outer را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن ارتفاع ، H را تایپ کنید . |
5 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
نقطه 1 (pt1)
1 | در نوار ابزار هندسه ، روی  نقطه کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Point ، بخش Point را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن r ، R_inner را تایپ کنید . |
4 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
5 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
مواد
از کتابخانه مواد خوردگی برای تنظیم خواص مواد برای سینتیک الکترود در سطوح الکترود منیزیم 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 4150 steel in 5% NaCl را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
مواد
فولاد AISI 4150 در 5% NaCl (mat1)
1 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
2 | از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
3 | فقط مرز 2 را انتخاب کنید. |
4 | در پنجره Model Builder ، فولاد AISI 4150 را در گره 5% NaCl (mat1) گسترش دهید . |
درون یابی 1 (iloc_exp)
1 | در پنجره Model Builder ، Component 1 (comp1)>Materials>AISI 4150 steel in 5% NaCl (mat1)>Local current density (lcd) گره را 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>Magnesium Alloys>AZ91D in 5% NaCl را انتخاب کنید . |
3 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
مواد
AZ91D در 5٪ NaCl (mat2)
1 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
2 | از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
3 | فقط مرز 4 را انتخاب کنید. |
4 | در پنجره Model Builder ، گره AZ91D را در 5% NaCl (mat2) گسترش دهید . |
درون یابی 1 (iloc_exp)
1 | در پنجره Model Builder ، Component 1 (comp1)>Materials>AZ91D را در 5% NaCl (mat2)> Node 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:
3 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
توزیع جریان ثانویه (CD)
اکنون الکتروشیمی را تنظیم کنید. با انتخاب الکترود مرجع شروع کنید.
1 | در پنجره تنظیمات برای توزیع جریان ثانویه ، برای گسترش بخش فیزیک در مقابل پتانسیل الکترود مرجع مواد ، کلیک کنید . |
2 | از لیست، 0.197 V (Sat. Ag/AgCl در مقابل SHE) را انتخاب کنید . |
الکترولیت 1
سپس هدایت الکترولیت تعریف شده توسط کاربر را تنظیم کنید.
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)> Secondary Current Distribution (cd) روی Electrolyte 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات الکترولیت ، بخش الکترولیت را پیدا کنید . |
3 | از لیست σ l ، User defined را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، سیگما را تایپ کنید . |
سطح الکترود 1
آند و کاتد به عنوان گره‌های سطح الکترود مدل‌سازی می‌شوند که دارای پتانسیل الکتریکی یکسانی در فاز رسانای الکترون هستند. ابتدا کاتد را تعریف کنید.
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Electrode Surface را انتخاب کنید . |
کاتد در مرکز مرز پایین قرار دارد.
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 . |
سطح الکترود 2
اکنون سطح آند را که در قسمت بیرونی مرز پایین قرار دارد، مشخص کنید.
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Electrode Surface را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 4 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 . |
مطالعه 1
اکنون مدل آماده حل است. برای مطالعه تاثیر شعاع های مختلف کاتد، یک جارو پارامتریک اضافه 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 |  روی افزودن کلیک کنید . |
4 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام پارامتر | لیست مقادیر پارامتر | واحد پارامتر |
R_inner (شعاع دیسک داخلی) | 0.005 0.01 0.03 | متر |
5 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
پتانسیل الکترولیت، سه بعدی (cd)
یک نمودار چرخشی از پتانسیل الکترولیت به طور پیش فرض اضافه می شود.
چگالی جریان محلی
مراحل زیر نمودار جریان واکنش الکترود را ایجاد می کند. (با شکل 3 در بخش نتایج و بحث در بالا مقایسه کنید).
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، چگالی جریان محلی را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست مجموعه داده ، مطالعه 1/ راه حل های پارامتریک 1 (sol2) را انتخاب کنید . |
4 | برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان ، هیچکدام را انتخاب کنید . |
نمودار خطی 1
1 | روی چگالی جریان محلی کلیک راست کرده و Line Graph را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 2 و 4 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، جزء 1 (comp1)> توزیع جریان ثانویه> سینتیک الکترود > cd.iloc_er1 – چگالی جریان محلی – A/m² را انتخاب کنید . |
4 | قسمت x-Axis Data را پیدا کنید . از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت Expression text، r را تایپ کنید . |
6 | برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . تیک Show legends را انتخاب کنید . |
7 | در نوار ابزار چگالی جریان محلی ، روی  Plot کلیک کنید . |
