一种基于元胞自动机模型的亚稳态蚀坑交互作用模拟方法

摘要

本发明公开了一种基于元胞自动机模型的亚稳态蚀坑交互作用模拟方法，属于腐蚀技术领域，该方法包含了一系列的界面电化学反应、溶液反应和扩散的元胞自动机局部演化规则，实现了两个蚀坑生长及合并过程的模拟，考虑了两个蚀坑的萌生位置、蚀坑口钝化膜破损时间、蚀坑口钝化膜破损程度对蚀坑合并的影响。本发明方法能够在介观尺度上了解不锈钢亚稳态蚀坑交互作用的机理，对预防不锈钢点蚀破坏提供有利的帮助。

主权项

一种基于元胞自动机模型的亚稳态蚀坑交互作用模拟方法，其特征在于：该方法包括如下步骤： （1）建立一个二维元胞空间：设定15种元胞：溶液侧中性溶液元胞、蚀坑Ⅰ中性溶液元胞、蚀坑Ⅱ中性溶液元胞、溶液侧酸性溶液元胞、蚀坑Ⅰ酸性溶液元胞、蚀坑Ⅱ酸性溶液元胞、金属元胞、蚀坑Ⅰ活性金属元胞、蚀坑Ⅱ活性金属元胞、蚀坑共享活性金属元胞、蚀坑Ⅰ钝化元胞、蚀坑Ⅱ钝化元胞、蚀坑共享钝化元胞、盐膜元胞、表面钝化膜元胞；所述元胞空间采用诺埃曼邻域，即每个元胞只考虑上、下、左、右四个最近邻元胞对它的作用；如果某一活性金属元胞或钝化元胞所有的溶液元胞邻居都是中性溶液元胞，称此元胞处于中性环境，如果某一活性金属元胞或钝化元胞的溶液元胞邻居中至少有一个酸性溶液元胞，称此元胞处于酸性环境。蚀坑共享活性金属元胞和蚀坑共享钝化元胞是蚀坑Ⅰ和蚀坑Ⅱ相连通的起始位置。除了盐膜元胞外，所有的元胞都是排他性的，即当前位置只能有一种元胞类型，而盐膜元胞必须与中性溶液元胞或酸性溶液元胞共存； （2）设置元胞空间初始状态：在元胞空间中间位置的水平方向上放置一层表面钝化膜元胞，在这层表面钝化膜元胞下方全部放置金属元胞，在这层表面钝化膜元胞上方全部放置溶液侧中性溶液元胞。在这层表面钝化膜元胞上任意两个位置制作蚀坑Ⅰ和蚀坑Ⅱ的破损，分别用蚀坑Ⅰ酸性溶液元胞和蚀坑Ⅱ酸性溶液元胞替换表面钝化膜元胞，用以模拟两个点蚀的萌生； （3）分别选取蚀坑Ⅰ和蚀坑Ⅱ，并分别标注蚀坑Ⅰ和蚀坑Ⅱ边界线上所有酸性环境中的活性金属元胞（包括蚀坑共享活性金属元胞）、中性环境中的活性金属元胞(包括蚀坑共享活性金属元胞)、酸性环境中的钝化元胞(包括蚀坑共享钝化元胞)，然后随机选取蚀坑Ⅰ或蚀坑Ⅱ内任一个活性金属元胞或钝化元胞，按照以下3.1‑3.3过程中的演化规则进行演化，然后重复3.1‑3.3过程，直到标注的蚀坑Ⅰ的所有活性金属元胞和钝化元胞以及蚀坑Ⅱ的所有活性金属元胞和钝化元胞演化完成； （3.1）如果所选取蚀坑Ⅰ或蚀坑Ⅱ内的活性金属元胞(包括蚀坑共享活性金属元胞)是处于酸性环境中，则根据腐蚀概率发生腐蚀，将该蚀坑Ⅰ或蚀坑Ⅱ活性金属元胞替换为蚀坑Ⅰ或蚀坑Ⅱ酸性溶液元胞，并在酸性溶液元胞上放置一个盐膜元胞，所述腐蚀概率是指金属发生腐蚀的几率；如果当前腐蚀的活性金属元胞的邻居元胞是另一个蚀坑（未选取蚀坑）的活性金属元胞或钝化元胞，则将另一个蚀坑的活性金属元胞或钝化元胞替换为相应的蚀坑共享活性金属元胞或蚀坑共享钝化元胞；如果当前腐蚀的活性金属元胞是蚀坑共享活性金属元胞，则蚀坑Ⅰ和蚀坑Ⅱ相连通，将未选取的蚀坑内的中性溶液元胞、酸性溶液元胞、活性金属元胞(包括蚀坑共享活性金属元胞)、钝化元胞(包括蚀坑共享钝化元胞)相应替换为所选取的蚀坑内的中性溶液元胞、酸性溶液元胞、活性金属元胞、钝化元胞； （3.2）如果所选取蚀坑Ⅰ或蚀坑Ⅱ内的活性金属元胞(包括蚀坑共享活性金属元胞)是处于中性环境中，则根据钝化概率发生钝化，将所选取蚀坑1或蚀坑2的活性金属元胞替换为所选取蚀坑内钝化元胞；所述钝化概率是指金属发生钝化的几率； （3.3）如果所选取蚀坑Ⅰ或蚀坑Ⅱ内的钝化元胞(包括蚀坑共享钝化元胞)是处于酸性环境中，则根据溶解概率发生溶解，即将所选取蚀坑Ⅰ或蚀坑Ⅱ钝化元胞替换为所选取蚀坑内中性溶液元胞，所述溶解概率是指钝化的金属发生溶解的几率；如果当前溶解的钝化元胞的邻居元胞是另一个蚀坑（未选取蚀坑）的钝化元胞或活性金属元胞，则将另一个蚀坑的钝化元胞或活性金属元胞替换为蚀坑共享钝化元胞或蚀坑共享活性金属元胞；如果当前溶解的钝化元胞是蚀坑共享钝化元胞，则蚀坑Ⅰ和蚀坑Ⅱ相连通，将未选取的蚀坑内的中性溶液元胞、酸性溶液元胞、活性金属元胞(包括蚀坑共享活性金属元胞)、钝化元胞(包括蚀坑共享钝化元胞)相应替换为所选取蚀坑内中性溶液元胞、酸性溶液元胞、活性金属元胞、钝化元胞； （4）盐膜元胞水解；如果盐膜元胞的邻居有中性溶液元胞，判断出是蚀坑Ⅰ中性溶液元胞或蚀坑Ⅱ中性溶液元胞，将该中性溶液元胞替换为相应的蚀坑Ⅰ或蚀坑Ⅱ酸性溶液元胞，如果达到盐膜元胞氢离子释放数，就移走盐膜元胞。由于受到重力作用，盐膜元胞要不断地向下移动，直到下面是金属元胞、活性金属元 胞、钝化元胞或盐膜元胞；所述盐膜元胞氢离子释放数是指盐膜元胞中能够释放出的氢离子数； （5）设置蚀坑Ⅰ和蚀坑Ⅱ表面钝化膜元胞破损。当达到蚀坑Ⅰ或蚀坑Ⅱ表面钝化膜元胞破损时间时，分别得到蚀坑Ⅰ或蚀坑Ⅱ坑口的表面钝化膜元胞数，根据蚀坑Ⅰ或蚀坑Ⅱ表面钝化膜元胞破损程度，从蚀坑Ⅰ或蚀坑Ⅱ坑口的表面钝化膜元胞中间向两边移走相应的元胞数，并放置蚀坑Ⅰ或蚀坑Ⅱ中性溶液元胞；所述表面钝化膜元胞破损时间是指将蚀坑口的表面钝化膜元胞移走的计算时间步，表面钝化膜元胞破损程度是指移走的蚀坑口表面钝化膜元胞数和蚀坑口表面钝化膜元胞总数的比； （6）氢离子扩散；采用萧邦区段方法，根据公式(1)得到计算时间间隔和扩散时间间隔的关系，设定区段长度和区段迭代次数；根据区段长度，将元胞空间分成L×L个区段，在每个区段中，标注蚀坑Ⅰ中性溶液元胞、蚀坑Ⅰ酸性溶液元胞、溶液侧中性溶液元胞、溶液侧酸性溶液元胞为一组，蚀坑Ⅱ中性溶液元胞、蚀坑Ⅱ酸性溶液元胞、溶液侧中性溶液元胞、溶液侧酸性溶液元胞为另一组，在区段内每组中性溶液元胞和酸性溶液元胞只在各自组内重新进行随机分布，然后将每个区段向下和向左移动一半，再重新进行每个区段溶液元胞的随机分布，直到区段迭代次数； 计算时间间隔dt＝nl²；扩散时间间隔公式(1)公式(1)中，dt是计算时间间隔，dt_D是扩散时间间隔，n是区段迭代次数，l是区段长度，a是晶格常数，D₀是氢离子扩散系数； （7）根据公式(2)‑(4)计算暂态电流、电流密度，蚀坑半径； 电流公式(2)；电流密度公式(3)；蚀坑半径公式(4)；公式(2)‑(4)中：I(t)是t时刻的电流，i(t)是t时刻的电流密度，R(t)是t时刻的蚀坑半径，z是价电子数，F是法拉第常数，N(t)是在t时间内溶解的金属元胞总数，dN(t)是在dt时间间隔内溶解的金属元胞数； （8）重复步骤(3)‑(7)过程，直到计算迭代次数。