通過對混合材料汽車的零部件和連接件進行仿真，工程師可以為汽車應(yīng)用制定創(chuàng)新型的腐蝕防護設(shè)計。

    擁堵在車流中時，您可能無意中掃視過橋上的支撐梁；候機時，您也可能打量過飛機的艙門；您也許還檢查過汽車的引擎蓋。在這些地方，您都會看到那些小小的、圓圓的鉚釘頭，正是它們把不同的表面連接在了一起。不論是具有金屬外殼的車輛，還是交通行業(yè)中的各類支撐結(jié)構(gòu)，鉚釘都只是其中一個很不起眼的小零件，然而它們卻肩負(fù)著連接組件的重任，這些組件通常承受著巨大的機械應(yīng)力。部分車型中包含著多達 2000 個以上的鉚釘。

    由于汽車設(shè)計正朝著輕量化的方向發(fā)展，各類金屬材料的使用量也隨之增加，人們開始關(guān)注一個可能帶來嚴(yán)重破壞，但往往無法及時覺察的問題，那就是腐蝕。

圖 1. 左：未被腐蝕的鉚釘。右上： 由于受到腐蝕而出現(xiàn)氫氧化鎂沉積（白色生長）的鉚釘。右下： 測試板上的鉚釘放大圖。

    金屬間的沖突：電偶腐蝕

    電偶腐蝕無處不在，汽車行業(yè)每年都會因電偶腐蝕而產(chǎn)生數(shù)十億美元的損失。此類腐蝕是由于不同金屬相互接觸時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而造成的，我們在現(xiàn)實生活中常看到金屬零件表面上的白色粉末狀生長物（圖 1 右上圖）便是因電偶腐蝕而產(chǎn)生的。油漆起泡和鋁材質(zhì)量下降通常是發(fā)生腐蝕的顯著信號，我們可以據(jù)此判斷金屬離子正發(fā)生交換，金屬表面正在發(fā)生降解。

    在相同的環(huán)境中，不同金屬組合會產(chǎn)生不同的化學(xué)反應(yīng)。同時，連接技術(shù)、材料屬性和表面粗糙度等其他因素也會影響到鉚釘及其相連金屬板上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。因此，我們必須深入理解腐蝕背后的電化學(xué)現(xiàn)象，才能開發(fā)出有效的腐蝕防護措施。

    為了能夠更快地測試，并開發(fā)出更好的腐蝕防護措施，德國亥姆霍茲聯(lián)合會（HZG）和戴姆勒集團（Daimler AG）的工程師們正在合作使用多物理場仿真來研究腐蝕防護方法。HZG 是一家專注于材料、醫(yī)學(xué)技術(shù)和海岸研究的德國機構(gòu)； 戴姆勒集團則是知名汽車品牌梅賽德斯 - 奔馳的制造商。這兩支團隊正在尋找一些方法，希望能簡化鉚釘?shù)脑O(shè)計和開發(fā)， 將物理測試降到最低程度，同時能減少對表面處理等后續(xù)步驟的需求。

圖 2. 左：COMSOL Multiphysics? 軟件中鉚釘沖頭的一半幾何結(jié)構(gòu)。右：仿真結(jié)果顯示了鉚釘表面和金屬薄板上的電流密度。仿真從數(shù)學(xué)角度模擬了鉚釘-薄板界面的電流；最高電流密度出現(xiàn)在鋒利的邊緣。

    多物理場仿真幫助工程人員深入理解腐蝕動力學(xué)

    為了研究電偶腐蝕動力學(xué)，包括材料損耗、材料表面條件和相互反應(yīng)金屬之間的長期行為，HZG 的研究人員Daniel H?che 博士通過使用COMSOL Multiphysics? 軟件創(chuàng)建了一個鋼鉚釘沖頭的仿真模型。鉚釘上鍍有鋁鋅合金， 能為鋼提供陰極保護。借助 COMSOL 軟件，H?che 能夠分析鉚釘表面和邊緣的電化學(xué)反應(yīng)，預(yù)測鄰接薄板的腐壞，并調(diào)整幾何以最小化腐蝕。

    他的模型包含鉚釘、由鋁和鎂粘合而成的金屬薄板、覆蓋在表面代表外部環(huán)境的 0.1% NaCl 電解質(zhì)層，以及鉚釘和薄板界面上形成的電偶（圖2）。他還向鉚釘幾何中加入了一個尖角，用于模擬存在鋒利邊緣的情況。鋒利邊緣會增加電解質(zhì)電勢中的梯度，增大電流，并加快引起電偶腐蝕的電化學(xué)反應(yīng)。

    隨著鉚釘和薄板之間的界面出現(xiàn)腐蝕，鎂板的降解速度開始快于其他金屬。化學(xué)反應(yīng)中會生成氫氧化鎂（Mg（OH）2），進而會在表面形成一個較弱的阻隔薄膜。沉積層的生長實際上會增強對進一步腐蝕的抵御能力，阻止腐蝕蔓延。然而，由于Mg（OH）2 存在孔隙率，無法完全阻止腐蝕的蔓延，腐蝕會繼續(xù)朝向金屬深處擴展。

圖 3. COMSOL軟件中的繪圖顯示了鉚釘接頭表面上不同位置的局部電流密度。

    為了確定電流分布并分析化學(xué)反應(yīng)，H?che 需要考慮這一非恒定的生長，以及受此影響的材料屬性。使用COMSOL? 軟件的兩個附加模塊，化學(xué)反應(yīng)工程模塊和電池與燃料電池模塊，他將鉚釘和金屬薄板處理為一組電極。這使他可以評估陽極/陰極面積比、電解質(zhì)暴露時長、以及由于Mg（OH）2 的累積而造成的電流變化將如何影響鎂的降解。

    “孔隙率會直接影響到阻隔層的效果，形成的表面拓?fù)鋾艿较蛳陆到馑俾屎统练e反向生長的影響。針對基本電偶電流密度的計算需要根據(jù)沉積層生長的形貌進行修正。”H?che 評論道：“這促使我們開始對電極電化學(xué)響應(yīng)的瞬態(tài)變化進行研究。”

    模型包含化學(xué)反應(yīng)速率、已知的金屬電化學(xué)屬性，以及 24 小時暴露時長的瞬態(tài)函數(shù)。仿真結(jié)果顯示了當(dāng)鉚釘接頭暴露于電解質(zhì)中時的電勢和電流密度， 揭示了浸入過程開始后不同時間點的表面覆蓋率（ Mg（OH）2覆蓋的薄板和鉚釘表面的比例）。電流密度因距鉚釘中心的距離而不同，可據(jù)此判斷出腐蝕速率最快的位置（圖 3）。

圖 4. 對鍍鋅鋼板表面的腐蝕測試表明，劃痕處出現(xiàn)了可見的腐蝕（俯視圖）。Bsch 制造了幾個不同深度和寬度的劃痕，用于分析劃痕大小對脫層過程的影響。上圖和下圖分別為 1 周和 5 周后的結(jié)果。

    深層研究：脫層的風(fēng)險

    除了發(fā)生在鉚釘-薄板界面的電偶腐蝕，其他汽車零件也面臨著被電偶腐蝕破壞的風(fēng)險。一些很小的、看似很淺的缺陷，例如面板涂層或油漆上的劃痕， 就可能為腐蝕打開方便之門，讓濕氣和環(huán)境電解質(zhì)進入導(dǎo)電表面。在汽車面板中，微小的表面損傷也會產(chǎn)生電偶，進而引發(fā)脫層現(xiàn)象（即金屬薄板上涂層的脫 離），這將極大地削弱腐蝕防護能力。

    為了分析這一額外的風(fēng)險，H?che 與戴姆勒集團的研究員Nils B?sch 正在合作研究鍍鋅測試鋼板上的脫層現(xiàn)象，鋼板上鍍有一層陰極涂層，即e-涂層 （圖4）。“由于劃痕會延伸到鋼表面，因而會在鋅和鋼之間產(chǎn)生一個電偶，鋅隨即發(fā)生腐蝕。”B?sch 解釋說：“這會在e- 涂層和鋼之間造成一個裂隙，該裂隙會沿水平方向持續(xù)生長，而非垂直穿過不同的層。”這一行為與縫隙腐蝕過程非常相似，它會在兩個表面間生長，并在金屬中造成裂縫。雖然明顯的損害和總體的材料缺損看上去并不多，但這些裂縫底部的應(yīng)力開裂最終會導(dǎo)致零件失效。

圖 5. 左：測試薄板截面的放大圖，其中一個劃痕破壞了部分 e-涂層和鋅層。右：COMSOL Multiphysics? 軟件結(jié)果顯示了e-涂層和電解質(zhì)中的電勢。白色區(qū)域顯示了大部分鋅被消耗之后剩余的鋅。

    H?che 和B?sch 使用COMSOL 的參數(shù)化掃描對電解質(zhì)和 e-涂層中的電勢進行了研究，用于了解不同e-涂層的阻隔屬性。他們利用模型得出了隨著鋅的消耗，裂縫的水平生長情況（圖 5）。

    他們有關(guān)表面缺陷尺寸對鋅消耗速率影響的研究還在繼續(xù)。截止目前，仿真結(jié)果表明，缺陷寬度對消耗速率的影響比深度更大：與較寬的缺陷相比，在較窄的劃痕中，陰極/陽極之比較小，且擴散更加有限，這可以減緩腐蝕的發(fā)生。他們正在根據(jù)現(xiàn)有結(jié)果進一步研究涂層缺陷給腐蝕防護帶來的負(fù)面影響。

    為更持久的結(jié)構(gòu)支撐奠定基礎(chǔ)

    雖然腐蝕是一個無處不在，且無法完全避免的過程，但我們可以通過專業(yè)的設(shè)計和精密的分析來盡量將腐蝕降到最低程度。H?che 和B?sch 通過打磨減少了鉚釘接頭的鋒利邊緣，希望在維持機械穩(wěn)定性的同時盡量減少暴露面積。他們還為金屬薄板設(shè)計了一種e-涂層，從參數(shù)化研究來看，該涂層中的電流密度最低，因此在嵌板中出現(xiàn)的破壞最少。COMSOL 模型可用于深入理解與電化學(xué)相關(guān)的現(xiàn)象，目前已經(jīng)成為HZG 和戴姆勒集團的工程師們優(yōu)化鉚釘接頭不可或缺的工具，幫助他們實現(xiàn)最優(yōu)的腐蝕防護。

    “這類計算機輔助分析幫助加強了輕量化設(shè)計的開發(fā)，幫助我們在設(shè)計的早期盡量發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的腐蝕問題。”H?che 總結(jié)道：“腐蝕會嚴(yán)重影響到汽車柳釘?shù)氖褂脡勖覀兝米约旱募庸ぶR和精密的幾何設(shè)計掌握了如何對鎂的腐蝕現(xiàn)象進行控制。”

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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