{首页主词},&

選材腐蝕試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2021-12-28 10:23:15 作者：工業(yè)小南點(diǎn) 來源：工業(yè)小南點(diǎn) 分享至：

第七章

腐蝕控制

Vol.7.5

選材、腐蝕試驗(yàn)及腐蝕控制

7.5.2

選材腐蝕試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料的腐蝕試驗(yàn)是檢測金屬或其他材料因與環(huán)境發(fā)生相互作用而引起的化學(xué)、電化學(xué)或物理（或機(jī)械）－化學(xué)損傷過程的材料試驗(yàn)。是掌握材料與環(huán)境所構(gòu)成的腐蝕體系的特性、了解腐蝕機(jī)制，從而對腐蝕過程進(jìn)行控制的重要手段。

01 試驗(yàn)?zāi)康?/span>

①在給定環(huán)境中的服役壽命；

②在特定環(huán)境中確定各種防蝕措施的適應(yīng)性、最佳選擇、質(zhì)量控制途徑和預(yù)測采取這些措施后構(gòu)件的服役情況，評價(jià)材料的耐蝕性能，篩選評定各種備選材料的耐蝕性，包括腐蝕速率和局部腐蝕的可能性和速率；

③對新材料進(jìn)行耐蝕性分析；

④確定環(huán)境的侵蝕性，研究環(huán)境中各組分、條件和腐蝕產(chǎn)物等對腐蝕速度、腐蝕形態(tài)的作用；

⑤研究腐蝕控制方法的有效性及選取最佳的控制參數(shù)；

⑥研究對腐蝕對環(huán)境或產(chǎn)品的污染作用；

⑦分析失效原因時(shí)作再現(xiàn)性試驗(yàn)；

⑧檢驗(yàn)材料質(zhì)量的例行實(shí)驗(yàn)，研究或驗(yàn)證制造工藝對材料耐蝕性的影響；

⑨驗(yàn)證產(chǎn)品的耐蝕性；

⑩研究腐蝕機(jī)理。

02 試驗(yàn)方法分類

材料的耐蝕性能是與環(huán)境條件、化學(xué)、物理、機(jī)械等因素密切相關(guān)的。因此，在腐蝕試驗(yàn)中必須注意試驗(yàn)體系與實(shí)際工作條件盡可能有良好的一致性。為比較材料的耐蝕性能，常需要制訂標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法來概括可能的工作條件。然而，由于實(shí)際腐蝕體系的復(fù)雜性，這種方法只能近似和相對地比較所得結(jié)果。按腐蝕試驗(yàn)與實(shí)際工作條件接近的程度或試驗(yàn)場合的不同，試驗(yàn)方法可分為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場掛片試驗(yàn)和實(shí)物試驗(yàn)3類。

①實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)是指在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有目的地將專門制備的小型試樣在人工配制的、受控的環(huán)境介質(zhì)條件下進(jìn)行的腐蝕試驗(yàn)。

優(yōu)點(diǎn)是可孤立地研究某一因素的作用或幾個(gè)因素的共同作用。為縮短試驗(yàn)周期，常在不改變實(shí)際腐蝕機(jī)制的前提下強(qiáng)化試驗(yàn)條件，進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)。可充分利用實(shí)驗(yàn)室儀器、控制設(shè)備，自由選擇試樣的大小及形狀，可嚴(yán)格地控制有關(guān)的影響因素，試驗(yàn)時(shí)間較短，可精確和靈活性地進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性較好。所有，腐蝕試驗(yàn)一般應(yīng)先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)有：

a.模擬試驗(yàn)。是一種不加速的長期試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室的小型模擬裝置中，盡可能地精確地模擬自然界或工業(yè)生產(chǎn)中所遇到的介質(zhì)及條件，雖然介質(zhì)和環(huán)境條件的嚴(yán)格重現(xiàn)是困難的，但主要影響因素可充分考慮。這種試驗(yàn)周期長，費(fèi)用大，但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較可靠，重現(xiàn)性也高；

b.加速腐蝕試驗(yàn)。是一種強(qiáng)化的腐蝕試驗(yàn)方法，把對材料腐蝕有影響的因素如介質(zhì)濃度、化學(xué)成分、溫度、流速等加以改變，使之強(qiáng)化腐蝕作用，從而加速整個(gè)試驗(yàn)過程的進(jìn)行。可在較短時(shí)間內(nèi)確定材料發(fā)生某種腐蝕的傾向，或若干種材料在指定條件下的相對耐蝕順序。

缺點(diǎn)是只能強(qiáng)化一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)控制因素。除特殊腐蝕試驗(yàn)外，一般不應(yīng)引入實(shí)際條件下并不存在的因素，也不能因引入了加速因素而改變實(shí)際條件下原來的腐蝕機(jī)理和特征。

②現(xiàn)場掛片試驗(yàn)。指把專門制備的試樣置于現(xiàn)場的實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行的腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)方法和過程較簡單，環(huán)境條件的真實(shí)性使它的試驗(yàn)結(jié)果比較可靠，結(jié)果更具有代表性。但現(xiàn)場試驗(yàn)中的環(huán)境因素?zé)o法控制，很難按需要來改變試驗(yàn)條件，結(jié)果的重現(xiàn)性較差，試驗(yàn)周期較長，且試驗(yàn)用的試樣與實(shí)物狀態(tài)之間存在較大的差異。

在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)獲得初步結(jié)果后，除理論研究和常規(guī)檢驗(yàn)外，一般都需要進(jìn)一步進(jìn)行模型或現(xiàn)場試驗(yàn)。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室試驗(yàn)通常有加速性質(zhì)，小試件的表面狀態(tài)與設(shè)備的大表面有較大的差別，試驗(yàn)環(huán)境不可能模擬生產(chǎn)環(huán)境，在生產(chǎn)中的介質(zhì)環(huán)境可能有變化等；

③實(shí)物試驗(yàn)。指將試驗(yàn)材料制成實(shí)物部件、設(shè)備或小型試驗(yàn)性裝置，在現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用下進(jìn)行的腐蝕試驗(yàn)。解決了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及現(xiàn)場試驗(yàn)中難以全面模擬的問題，而且包括了結(jié)構(gòu)件在加工過程中所受的影響，能夠較全面正確地反映材料在使用條件下的耐蝕性。但費(fèi)用較大，試驗(yàn)周期長，且不能對幾種材料同時(shí)進(jìn)行對比試驗(yàn)。因此，實(shí)物試驗(yàn)應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

自然環(huán)境中的暴露試驗(yàn)周期都很長，如在大氣或海洋中觀察試件的失重和外觀變化，試驗(yàn)周期可長達(dá)20～30a以上。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累是一項(xiàng)重要的工作。

03 試樣的準(zhǔn)備

①試樣材料。對所用試樣的各種原始資料應(yīng)盡可能地詳細(xì)了解，其中包括材料的牌號、化學(xué)成分和力學(xué)性能等，對于金屬還應(yīng)包括試樣的冶金和加工工藝特征、熱處理及金相組織等。這些資料的了解，對于腐蝕結(jié)果的分析有重要的參考作用；

②試樣的形狀與尺寸。取決于試驗(yàn)的目的、試驗(yàn)的方法、材料的性質(zhì)、試驗(yàn)的時(shí)間和試驗(yàn)的裝置等。試樣的外形要求簡單，以便于精確測量表面積、清除腐蝕產(chǎn)物和進(jìn)行加工。

為消除邊界效應(yīng)的影響，試樣表面積對邊緣面積之比應(yīng)盡量大，試樣表面積對試樣重量之比也要盡量大些。

通常實(shí)驗(yàn)室所用的試樣尺寸為：矩形 50mm×25mm×（2-3）mm，圓盤形Φ（30-40）mm×（2-3）mm，圓柱形Φ10mm×20mm，等；

③試樣的表面處理。試樣表面的粗糙度、均一性和潔凈程度是影響腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果重現(xiàn)性和可比性的重要因素，因此在試驗(yàn)前應(yīng)經(jīng)過嚴(yán)格的表面處理。

通常從原材料上切取試板、經(jīng)適當(dāng)?shù)臋C(jī)械加工和必要的研磨拋光制成試樣，再經(jīng)統(tǒng)一的清洗使之具有相近的表面狀態(tài)；

④平行試樣的數(shù)量。為提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每次試驗(yàn)時(shí)須用一定數(shù)量的平行試樣。平行試樣越多，結(jié)果的準(zhǔn)確性就越高。

通常一般試驗(yàn)的平行試樣為3-12個(gè)，常用5個(gè)，最少3個(gè)。加載應(yīng)力試驗(yàn)，試樣為5-20個(gè)，常用10個(gè)，最少3個(gè)。在同一試驗(yàn)容器中只可進(jìn)行1個(gè)或幾個(gè)同一材質(zhì)的平行試樣的腐蝕試驗(yàn)。

04 腐蝕的暴露條件

①腐蝕介質(zhì)

a. 直接取自生產(chǎn)現(xiàn)場；

b. 按現(xiàn)場介質(zhì)成分人工配制，應(yīng)當(dāng)用蒸餾水和純度為化學(xué)純以上試劑精確地配制試驗(yàn)溶液，以嚴(yán)格控制試液的成分。

在試驗(yàn)過程中，還必須防止由于溶液蒸發(fā)及其它原因引起介質(zhì)濃度、成分和體積的變化，以免影響介質(zhì)的腐蝕性能和結(jié)果的可靠性。介質(zhì)體積與試樣面積比須符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

②試驗(yàn)溫度。

腐蝕試驗(yàn)溫度應(yīng)盡量模擬實(shí)際腐蝕介質(zhì)的溫度。實(shí)驗(yàn)室控溫方法有水浴、油浴或空氣恒溫箱等。控制的溫度應(yīng)是整個(gè)試樣的表面溫度，但為簡便起見，往往以介質(zhì)溫度為控制對象。

③試驗(yàn)時(shí)間。

材料的全面腐蝕速率很少是恒定不變的，經(jīng)常隨時(shí)間而不斷變化，因此試驗(yàn)的時(shí)間一般取決于材料的腐蝕速度。

局部腐蝕試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)按相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。全面腐蝕試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室里一個(gè)周期的試驗(yàn)時(shí)間通常為24-168h，即1-7d。如果腐蝕速度是中等以下，則可由下式粗略地估計(jì)試驗(yàn)時(shí)間，該式僅適用于已知大概腐蝕速率的試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)間（h）=50/腐蝕速率（mm·a-1）（7-1）

④試樣暴露的條件。

在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康牡牟煌嚇涌扇浚ㄈ⒉糠郑ò虢┗蜷g斷（間浸）暴露于腐蝕介質(zhì)中，以模擬實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的各種情況。

⑤試樣安放與涂封。

a. 防止電偶效應(yīng)。試樣的安放應(yīng)保證試樣與試樣之間、試樣與容器之間、試樣與支架之間電絕緣；保證試樣有恒定的暴露面積，用絕緣材料將試樣部分表面涂封遮蔽。在進(jìn)行電化學(xué)測試時(shí)，必須在試樣上引出導(dǎo)線，導(dǎo)線和試樣的結(jié)點(diǎn)必須涂封，以防電偶腐蝕的干擾。涂封要求絕緣好、牢固、簡便；

b. 防止縫隙腐蝕。試樣與試樣之間、試樣與容器之間、試樣與支架之間不產(chǎn)生縫隙，試樣表面與介質(zhì)充分接觸。同時(shí)，要求試樣裝取方便、牢固可靠；支架本身耐蝕等；

c. 防止水線腐蝕（濃差腐蝕）。

05 腐蝕結(jié)果評定

①全面腐蝕速率。常用的腐蝕速率評定方法有失重法、線性極化法、電阻法和塔費(fèi)爾極化曲線外推法等；

②孔蝕的評定。孔蝕試驗(yàn)的試樣比失重試樣大，一般約數(shù)十平方厘米。評定指標(biāo)有：最大孔蝕深度、平均孔蝕深度、孔蝕密度和單位面積失重等；

③晶間腐蝕試驗(yàn)。一般腐蝕試驗(yàn)都可以用來檢查晶間腐蝕。可用拉伸或彎曲試驗(yàn)評定晶間腐蝕引起的力學(xué)性能損失，或用金相顯微鏡觀察晶間的腐蝕情況；

④應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法有很多種，試樣也有多種類型，適用于各自特定目的，其加載應(yīng)力、腐蝕暴露方法和時(shí)間、計(jì)算應(yīng)力和評定結(jié)果的方式各不相同，其特點(diǎn)和局限性也不同，須根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)際條件來選擇加載方式、試樣類型和試驗(yàn)方法。一般，按載荷加載方式來分有恒載荷、恒變形、慢應(yīng)變速率3種。而具體試樣的類型又可以分成以下幾種：光滑試樣，彎梁試樣、C形環(huán)試樣、U形試樣和O形試樣；缺口試樣；預(yù)裂紋試樣，增K型試樣、恒K型試樣、降K形試樣。

a. 慢拉伸速率試驗(yàn)（SSRT）。是將拉伸試樣放在特定介質(zhì)中，通過慢拉伸速率拉伸試驗(yàn)機(jī)，以一個(gè)相當(dāng)緩慢的應(yīng)變速率對置于應(yīng)力腐蝕環(huán)境中的試樣施加應(yīng)力，通過強(qiáng)化應(yīng)變狀態(tài)來加速腐蝕裂紋的發(fā)生和發(fā)展過程。SSRT方法提供了在傳統(tǒng)應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)不能迅速激發(fā)應(yīng)力腐蝕的環(huán)境里確定延性材料應(yīng)力腐蝕敏感性的快速試驗(yàn)方法，它能使任何試樣在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生斷裂，因此是一種相當(dāng)苛刻的加速試驗(yàn)方法。SSRT的提出者認(rèn)為：在發(fā)生應(yīng)力腐蝕體系中，應(yīng)力的作用是為了促進(jìn)應(yīng)變速度，真正控制應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的參數(shù)是應(yīng)變速率而不是應(yīng)力本身。

不同的行業(yè)，不同的材料有不同的慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有ISO 7539.7[1]、GB/T 15970.7[2]、HB 7235[3]、HB 5260[4]等。慢應(yīng)變速率法中應(yīng)變速率的確定至關(guān)重要，如果應(yīng)變速率過快，則試樣來不及產(chǎn)生有效的應(yīng)力腐蝕，就已經(jīng)產(chǎn)生韌性斷裂；如果應(yīng)變速率過慢，在試樣表面膜破裂后來不及產(chǎn)生有效的腐蝕，裸露的金屬就再發(fā)生鈍化，使應(yīng)力腐蝕不發(fā)生，最后也將產(chǎn)生韌性斷裂。不同的腐蝕體系采用的臨界應(yīng)變速率也不一樣，表7-10。

表7-10 不同腐蝕體系SSRT臨界應(yīng)變速率

慢應(yīng)變速率法應(yīng)力腐蝕敏感性表征參量，通常以慢應(yīng)變速率試驗(yàn)結(jié)果與在不發(fā)生應(yīng)力腐蝕的惰性介質(zhì)（如油或空氣）中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以兩者在相同溫度和應(yīng)變速率下的試驗(yàn)結(jié)果的相對值表征應(yīng)力腐蝕的敏感性。主要有以下幾個(gè)評定指標(biāo)：

i.斷裂應(yīng)力：在腐蝕介質(zhì)中和惰性介質(zhì)中的斷裂應(yīng)力比值愈小，應(yīng)力腐蝕敏感性就愈大；

ii.斷裂時(shí)間：從開始試驗(yàn)到載荷達(dá)到最大值時(shí)所需的時(shí)間t。應(yīng)變速率相同時(shí)，腐蝕介質(zhì)中和惰性介質(zhì)中斷裂時(shí)間比值愈小，則應(yīng)力腐蝕敏感性愈大；

iii.吸收的能量：應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積代表試樣斷裂前吸收的能量。惰性介質(zhì)（空氣）和腐蝕介質(zhì)試驗(yàn)中吸收能量差別愈大，應(yīng)力腐蝕敏感性也愈大；

iv.塑性損失：用腐蝕介質(zhì)和惰性介質(zhì)中的延伸率、斷面收縮率的相對差值來度量應(yīng)力腐蝕敏感性；

v.斷口形貌：對大多數(shù)壓力容器鋼材，在惰性介質(zhì)中斷裂后將獲得韌窩性斷口，而在腐蝕介質(zhì)中，拉斷后往往獲得脆性斷口。其中脆性比例愈高，則應(yīng)力腐蝕愈敏感。如介質(zhì)中拉斷后斷面存在二次裂紋，也可以用二次裂紋的長度和數(shù)量來衡量應(yīng)力腐蝕的敏感性。

在載荷-拉伸曲線上，將在惰性介質(zhì)中的各特征參數(shù)與在腐蝕介質(zhì)中的特征參數(shù)進(jìn)行SSRT試驗(yàn)結(jié)果評定：

ISCC =（I惰-I腐）/ I惰 ×100% （7-2）

式中 ISCC-應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)；

I惰-在惰性介質(zhì)中的試驗(yàn)參數(shù)；

I腐-在腐蝕介質(zhì)中的試驗(yàn)參數(shù)。

評定應(yīng)力腐蝕開裂敏感性指數(shù)ISCC，目前比較認(rèn)可的參數(shù)有：ReL、Rm、A、Z、da/dt、內(nèi)積功。ISCC衡量應(yīng)力腐蝕開裂敏感性大小的一般評定：

當(dāng)ISCC 大于35%，研究體系具有明顯的應(yīng)力腐蝕傾向；

當(dāng)ISCC介于25%~35% 之間，研究體系有應(yīng)力腐蝕傾向；

當(dāng)ISCC 小于25%，研究體系沒有明顯的應(yīng)力腐蝕傾向

b. 斷裂力學(xué)方法。運(yùn)用斷裂力學(xué)理論，研究應(yīng)力腐蝕開裂，不僅可以定量地測定材料在特定環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開裂門檻應(yīng)力強(qiáng)度因子KISCC，而且能夠測定材料在特定環(huán)境介質(zhì)中的裂紋擴(kuò)展速率da/dt。KISCC標(biāo)志著結(jié)構(gòu)件中可以存在而又不引起應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的最大缺陷的尺寸，也就是規(guī)定了允許的最大臨界尺寸，da/dt反映了材料在環(huán)境介質(zhì)中抗開裂的能力，這兩個(gè)重要參數(shù)可直接提供工程設(shè)計(jì)和材料研究使用，具有相當(dāng)大的實(shí)際意義。

材料在應(yīng)力腐蝕破壞過程中，其破壞壽命包括裂紋擴(kuò)展前的孕育期和裂紋慢擴(kuò)展期兩部分組成。如果已經(jīng)測得了裂紋擴(kuò)展速率da/dt，那么就可以估算構(gòu)件材料的安全使用期。為了測定應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率，Brown等人于1965年首先使用WOL型試樣采用了恒定位移法進(jìn)行了研究。恒位移試樣具有以下優(yōu)點(diǎn)：

i.用螺釘自行加載，故不需要用試驗(yàn)機(jī)，可以大批量測試。特別是可以把試樣放在實(shí)際使用的環(huán)境中做試驗(yàn)，從而可以獲得現(xiàn)場條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

ii.隨著裂紋擴(kuò)展，恒位移試樣的KI下降，當(dāng)降到KISCC時(shí)裂紋將停止擴(kuò)展。因此用1個(gè)試樣就可以測出止裂的KISCC，同時(shí)也可測出da/dt；

iii.可帶載荷在顯微鏡下直接觀察裂紋的形核和擴(kuò)展過程；

iv.對于WOL試樣，也可在線切割后不預(yù)制裂紋，但不能加載到出現(xiàn)裂紋，只要初始KI略大些或經(jīng)過長的孕育期后就可從缺口處產(chǎn)生滯后裂紋。一旦出現(xiàn)裂紋后再降低Vo（即降低初始值），則裂紋在擴(kuò)展一段長度后就會止裂，由此可得KISCC。

c.各種SCC試驗(yàn)方法對比。以加載方式區(qū)分的3種SCC物理試驗(yàn)方法的評定方式、優(yōu)缺點(diǎn)特征列于表7-11中。因?yàn)楦鞣N試驗(yàn)方法的評定對象和優(yōu)缺點(diǎn)各不相同，所以實(shí)際選用時(shí)要考慮到材料、介質(zhì)、試驗(yàn)要求等多方而的因素，選用合適的試驗(yàn)方法。

表7-11 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法的特點(diǎn)

06 腐蝕試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)、工業(yè)生產(chǎn)和工程設(shè)計(jì)中能發(fā)揮重要的作用，例如：提高產(chǎn)量；減少質(zhì)量的波動，提高產(chǎn)品質(zhì)量；大大縮短新產(chǎn)品試驗(yàn)周期；降低成本；延長產(chǎn)品壽命等。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是一套完整的系統(tǒng)方法，如何安排實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)次數(shù)盡量少，而又能達(dá)到好的試驗(yàn)效果，這是經(jīng)常會碰到的問題。解決這個(gè)問題有一門專門的學(xué)問即“試驗(yàn)設(shè)計(jì)”。上世紀(jì)30年代，由于農(nóng)業(yè)試驗(yàn)的需要，費(fèi)歇（R.A.Fisher）在試驗(yàn)設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析方面做出了一系列先驅(qū)工作，從此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)成為統(tǒng)計(jì)科學(xué)的一個(gè)分支。

60年代，華羅庚教授在我國倡導(dǎo)與普及的“優(yōu)選法”，與我國的數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)者在工業(yè)部門中普及的“正交設(shè)計(jì)”法都是試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。這些方法經(jīng)普及后，已為廣大技術(shù)人員與科學(xué)工作者掌握，取得一系列成就，產(chǎn)生了巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。“優(yōu)選法”是單變量的最優(yōu)調(diào)試法，即假定我們處理的實(shí)際問題中只有一個(gè)因素起作用，但這種情況幾乎是沒有的，所以在使用時(shí)，只能抓“主要矛盾”，即突出一個(gè)因素，而將其他因素固定，這樣來安排實(shí)驗(yàn)。因此“優(yōu)選法”還不是一個(gè)很精確的近似方法。

“正交設(shè)計(jì)”的基礎(chǔ)是拉丁方理論與群論，可以用來安排多因素的試驗(yàn)，而且試驗(yàn)次數(shù)對各因素的各水平的所有組合數(shù)來說是大大地減少了，但對于某些工業(yè)試驗(yàn)與昂貴的科學(xué)實(shí)驗(yàn)來說，試驗(yàn)仍嫌太多，而無法安排。

1978年，七機(jī)部由于導(dǎo)彈設(shè)計(jì)的要求，提出了一個(gè)5因素的試驗(yàn)，希望每個(gè)因素的水平數(shù)要多于10，而試驗(yàn)總數(shù)又不超過50，顯然優(yōu)選法和正交設(shè)計(jì)都不能用，王元和方開泰提出了一個(gè)新的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，即所謂“均勻設(shè)計(jì)”，將這一方法用于導(dǎo)彈設(shè)計(jì)，取得了成效。均勻設(shè)計(jì)屬于近40年發(fā)展起來的“偽蒙特卡羅方法”的范籌，將經(jīng)典的確定的單變量問題的計(jì)算方法推廣后用于多變量問題的計(jì)算時(shí)，計(jì)算量往往跟變量個(gè)數(shù)有關(guān)。烏拉母（S.Ulam）與馮諾依曼（J.von Neumann）在40年代提出蒙特卡羅方法，即統(tǒng)計(jì)模擬方法，這個(gè)方法的大意是將一個(gè)分析問題化為一個(gè)有同樣解答的概率問題，然后用統(tǒng)計(jì)模擬的方法來處理后面這個(gè)問題，這樣使一些困難的分析問題反而得到了解決，例如多重定積分的近似計(jì)算。蒙特卡羅方法的關(guān)鍵是找一組隨機(jī)數(shù)作為統(tǒng)計(jì)模擬之用，所以這一方法的精度在于隨機(jī)數(shù)的均勻性與獨(dú)立性。不論是均勻設(shè)計(jì)或配方均勻設(shè)計(jì)，其數(shù)據(jù)分析都要藉助于回歸分析，要用到線性回歸模型、二次回歸模型、非線性模型，以及各種選擇回歸變量的方法（如前進(jìn)法、后退法、逐步回歸、最優(yōu)回歸子集等）。

影響腐蝕的因素眾多，要通過試驗(yàn)來摸索，試驗(yàn)設(shè)計(jì)得好，則會事半功倍。均勻設(shè)計(jì)的思想也能用于配方試驗(yàn)，已在我國包括腐蝕研究的領(lǐng)域有較廣泛的普及與使用[5]，取得了一系列可喜的成績。

但均勻設(shè)計(jì)只具有充分均勻性，而正交設(shè)計(jì)還具有齊整可比性。試驗(yàn)設(shè)計(jì)傾向?qū)Σ煌姆椒ㄈ￠L補(bǔ)短，在不同階段適當(dāng)結(jié)合。均勻設(shè)計(jì)的分批是按試驗(yàn)結(jié)果直接逼近最優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算機(jī)驗(yàn)證可知，均勻設(shè)計(jì)的分散性程度很強(qiáng)，突出性效果亦很好，因此特別在試驗(yàn)前期可以出一些好結(jié)果。但是對出好成果的均勻設(shè)計(jì)若改用正交設(shè)計(jì)，其平均效果可能也會很好。用均勻設(shè)計(jì)和正交設(shè)計(jì)從事開發(fā)工作，遠(yuǎn)比不采用設(shè)計(jì)好得多[6]。

①試驗(yàn)的因素和水平

a. 因素：在實(shí)驗(yàn)中，影響試驗(yàn)考核指該指標(biāo)的量稱為因素，因素是自變量（Xs），如試驗(yàn)中的材料、時(shí)間、溫度、成分、濃度、流速、pH值等。通常將固定的因素在試驗(yàn)方案中并不稱為因素，只有變化的因素才稱為因素，固定因素稱為因子；

b. 水平：是試驗(yàn)中各因素的不同取值，這些值稱做該因素的水平。如因素A、B、C均有3個(gè)取值，D、E均有6個(gè)取值等。為了便于試驗(yàn)的安排，每個(gè)因素要根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)來選擇一個(gè)試驗(yàn)范圍，然后在試驗(yàn)范圍內(nèi)挑出幾個(gè)有代表性的值來進(jìn)行試驗(yàn)。

②因素和水平的選擇

選擇因素和水平是關(guān)系到一個(gè)試驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵，使用試驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)注意：

a. 因素選擇。在一項(xiàng)試驗(yàn)中，應(yīng)由有經(jīng)驗(yàn)的研究人員和工人共同討論決定從眾多的有關(guān)因子中挑選出試驗(yàn)方案中的因素，在一次試驗(yàn)中，因素不宜選得太多（如超過10個(gè)），否則可能會造成主次不分。相反地，因素也不宜選得太少，如只選定1、2個(gè)因素，這樣可能會遺漏重要的因素，或遺漏因素間的交互作用，使試驗(yàn)的結(jié)果達(dá)不到預(yù)期的目的。因素和水平的含意可以是廣義的。例如5種材料用于試驗(yàn)，要比較不同材料的耐蝕性，這時(shí)“材料品種”可設(shè)定為1個(gè)因素，5種材料就是該因素下的5個(gè)水平。

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，試驗(yàn)因素（輸入變量）有兩種，一種是在試驗(yàn)時(shí)可以人為進(jìn)行控制的，稱可控因素；一種是人為無法控制的，稱噪聲（隨機(jī)）因素；

b. 試驗(yàn)的范圍控制。如果試驗(yàn)在試驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)范圍大比較容易實(shí)現(xiàn)；如果試驗(yàn)直接在生產(chǎn)中進(jìn)行，則試驗(yàn)范圍不宜太大，以防產(chǎn)生過多次品，或產(chǎn)生危險(xiǎn)。試驗(yàn)范圍太小，不易獲得比已有條件有顯著改善的結(jié)果。歷史上有些重大的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)，是由于“事故”而獲得的，也就是說試驗(yàn)的范圍大大不同于有經(jīng)驗(yàn)的范圍；

c. 試驗(yàn)范圍和每一因素的水平個(gè)數(shù)應(yīng)匹配。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的在于捕捉各試驗(yàn)因素對輸出變量的最大影響，因此在選擇試驗(yàn)因素的水平時(shí)，水平范圍要足夠?qū)挘駝t就可出現(xiàn)縮小甚至抵削變量影響，同時(shí)也看不出因素間交互作用對輸出的影響。當(dāng)然因素水平設(shè)置也不可過寬，否則同樣可能縮小此因素的影響，或?qū)⑵渌蛩氐挠绊懷谏w掉。過寬還可能超出允許操作范圍，造成意外損失；

d. 水平的間隔和生產(chǎn)控制精度是密切相關(guān)的。如壓力容器的工藝物料溫度設(shè)定控制在100℃，控制精度只能作到±5℃，于是在生產(chǎn)過程中溫度將會在100℃±5℃，即95-105℃波動。則試驗(yàn)溫度設(shè)定的3個(gè)水平95℃、100℃、105℃之間間隔太小，應(yīng)當(dāng)加大，如90℃、100℃、110℃。

③因素的主效應(yīng)和因素間的交互效應(yīng)

在試驗(yàn)中用來衡量試驗(yàn)結(jié)果的量叫試驗(yàn)指標(biāo)，在數(shù)理統(tǒng)計(jì)中，稱試驗(yàn)指標(biāo)為響應(yīng)（response）。根據(jù)試驗(yàn)的目的，要預(yù)先確定一項(xiàng)或多項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)。

由于試驗(yàn)中總存在一些偶然因素的干擾，如室溫變化、介質(zhì)濃度波動、材料的不均勻性，這些偶然因素總稱為隨機(jī)誤差。由于試驗(yàn)誤差的存在，不可能產(chǎn)生理想的情況。實(shí)際上，當(dāng)試驗(yàn)的水平和相應(yīng)的結(jié)果為連續(xù)變量時(shí)，其數(shù)學(xué)模型也可以用回歸方程來表達(dá)。有一點(diǎn)必須注意的是，模型中的主效應(yīng)或模型中的線性回歸效應(yīng)都強(qiáng)烈地依賴于試驗(yàn)條件、試驗(yàn)范圍。實(shí)際情況是多種多樣的，例如X和Y之間可能有非線性回歸關(guān)系，或其它相關(guān)關(guān)系。

④因素間交互作用的概念

首先，設(shè)有兩個(gè)因素A和B它們各取2個(gè)水平A1、A2和B1、B2。這時(shí)共有4種不同的水平組合，其試驗(yàn)結(jié)果如圖7-13。當(dāng)B=B1時(shí)，A1變到A2使Y增加30-10=20；類似地，當(dāng)B=B2時(shí)，A1變到A2使Y也增加40-20=20。這就是說A對Y的影響與B取什么水平無關(guān)，圖7-13a。類似地，當(dāng)B從B1變到B2時(shí)，Y增加20-10（或40-30=10），與A取的水平無關(guān)。這時(shí)，我們稱A和B之間無交互作用。判斷A和B之間有沒有交互作用，選用圖7-13b的作圖方法更為直觀。當(dāng)圖中的兩條線平行時(shí)（或接近平行時(shí)），判斷A和B之間沒有交互作用，圖7-13c、d給出了一個(gè)有交互作用的例子。

a. A和B之間無交互作用 b. A和B之間無交互作用

c. A和B之間有交互作用 d. A和B之間有交互作用

圖7-13 因素間交互作用

交互作用在實(shí)際中是大量存在的，特別是在腐蝕試驗(yàn)中，許多因素間都有交互作用。當(dāng)因素A、B 及其它們的試驗(yàn)指標(biāo)Y都為連續(xù)變量時(shí)，可以建立Y和A、B之間的回歸方程。若回歸方程為式（7-3）時(shí)A對Y的影響由回歸系數(shù)β完全決定，不受B取哪個(gè)水平的影響；同樣，B對Y的影響由回歸系數(shù)γ完全決定，不受A取哪個(gè)水平的影響；類似地，對Y的影響由回歸系數(shù)α決定，不受取哪個(gè)水平的影響。這時(shí)A和B沒有交互作用。

當(dāng)A和B之間有交互作用時(shí)，回歸模型不可能為線性的，其中一定有非線性的。最常見的模型之一為：

式中α、β、γ、δ為回歸系數(shù)，ε為隨機(jī)誤差。這時(shí)若δ>0，稱A和B之間有正交互作用；若δ<0，稱A和B之間有負(fù)交互作用。

⑤全面試驗(yàn)和多次單因素試驗(yàn)

在一項(xiàng)試驗(yàn)中，當(dāng)因素和水平確定后，如何設(shè)計(jì)該項(xiàng)試驗(yàn)主要有兩種方法：

a. 全面試驗(yàn)。該方法將每一個(gè)因素的不同水平組合做同樣數(shù)目的試驗(yàn)，例如將每個(gè)因素的不同水平組合均作一次試驗(yàn)。在一項(xiàng)試驗(yàn)中若有m個(gè)因素，它們各有l(wèi)1…lm個(gè)水平，則全面試驗(yàn)至少需做l1×l2…×lm次試驗(yàn)。當(dāng)因素的個(gè)數(shù)不多，每個(gè)因數(shù)的水平數(shù)也不多時(shí)，常用全面試驗(yàn)的方法，并且通過數(shù)據(jù)分析可以獲得較為豐富的結(jié)果，結(jié)論也比較精確。當(dāng)因數(shù)較多，水平數(shù)較大時(shí)，全面試驗(yàn)要求較多的試驗(yàn)。對絕大多數(shù)場合，做這么多次試驗(yàn)是不可能的。

b. 多次單因素試驗(yàn)。這個(gè)方法在工程和科學(xué)試驗(yàn)中常被人們所采用。當(dāng)因素之間沒交互作用時(shí)，這個(gè)結(jié)論是正確的；當(dāng)因素之間有交互作用時(shí)，該結(jié)論一般不真。因此，多次單因素試驗(yàn)法有局限性。特別是，當(dāng)因素的數(shù)目和水平數(shù)更多時(shí)，常常會得到錯誤的結(jié)論，不能達(dá)到預(yù)期的目的。

c. 正交試驗(yàn)法（正交設(shè)計(jì)）。所有的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法本質(zhì)上就是在試驗(yàn)的范圍內(nèi)給出挑選代表點(diǎn)的方法。正交設(shè)計(jì)是根據(jù)正交性準(zhǔn)則來挑選代表點(diǎn)，使得這些點(diǎn)能反映試驗(yàn)范圍內(nèi)各因素和試驗(yàn)指標(biāo)的關(guān)系。統(tǒng)計(jì)學(xué)家將正交設(shè)計(jì)通過一系列表格來實(shí)現(xiàn)，這些表叫做正交表。例如表7-12就是一個(gè)正交表，并記為L9（34），這里“L”表示正交表“9”表示總共要作9次試驗(yàn)，“3”表示每個(gè)因素都有3個(gè)水平，“4”表示這個(gè)表有4列，最多可以安排4個(gè)因素。還有一批混合水平的表在實(shí)際中也十分有用，如 L8（4×24）、L12（23×3）、L16（44×23）等。

表7-12　正交表 L9（34）

在表7-13的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，可以看到有如下的特點(diǎn)：每個(gè)因素的水平都重復(fù)了3次試驗(yàn)、每兩個(gè)因素的水平組成一個(gè)全面試驗(yàn)方案。這2個(gè)特點(diǎn)使試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)排列規(guī)律整齊，稱為“整齊可比”。另一方面，如果將正交設(shè)計(jì)的9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)點(diǎn)成圖（圖7-14），我們發(fā)現(xiàn)9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)散布均勻，這個(gè)特點(diǎn)被稱為“均勻分散”。正交設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)本質(zhì)上來自“均勻分散，整齊可比”這兩個(gè)特點(diǎn)。

圖7-14 正交設(shè)計(jì)均勻分散性

d. 均勻設(shè)計(jì)。正交設(shè)計(jì)在挑選代表點(diǎn)時(shí)有兩個(gè)特點(diǎn)：均勻分散，整齊可比。“均勻分散”使試驗(yàn)點(diǎn)有代表性；“整齊可比”便于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。為了保證“整齊可比”的特點(diǎn)，若在一項(xiàng)試驗(yàn)中有s 個(gè)因素，每個(gè)因素各有q 水平，用正交試驗(yàn)安排試驗(yàn)，則至少要作q2個(gè)試驗(yàn)，當(dāng)q 較大時(shí)，q2將更大。對這一類試驗(yàn)，若要減少試驗(yàn)的數(shù)目，只有去掉整齊可比的要求。

均勻設(shè)計(jì)就是只考慮試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)均勻散布的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，和正交設(shè)計(jì)相似，也是通過一套表來進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)的，每一個(gè)均勻設(shè)計(jì)表有一個(gè)代號Un（qs）或U＊n（qs），其中“U”表示均勻設(shè)計(jì)，“n” 表示要做n 次試驗(yàn)，“q”表示每個(gè)因素有q個(gè)水平，“s”表示該表有s列。的右上角加“*”和不加“*”代表兩種不同類型的均勻設(shè)計(jì)表，如表7-13。通常加“*”的均勻設(shè)計(jì)表有更好的均勻性，應(yīng)優(yōu)先選用。

每個(gè)均勻設(shè)計(jì)表都附有一個(gè)使用表，它指示我們?nèi)绾螐脑O(shè)計(jì)表中選用適當(dāng)?shù)牧校约坝蛇@些列所組成的試驗(yàn)方案的均勻度。如表U＊6（64）最多可以安排4個(gè)因素的試驗(yàn)。若用正交表安排3個(gè)6水平因素，至少要采用L36（63），該表最多能安排3個(gè)因素，可要做36次試驗(yàn)，而兩個(gè)表的偏差一個(gè)為0.1875（U＊6），另一個(gè)為0.1597（L36），相差并不十分大。由此例可見均勻設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。表7-14是U＊6（64）的使用表，它告訴我們，若有2個(gè)因素，應(yīng)選用1，3兩列來安排試驗(yàn)；若有3個(gè)因素，應(yīng)選用1，2，3三列，…，最后1列D表示刻劃均勻度的偏差（discrepancy），偏差值越小，表示均勻度越好。當(dāng)試驗(yàn)數(shù)n給定時(shí)，通常Un表比U＊n表能安排更多的因素。故當(dāng)因素s較大，且超過U＊n的使用范圍時(shí)可使用Un表。

表7-13 U＊7（74）

表7-14 U＊6（64）的使用表

均勻設(shè)計(jì)有其獨(dú)特的布（試驗(yàn)）點(diǎn)方式，其特點(diǎn)表現(xiàn)在：每個(gè)因素的每個(gè)水平做一次且僅做一次試驗(yàn)。任2個(gè)因素的試驗(yàn)點(diǎn)點(diǎn)在平面的格子點(diǎn)上，每行每列有且僅有一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，如表U＊6（66）的第一列和第三列點(diǎn)成圖7-15a；這兩個(gè)特點(diǎn)反映了試驗(yàn)安排的“均衡性”，即對各因素，每個(gè)因素的每個(gè)水平一視同仁；均勻設(shè)計(jì)表任兩列組成的試驗(yàn)方案一般并不等價(jià)，例如用U＊6（66）的1，3 和1，4列分別畫圖，得圖7-15a、b。可見a的點(diǎn)散布比較均勻，而b的點(diǎn)散布并不均勻。均勻設(shè)計(jì)表的這一性質(zhì)和正交表有很大的不同，因此，每個(gè)均勻設(shè)計(jì)表必須有一個(gè)附加的使用表。

圖7-15 均勻設(shè)計(jì)的均衡性

當(dāng)因素的水平數(shù)增加時(shí)，試驗(yàn)數(shù)按水平數(shù)的增加量在增加。如當(dāng)水平數(shù)從9水平增加到10水平時(shí)，試驗(yàn)數(shù)n 也從9增加到10。而正交設(shè)計(jì)當(dāng)水平增加時(shí)，試驗(yàn)數(shù)按水平數(shù)的平方的比例在增加。當(dāng)水平數(shù)從9到10時(shí)，試驗(yàn)數(shù)將從81增加到100。由于這個(gè)特點(diǎn)，使均勻設(shè)計(jì)更便于使用。

均勻設(shè)計(jì)表的使用步驟和正交設(shè)計(jì)很相似，但也有一些不同之處。通常有如下步驟：

i.根據(jù)試驗(yàn)的目的，選擇合適的因素和相應(yīng)的水平；

ii.選擇適合該試驗(yàn)的均勻設(shè)計(jì)表，然后根據(jù)該表的使用表從中選出列號，將因素分別安排到這些列號上，并將這些因素的水平按所在列的指示分別對號。

參考文獻(xiàn)

[1] ISO 7539.7-2005.Corrosion of metals and alloys – Stress corrosion testing Part7: Method for slow strain rate testing

[2] GB/T 15970.7 -2017.金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗(yàn) 第7部分：慢應(yīng)變速率試驗(yàn)

[3] HB 7235-1995.慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法10

[4] HB 5260-1983.馬氏體不銹鋼拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法

[5] 盧志明，朱建新，高增梁。 16MnR鋼在濕硫化氫環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性研究[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2007,19（6）：410-413

[6]夏之寧，堪其亭，穆小靜，等。正交設(shè)計(jì)與均勻設(shè)計(jì)的初步比較[J].重慶人學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999,22（5）：112-117

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站所轉(zhuǎn)載的文字、圖片與視頻資料版權(quán)歸原創(chuàng)作者所有，如果涉及侵權(quán)，請第一時(shí)間聯(lián)系本網(wǎng)刪除。