Расчёт процессов высокотемпературной оксидной и сульфидно-оксидной коррозии сплава Fe76Cr24 на основе связанной модели хемомеханики
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2026.19.1.6Ключевые слова:
окисление, сульфидно-оксидная коррозия, хемомеханика, связанная модель, взаимная диффузия, напряженияАннотация
Эксплуатация деталей газотурбинных двигателей при повышенных температурах в агрессивных средах, содержащих кислород и сернистые соединения, ведёт к образованию коррозионной плёнки, изменяющей механические характеристики и напряжённое состояние в приповерхностном слое, что в свою очередь влияет на скорость продвижения продуктов коррозии. Высокотемпературная солевая коррозия металлических сплавов сопровождается взаимной диффузией и химическими реакциями между компонентами металла и агрессивными веществами, набуханием материала и возникновением реологических деформаций, вследствие этого процесс необходимо описывать в рамках связанной постановки. С этой целью используется модель, построенная на основе классической термодинамики необратимых процессов, включающая уравнения баланса масс компонентов и уравнение равновесия для материала в целом и учитывающая упруговязкопластическое поведение продуктов коррозии при повышенной температуре. С помощью конечно-элементного пакета COMSOL Multiphysics проведён расчёт процессов высокотемпературного окисления и сульфидно-оксидной коррозии двухкомпонентного сплава железа и хрома. Его результаты предсказывают образование слоистой структуры коррозионной плёнки, продвижение фронта сжимающих остаточных напряжений и коррозии вглубь материала и релаксацию напряжений вблизи поверхности. Сравнение геометрически линейных и нелинейных формулировок модели с учётом и без учёта влияния напряжений на диффузионные потоки и скорости химических реакций, а также с учётом и без учёта пластических и вязких деформаций, показало значительное влияние каждого из этих факторов на скорость продвижения фронта коррозии и на напряжённо-деформированное состояние материала.
Скачивания
Библиографические ссылки
Пивоварова М.В., Гладкий И.Л. Ресурс деталей газотурбинных двигателей в условиях воздействия коррозионных сред // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2019. Т. 18, № 3. C. 109–117. DOI: 10.18287/2541-7533-2019-18-3-109-117
Никитин В.И., Рыбников А.И. Сульфидно-оксидная коррозия материалов и покрытий лопаток газовых турбин // Теплоэнергетика. 2011. № 2. C. 20–29
Sabri K., Si-Chaib M.O., Gaceb M. Assessment of the degraded high-pressure blades in a land-based gas turbine // Journal of Failure Analysis and Prevention. 2021. Vol. 21. P. 689–704. DOI: 10.1007/s11668-020-01076-5
Gutman E.M. Mechanochemistry of Solid Surfaces. Singapore: World Scientific Publishing Company, 1994. 332 p.
Локощенко А.М., Фомин Л.В. Моделирование поведения материалов и элементов конструкций, находящихся под воздействием агрессивных сред (обзор) // Проблемы прочности и пластичности. 2018. Т. 80, № 2. C. 145–179. DOI: 10.32326/1814-9146-2018-80-2-145-179
Evstafeva I., Pronina Y. On the mechanochemical dissolution of shells and its temperature dependence: Discussion of different models // International Journal of Engineering Science. 2023. Vol. 190. 103889. DOI: 10.1016/j.ijengsci.2023.103889
Mai W., Soghrati S. A phase field model for simulating the stress corrosion cracking initiated from pits // Corrosion Science. 2017. Vol. 125. P. 87–98. DOI: 10.1016/j.corsci.2017.06.006
Ansari T.Q., Huang H., Shi S.-Q. Phase field modeling for the morphological and microstructural evolution of metallic materials under environmental attack // npj Computational Materials. 2021. Vol. 7. 143. DOI: 10.1038/s41524-021-00612-7
Cui C., Ma R., Martínez-Pañeda E. A phase field formulation for dissolution-driven stress corrosion cracking // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2021. Vol. 147. 104254. DOI: 10.1016/j.jmps.2020.104254
Xie C., Bai S., Liu X., Zhang M., Du J. Stress-corrosion coupled damage localization induced by secondary phases in bio-degradable Mg alloys: phase-field modeling // Journal of Magnesium and Alloys. 2024. Vol. 12, no. 1. P. 361–383. DOI: 10.1016/j.jma.2022.04.004
Makuch M., Kovacevic S., Wenman M.R., Martínez-Pañeda E. A microstructure-sensitive electro-chemo-mechanical phase-field model of pitting and stress corrosion cracking // Corrosion Science. 2024. Vol. 232. 112031. DOI: 10.1016/j.corsci.2024.112031
Cheng H.- J., Zhang X.-C., Jia Y.-F., Yang F., Tu S.-T. A nite element simulation on fully coupled diffusion, stress and chemical reaction // Mechanics of Materials. 2022. Vol. 166. 104217. DOI: 10.1016/j.mechmat.2022.104217
Zhou H., Qu J., Cherkaoui M. Stress–oxidation interaction in selective oxidation of Cr–Fe alloys // Mechanics of Materials. 2010. Vol. 42, no. 1. P. 63–71. DOI: 10.1016/j.mechmat.2009.09.007
Qin B., Zhong Z. A theoretical model for thermo-chemo-mechanically coupled problems considering plastic ow at large deformation and its application to metal oxidation // International Journal of Solids and Structures. 2021. Vol. 212. P. 107–123. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2020.12.006
Zhao Y., Chen Y., Ai S., Fang D. A diffusion, oxidation reaction and large viscoelastic deformation coupled model with applications to SiC fiber oxidation // International Journal of Plasticity. 2019. Vol. 118. P. 173–189. DOI: 10.1016/j.ijplas.2019.02.003
Attariani H., Levitas V.I. Coupled large-strain mechanochemical theory for solid-state reaction with application to oxidation // Acta Materialia. 2021. Vol. 220. 117284. DOI: 10.1016/j.actamat.2021.117284
Morozov A., Freidin A.B., Müller W.H. On stress-affected propagation and stability of chemical reaction fronts in solids // International Journal of Engineering Science. 2023. Vol. 189. 103876. DOI: 10.1016/j.ijengsci.2023.103876
Freidin A.B., Vilchevskaya E.N. Chemical Affinity Tensor in Coupled Problems of Mechanochemistry // Encyclopedia of Continuum Mechanics / ed. by H. Altenbach, A. Öchsner. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2020. P. 1–17. DOI: 10.1007/978-3-662-53605-6_143-1
Mehrer H. Diffusion in solids. Berlin: Springer, 2007. 654 p. DOI: 10.1007/978-3-540-71488-0
Paul A., Laurila T., Vuorinen V., Divinski S.V. Thermodynamics, Diffusion and the Kirkendall Effect in Solids. Cham, Switzerland: Springer, 2014. 530 p. DOI: 10.1007/978-3-319-07461-0
Дудин Д.С., Келлер И.Э. Обзор подходов к формулировке связанных уравнений взаимной диффузии в вязкоупругом теле // Химическая физика и мезоскопия. 2022. Т. 24, № 3. C. 296–311. DOI: 10.15350/17270529.2022.3.24
Хаазе Р. Термодинамика необратимых процессов. М.: Мир, 1967. 544 с.
Дьярмати И. Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы. М.: Мир, 1974. 304 с.
Brassart L., Liu Q., Suo Z. Mixing by shear, dilation, swap, and diffusion // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2018. Vol. 112. P. 253–272. DOI: 10.1016/j.jmps.2017.12.008
Заварзин С.В., Оглодков М.С., Чесноков Д.В., Козлов И.А. Высокотемпературная солевая коррозия и защита материалов газотурбинных двигателей (обзор) // Труды ВИАМ. 2022. № 3. C. 121–134. DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-3-121-134
Дудин Д.С., Келлер И.Э. Описание высокотемпературной оксидной коррозии нихрома связанной моделью хемомеханики // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2026. № 1. C. 256–292. DOI: 10.31857/S1026351926010135
Darken L.S. Diffusion, Mobility and Their Interrelation through Free Energy in Binary Metallic System // Transactions of AIME. 1948. Vol. 175. P. 184–201.
Dantzig J.A., Boettinger W.J., Warren J.A., McFadden G.B., Coriell S.R., Sekerka R.F. Numerical modeling of diffusion-induced deformation // Metallurgical and Materials Transactions A. 2006. Vol. 37. P. 2701–2714. DOI: 10.1007/BF02586104
Stephenson G.B. Deformation during interdiffusion // Acta Metallurgica. 1988. Vol. 36, no. 10. P. 2663–2683. DOI: 10.1016/0001-6160(88)90114-9
Daruka I., Szabó I.A., Beke D.L., Cserháti Cs., Kodentsov A., Van Loo F.J.J. Diffusion-induced bending of thin sheet couples: Theory and experiments in Ti-Zr system // Acta Materialia. 1996. Vol. 44, no. 12. P. 4981–4993. DOI: 10.1016/S1359-6454(96)00099-7
Suo Z. A Continuum Theory That Couples Creep and Self-Diffusion // Journal of Applied Mechanics. 2004. Vol. 71, no. 5. P. 646–651. DOI: 10.1115/1.1781176
Hartley G.S., Crank J. Some fundamental definitions and concepts in diffusion processes // Transactions of the Faraday Society. 1949. Vol. 45. P. 801–818. DOI: 10.1039/TF9494500801
Knyazeva A.G. Application of Irreversible Thermodynamics to Diffusion in Solids with Internal Surfaces // Journal of Non-Equilibrium Thermodynamics. 2020. Vol. 45, no. 4. P. 401–417. DOI: 10.1515/jnet-2020-0021
Hageman T., Martínez-Pañeda E. An electro-chemo-mechanical framework for predicting hydrogen uptake in metals due to aqueous electrolytes // Corrosion Science. 2022. Vol. 208. 110681. DOI: 10.1016/j.corsci.2022.110681
Jiang C., Zhong Z. A thermo-electro-chemo-mechanically coupling theory considering species diffusion and electrochemical reaction // International Journal of Solids and Structures. 2023. Vol. 267. 112147. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2023.112147
Schütze M. Plasticity of protective oxide scales // Material Science and Technology. 1990. Vol. 6, no. 1. P. 32–38. DOI: 10.1179/mst.1990.6.1.32
Panicaud B., Grosseau-Poussard J.-L., Kemdehoundja M., Dinhut J.-F. Mechanical features optimization for α-Cr2O3 oxide films growing on alloy NiCr30 // Computational Materials Science. 2009. Vol. 46, no. 1. P. 42–48. DOI: 10.1016/j.commatsci.2009.02.003
Ning Z., Zhou Q., Liu Z., Li N., Luo Q., Wen D. Effects of imposed stresses on high temperature corrosion behaviour of T91 // Corrosion Science. 2021. Vol. 189. 109595. DOI: 10.1016/j.corsci.2021.109595
Simo J.C., Hughes T.J.R. Computational Inelasticity. New York: Springer, 1998. 392 p.
Денисюк Е.Я., Терешатов В.В. Теория механодиффузионных процессов переноса многокомпонентных жидкостей в сшитых эластомерах // Прикладная механика и техническая физика. 1997. Т. 38, № 6. C. 113–129.
Wu H., Liang Z., Zhu Z., Tang B., Zhao Q. Oxidation resistance of the 316L manufactured by cold-rolled and selective laser melting in CO2 and air // Materials Today Communications. 2022. Vol. 33. 104889. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2022.104889
Desu R.K., Krishnamurthy H.N., Balu A., Gupta A.K., Singh S.K. Mechanical properties of austenitic stainless steel 304L and 316L at elevated temperatures // Journal of Materials Research and Technology. 2016. Vol. 5, no. 1. P. 13–20. DOI: 10.1016/j.jmrt.2015.04.001
Grosseau-Poussard J.-L., Panicaud B., Ben Aa S. Modelling of stresses evolution in growing thermal oxides on metals. A methodology to identify the corresponding mechanical parameters // Computational Materials Science. 2013. Vol. 71. P. 47–55. DOI: 10.1016/j.commatsci.2013.01.013
Song S., Kan Q., Liu Y., Bao C., Lu X., Zhang X. Tensile and creep behavior of 316L austenite stainless steel at elevated temperatures: experiment and crystal plasticity modeling // Acta Mechanica Sinica. 2024. Vol. 40. 423091. DOI: 10.1007/s10409-023-23091-x
Benaa S., Retraint D., Yapi Brou S., Panicaud B., Grosseau Poussard J.L. Influence of Surface Mechanical Attrition Treatment on the oxidation behaviour of 316L stainless steel // Corrosion Science. 2018. Vol. 136. P. 188–200. DOI: 10.1016/j.corsci.2018.03.007
Rothman S.J., Nowicki L.J., Murch G.E. Self-diffusion in austenitic Fe-Cr-Ni alloys // Journal of Physics F: Metal Physics. 1980. Vol. 10. P. 383–398. DOI: 10.1088/0305-4608/10/3/009
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2026 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
