人工模拟（精选6篇）
人工模拟 篇1
摘要：为了节约资金、有效开展膨胀土室内试验, 从降雨水箱与不锈钢支架的制作两方面阐述了人工模拟降雨装置, 并检验了自制模拟降雨装置的降雨强度、雨滴分布均匀性及直径大小等, 指出利用人工模拟降雨装置, 有效开展了膨胀土的试验。
关键词：膨胀土,模拟,降雨,装置
由于人类社会活动的增加导致大气变化反复无常, 各种自然灾害威胁着人类的生命财产安全, 其中降雨是引发泥石流、山体滑坡、道路边坡失稳等自然灾害的原因之一, 尤其是针对一些例如膨胀土这样的特殊土体, 一旦遭受降雨的影响, 发生上述自然灾害的可能性就会大大提高。李雄威等[1]在对气候影响下膨胀土工程性质的原位响应特征试验研究中得出:降雨是引起膨胀土边坡失稳, 进而发生渐进性地质灾害的直接诱因, 因此在降雨的条件下研究膨胀土发生水土流失导致道路边坡失稳等内在机理的变化, 对于人工预防减灾有着极为重要的现实意义。然而天然降雨对于研究膨胀土土体在自然条件下内部结构变化而引发的灾害有着时间和地域的局限性, 所以研究制作人工模拟降雨装置是科学试验当中的重要一环。利用人工模拟降雨, 不仅可以进行各种下垫面条件下土壤侵蚀与水土保持实验研究[2], 而且可以科学研究膨胀土土体内在的基本物理性质, 以便分析水土流失的规律。
1 人工模拟降雨装置制作
目前国际上人工模拟降雨装置的制作形式归纳起来主要有四种:喷嘴式, 管网式, 悬线式, 针头式。为了有效配合膨胀土的室内试验的需要, 本次模拟降雨装置的研制选用针头式降雨。
1.1 降雨水箱
根据室内实验膨胀土的土样尺寸, 选用材质厚度为1 mm, 总面积为6 400 cm2不锈钢皮焊接围成体积为40 cm (L) ×40 cm (W) ×30 cm (H) 上端无盖的水箱 (见图1) 。底部组合安装内径为1 mm, 间距20 mm, 总计324根钢钉针头 (见图2) , 并在水箱底部孔与钢钉接触周围用玻璃胶密封, 保证水滴直径尽可能达到实验要求。同时, 为了控制雨滴的均匀性, 选用20 mm厚, 50 kg/m3高密度海绵铺设在水箱内部, 海绵紧贴水箱底部及四壁, 且高密度海绵四周截断处均高于水箱底部10 cm。
1.2 不锈钢支架
人工模拟降雨水箱支架分为上下两部分:基础固定部分与可升降调节部分。固定支架使用截面边长为30 mm的正方形不锈钢空心钢管, 焊接组合成边长为1 000 mm正方形支架, 在支架上部四角处预留升降调节部分接口。可升降调节支架选用空心不锈钢钢管, 其边长为25 mm, 上端与基础固定支架相同, 下端焊接成可顺利插入固定支架内的长度为80 mm四肢独立悬空的支架。固定支架上端与可移动支架下部每间隔100 mm位置处打直径5 mm小孔, 当可调节支架四肢竖向插入预留固定支架空心钢管同一高度开孔处时, 可用自制钢钉锚固锁紧, 使两者组合成可调节高度的降雨装置支架。
2 人工模拟降雨装置调试
根据任树梅等[3]在水土保持和降雨入渗研究中对模拟降雨装置的研究, 本文检验了自制模拟降雨装置的主要评价特征值:降雨的强度, 雨滴分布的均匀性, 以及雨滴直径的大小等。
2.1 降雨强度
选用直径为20 cm的雨量筒与直径为4 cm的量杯组合装置, 在雨量筒内装一个漏斗和一个储水瓶, 先将雨量筒放在距离地面40 cm高度处的降雨水箱正下方。打开水源并将水流引入水箱, 人工降雨1 h后, 将储水瓶里面的水全部倒入量杯中, 观测量杯内的读数, 调节水源出水的动力大小与水箱垂直高度, 保证1 h内量杯中水量高度小于1 mm, 达到小雨降雨的水平要求。
2.2 降雨均匀性与直径大小
选取边长为60 cm×60 cm薄木板, 放在距离地面40 cm处水箱下方, 将雨量筒放在木板上, 根据测量的降雨量, 采用我国模拟降雨装置均匀性公式得出:
其中, k, , X1, n分别为降雨的均匀系数, 各测点平均降雨量, 测点雨量以及测点数, 当均匀系数超过0.75即符合实验要求。国际上公认的雨滴直径大小测量方法是色斑测定法, 由公式d=a Db得出, 其中, a≈0.32;b≈0.74;D为色斑直径, 这里用对木板雨滴直径D'的测量代替色斑直径, 最后分析总结完善人工模拟降雨装置, 从而有效开展膨胀土的各项室内研究实验。
3 结语
膨胀土道路边坡的失稳与土体中裂隙的发展紧密相关, 降雨入渗造成土体中水平应力与竖向应力比显著增加, 致软化的土体有可能沿着裂隙面发生局部被动破坏, 最后发展成为膨胀土中常见的渐进式滑坡[4]。人工模拟降雨装置制作简单, 操作方便, 缩短了试验周期, 对于降雨的强度大小有很好的调控性, 不受时间与地域的局限性, 能够卓有成效的开展膨胀土研究试验。同时, 其为膨胀土在蒸发降雨条件下的湿热耦合与裂隙发展提供了良好的硬件设施, 对于降雨引发的地面水土流失规律以及道路边坡失稳、山体滑坡等特殊土体内在基本性质室内研究有很好的使用与推广价值。
参考文献
[1]李雄威, 孔令伟, 郭爱国.气候影响下膨胀土工程性质的原位响应特征试验研究[J].岩土力学, 2009 (7) :2069-2074.
[2]张光辉, 刘宝元, 李平康.槽式人工模拟降雨机的工作原理与特性[J].水土保持通报, 2007 (12) :56-60.
[3]任树梅, 刘洪禄, 顾涛.人工模拟降雨技术研究综述[J].中国农村水利水电, 2003 (3) :73-75.
[4]詹良通, 吴宏伟, 包承纲, 等.降雨入渗条件下非饱和膨胀土边坡原位监测[J].岩土力学, 2003 (4) :151-158.
人工模拟 篇2
摘要：为确定钢渣作为垂直潜流人工湿地基质的可行性,开展了静态吸附和钢渣人工湿地去除生活污水中磷的试验研究.结果表明钢渣对污水中磷的吸附平衡时间较长,吸附速率较快;当温度降低时,钢渣的磷吸附容量对吸附平衡浓度的依赖性也随之降低,最大理论吸附量减少了81.79%,而其吸附强度却有所增加;当处理生活污水时,在0.5 m3/(m2・d)的负荷下对TP的平均去除率达91.90%,吸附方式包括物理吸附和化学吸附;磷的.最大解吸量占最大吸附量的0.75%,因而在人工湿地的应用中应注意磷解吸形成的二次污染.作 者：叶建锋 徐祖信 李怀正 尹海龙 YE Jian-feng XU Zu-xin LI Huai-zheng YIN Hai-long 作者单位：叶建锋,徐祖信,尹海龙,YE Jian-feng,XU Zu-xin,YIN Hai-long(同济大学,环境科学与工程学院,上海,92)
李怀正,LI Huai-zheng(上海市环境科学研究院,上海,33)
人工模拟 篇3
1 ANSYS数值分析软件简介
ANSYS软件从最初仅仅能在大型机上使用，只提供热分析和线性结构分析功能的批处理程序，现已发展成一个集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的可在大多数计算机和操作系统中运行的大型通用的有限元分析软件，在土木工程、航空航天、水利、船舶、电子等诸多领域被广泛使用。ANSYS具有强大的热分析功能，并能进行与热相关的耦合场分析，得到理想的效果。AN-SYS软件拥有如下技术特点:1)完整的单场分析方案:ANSYS软件汇集了世界上最强的各物理场分析技术，包括强大的结构非线性机械模块Mechanical;拥有碰撞、冲击、爆炸模拟能力的强大的显式模块AUTODYN;以求解快著称的流体动力学分析模块CFX;电磁场分析模块FEKO等等。2)独特的多场耦合分析:ANSYS的多物理场仿真模块Multi-physics允许在同一模块上进行各种耦合分析，如热—力耦合分析，以及电—磁—流体—热多场耦合分析。3)设计人员的快捷分析工具。
2 深部人工冻土试样正融态加载过程数值模拟研究
2.1 问题的描述
对以上CT试验加载扫描的试件进行热—力耦合分析，该试件土样为从郭屯煤矿700 m深处取回的经人工冻结后的扰动土样，试件尺寸为直径32 mm、高48 mm的圆柱体，通过室内制样和-10℃的恒负温条件冻结一昼夜后，试件内部温度恒定为-10℃，其表面传热系数为12.5×10-6W/(mm2·℃)，土样密度为1.878 g/cm3，含水率18%，其他热、物理参数如表1所示。试验时的室温为16℃。
试件的加载扫描过程中，温度和应力的变化是瞬态非线性的，且伴随有相变。所以人工冻土的热—力耦合分析很复杂，需要进行一定的简化，在本文中假定室内制作的试样密度是均匀的，且其内部温度也是均匀的。
2.2 模型建立
在整个分析建模过程中，要始终做到对单位的统一，本次数值模拟，长度的单位采用mm，温度的单位采用℃，其他物理量均采用国际单位制的单位。整个的建模过程和步骤为:1)定义单元类型;2)根据以上参数定义材料的各项属性;3)建立几何模型;4)设置单元属性，划分单元，图1为划分的单元模型;5)施加各项温度载荷，包括初始温度和对流载荷;6)设置求解选项并求解;7)进行热分析后处理，显示图片;8)删除温度边界荷载，将温度场单元转化为结构场单元，并更改单元属性;9)读取温度场计算结果，施加结构场约束条件;10)进行求解选项设置，并求解进行结构场分析。
2.3 结果分析
2.3.1 热分析
模型的初始温度为-10℃，环境温度为16℃。设置的求解时间步为4 000，相当于4 000 s。图2为经过不同时间后的试样温度场分布云图，从图2中可以看出不同时刻的温度分布情况，以及温度随时间的变化情况。经过20 min的时候，试件表面顶部和底部已出现小部分正温区域，试件侧角开始出现融化现象;30 min后试件顶部、底部及周围大部分区域已经融化;直到43 min的时候试件完全融化，内部全部为正温状态，表面温度已达到4.516℃。经过最后一个时间步后，试件中心温度为8.526℃，侧角最高温度为9.886℃。从这些云图的温度变化数据可以看出，人工冻土试样初始状态的温度升高比较快，接近零点时，由于土体内的冰开始融化，整个冻土试样的温度变化放慢，整个融化过程持续25 min左右，较起初升高10℃所用时间长了很多。等试样完全融化后，土体的温度变化又加快。
对深部人工冻土试样数值模拟热分析的结果表明:土体内部冰完全融化大概持续40 min左右，与20%含水率的深部人工冻土试样CT加载扫描试验所耗费的时间(36 min)基本吻合。图3为人工冻土试样圆柱体中心点、底面中心点、侧表面高度中心点、侧表面与底面相交棱角点4个代表点的温度随时间变化关系对比曲线。从图3中可以看出，中心点的相变融化过程最为明显，持续时间最长;侧面下角点的初始温度梯度最大，且相变阶段最不明显。从各点的温度变化曲线和各时刻的温度分布云图可以看出，试样在13 min左右开始逐渐进入相变融化阶段，15 min时圆柱棱角处已完全融化，23 min时试样底面中心和高度中心处完全融化。这与图4中20%含水率人工冻土试样加载扫描过程温度随时间变化关系曲线所反映的时间变化基本吻合。
2.3.2 结构分析
间接法热—力耦合分析是将温度场计算结果作为结构场分析的载荷，再施加其他约束载荷条件后进行求解，得到结构场分析结果。图5为施加0.7 MPa载荷后试样的位移变形云图，从图5中可以看出，试样顶端位移最大，达到3.433 mm，与实验时测得的数据还是有些差距。图6为加载0.7 MPa后整个试件的等效应力分布，从图6中可以看出，试样侧面的应力最大，这正是实验时试样在断面周围先有新生裂纹出现，并逐渐向内部发展的原因。
3 结语
利用ANSYS对CT实验过程中郭屯矿井深部人工冻土试样的温度场变化情况进行了模拟研究，并进行了试样加载条件下的热—力耦合模拟分析。从模拟情况可以看出，模拟温度场的变化与实际实验温度变化基本吻合，并分析了热—力耦合作用下应力场、位移场的若干变化规律。
参考文献
[1]刘波,吉海军,李东阳,等.郭屯立井深部人工冻土的CT力学试验研究[A].煤炭科学与技术研究论文集[C].2010.
[2]张国智,胡仁喜,陈继刚,等.ANSYS10.0热力学有限元分析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2007.
[3]李红云,赵社戍,孙雁.ANSYS10.0基础及工程应用[M].北京:机械工业出版社,2008.
[4]张洪信,赵清海.ANSYS有限元分析完全自学手册[M].北京:机械工业出版社,2008.
[5]李围.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2007.
人工模拟 篇4
人工神经网络在强化一级处理系统过程模拟与优化中的应用
针对化学强化一级处理系统(CEPT)处理废水时影响因素多,难以进行适当的.控制和处理效果的预测等问题,建立起基于BP人工神经网络的CEPT法处理猪场稳定塘废水预测模型,并应用该模型对烧杯试验进行了模拟.结果表明,预测值和实测值吻合较好,模型对COD、总磷、浊度去除率预测的平均相对误差分别为7.5%、4.8%和4.9%.通过对pH值和絮凝剂投药量等可控参数进行优化计算,得到CEPT系统的最佳操作条件和最合理操作条件.该模型的建立为CEPT法处理废水工艺系统实现自动化控制提供了一条简便实用的途径.
作 者：何毅 倪晋仁 汪严明 薛安 He Yi Ni Jinren Wang Yanming Xue An 作者单位：北京大学环境工程系,水沙科学教育部重点实验室,北京,100871 刊 名：环境污染治理技术与设备 ISTIC PKU英文刊名：TECHNIQUES AND EQUIPMENT FOR ENVIRONMENTAL POLLUTION CONTROL 年，卷(期)：2006 7(8) 分类号：X703 关键词：化学强化一级处理 人工神经网络 过程模拟优化人工模拟 篇5
中国是世界上粳稻总产量最高的国家,也是种植面积最大的国家。寒地粳稻的种植区域90%以上分布在黑龙江省。因此黑龙江是中国寒地粳稻种植区域的主体[2,3]。该研究选取黑龙江省主要水稻栽培品种,旨在为深入研究黑龙江省水稻主要栽培品种不同生育时期耐冷性提供依据。
1 材料与方法
1.1 材料
供试水稻品种为空育131、垦鉴稻6号、垦稻12、龙粳26和龙粳29。人工气候箱为上海一恒科学仪器有限公司生产,型号为MGC-350HP。
1.2 方法
1.2.1 发芽期耐冷性处理方法
将种子用70%乙醇消毒1 min,蒸馏水冲洗,浸种1 d,每品种选取完整种子60粒放入直径9 cm,底部铺有滤纸的培养皿中,放置于15℃人工气候箱内,处理15 d。同时设定常温对照。测定指标:发芽率/%=发芽粒数/供试总粒数×100。
1.2.2 幼苗期耐冷性处理方法
常温下生长的3叶龄秧苗放置在5℃人工气候箱,相对湿度:70%～80%,光强度:2万～3万lx,12 h,处理7 d,室温下恢复6 d。按照苗期耐冷性分级标准判定水稻耐冷性测定指标[1]。
1.2.3 孕穗期耐冷性处理方法
品种经大棚育苗后于3叶龄时种植于直径13.5 cm、高度11.5 cm塑料盆中,每盆3穴,每穴3棵。每品种移栽6盆,将塑料盆坐入水稻地,水面没过盆沿,3盆于孕穗期作低温处理,3盆作对照。低温处理条件为,15℃人工气候箱处理,相对湿度80%,光强度:1万lx,处理时间7 d。测定指标包括成熟期水稻株高、单株粒重、结实率及千粒重。
运用SPSS 13.0软件进行数据统计。
2 结果与分析
2.1 发芽期耐冷性
由表1可知,供试品种芽期耐冷性为空育131>垦鉴稻6号>垦稻12>龙粳29>龙粳26。
2.2 幼苗期耐冷性
苗期的低温冷害主要导致出芽不良、苗弱、易感立枯病和延迟移栽等[4]。根据水稻苗期耐冷性分级标准[1]该试验结果为空育131(1级)、龙粳29(3级)、垦稻12(4级)、龙粳26(5级)、垦鉴稻6号(7级)。
2.3 孕穗期耐冷性
由表2可知,各供试水稻品种低温处理在株高、单株粒重、结实率及千粒重上均低于对照,说明在水稻孕穗期对其进行低温处理对水稻的生长及籽粒的形成造成了影响。在结实率上供试品种间表现差异显著。低温处理各品种结实率为空育131>龙粳29>垦稻12>垦鉴稻6号>龙粳26。
3 结论
该研究结果表明,供试品种芽期耐冷性为空育131>垦鉴稻6号>垦稻12>龙粳29>龙粳26。苗期耐冷性为空育131>龙粳29>垦稻12>龙粳26>垦鉴稻6号。孕穗期低温可导致各品种水稻株高、单株粒重、结实率及千粒重降低,低温处理品种结实率为空育131>龙粳29>垦稻12>垦鉴稻6号>龙粳26。
通过对不同品种水稻不同生育时期进行低温处理,结果表明,品种间对低温的反应存在差异,在不同生育时期同一品种表现的耐冷性不同。综合试验结果表明供试品种空育131和龙粳29在芽期、苗期及孕穗期耐冷性相对较强。
摘要：为深入研究黑龙江省水稻主栽品种不同生育时期耐冷性变化趋势,采用人工气候箱模拟低温条件对5个水稻品种于芽期、苗期及孕穗期进行低温处理。结果表明:不同水稻品种对低温的反应存在差异,供试品种空育131和龙粳29在芽期、苗期及孕穗期耐冷性相对较强。
关键词：水稻,耐冷性,人工气候箱
参考文献
[1]韩龙植,张三元.水稻耐冷性鉴定评价方法[J].植物遗传资源学报,2004,5(1):75-80.
[2]田永圻.黑龙江省综合自然区划[M].哈尔滨:哈尔滨地图出版社,1989.
[3]庞子营.黑龙江省土地资源的地区差异[J].农业与技术,2001,21(1):12-15.
人工模拟 篇6
关键词：离子渗氮,纯钛材,Hank’s人工模拟体液,电化学行为,显微硬度,耐蚀性
0 前 言
用于人体关节的金属材料需具有一定的力学性能及良好的生物相容性和耐蚀性能。钛金属强度高、耐腐蚀性好、弹性模量小,被广泛用于医学等域[1]:299～301,但其硬度小、耐磨性差,使其在人体中的应用受到限制。为此,须对钛表面进行改性,其方法主要有阳极氧化、等离子体微弧氧化、电镀、化学镀、化学转化、等离子喷涂、气相沉积、激光感应、高频感应、离子注入及离子渗氮法等。离子渗氮法的渗层与基材结合良好、工艺重现性好、无污染,在保持基材高强度、高韧性的基础上,可以提高其耐磨性、耐蚀性及生物相容性[2,3,4]。在钛金属表面离子氮化获得钛的氮化物,可以显著提高其表面硬度。
本工作通过表面离子氮化来提高钛金属的表面硬度,在不降低耐磨性的情况下进一步提高其耐蚀性,并研究了离子渗氮钛材在Hank’s人工模拟体液环境中的硬度及耐蚀性,相关研究目前鲜有报道。
1 试 验
1.1 基材预处理
基材为99.5%的工业纯钛材TA2,线切割成10 mm×10 mm×2 mm,用400,600,800,1 000,1 500,2 000号砂纸逐级打磨后用丙酮除油5 min、去离子水超声波清洗15 min,冷风吹干后装炉。
1.2 离子渗氮
设备为LDMC - 30C型辉光离子氮化炉,待炉内真空度降至20 Pa以下,即可通电起辉,起辉后进行打弧开温,逐渐增大占空比,当占空比达到70%时,将占空比调至20%,加氨气继续打弧,氨气流量为0.6 L/min,至打弧结束,整个过程约25 min;然后在650 ℃进行离子渗氮处理:电流密度为15～17 mA,辉光电压为750 V,炉内真空度为380 Pa,氮气用量约为186 L,渗氮时间为5 h,随炉冷却。
1.3 测试分析
1.3.1 形貌、成分、结构及显微硬度
采用FEI Quanta 600 FE - SEM型场发射扫描电镜(SEM)观察渗氮钛材的截面形貌。采用EDAX GENESIS Apex型能谱仪(EDS)分析渗氮层的相结构。采用D/max - RB 型X射线衍射仪(XRD)测定渗氮层的结构,以Cu Kα辐射,管电压为40 kV,管电流为100 mA,步长0.02°,扫描速度为4 (°)/min,扫描范围为35°～105°。采用HXD - 1000TMC/LCD显微硬度计测量渗氮钛材的表面显微硬度。
1.3.2 电化学性能
采用PARSTAT 2273型电化学工作站测定纯钛材及渗氮钛材在人工模拟体液中的极化曲线和交流阻抗谱(EIS):测试溶液为Hank’s溶液,具体成分为8.0 g NaCl,0.4 g KCl,0.14 g CaCl2,0.35 g NaHCO3,0.1 g MgCl2·6H2O,0.06 g MgSO4·7H2O,0.06 g KH2PO4,0.06 g NaH2PO4·2H2O,1 g 葡萄糖,1 L蒸馏水,利用HCl和NaOH调节溶液pH值至7.4,恒温水浴37 ℃[5];采用三电极体系,工作电极为渗氮钛材,参比电极为饱和甘汞电极(SCE),辅助电极为石墨;极化曲线的扫描速度为0.5 mV/s,扫描范围为相对开路电位-0.25～1.60 V;交流阻抗谱扫描频率范围为1×(10-1～105) Hz,交流激励信号幅值为5 mV。
2 结果与讨论
2.1 渗氮层的形貌
离子渗氮钛材的表面呈均匀的暗金黄色,其截面SEM形貌见图1。由图1可知,钛材表面形成了具有一定厚度、且均匀致密的梯度结构;EDS分析表明钛材表层为渗氮层,厚约(17±5) μm。
2.2 渗氮层的相结构及硬度
图2为渗氮钛材表面的XRD谱。由图2可知,XRD谱出现了多个峰, 分别对应α - Ti(N),Ti2N,TiN的衍射峰。渗氮过程中,氮原子先向钛基体扩散形成间隙固溶体α - Ti(N),在钛表面形成氮扩散层;随着渗氮时间的延长,当氮在钛的晶格间隙达到饱和时,在Ti - N界面生成Ti2N,Ti2N进一步发生相变,转化为TiN,最终在钛表面形成渗氮层[6]。
渗氮钛材的表面显微硬度约为(650±20) HV,约为纯钛材[(280±10) HV]的2.3倍。氮原子进入钛基体形成α - Ti(N), N和Ti在高温下形成弥散分布的TiN和Ti2N[6],这些因素都会使钛材表面硬度增加。
2.3 极化曲线
图3为渗氮钛材与纯钛材在Hank’s人工模拟体液中的极化曲线。从图3可以看出:渗氮钛材与纯钛材阳极过程中均发生了活化溶解和钝化;从自腐蚀电位到0.20 V,纯钛材及渗氮钛材的腐蚀电流密度随着电位的升高线性增加,基本符合Tafel直线关系,对应活化溶解区;0.20 V到1.20 V对应着钝化区,渗氮钛材的致钝电流密度较小,约为17.1 μA/cm2;铸态纯钛材致钝电流密度较大,达到61.4 μA/cm2;尽管渗氮钛材在钝化区间里电流密度随着电压增加逐渐增大,表现为不稳定钝化,但其初始维钝电流密度明显小于纯钛材的,并且在破钝电位下的电流密度与纯钛材的相差不大,表明渗氮钛材表面钝化性能总体优于纯钛材;当电位升高到0.7 V时,渗氮钛材的腐蚀电流密度超过纯钛材,表明渗氮钛材表面钝化膜的溶解速度加快;当电位升高到1.2 V时,2种钛材同时进入过钝化区,渗氮表面的钝化膜完全溶解,腐蚀加剧。
对图3中的曲线进行拟合得出,渗氮钛材的自腐蚀电位约为-242.4 mV,自腐蚀电流密度约为0.17 μA/cm2;而纯钛材的自腐蚀电位约为-419.1 mV,自腐蚀电流密度约为 0.16 μA/cm2。由此可见,渗氮钛材的耐蚀性较好。渗氮钛材与铸态纯钛材的阴极过程相似,阴极过程极化伴有吸氧反应,形成氧化膜,表现为随着电位增加电流密度增加,发生活化溶解[7]。
因能在表面上形成保护性TiO2氧化膜,钛金属在多种介质中具有优异的耐蚀性能。TiO2钝化膜具有较高的氧过电位[1]:235～236,即使一时遭到破坏,也能自发地瞬间修复。当电流密度增至致钝电流密度时,表面生成的氧化物改变电极的表面状态,抑制了阳极极化过程,阳极反应的活化能显著提高,进而引起阳极钝化[7]。经过离子渗氮表面改性处理后,钛表面获得耐蚀的氮化物层TiN和Ti2N,金属表面原子失去原有活性,离子化速率大幅降低,阳极电流密度迅速减小,进入钝化状态,从而使其耐蚀性进一步提高。
2.4 交流阻抗(EIS)谱
图4为铸态纯钛材和渗氮钛材在Hank’s溶液中的EIS谱。由图4可知,渗氮钛材的Nyquist曲线曲率半径比纯钛材的大,表明其耐蚀性优于铸态纯钛材的。钛及其钛合金在Hank’s溶液中的表面氧化膜为由致密的氧化内层和疏松的氧化外层组成的双层结构,分别具有不同的电化学动力学特征[8],据此建立等效电路R(QR)(QR)[7]。
纯钛材及渗氮钛材在Hank’s溶液中的等效电路见图5。其中,Rs为溶液电阻,CPEp和Rp分别为疏松氧化膜层的常相位角元件和电阻,CPEb和Rb分别为致密氧化膜层的常相位角元件和电阻。利用ZsimpWin 3.21软件,采用R(QR)(QR)等效电路对EIS谱数据进行拟合得出,渗氮钛材表面膜电阻R约为2.387×104 Ω·cm2,明显高于纯钛材的1.714×104 Ω·cm2,表明渗氮钛材的耐蚀性高于纯钛材。离子渗氮过程中,NH3被电离成H+和N+,N+与Ti原子结合生成氮化物TiN和Ti2N,改变了钛材表面层的成分和致密性,从而影响腐蚀电化学反应的动力学,提高了材料的耐蚀性。
3 结 论
(1)铸态纯钛材经过650 ℃离子渗氮保温5 h后,表面形成了厚约17 μm的梯度渗氮层,其主要物相为α - Ti(N),Ti2N,TiN。
(2)与纯钛材相比,离子渗氮钛材的表面硬度提高了约2.3倍,达(650±20) HV。
(3)与纯钛材相比,在Hank’s溶液中,离子渗氮钛材的耐蚀性明显增强。
参考文献
[1]张喜燕,赵永庆,白晨光.钛合金及应用[M].化学工业出版社,2005.
[2]金红.医用钛合金及其表面改性技术的研究现状[J].稀有金属,2003,27(6):794～798.
[3]戴正宏,王玉林,何宝明.外科植入物用钛合金的表面改性[J].稀有金属,2003,27(4):491～494.
[4]屠振密,朱永明,李宁.钛及钛合金表面处理技术的应用及发展[J].表面技术,2009,38(6):76～78.
[5]梁成浩,郭亮,隋洪艳.人工模拟体液中pH值对离子注N人体医用合金腐蚀行为的影响[J].稀有金属材料与工程,2001,30(6):433～436.
[6]佟宇,郭天文,洪春福,等.辉光等离子渗氮对纯钛铸件表面性能的影响[J].真空科学与技术学报,2010,30(1):76～79.
[7]白云,李述军,郝玉林,等.新型医用Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金在Hank’s溶液中的电化学腐蚀行为研究[J].金属学报,2012,48(1):76～84.