本发明提供一种基于层次分析法(即AHP)的金属材料海水腐蚀敏感度评价方法，它涉及一种利用AHP层次分析法来计算海水腐蚀试验中金属材料对海水腐蚀环境因素敏感度的方法，属于分析材料海腐蚀敏感性方法技术领域。
背景技术：
近年来，人们在环境因素对土壤腐蚀性和大气腐蚀性影响的研究取得了很大成效。由于海水环境的复杂性、海水腐蚀状况的不稳定性，使得环境因素对金属材料海水腐蚀性影响尚处于探索阶段。海水是一种复杂的天然平衡体系，除了含有大量盐类之外，还含有溶解氧、海生物和腐败的有机物。同时，海水温度、流速、pH值等都对海水腐蚀有一定影响。因此，海洋腐蚀是在海洋物理、海洋化学和海洋生物三方面综合作用下呈现的一种腐蚀现象，这使得研究金属材料海洋腐蚀比其他介质腐蚀问题要复杂的多。
金属材料在我国海水环境中长周期腐蚀试验研究工作是国家科技部和国家自然科学基金委长期支持的一个重大项目“材料在我国典型自然环境中的腐蚀数据积累和规律性研究”中的一部分。我国海水腐蚀站网，从1983年起开展了50种国产常用金属材料在我国4个海域的不同海洋区带中进行16年的长期腐蚀暴露试验，得到了大量宝贵的海水腐蚀数据并从中总结出写典型金属材料长周期的海水腐蚀规律。
在分析、研究金属材料海水腐蚀数据和规律中，涉及到海水腐蚀敏感性问题。环境敏感性及其敏感程度的轻重属于模糊概念，依据退化性能的表征进行环境敏感性评价是一个典型的模糊识别问题。模糊综合评价是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将一些边界不易定量的因素定量化，进行综合评价的一种方法。在材料环境敏感度综合分析中，涉及到大量复杂的现象和多种因素的综合作用。而且分析中存在大量的模糊现象和模糊概念。因此，在对环境敏感性进行分析时，可用到模糊综合评价的方法进行定量化的处理，计算出各环境因素的相对权重作为该环境因素的敏感度。
目前，由于各环境因子间的相互影响与关联性，在多因子综合评价中，尤其是对海水腐蚀比较敏感的金属材料敏感性评价问题，确定其各环境因子的权重存在任意性，缺乏较为客观的确定环境因子权重的量化方法。有大量研究通过人工神经网络法、模式识别法等分析了材料在土壤环境、大气环境和海水环境的腐蚀预测和腐蚀规律。但是神经网络法由于涉及模型函数的连续性，限制了其在某些领域的应用。灰色关联法适用于信息不太完全、不太明朗的体系，这与海水腐蚀体系的特征相符。应用灰色关联法求出金属材料在海水腐蚀中的主要环境因素与在各测试海域的腐蚀速率之间的关联度。然而，这些关联度的数字本身，除了比较各环境因素对腐蚀程度的大小外，并不具有任何意义。为此，基于各项重要分类的层次分析法，定量地描述交互因子在整体系统的贡献，辅以灰色关联分析的结果对多因子的重要度进行修改，最后通过贡献大小识别对应各个因子的权重值，使赋权做到合理、客观和具可比性，计算出金属材料对各海水环境因素的敏感度，为环境数据在可靠性设计、验证与评估中的有效应用提供技术支持。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，即目前对金属材料海水腐蚀敏感度尚无统一、完善的理论和方法，提供了一种基于AHP分析的金属材料海水腐蚀敏感度计算方法，即一种利用AHP层次分析法来计算海水腐蚀试验中金属材料对海水腐蚀环境因素敏感度的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明一种基于AHP分析的金属材料海水腐蚀敏感度评价方法，其实施步骤如下：
步骤一、进行金属材料的海水腐蚀试验
首先对B10铜镍合金、2A11铝合金、2024铝合金LF11铝合金、LF3M铝合金、L3M铝合金、Q235碳钢和16Mn低合金钢进行海水腐蚀试验，所有试样取自供货态板材，表面磨光，尺寸为200mm×100mm×6～8mm.试验方法按照国家标准GB5776-1986(符合ISO 11306)进行；
本发明选取B10铜镍合金、2A11铝合金、2024铝合金LF11铝合金、LF3M铝合金、L3M铝合金、Q235碳钢和16Mn低合金钢作为研究对象，分别在青岛试验站、舟山试验站、厦门试验站和榆林试验站进行海水腐蚀试验；参照国标GB5776-1986《船舶及海洋工程用金属材料在天然环境中的海水腐蚀试验方法》设计腐蚀试验，腐蚀周期为1年；
具体来说按下述步骤进行：
步骤1.1、将供货态板材B10铜镍合金、2A11铝合金、2024铝合金LF11铝合金、LF3M铝合金、L3M铝合金、Q235碳钢和16Mn低合金钢切成尺寸为200mm×100mm×6～8mm的试样，每种试样切取5块作为平行试样，并对其表面进行磨光；
步骤1.2、按照国家标准GB5776-1986《船舶及海洋工程用金属材料在天然环境中的海水腐蚀试验方法》(符合ISO 11306)对以上试样进行海水腐蚀试验，实验地点分别为青岛试验站、舟山试验站、厦门试验站和榆林试验站进行海水腐蚀试验，腐蚀周期为1年；
步骤二、对金属材料在不同海水区域的腐蚀速率进行测试
参照标准HB5257-83进行腐蚀速率测量；进行海水腐蚀前，准备腐蚀试样，每组要准备5个平行试样；将试样在水洗预磨机上进行研磨，再用抛光机进行抛光；利用游标卡尺测量各个试样的实际尺寸并做好记录，并用无水乙醇/丙酮超声清洗样品，随后对清洗后的样品放入干燥箱中干燥4-6小时，最后用电子天平称量每个试样的重量并记录；腐蚀完成后，根据标准HB5257-83配置酸洗液来去除试样表面腐蚀产物；酸洗液配比为：铬酸酐(CrO3)20g，磷酸(H3PO4密度1.69g/cm3)50ml，蒸馏水1000ml，在室温下全浸15～30min，再在室温下浸入硝酸溶液(HNO3密度1.42g/cm3)中15min直至试样表面的腐蚀产物被全部清除干净；之后再用酒精进行清洗、吹干后称量腐蚀后的重量并记录(5个试样，计算其平均失重)；根据公式(1)计算平均腐蚀速度；
其中，Mt(mg)为腐蚀后试样的重量，M0(mg)为试样的初始重量，A(mm2)为试样全浸表面积；T(d)为腐蚀时间；
具体来说按下述步骤进行：
步骤2.1、将未进行腐蚀的试样磨光后，再放到水系研磨机上进行进一步研磨，然后用抛光机进行抛光；
步骤2.2、将处理好的试样用游标卡尺测量实际尺寸并做好记录；
步骤2.3、用无水乙醇或丙酮对以上试样进行超声清洗、并放入干燥箱中干燥4到6小时；
步骤2.4、用电子天平对每个试样进行称重并记录；
步骤2.5、将以上试样进行海水腐蚀试验完成后，根据国家标准HB5257-83配置酸洗液来去除经海水腐蚀后每个试样表面的腐蚀产物。酸洗液配比为：铬酸酐(CrO3)20g，磷酸(H3PO4密度1.69g/cm3)50ml，蒸馏水1000ml，在室温下全浸15～30min。再将酸洗好的试样在室温下浸入硝酸溶液(HNO3密度1.42g/cm3)中15min直至试样表面的腐蚀产物被全部清除干净；
步骤2.6、将表面腐蚀产物被清除干净的试样用酒精进行清洗、吹干后称量腐蚀后的重量并记录(5个试样，计算其平均失重)；根据公式(1)计算平均腐蚀速度。
其中，Mt(mg)为腐蚀后试样的重量，M0(mg)为试样的初始重量，A(mm2)为试样全浸表面积；T(d)为腐蚀时间；
步骤三、对金属材料的腐蚀速率与四个试验站的环境因素进行灰色关联分析
分别收集青岛、舟山、厦门和榆林的相关环境数据(海水温度、溶解氧、盐度、pH值和海水流速)，确定金属材料腐蚀速率的参考数列和影响金属材料腐蚀行为的比较数列(各区域的环境数据数列)；由于系统中各因素列中的数据可能因量纲不同，不便于比较或在比较时难以得到正确的结论；因此在进行灰色关联度分析时，对环境数据与金属材料的腐蚀速率数据进行均匀化处理，以消除量纲的影响；然后根据上述数据，对每个试验站的环境因素与金属材料腐蚀速率之间的关联系数ξi(k)进行计算；由于关联系数是比较数列与参考数列在各个时刻的关联程度值，所以它的数不止一个，而信息过于分散不便于进行整体性比较；因此有必要将各个时刻(即曲线中的各点)的关联系数集中为一个值，即引入计算海洋环境因素与金属材料腐蚀速率之间的关联度fi，作为比较数列与参考数列间关联程度的数量表示；与腐蚀速率关联度越大的环境因素，其发展方向和速率与腐蚀速率越接近，与腐蚀速率的关系也越紧密；
具体来说按下述步骤进行：
步骤3.1、分别收集青岛、舟山、厦门和榆林的相关环境数据(海水温度、溶解氧、盐度、pH值和海水流速)。确定金属材料腐蚀速率的参考数列和影响金属材料腐蚀行为的比较数列(各区域的环境数据数列)；
设参考数列(又称母序列)为Y＝{Y(k)|k＝1,2,......,n}；比较数列(又称子序列)Xi＝{Xi(k)|k＝1,2,......,n},i＝1,2,......,m；
步骤3.2、由于系统中各因素列中的数据可能因量纲不同，不便于比较或在比较时难以得到正确的结论；因此在进行灰色关联度分析时，根据公式(2)和(3)将各试验站的环境数据与金属材料的腐蚀速率数据进行均匀化处理，以消除量纲的影响；
式中Yi为各子因素的均值化数列，Xi(k)为子因素序列；
式中Y0为各子因素的均值化数列，X0(k)为子因素序列；
步骤3.3、根据下列公式(4)对每个试验站的环境因素与金属材料腐蚀速率之间的关联系数ξi(k)进行计算；
步骤3.4、因为关联系数是比较数列与参考数列在各个时刻的关联程度值，所以它的数不止一个，而信息过于分散不便于进行整体性比较。因此有必要将各个时刻(即曲线中的各点)的关联系数集中为一个值，即求其平均值，作为比较数列与参考数列间关联程度的数量表示。根据下列公式(5)计算海洋环境因素与金属材料腐蚀速率之间的关联度fi；与腐蚀速率关联度越大的环境因素，其发展方向和速率与腐蚀速率越接近，与腐蚀速率的关系也越紧密；
步骤四、利用AHP分析法对金属材料对不同海水因素的腐蚀敏感度
根据灰色关联分析结果，可以得知各环境因素与材料腐蚀速率之间的关联度大小，即各环境因素与腐蚀速率的关系紧密程度；由此可以得到个环境因素之间的相对重要关系，构建两两比较判断矩阵A；对A中每行元素连乘并开m次方，得到向量再对进行归一化处理后得到权重向量W，进而求得判断矩阵A对应于最大特征值λmax的特征向量W，经归一化后即为环境因素之间相对重要性的排序权值，也就是每一个判断矩阵各个因素的相对权重，所以本质上是计算权向量；上述构造成比较判断矩阵的办法虽能减少其它因素的干扰，较客观地反映出一对因子影响力的差别；但综合全部比较结果时，其中难免包含一定程度的非一致性；因此需要对矩阵A进行一致性检验。当CR＜0.1时，称判断矩阵为一致性矩阵，认为矩阵的不一致程度在容许范围内，则各环境因素权重赋值正确，可用其特征向量作为权向量；即可初步确认该判断矩阵的一致性是可以接受的，金属材料对不同海水环境因素的腐蚀敏感程度即为各环境因素的权重值，否则应对判断矩阵作适当修正；
具体来说按下述步骤进行：
步骤4.1、根据灰色关联分析结果，可以得知各环境因素与材料腐蚀速率之间的关联度大小，即各环境因素与腐蚀速率的关系紧密程度。由此可以得到个环境因素之间的相对重要关系，构建两两比较判断矩阵A；
步骤4.2、对A中每行元素连乘并开m次方，得到向量再对进行归一化处理后得到权重向量W；
步骤4.3、根据下列公式(6)计算判断矩阵A的最大特征根λmax；判断矩阵A对应于最大特征值λmax的特征向量W，经归一化后即为环境因素之间相对重要性的排序权值，也就是每一个判断矩阵各个因素的相对权重，所以本质上是计算权向量；
AW＝λmaxW (6)
步骤4.4、上述构造成比较判断矩阵的办法虽能减少其它因素的干扰，较客观地反映出一对因子影响力的差别；但综合全部比较结果时，其中难免包含一定程度的非一致性；因此需要对矩阵A进行一致性检验；首先计算一致性指标然后根据下列公式(7)计算一致性比例CR；其中，由于本发明中共有5个环境因素变量，因此RI＝1.12；当CR＜0.1时，称判断矩阵为一致性矩阵，认为矩阵的不一致程度在容许范围内，可用其特征向量作为权向量；即可初步确认该判断矩阵的一致性是可以接受的，金属材料对不同海水环境因素的腐蚀敏感程度即为各环境因素的权重值；否则应对判断矩阵作适当修正；
通过以上步骤，对以往仅采用灰色关联法从定性的角度比较各环境因素的影响程度大小进行了改进，可以定量地描述海水温度、溶解氧等海洋环境交互因子在金属材料海水腐蚀中的贡献，思路清晰、方法简便，解决了海水因素对金属腐蚀程度只能定性分析比较、无法定量计算的问题，所得结果可应用于材料在不同海水因素条件下的敏感度计算中，对金属材料在海水环境中的腐蚀敏感度深层次分析具有重要意义。
优点及功效
本发明采用基于各项重要分类的层次分析法，它可以定量描述海水温度、溶解氧等海洋环境交互因子在金属材料海水腐蚀中的贡献，辅以灰色关联分析的结果对海洋环境因子的重要度进行修改，最后通过贡献大小识别对应各个海洋因子的权重值，使赋权做到合理、客观和具可比性，思路清晰、方法简便，解决了海水因素对金属腐蚀程度只能定性分析比较、无法定量计算的问题，对金属材料在海水环境中的腐蚀敏感度深层次分析具有重要意义。
附图说明
图1本发明所述方法流程图。
具体实施方式
本实施例所涉及的基于AHP的金属材料海水腐蚀敏感度评价方法，见图1所示。本发明一种基于AHP的金属材料海水腐蚀敏感度评价方法，具体实施步骤如下：
步骤一、金属材料的海水腐蚀试验
步骤1.1、将供货态板材B10铜镍合金、2A11铝合金、2024铝合金LF11铝合金、LF3M铝合金、L3M铝合金、Q235碳钢和16Mn低合金钢切成尺寸为200mm×100mm×6～8mm的试样，每种试样切取5块作为平行试样，并对其表面进行磨光。
步骤1.2、按照国家标准GB5776-1986《船舶及海洋工程用金属材料在天然环境中的海水腐蚀试验方法》(符合ISO 11306)对以上试样进行海水腐蚀试验，实验地点分别为青岛试验站、舟山试验站、厦门试验站和榆林试验站进行海水腐蚀试验，腐蚀周期为1年
步骤二、对金属材料在不同海水区域的腐蚀速率进行测试
步骤2.1、将未进行腐蚀的试样磨光后，再放到水系研磨机上进行进一步研磨，然后用抛光机进行抛光。
步骤2.2、将处理好的试样用游标卡尺测量实际尺寸并做好记录。
步骤2.3、用无水乙醇或丙酮对以上试样进行超声清洗、并放入干燥箱中干燥4到6小时。
步骤2.4、用电子天平对每个试样进行称重并记录。
步骤2.5、将以上试样进行海水腐蚀试验完成后，根据国家标准HB5257-83配置酸洗液来去除经海水腐蚀后每个试样表面的腐蚀产物。酸洗液配比为：铬酸酐(CrO3)20g，磷酸(H3PO4密度1.69g/cm3)50ml，蒸馏水1000ml，在室温下全浸15～30min。再将酸洗好的试样在室温下浸入硝酸溶液(HNO3密度1.42g/cm3)中15min直至试样表面的腐蚀产物被全部清除干净。
步骤2.6、将表面腐蚀产物被清除干净的试样用酒精进行清洗、吹干后称量腐蚀后的重量并记录(5个试样，计算其平均失重)；根据公式(1)计算平均腐蚀速度。
其中，Mt(mg)为腐蚀后试样的重量，M0(mg)为试样的初始重量，A(mm2)为试样全浸表面积；T(d)为腐蚀时间。
步骤三、对金属材料的腐蚀速率与四个试验站的环境因素进行灰色关联分析
步骤3.1、分别收集青岛、舟山、厦门和榆林的相关环境数据(海水温度、溶解氧、盐度、pH值和海水流速)。确定金属材料腐蚀速率的参考数列和影响金属材料腐蚀行为的比较数列(各区域的环境数据数列)。
设参考数列(又称母序列)为Y＝{Y(k)|k＝1,2,......,n}；比较数列(又称子序列)Xi＝{Xi(k)|k＝1,2,......,n},i＝1,2,......,m。
步骤3.2、由于系统中各因素列中的数据可能因量纲不同，不便于比较或在比较时难以得到正确的结论。因此在进行灰色关联度分析时，根据公式(2)和(3)将各试验站的环境数据与金属材料的腐蚀速率数据进行均匀化处理，以消除量纲的影响。
式中Yi为各子因素的均值化数列，Xi(k)为子因素序列；
式中Y0为各子因素的均值化数列，X0(k)为子因素序列。
步骤3.3、根据公式(4)对每个试验站的环境因素与金属材料腐蚀速率之间的关联系数ξi(k)进行计算。
步骤3.4、因为关联系数是比较数列与参考数列在各个时刻的关联程度值，所以它的数不止一个，而信息过于分散不便于进行整体性比较。因此有必要将各个时刻(即曲线中的各点)的关联系数集中为一个值，即求其平均值，作为比较数列与参考数列间关联程度的数量表示。根据公式(5)计算海洋环境因素与金属材料腐蚀速率之间的关联度fi。与腐蚀速率关联度越大的环境因素，其发展方向和速率与腐蚀速率越接近，与腐蚀速率的关系也越紧密。
步骤四、利用AHP分析法对金属材料对不同海水因素的腐蚀敏感度
步骤4.1、根据灰色关联分析结果，可以得知各环境因素与材料腐蚀速率之间的关联度大小，即各环境因素与腐蚀速率的关系紧密程度。由此可以得到个环境因素之间的相对重要关系，构建两两比较判断矩阵A；
步骤4.2、对A中每行元素连乘并开m次方，得到向量再对进行归一化处理后得到权重向量W；
步骤4.3、根据下列公式(6)计算判断矩阵A的最大特征根λmax；判断矩阵A对应于最大特征值λmax的特征向量W，经归一化后即为环境因素之间相对重要性的排序权值，也就是每一个判断矩阵各个因素的相对权重，所以本质上是计算权向量；
AW＝λmaxW (6)；
步骤4.4、上述构造成比较判断矩阵的办法虽能减少其它因素的干扰，较客观地反映出一对因子影响力的差别；但综合全部比较结果时，其中难免包含一定程度的非一致性；因此需要对矩阵A进行一致性检验，首先计算一致性指标然后根据下列公式(7)计算一致性比例CR。其中，由于本发明中共有5个环境因素变量，因此RI＝1.12。当CR＜0.1时，称判断矩阵为一致性矩阵，认为矩阵的不一致程度在容许范围内，可用其特征向量作为权向量；即可初步确认该判断矩阵的一致性是可以接受的，金属材料对不同海水环境因素的腐蚀敏感程度即为各环境因素的权重值。否则应对判断矩阵作适当修正；
本发明采用基于各项重要分类的层次分析法，定量地描述海水温度、溶解氧等海洋环境交互因子在金属材料海水腐蚀中的贡献，辅以灰色关联分析的结果对海洋环境因子的重要度进行修改，最后通过贡献大小识别对应各个海洋因子的权重值，使赋权做到合理、客观和具可比性，思路清晰、方法简便，解决了海水因素对金属腐蚀程度只能定性分析比较、无法定量计算的问题，对金属材料在海水环境中的腐蚀敏感度深层次分析具有重要意义。