金属材料腐蚀疲劳研究现状

和疲劳裂纹扩展速率之间的关系，是当今工程应用上预测疲劳
裂纹扩展寿命理论的基础[11]，表达式为：
da/dN=C(ΔK)n
（1）
式中，a 是裂纹长度，单位为 mm；N 是应力循环次数，单位为
cycle；da/dN 是裂纹扩展速率，单位为 mm/cycle；C、n 是与材料-
环境相关的常数，ΔK 是应力强度因子幅，单位为 MPa m ，计算
2 影响因素
腐蚀疲劳涉及力学、化学、材料学等多个学科，科研工作者 通过研究发现影响腐蚀疲劳的因素主要有力学因素、环境因素 以及材料因素。力学因素包括应力大小、应力比、频率、应力幅 和波形等；环境因素包括环境类型、酸性和温度等；材料因素包 括材料成分、机械性能、组织形态、加工工艺和杂质分布等。 2.1 力学因素
材料特性对腐蚀裂纹扩展速率影响至关重要，不同的材料 耐腐蚀性不同，直接影响耐腐蚀疲劳性能。当材料含有杂质时， 会产生应力集中，加快点蚀的发生从而增大腐蚀疲劳破坏。材 料特性也决定着腐蚀疲劳门槛值的大小来影响裂纹扩展速率。 不同晶相组织的电位差异会导致腐蚀疲劳端口裂纹开裂，且呈 折线状，裂纹之间相互连接、交叉、分叉呈现出多裂纹特征。
3 寿命预测
目前，对于腐蚀疲劳裂纹扩展寿命的预测方法研究比较多， 在工程中应用最广泛的方法依然是 1963 年由 Paris 提出的疲劳 裂纹扩展公式，也就是著名的 Paris 公式，它建立了应力强度因子
素的前提下，如何获得较为精确的腐蚀疲劳裂纹扩展模型，是工 程领域未来需要解决的问题。另外，随着计算机的发展，通过试 验研究和数值模拟相结合的方法对腐蚀疲劳的研究有着重要的 意义。
1.2 裂纹扩展机理 金属材料在腐蚀介质中形成腐蚀疲劳裂纹之后，裂纹在腐
蚀环境与交变载荷共同作用下扩展直至最后的断裂。疲劳裂纹 扩展是裂纹在交变载荷下的渐变过程，而在腐蚀疲劳中由于存 在腐蚀，裂纹扩展就会变得非常复杂。
韩恩厚[9]等认为降低应力比和频率所导致的裂纹扩展速率 增 加 是 建 立在氢致开裂 机 制 的 基 础 上。 韩 光 炜 ，宋 余 九 [10] 通 过 研究认为阳极溶解在腐蚀疲劳裂纹扩展过程中的直接贡献甚 微，阳极溶解的主要作用是通过间接促进氢脆过程进而对腐蚀 疲劳裂纹扩展产生影响。
与裂纹的萌生一样，腐蚀疲劳的裂纹扩展也是局部性的。 腐蚀疲劳裂纹扩展阶段，可能存在以下 6 个过程对裂纹扩展起 作用[11]：
（1）裂纹尖端的阳极溶解； （2）金属表面-腐蚀环境的化学反应产生一些有害的化学物 质，并扩散至裂纹尖端塑性区，促进了裂纹加速扩展，如氢脆； （3）腐蚀介质向裂尖区的转移和腐蚀产物由裂尖向外迁移； （4）疲劳开裂导致反复形成新的金属表面； （5）交变载荷导致裂尖金属表面的保护膜反复破裂； （6）裂纹张开期间腐蚀产物形成堆积，影响了裂纹的闭合状 态和裂尖环境。
械疲劳裂纹扩展速率，(da/dN) 是应力腐蚀裂纹扩展速率。 SCC 34
（下转第 36 页）
熔敷层硬度得显著提高，从而增强了复合处理层的承载能力及 抗磨能力。将铁基合金粉末 Fe90 在 45 刚基体上进行激光熔敷 与 等 离 子 体 氮 化 复 合 处 理 [7]，复 合 层 硬 度 由 750HV 提 高 到 1350HV，且耐磨性提高了 1.2 倍。但并不适用于所有材料，当用 铁基合金粉末 Fe314 时，复合层硬度提高，但耐磨性降低了 42%。 2.2 激光熔敷与电刷镀复合技术
荷交互作用项，(da/dN) = (da/dN) + (da/dN) + (da/dN) （4）
cf
f
c
SCC
式中，(da/dN) 为腐蚀环境与交变载荷交互作用项对裂纹 c
扩展的贡献。
Austen[15]认为虽然机械疲劳和应力腐蚀同时对腐蚀疲劳裂 纹扩展起到作用，但二者并非叠加关系，而是由发展较快的一个 过程来表示腐蚀疲劳裂纹扩展过程，也就是过程竞争模型：
(da/dN ) cf
=
max
éë(
da/dN
) f
,
(da/dN
)ù
û SCC
（5）
在腐蚀环境中，理论上讲即使应力再低，只要加载次数足够
但由于腐蚀疲劳裂纹扩展过程的影响因素非常多，使得叠
大，金属材料也会发生破坏。这主要表现在腐蚀介质降低了材 加模型以及过程竞争模型的应用非常不便，目前对腐蚀疲劳裂
料的疲劳极限。一般升高温度会加快裂纹扩展速率，但是若温 纹扩展速率研究较多的模型是基于 Paris 公式疲劳裂纹扩展模型
Wei[13]认为腐蚀环境和交变载荷对裂纹扩展过程是相互独 (8):356-360．
立的作用，因此提出了叠加模型。在△K> △KISCC 的情况下，腐
蚀疲劳裂纹扩展速率为机械疲劳裂纹扩展速率和应力腐蚀裂纹
扩展速率的叠加：
(da/dN) = (da/dN) + (da/dN)
cf
f
SCC
（3）
式中，(da/dN) 是腐蚀疲劳裂纹扩展速率，(da/dN) 为纯机
Weir 对 [14] 叠加模型进行了修正，引入了腐蚀环境与交变载
劳裂纹扩展的影响非常重要：增加 R 和降低 f 都会加快腐蚀疲劳 裂纹扩展速率。R 不仅会影响腐蚀疲劳裂纹扩展速率，还会影响 腐蚀疲劳的门槛值，一般情况下随 R 的增大，门槛值会减小[11,12]。
另外，波形也会对腐蚀疲劳裂纹萌生和扩展产生显著的影 响，而在常规疲劳过程中，波形对疲劳性能影响很小。腐蚀速率 也会随着应力的增大而加快，即随着交变应力的平均值和振幅 的增大而加快。 2.2 环境因素
4 结论
腐蚀疲劳是一个较为复杂的问题，随着科研工作者的不断 研究，尤其是理论研究与工程实际相结合，人们对腐蚀疲劳机理 有了更加深入的认识。然而对某些方面的研究仍需进一步研 究，如各影响因素对腐蚀疲劳裂纹的定量影响，尽管已有不少学 者提出了腐蚀疲劳裂纹扩展速率模型，但这些模型只对特定的 材料-环境体系下的应用是可靠的，目前还没有一个通用的公 式，在不同工况下仍需考虑各影响因素，在全面考虑各种影响因
1 腐蚀疲劳机理
1.1 裂纹萌生机理 腐蚀疲劳的裂纹萌生是一个局部的过程，金属在腐蚀性环
境中，局部缺陷就会导致腐蚀疲劳裂纹成核加快。所以腐蚀疲 劳裂纹成核是一个高度局部化的工程，而不是全面的腐蚀过程， 另外腐蚀损伤集中在局部区域的破坏比全面腐蚀更加严重[1]。
吴荫顺[4]等人通过试验发现点蚀坑内晶界处产生了初始腐 蚀疲劳裂纹，裂纹由沿晶扩展转化为穿晶扩展进而形成主裂纹 并继续扩展直到材料断裂。周向阳，柯伟[5]等人通过定量研究认 为裂纹萌生速率决定于不锈钢点蚀坑的深度和深径比，其中应 力集中起到主导作用。艾芳芳[6]等通过对断口形貌的分析，发现 夹杂物是腐蚀疲劳裂纹萌生的诱因。毕宗岳[7]也认为裂纹首先 在夹杂物处萌生，焊缝中夹杂物、气孔及表面缺陷是影响材料疲 劳寿命的主要因素。
( ) (da/dN) cf
=
B cf
ΔK - ΔKth cf
2
（6）
式中，Bcf是与环境、材料相关的常数，ΔKthcf 是腐蚀疲劳的门
槛值。之所以腐蚀疲劳裂纹扩展速率模型能够适用腐蚀疲劳环
境下，主要是 (da/dN) 与裂尖 ΔK 相关，另外可将空气看成一种 cf
较弱的腐蚀介质。
蚀电偶，从而加速腐蚀电化学过程。 2.3 材料因素
劳裂纹扩展速率模型都做了大量研究，但对于某些问题的认识还不是很清楚，对于已提出的寿命预测模型仍需完善。通过阐述腐蚀
疲劳的各种机理，分析腐蚀疲劳的影响因素，探讨不同腐蚀疲劳寿命的预测模型，提出仍需解决的问题，并展望未来腐蚀疲劳的研究
方向。
【关键词】 腐蚀疲劳；机理；影响因素
【中图分类号】 TQ630
【文献识别码】 A
式为：
ΔK=Kmax-Kmin
（2）
式中 Kmax、Kmin 分别是裂纹处应力强度因子的最大值和
最小值 Δσ 是裂纹处应力幅值。
参考文献
[1]黄小光.腐蚀疲劳点蚀演化与裂纹扩展机理研究[D].上海交通大学, 2013． [2]匡震邦,顾海澄,李中华.材料的力学行为[M].北京:高等教育出版社, 1998． [3]田家林,梁政,杨琳,等.CNG 储气井套管腐蚀疲劳机理研究[J].石油矿场 机械,2011,(1)：5-9． [4]吴荫顺,谢建辉,汪轩义,等.氯化物溶液中不锈钢腐蚀疲劳裂纹初始萌 生的过程机理[J]．腐蚀科学与防护技术,1999,11(1):24-31． [5]周向阳,柯伟.点蚀坑的形貌与腐蚀疲劳裂纹萌生[J].金属学报,1992,28
研究表明交变载荷对腐蚀疲劳裂纹扩展的影响主要表现 在：（1）使疲劳裂纹反复张开和闭合，增强了裂纹尖端与腐蚀的 介质交换；（2）改变裂纹尖端的应变速率（3）造成累积疲劳损伤
【第一作者】王文涛（1990-），男，陕西人，硕士在读，研究方向：设备的损伤与延寿。
33
[12]。在力学影响因素中，交变载荷的应力比 R 和频率 f 对腐蚀疲
3 激光熔凝复合技术
激光熔凝是利用高能激光束在金属表面连续扫描，使表面 薄层快速融化然后急速冷却、凝固，从而使材料表面微观组织结 构发生变化。 3.1 激光熔凝与渗氮复合处理
将熔敷技术在铸铁上应用时，最大的缺陷就是熔覆层易产 生裂纹，这是由于激光熔敷时含碳量较高的铸铁基体被稀释所 造成熔覆层增碳所致。先在基体表面用电刷镀制备一层纯镍 的阻隔层，再进行熔敷，可以阻隔碳的渗入，从而起到了防止熔 覆层开裂的作用。实验表明[8]，在灰铸铁试样上用电刷镀制备 镀层厚度为 100um 的纯镍镀层，然后采用铁基合金粉末 Fe90 激光熔敷处理，经检测复合层主要有 Fe 和 Ni3Si 两相组成，显 微硬度最高可达 426HV0.3。激光熔敷与电刷镀复合技术大大 降 低 了 铸 铁 激 光 熔 敷 裂 纹 的 敏 感 性 ，使 复 合 层 组 织 致 密 无 裂 纹、气孔等缺陷。
cf
f
[6]艾芳芳,徐小连,陈义庆,等.夹杂物对油井管钢氢致开裂腐蚀的影响[J]. 腐蚀与防护,2012,33(5):422-425． [7]毕宗岳,井晓天,何石磊,等.基于大应变下 CT80 连续管疲劳寿命研究 [J].热加工工艺,2010,39(22):19-22 [8]王俭秋,李劲,王政富,等.超高纯铁素体不锈钢在 3.5%NaCl 中的腐蚀疲 劳的裂纹萌生[J].金属学报,1995,31(3):103-108．
2015 年 2 月 第 2 期（总第 195 期）
Байду номын сангаас
轻工科技
LIGHT INDUSTRY SCIENCE AND TECHNOLOGY
化工与材料
金属材料腐蚀疲劳研究现状
王文涛
（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）
【摘 要】 腐蚀疲劳是工程结构常见失效形式之一，近年来科研工作者对腐蚀疲劳现象、腐蚀疲劳机理、影响因素以及腐蚀疲
王俭秋等[8]将腐蚀疲劳裂纹萌生机理概括为四种：（1）点蚀 处的应力集中加速裂纹萌生；（2）驻留滑移带 PSB 择优溶解导致 裂纹萌生；（3）保护膜破裂理论；（4）表面能降低。腐蚀疲劳裂纹 萌生对材料-环境依存性很强，不同种类的金属在相同环境中可 能有不同的腐蚀疲劳裂纹萌生机理，即使材料相同，在不同的腐 蚀环境下裂纹萌生机理也可能不尽相同。总之，目前还没有一 种通用的腐蚀疲劳裂纹萌生机理能应用于各种材料-环境组 合。
度上升引起材料严重孔蚀，产生许多浅裂纹源，从而降低了应力 的推广[11,12]：
集中，反而提高材料的耐腐蚀疲劳性能。 随着介质的酸性增加，溶液的腐蚀性增强，金属材料的临界
应力强度因子降低，加快了腐蚀疲劳破坏，从而降低腐蚀疲劳寿 命。腐蚀产物对裂纹扩展速率的影响包括两个方面：一是腐蚀 产物能够减少腐蚀介质向裂纹尖端的转移，对电流可以起到屏 蔽作用，从而减缓裂纹扩展；二是腐蚀产物在裂纹尖端会形成腐
【文章编号】2095-3518（2015）02-33-02
腐蚀疲劳是指材料在交变载荷和腐蚀介质的协同、交互作 用下发生的一种破坏形式，广泛存在于航空、船舶以及石油等领 域，腐蚀疲劳破坏是工程上面临的严重问题，现已成为工业领域 急需解决的课题[1]。
金属材料腐蚀疲劳的本质是力学过程和电化学腐蚀过程的 共同作用，这种共同作用远超过交变载荷和腐蚀介质单独作用 的结果数学叠加，是一种非常严重的破坏形式 。 [1,2] 在常规疲劳 中材料一般会存在疲劳极限，但在腐蚀环境下材料不存在疲劳 极限，即便是在很低的应力条件下，腐蚀疲劳也会产生[3]。