腐蚀疲劳特征及评价方法

腐蚀疲劳特征及评价方法
一、腐蚀疲劳（corrosion fatigue）的定义：
当金属受到酸碱的腐蚀，一些部位的应力就比其他部位高得多，加速裂缝的形成，这叫“腐蚀疲劳”。

腐蚀疲劳的形成条件：
只要环境对设备有腐蚀作用（气体腐蚀、大气腐蚀、海洋腐蚀、土壤腐蚀等），再加上循环应力作用均可产生腐蚀疲劳。

破坏机制：金属材料在腐蚀介质的作用下形成一层覆盖层，在交变应力作用下覆盖层破裂，局部发生化学浸蚀形成腐蚀坑，交变应力作用下产生应力集中进而形成裂纹。

腐蚀疲劳特点：
（1）疲劳腐蚀不需要特定的腐蚀系统，它在不含任何特定腐蚀离子的蒸馏水中也能发生。

（2）任何金属材料均可能发生腐蚀疲劳。

（3）材料的腐蚀疲劳不存在疲劳极限。

（4）腐蚀疲劳初裂纹的扩展受应力循环周次的控制，不循环时裂纹不扩展。

相关术语：
腐蚀疲劳极限（corrosion fatigue limit）
腐蚀疲劳极限：材料在空气和腐蚀环境中的疲劳试验中应力s与循环数N如右图所示。

在给定的腐蚀环境中（如空气），应力低于某一临界应力时，交变应力的循环数N再大，材料也不发生破坏。

这一临界应力称为材料的疲劳极限。

二、腐蚀疲劳的影响因素
(一) 载荷的影响
（1）幅度循环载荷的交变幅度睁大，腐蚀速度也随之增大，即使此应力低于表观疲劳极限。

（2）频率在低速区，加载频率的变化对疲劳裂纹扩展速率基本没有影响；当裂纹扩展速率较高时，加载频率的降低使裂纹扩展速率增大。

(二) 加工工艺的影响
电解抛光有使腐蚀疲劳强度下降的趋势，以提高材料强度为目的的热处理也有降低腐蚀疲劳强度的趋势，而表面轧制可提高腐蚀疲劳强度。

(三) 环境的影响
（1）温度温度明显加快腐蚀速度。

但是，若温度上升引起材料严重孔蚀，产生许多浅裂纹源，从而降低了应力集中，使阳极对阴极面积比增大，反而对材料腐蚀疲劳
性能有所改进。

（2） pH pH<4时，降低腐蚀疲劳，寿命降低；pH=4-10，寿命保持恒定；pH=10-12，寿命显著增加；pH>12，表观疲劳极限接近干疲劳极限。

（3）含氧量当0.05mg/L<C(O)<0.5mg/L时,疲劳寿命随溶解氧的增加呈幂函数降低；当C(O)<0.05mg/L和<C(O)>0.5mg/L时, 疲劳寿命趋于饱和。

三、腐蚀疲劳的防护：
可以考虑从3个方面来防范腐蚀疲劳的产生
（1）采用耐腐蚀材料：
如含二氧化硫的溶液中Cr26Ni5铁素体-奥氏体双相不锈钢较奥氏体不锈钢耐蚀。

（2）表面保护层
镀锌的钢丝绳在海水中、镀镍的钢丝绳在河水和盐雾中的疲劳极限有显著提高，其他非金属的有机或无机涂层也有良好的效果，但要求与基体金属有良好的结合力与耐磨性能。

（3）表面处理
喷丸、氮化等在材料表面形成压应力，有利于提高耐腐蚀疲劳性能。

四、腐蚀疲劳裂纹扩展模型
应用较为广泛的腐蚀疲劳裂纹扩展模型，有d a/d N(ΔK, f, R，D)模型、叠加模型和竞争模型，这几种模型是建立在 Paris公式及其修正形式的基础上，通过不同方式考虑环境因素特别是腐蚀作用的影响，以计算腐蚀疲劳裂纹。

腐蚀疲劳是一种特殊的疲劳，目前工程中常用的疲劳裂纹扩展速率函数是
Paris-Erodgan模型，即Paris公式，它建立了应力强度因子和裂纹扩展速率之间的关系，是当今工程应用中预测疲劳裂纹扩展寿命的理论基础，其形式为
工程中还有一种十分常用的是Forman模型，这是考虑了腐蚀疲劳的环境效应，其实是Paris公式的一种修正，其形式为
腐蚀疲劳裂纹扩展寿命的计算即是以上述二式其修正形式为基础，式中的各参数考虑了腐蚀因素影响，然后通过数值运算来实现。

影响腐蚀疲劳裂纹扩展的因素很多，要根据工程实际需要考虑尽可能多的因素，以建立准确有效的以Paris公式为基础的数学模型，目前主要是借助于试验数据，在进行回归分析后对模型做出合理的修正。

考虑了介质浓度、加载频率和应力比对腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响，引入腐蚀疲劳裂纹扩展的环境加速因C( f , R,D)的表达式，从而建立了一种腐蚀疲劳裂纹扩展速率数学模型d a / d N(ΔK, f, R，D)。

总的趋势可以认为，随着载荷频率的降低，d a / d N增大；当温度和载荷频率一定时，应力比减小，d a / d N降低；介质浓度高的情况下d a / d N一般要快于介质浓度低的情况。

通常情况下可将干燥的空气看作“惰性”介质，并把空气中的疲劳数据作为研究腐蚀疲劳的对比数据。

将不同的载荷频率、应力比、介质浓度组合作为试验条件，对腐蚀疲劳试验过程中记录的各组数据(Cair, )，经过七点增量递增多项式拟合后进行回归处理，得到不同试验条件下的疲劳裂纹扩展速率方程。

然后引入环境加速因子Cenc，腐蚀疲劳裂纹扩展速率公式可表示为如下形式
上述的建模方法为处理工程实际问题提供了一个比较明确的思路，就是以空气中的疲劳裂纹扩展速率为基准，引入环境加速因子Cenc ，找出载荷频率、应力比和介质浓度在Cenc 中的关系式，考虑一定的安全系数，进而可给出一种腐蚀疲劳裂纹扩展速率d a / d N(ΔK, f, R，D)数学模型，经与实验结果相比得到了很高的一致性，为在工程实际中对含缺陷结构进行安全评定提供了参考。

五、腐蚀疲劳过程中裂纹长度的测量：
在腐蚀疲劳试验过程中进行裂纹长度的测量通常是比较麻烦的一件事，有几种方法可以进行测量。

第一，在常温或室温~80℃的腐蚀介质环境中，可以采用COD规测量，这些COD 规放置在腐蚀介质外，试样放置在腐蚀介质内进行疲劳试验；
第二，当腐蚀介质的温度较高，腐蚀介质又具有一定的压力的情况下，采用COD 规显然是不可能的。

这时，可采用百若仪器专门开发的DCPD裂纹扩展速率测量系统，进行CT试样在腐蚀介质下的裂纹扩展长度的测量。

引入DCPD系统，在线直接测量裂纹扩展长度，并绘制a/W-t曲线。

特别指出的是在该系统中，可进行恒K控制，也可进行升K、降K控制。

六、腐蚀疲劳的试验方法
(一) 研究材料腐浊疲劳性能目的：
（1）测定材料的腐蚀疲劳寿命曲线；
（2）测定材料的腐蚀疲劳临界应力场强度因子范围；
（3）测定材料的疲劳裂纹扩展速率；
(二) 研究腐蚀疲劳断裂机理试验的方法：
单轴拉压加载法、反复弯曲加载法、旋转弯曲加载法、扭转弯曲加载法等。

(三) 试验结果：
通常用腐蚀疲劳寿命曲线、腐蚀介质下的裂纹扩展速率来表示。

七、相关腐蚀疲劳标准
（1）GB 国家质检总局
GB/T 20120.1-2006 金属和合金的腐蚀。

腐蚀疲劳试验。

第一部分：循环失效试验
GB/T 20120.2-2006 金属和合金的腐蚀。

腐蚀疲劳试验。

第二部分：预裂纹试验裂纹扩展试验
（2）ISO 国际标准化组织
ISO 11782-1-1998 Corrosion of metals and alloys - Corrosion fatigue testing - Part 1: Cycles to failure testing (ISO 11782-1:1998); German version EN ISO 11782-1:2008
ISO 11782-2-1998 Corrosion of metals and alloys - Corrosion fatigue testing - Part 2: crack propagation testing using precracked specimens (ISO 11782-2:1998); German version EN ISO 11782-2:2008
八、腐蚀疲劳试验装置
疲劳裂纹扩展速率试验允许在不同类型的拉压疲劳试验机上进行。

然后配置合适的腐蚀环境，进行疲劳试验。

这些腐蚀环境可以根据材料的服役环境进行设计，以最终确定材料在腐蚀环境中的疲劳受寿命。

常见材料及相关的腐蚀介质：
腐蚀环境可以选择水化学循环系统、也可以试验室配置，高温高压的水化学循环系统。

腐蚀循环系统中通常包括电导率、溶解氧、溶解氢、PH值测量仪表。

腐蚀环境也有气体腐蚀环境系统。

还有一些腐蚀系统是比较少的，比如：铅铋腐蚀介质、锂钠腐蚀介质、这些腐蚀循环系统可以选择百若仪器的腐蚀循环系统。

疲劳寿命的测量难点在于在腐蚀介质环境中腐蚀介质的密封、载荷的传递以及在腐蚀介质中变形的测量、裂纹长度的测量。

目前，百若仪器可以进行腐蚀疲劳试验的设备供货。

并且，可以在一个试样的条件下，进行不同环境的裂纹扩展速率的测量比较。

通过百若仪器提供的DCPD系统进行腐蚀介质条件下的裂纹长度的测量。

九、腐蚀疲劳试样
金属材料的疲劳裂纹扩展试验可以采用标准CT试样或标准棒状试样。

注：试样加工过程中不可避免地会存在残余应力，它有可能引起疲劳裂纹扩展速率的变化。

通过选择合适的试样形状和尺寸及合理的试样加工与热处理工艺等，使残余应力对疲劳裂纹扩展速率的影响尽量减小。

疲劳裂纹扩展速率并非总是与试样的几何形状无关，试样厚度的变化对疲劳裂纹扩展速率的影响有可能增大、减小或保持不变，因此，对试样的厚度效应应当引起注意。

备注：部分腐蚀疲劳试验设备图片：
百若仪器配置了高低温环境箱的疲劳试验机
百若仪器配置了超临界水腐蚀介质的腐蚀疲劳试验机
百若仪器配置了高压腐蚀气体的腐蚀疲劳试验机
百若仪器配置了氯化钠溶液的模拟深海环境的腐蚀疲劳试验机。