金屬材料的腐蝕疲勞研究現狀

張宇峰，邊凱舟

（西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710000）

腐蝕疲勞是指材料在交變載荷和腐蝕介質的協同、交互作用下發生的一種破壞形式，是航空航天、海洋鉆井平臺、船舶、化工、石油開發中常見的失效方式之一[1，2]。2000 年5 月，臺灣華航公司的一架波音747 在飛往香港進行檢修，途經南海時，不幸發生事故，飛機墜海導致225 人喪生，事故報告指出飛機尾翼因腐蝕疲勞產生裂紋，從而導致飛機發生事故[3]。因此，研究腐蝕疲勞有著重大意義與需求。

1 腐蝕疲勞機理研究

腐蝕疲勞的發展常分為兩個階段，即裂紋萌生與裂紋擴展。有研究表明，在空氣中裂紋萌生壽命約占總壽命的90%，裂紋擴展占總壽命的10%；腐蝕疲勞正好相反，裂紋萌生壽命占總壽命的10%，裂紋擴展占總壽命的90%，構件的腐蝕疲勞壽命主要由裂紋擴展速率控制[4]。

1.1 裂紋萌生機理

在服役工況下，構件的缺陷處會因為腐蝕介質或交變應力的作用產生初始裂紋。裂紋的萌生速率受到腐蝕介質與應力的共同影響。

王儉秋等[5]將腐蝕疲勞裂紋萌生機理分為以下四種：1）點蝕處的應力集中加速裂紋萌生；2）駐留滑移帶PSB 擇優溶解導致裂紋萌生；3）保護膜破裂理論；4）表面能降低。然而，不同的材料在相同的環境中也會有不同的裂紋萌生機理，相同的材料則會在不同的環境中有不同的裂紋萌生機理。因此，至今也沒有一種通用機理可以應用在所有材料中。

1.2 裂紋擴展機理

裂紋擴展是指構件初生的裂紋在腐蝕介質與應力的共同作用下，進一步擴展直至構件斷裂的現象。

與裂紋萌生機理類似，裂紋擴展可概括為[6]：1）裂紋尖端的陽極溶解；2）金屬表面-腐蝕環境的化學反應產生的部分化學物質，促進了裂紋加速擴展，如氫脆；3）反應產物的轉移使擴展速率發生改變；4）疲勞開裂導致反復形成新的金屬表面；5）裂尖金屬表面保護膜的破裂處發生電化學腐蝕進一步加快裂紋的擴展；6）腐蝕產物在裂紋尖端形成堆積，影響了裂紋尖端的閉合狀態和裂尖環境。

2 腐蝕疲勞影響因素

腐蝕疲勞破壞涉及多個領域及多個學科，其影響因素主要有力學因素、材料特性和環境因素。力學因素包括交變載荷、應力比、加載頻率、波形、應力幅等；材料特性主要為材料的微觀組織、雜質分布、熱處理方式、合金成分等；環境因素主要體現在腐蝕環境、pH 值、壓力、溫度等。

2.1 力學因素

力學因素對裂紋擴展速率的影響主要體現在以下方面：1）應力的加載頻率決定了裂紋張開與閉合的頻率，有研究表明[7，8]，在一定程度上，裂紋擴展速率隨著加載頻率的下降而提高，因此，加載頻率不宜過大。2）改變腐蝕疲勞的門檻值[9，10]。應力比R 是交變載荷的最小值與最大值之比，R 的減小將會降低腐蝕疲勞的門檻值，使得腐蝕疲勞更易發生。3）影響裂紋尖端的應變速率。

此外，加載波形也會對腐蝕疲勞產生一定的影響，尤其是在裂紋擴展階段。同一種腐蝕環境與交變載荷加載，不同的加載波形會使得當量應力的不同，從而對金屬材料的腐蝕疲勞產生不一樣的影響。

2.2 材料特性

材料特性對金屬材料的腐蝕疲勞的影響極為重要，不同的材料其抗腐蝕疲勞的性能不同，即使是同種材料因其熱處理方法的不同對材料抗腐蝕疲勞性能影響也有所不同。因此，材料特性在一定程度上也決定著門檻值。王新虎等[11]在材料性能對鉆桿腐蝕疲勞壽命影響的試驗研究中發現，不同廠家生產的同一種鉆桿雖然其材料性能和結構尺寸都符合標準要求，但疲勞壽命差異較大，最主要的原因就是不同廠家生產的同一種鉆桿因其加工方法的不同，其材料的微觀組織和雜質分布有所不同，從而導致性能出現差異。

2.3 環境因素

腐蝕介質、pH 值、壓力、溫度等對腐蝕疲勞都存在著較大的影響。臧啟山等[12]通過研究發現，在相同溶液和應力下，當溶液為酸性溶液時，隨著溶液pH 的增加，材料的腐蝕疲勞壽命也隨之增加，但增加非常緩慢；而當溶液為堿性溶液時，則會出現兩種情況，當pH 在7～10 之間時，材料的腐蝕疲勞壽命基本不變；當pH 大于12 后，材料腐蝕疲勞壽命急劇增加。該結果表明，酸性溶液對材料的抗腐蝕疲勞性能毫無益處。原因為隨著腐蝕介質的酸性增加，溶液的腐蝕性增強，使得金屬材料的臨界應力強度因子降低，加快了腐蝕疲勞破壞，從而降低腐蝕疲勞壽命。鐘彬等[13]通過對N80 油管穿孔失效進行理化檢驗及腐蝕機理分析后發現，因油管的服役工況中存在大量的CO2，使得油管內壁發生了二氧化碳腐蝕，在閉塞電池反應和電偶腐蝕作用下，油管內壁較大的腐蝕坑，在油井井液中的氯離子和硫離子的參與下，油管發生了腐蝕失效，最終導致腐蝕穿孔。

3 腐蝕疲勞試驗技術

腐蝕疲勞試驗技術在腐蝕疲勞研究中占據著重要的地位。通常有以下形式：1）在自然環境中進行暴露試驗，試驗結束后進行交變載荷加載試驗；2）在實驗室模擬腐蝕環境進行試驗，試驗結束后進行交變載荷加載試驗；3）在實驗室進行環境腐蝕-交變載荷交互試驗，張丹陽[14]通過交互試驗研究TP140 高強度油井管鋼的等幅腐蝕疲勞壽命，并對特定載荷譜下的變幅腐蝕疲勞壽命進行預測與驗證，取得了一定的成果。

4 結論

金屬材料常常會因其復雜而又嚴酷的服役工況發生腐蝕疲勞破壞，導致國家財產受到損害，甚至會傷及工作人員的人身安全，此種情況越來越受到各界的關注。但目前國內的研究主要集中在疲勞破壞方面，對腐蝕疲勞的的研究較少，尤其在壽命預測模型的研究方面。而構件在實際服役工況下受到的疲勞載荷多為變幅疲勞載荷，目前國內對此的研究也存在一定的缺失。