金屬材料的腐蝕疲勞研究進展

邵長靜

(遼寧裝備制造職業技術學院，遼寧 沈陽 110161)

1 金屬腐蝕疲勞機理

1.1 腐蝕疲勞裂紋萌生機理

1.1.1 局部腐蝕理論

局部腐蝕理論本質上來講主要是指在腐蝕環境及疲勞載荷的影響下形成了交互作用，導致材料的表面出現一系列腐蝕坑，而在其底部及邊緣部分產生了應力集中，導致腐蝕疲勞提前出現。而這樣的理論我們通常將其靈活運用于發生局部腐蝕的材料，尤其是對于鋁合金面，但值得注意的是，這一理論無法從真正意義上解釋表面沒有腐蝕坑卻出現了腐蝕疲勞這一現象的原因，整體上具有極強的局限性和片面性。

1.1.2 形變活化理論

從一定意義上來講，我們可以將形變活化理論看作是陽極滑移溶解模型。其具體的實現過程中會經過如下3個步驟：第一，具有陽離子的相關液體不斷擴散；第二，金屬材料表面的保護性氧化膜破裂；第三，金屬表面不斷腐蝕溶解。在這一理論中，金屬材料的晶體會在載荷的作用下發生一定的變形，而變形區域的活化能相比于未變形的位置更高。基于此，變形區域及未變形區域基于環境的相關影響共同組成了原電池，其分別可以作為電池的陽極和陰極，陽極不斷受到腐蝕發生溶解現象，最終造成了大量的疲勞裂紋。形變活化理論在目前大多用于分析高強鋼的腐蝕疲勞現象，基本不會應用在高強鋁等材料的腐蝕中。

1.1.3 表面鈍化膜破壞理論

表面鈍化膜破壞理論主要是指金屬材料基于一定的荷載作用不僅僅發生了一定的晶體滑移，同時其也形成了腐蝕產物，直接阻止了晶體的可逆滑移，久而久之，如果不及時采取相應的措施會造成表面的錯位，導致鈍化膜直接破裂。基于滑移處形成陽極區域，此時陽極區域會迅速地溶解，直到鈍化膜被再次修復。經過足夠長的時間積累，金屬材料會經過“滑移-膜破裂-溶解-成膜”的這一個過程并且這樣的過程會反復出現，最終形成腐蝕疲勞裂紋。但值得注意的是，這一理論并沒有充分考慮到滲氫作用，因此在現代社會發展的背景下這一技術并沒有得到廣泛的普及運用。

1.1.4 吸附理論

所謂吸附理論主要是指當金屬材料與腐蝕環境直接接觸的過程中，金屬材料的表面會直接吸附相應的活性物質，導致其表面能不斷下降，強度削弱，久而久之，金屬的力學性能不斷下降。從一定意義上來講，在具體的材料使用過程中，如果其表面遭到了交變應力作用，只會進一步造成滑移擴大。微裂紋經過一段時間的發展就會造成腐蝕疲勞。眾所周知，金屬材料的腐蝕疲勞直接與其本身的材質及腐蝕環境緊密聯系，不同的材料基于差異化的環境可能會產生不同的裂紋，發生的反應也大不相同。在這樣的背景下，基于現代社會發展的背景仍然缺乏系統完善的科學理論對所有材料的腐蝕疲勞過程進行描述。

1.2 腐蝕疲勞擴展機制

從一定意義上來講，如果金屬材料直接暴露在腐蝕環境中，其介質在第一時間會遷移到裂紋的尖端，同時與尚未腐蝕的金屬表面發生一系列化學反應，而這樣的反應具有一定的局部性和有限性。值得注意的是，這樣的化學反應本質上就是指陽極溶解、陰極放氫現象的發生，通過化學反應也會產生大量的有害物質，并且會直接吸附在金屬表面。在腐蝕過程中，化學反應產生的速度、氫的具體量以及其在裂紋尖端還原后發生的化學行為都會在一定程度上對整個擴散過程進行把控。裂紋尖端及金屬滑移出現導致吸附氫位置錯位，在不斷擴散中逐漸實現其向高應力區聚集，久而久之，會造成材料的直接損傷。值得注意的是，在裂紋尖端處產生的一系列電化學反應會造成大量的腐蝕現象，形成腐蝕產物，從而產生Wedge效應，與此同時，產物的堆積會直接體現在裂紋尖端，導致其應力狀態不斷變化，形成閉合效應。

2 金屬材料腐蝕疲勞的主要影響因素

2.1 材料自身因素

根據相關的實踐調查研究我們可以看出，造成金屬材料腐蝕疲勞的原因還包括材料的主要成分、熱處理方式方法及具體組織結構，這些因素都會在一定程度上造成疲勞裂紋的產生，并在腐蝕環境下不斷擴展。具體而言，如果材料中含有一定的雜質會造成應力的集中，金屬材料極易發生腐蝕疲勞。相關研究學者王正認為，基于臨界區域積極實施熱處理能夠在一定程度上提高金屬的抗腐蝕性，使其裂紋產生的臨界值不斷提高。而造成這一現象的主要原因在于基于臨界位置的熱處理能夠減輕臨界雜質的偏析，從而降低擴展的速度及效率。

2.2 力學因素

加載頻率及應力比應當是基于力學層面上直接造成金屬材料腐蝕疲勞的主要原因。具體而言，第一，針對加載頻率而言，其在一定程度上導致腐蝕介質與裂尖材料不斷相互作用。從一定意義上來講，基于特定的循環次數，如果加載的頻率越低那么二者之間的作用就越充分，裂紋的擴展速度不斷提高，久而久之，金屬材料的使用壽命不斷下降。換而言之，基于腐蝕環境中，介質對裂間材料作用的時間越長，其破壞時間就越長，造成裂紋的效果就更為突出。

對于應力比而言，其本質上是基于載荷的最大值及最少值的比例。從一定意義上來講，其也是造成腐蝕疲勞裂紋不斷拓展的主要因素。通過一定的實踐調查Daniel發現，基于鋁合金材料的腐蝕疲勞應力比越大，裂紋產生的門檻就越低，與此同時，相關的研究學者認為，ZG20SIMn和SM50B-Zc均隸屬于低合金鋼材料，在具體的實驗開展過程中應力比如果提高那么材料鏈接應變的速度會變小，久而久之，造成金屬材料的敏感性不斷提高。由此可見，通過一系列金屬材料腐蝕疲勞的試驗我們可以看出，應力比越低，裂紋擴展的速度就越快，反之裂紋擴展的速度就越小。值得注意的是，載荷的最大值及最小值比例越接近于1，腐蝕疲勞就會在一定程度上轉化為應力，腐蝕破壞。

2.3 環境因素

在腐蝕環境中介質的成分濃度溶液的pH值，溫度控制，濕度干濕交替頻率都會在一定程度上造成金屬材料腐蝕疲勞現象的發生。Agar基于不同腐蝕介質中LC4-CS鋁合金的裂紋產生的時間效率進行了深入探究，通過一系列多元化的實驗工作明確不同介質對鋁合金腐蝕疲勞產生影響的程度依次為3.5% NaCl溶液>3.5% NaCl鹽霧>3.5% NaCl鹽霧+SO2>潮濕空氣(RH>90%)>室溫空氣。

相關研究學者藏啟山認為，酸性溶液會直接造成金屬材料的快速腐蝕，影響其使用壽命，并且通過一定的實驗對這一理論進行了認證從一定意義上來講酸性溶液中的pH值較少是在一定程度上會加快陰極上氫去極化的速度，導致腐蝕現象的發生，與此同時酸性溶液會阻礙裂尖金屬膜的有效生成。值得注意的是，如果溶液中的pH值高達12，那么在金屬材料的表面會形成Fe(OH)2保護膜，而這樣的某保護膜基于腐蝕環境會保持一定的穩定性。

Gerberich基于金屬材料腐蝕疲勞研究的具體現狀深入探究了溫度對人造海水中低碳鋼腐蝕疲勞的影響，根據時間調查研究，我們可以看出如果人造海水的溫度從最初的15 ℃上升到35 ℃，那么其疲勞壽命就會下降50%，因此同時如果溶液的溫度進一步升高，其疲勞壽命也會隨之增加，造成這一現象的主要原因在于溫度的升高降低了溶液的電阻，快速形成陰極和陽極在此背景下實現了腐蝕電化學反應。與此同時溫度的升高會導致溶液的含氧量不斷下降，溶液內部無法形成陰極及陽極區域，導致腐蝕不會快速產生。

3 腐蝕疲勞試驗技術的研究

3.1 環境腐蝕-疲勞載荷交互試驗技術

環境腐蝕-疲勞載荷交互試驗從本質上來講立足于一定的周期，基于環境腐蝕試驗及載荷疲勞試驗，通過不斷地交互循環形成的綜合性試驗。根據相關的實踐調查研究我們可以看出，其主要包括以下2個模塊：第一，基于實驗室環境模擬環境腐蝕，探究金屬材料在其中產生的一系列反應，其后再進行交變載荷疲勞實驗，并且給予一定的周期性開展循環試驗；第二，基于自然環境背景下將金屬材料直接暴露在環境中，其后在基于實驗室環境進行載荷疲勞試驗，同時也應當開展周期性循環試驗。

為了從真正意義上探討基于實驗室環境背景下不同介質對鋁合金材料產生的腐蝕疲勞影響，相關研究學者AGARS基于LC4-CS和LY12-Z等鋁合金積極開展了相關的實驗，最終結果表明：環境介質的差異性會直接影響高強鋁合金的使用壽命，具體排列順序如下海水>鹽霧>濕空氣>干燥空氣。

3.2 環境腐蝕-疲勞載荷協同試驗技術

環境腐蝕-疲勞載荷協同試驗主要是指在實驗過程中金屬材料不僅僅會受到環境輻射的影響，也會受到疲勞載荷的作用，其主要包括2種形式：第一，基于實驗室環境可以在實驗設備加載部位有針對性地增加環境小國，這樣的小國只是對環境的濕度、溫度進行有效的模擬，以此實現腐蝕環境及疲勞載荷的共同作用。第二，基于自然環境而言，則應當有針對性地使用能夠施加疲勞載荷的相關設備設施，將其直接安裝在戶外，在戶外開展疲勞試驗，通過這樣的方式發揮自然環境腐蝕-疲勞載荷的協同作用。

眾所周知，要充分開展自然環境腐蝕-疲勞載荷協同試驗必須基于戶外環境安裝相應的載荷設備設施，如何在這樣的背景下確保設備設施的安全可靠，實現持續使用是目前技術人員面臨的主要問題和困境。在這樣的背景下，為了深入探究自然環境腐蝕及疲勞載荷協同作用對于金屬材料結構影響，我國研究學者羅來正首先基于海南大氣環境研發了拉、壓、彎、扭-疲勞載荷協同試驗的具體方式方法，其后基于黑龍江漠河地區深入探究了高寒氣候的拉、壓、彎、扭-疲勞載荷協同試驗，這些技能技巧都在一定程度上推動著協同實驗的進一步研發完善，能夠在一定程度上為自然環境腐蝕-疲勞載荷協同試驗提供可靠的平臺及先進的技術。

4 結語

金屬材料的腐蝕疲勞研究在近年來得到了廣泛的普及運用，在理論及技術層面都實現了進一步改革創新。在這樣的背景下，國家相關職能部門必將加大整體研發力度，希望以此切實提高金屬材料的抗腐蝕性，延長其使用壽命。