金屬材料的腐蝕疲勞研究現(xiàn)狀

張宇峰，邊凱舟

（西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西 西安 710000）

腐蝕疲勞是指材料在交變載荷和腐蝕介質(zhì)的協(xié)同、交互作用下發(fā)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(fā)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(jīng)南海時，不幸發(fā)生事故，飛機墜海導(dǎo)致225 人喪生，事故報告指出飛機尾翼因腐蝕疲勞產(chǎn)生裂紋，從而導(dǎo)致飛機發(fā)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(fā)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(gòu)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(gòu)件的缺陷處會因為腐蝕介質(zhì)或交變應(yīng)力的作用產(chǎn)生初始裂紋。裂紋的萌生速率受到腐蝕介質(zhì)與應(yīng)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(yīng)力集中加速裂紋萌生；2）駐留滑移帶PSB 擇優(yōu)溶解導(dǎo)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(huán)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(huán)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(yīng)用在所有材料中。

1.2 裂紋擴展機理

裂紋擴展是指構(gòu)件初生的裂紋在腐蝕介質(zhì)與應(yīng)力的共同作用下，進一步擴展直至構(gòu)件斷裂的現(xiàn)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(huán)境的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的部分化學(xué)物質(zhì)，促進了裂紋加速擴展，如氫脆；3）反應(yīng)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移使擴展速率發(fā)生改變；4）疲勞開裂導(dǎo)致反復(fù)形成新的金屬表面；5）裂尖金屬表面保護膜的破裂處發(fā)生電化學(xué)腐蝕進一步加快裂紋的擴展；6）腐蝕產(chǎn)物在裂紋尖端形成堆積，影響了裂紋尖端的閉合狀態(tài)和裂尖環(huán)境。

2 腐蝕疲勞影響因素

腐蝕疲勞破壞涉及多個領(lǐng)域及多個學(xué)科，其影響因素主要有力學(xué)因素、材料特性和環(huán)境因素。力學(xué)因素包括交變載荷、應(yīng)力比、加載頻率、波形、應(yīng)力幅等；材料特性主要為材料的微觀組織、雜質(zhì)分布、熱處理方式、合金成分等；環(huán)境因素主要體現(xiàn)在腐蝕環(huán)境、pH 值、壓力、溫度等。

2.1 力學(xué)因素

力學(xué)因素對裂紋擴展速率的影響主要體現(xiàn)在以下方面：1）應(yīng)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(yīng)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(fā)生。3）影響裂紋尖端的應(yīng)變速率。

此外，加載波形也會對腐蝕疲勞產(chǎn)生一定的影響，尤其是在裂紋擴展階段。同一種腐蝕環(huán)境與交變載荷加載，不同的加載波形會使得當(dāng)量應(yīng)力的不同，從而對金屬材料的腐蝕疲勞產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，不同廠家生產(chǎn)的同一種鉆桿雖然其材料性能和結(jié)構(gòu)尺寸都符合標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)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(zhì)分布有所不同，從而導(dǎo)致性能出現(xiàn)差異。

2.3 環(huán)境因素

腐蝕介質(zhì)、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(fā)現(xiàn)，在相同溶液和應(yīng)力下，當(dāng)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(dāng)溶液為堿性溶液時，則會出現(xiàn)兩種情況，當(dāng)pH 在7～10 之間時，材料的腐蝕疲勞壽命基本不變；當(dāng)pH 大于12 后，材料腐蝕疲勞壽命急劇增加。該結(jié)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(zhì)的酸性增加，溶液的腐蝕性增強，使得金屬材料的臨界應(yīng)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(fā)現(xiàn)，因油管的服役工況中存在大量的CO2，使得油管內(nèi)壁發(fā)生了二氧化碳腐蝕，在閉塞電池反應(yīng)和電偶腐蝕作用下，油管內(nèi)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(fā)生了腐蝕失效，最終導(dǎo)致腐蝕穿孔。

3 腐蝕疲勞試驗技術(shù)

腐蝕疲勞試驗技術(shù)在腐蝕疲勞研究中占據(jù)著重要的地位。通常有以下形式：1）在自然環(huán)境中進行暴露試驗，試驗結(jié)束后進行交變載荷加載試驗；2）在實驗室模擬腐蝕環(huán)境進行試驗，試驗結(jié)束后進行交變載荷加載試驗；3）在實驗室進行環(huán)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(yù)測與驗證，取得了一定的成果。

4 結(jié)論

金屬材料常常會因其復(fù)雜而又嚴(yán)酷的服役工況發(fā)生腐蝕疲勞破壞，導(dǎo)致國家財產(chǎn)受到損害，甚至?xí)肮ぷ魅藛T的人身安全，此種情況越來越受到各界的關(guān)注。但目前國內(nèi)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(yù)測模型的研究方面。而構(gòu)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(nèi)對此的研究也存在一定的缺失。