腐蚀疲劳的金属材料论文范文

1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。

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[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环境因素在腐蚀环境中，理论上讲即使应力再低，只要加载次数足够大，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，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蚀电偶，从而加速腐蚀电化学过程。

2.3材料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。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MPam，计算式为。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。Wei[13]认为腐蚀环境和交变载荷对裂纹扩展过程是相互独立的作用，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。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。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)/dNcf与裂尖ΔK相关，另外可将空气看成一种较弱的腐蚀介质。

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。

作者：王文涛单位：西安石油大学机械工程学院