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探究金属材料腐蚀疲劳的影响因素

2020-03-22 250 上传者：管理员

摘要：因金属材料在服役工况下受到了腐蚀介质与交变载荷的共同作用，常常会发生腐蚀疲劳破坏现象。基于此，本文先简要概述了腐蚀疲劳机理（裂纹萌生与裂纹扩展机理）及其影响因素（力学因素、材料特性、环境因素），随后对腐蚀疲劳试验技术进行了介绍，并对存在的问题及发展方向进行了展望，以期为金属工业的进一步发展奠定基础。

关键词：
腐蚀疲劳
裂纹萌生机理
试验技术
金属材料
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腐蚀疲劳是指材料在交变载荷和腐蚀介质的协同、交互作用下发生的一种破坏形式，是航空航天、海洋钻井平台、船舶、化工、石油开发中常见的失效方式之一^[1,2]。2000年5月，台湾华航公司的一架波音747在飞往香港进行检修，途经南海时，不幸发生事故，飞机坠海导致225人丧生，事故报告指出飞机尾翼因腐蚀疲劳产生裂纹，从而导致飞机发生事故^[3]。因此，研究腐蚀疲劳有着重大意义与需求。

1、腐蚀疲劳机理研究

腐蚀疲劳的发展常分为两个阶段，即裂纹萌生与裂纹扩展。有研究表明，在空气中裂纹萌生寿命约占总寿命的90%，裂纹扩展占总寿命的10%；腐蚀疲劳正好相反，裂纹萌生寿命占总寿命的10%，裂纹扩展占总寿命的90%，构件的腐蚀疲劳寿命主要由裂纹扩展速率控制^[4]。

1.1 裂纹萌生机理

在服役工况下，构件的缺陷处会因为腐蚀介质或交变应力的作用产生初始裂纹。裂纹的萌生速率受到腐蚀介质与应力的共同影响。王俭秋等^[5]将腐蚀疲劳裂纹萌生机理分为以下四种：1)点蚀处的应力集中加速裂纹萌生;2)驻留滑移带PSB择优溶解导致裂纹萌生；3)保护膜破裂理论；4)表面能降低。然而，不同的材料在相同的环境中也会有不同的裂纹萌生机理，相同的材料则会在不同的环境中有不同的裂纹萌生机理。因此，至今也没有一种通用机理可以应用在所有材料中。

1.2 裂纹扩展机理

裂纹扩展是指构件初生的裂纹在腐蚀介质与应力的共同作用下，进一步扩展直至构件断裂的现象。与裂纹萌生机理类似，裂纹扩展可概括为^[6]：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的部分化学物质，促进了裂纹加速扩展，如氢脆；3)反应产物的转移使扩展速率发生改变；4)疲劳开裂导致反复形成新的金属表面；5)裂尖金属表面保护膜的破裂处发生电化学腐蚀进一步加快裂纹的扩展；6)腐蚀产物在裂纹尖端形成堆积，影响了裂纹尖端的闭合状态和裂尖环境。

2、腐蚀疲劳影响因素

腐蚀疲劳破坏涉及多个领域及多个学科，其影响因素主要有力学因素、材料特性和环境因素。力学因素包括交变载荷、应力比、加载频率、波形、应力幅等；材料特性主要为材料的微观组织、杂质分布、热处理方式、合金成分等；环境因素主要体现在腐蚀环境、pH值、压力、温度等。

2.1 力学因素

力学因素对裂纹扩展速率的影响主要体现在以下方面：1)应力的加载频率决定了裂纹张开与闭合的频率，有研究表明^[7,8]，在一定程度上，裂纹扩展速率随着加载频率的下降而提高，因此，加载频率不宜过大。2)改变腐蚀疲劳的门槛值[9]。应力比R是交变载荷的最小值与最大值之比，R的减小将会降低腐蚀疲劳的门槛值，使得腐蚀疲劳更易发生。3)影响裂纹尖端的应变速率。此外，加载波形也会对腐蚀疲劳产生一定的影响，尤其是在裂纹扩展阶段。同一种腐蚀环境与交变载荷加载，不同的加载波形会使得当量应力的不同，从而对金属材料的腐蚀疲劳产生不一样的影响。

2.2 材料特性

材料特性对金属材料的腐蚀疲劳的影响极为重要，不同的材料其抗腐蚀疲劳的性能不同，即使是同种材料因其热处理方法的不同对材料抗腐蚀疲劳性能影响也有所不同。因此，材料特性在一定程度上也决定着门槛值。王新虎等[10]在材料性能对钻杆腐蚀疲劳寿命影响的试验研究中发现，不同厂家生产的同一种钻杆虽然其材料性能和结构尺寸都符合标准要求，但疲劳寿命差异较大，最主要的原因就是不同厂家生产的同一种钻杆因其加工方法的不同，其材料的微观组织和杂质分布有所不同，从而导致性能出现差异。

2.3 环境因素

腐蚀介质、pH值、压力、温度等对腐蚀疲劳都存在着较大的影响。臧启山等^[11]通过研究发现，在相同溶液和应力下，当溶液为酸性溶液时，随着溶液pH的增加，材料的腐蚀疲劳寿命也随之增加，但增加非常缓慢；而当溶液为碱性溶液时，则会出现两种情况，当pH在7~10之间时，材料的腐蚀疲劳寿命基本不变；当pH大于12后，材料腐蚀疲劳寿命急剧增加。该结果表明，酸性溶液对材料的抗腐蚀疲劳性能毫无益处。

原因为随着腐蚀介质的酸性增加，溶液的腐蚀性增强，使得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。钟彬等^[12]通过对N80油管穿孔失效进行理化检验及腐蚀机理分析后发现，因油管的服役工况中存在大量的CO2，使得油管内壁发生了二氧化碳腐蚀，在闭塞电池反应和电偶腐蚀作用下，油管内壁较大的腐蚀坑，在油井井液中的氯离子和硫离子的参与下，油管发生了腐蚀失效，最终导致腐蚀穿孔。

3、腐蚀疲劳试验技术

腐蚀疲劳试验技术在腐蚀疲劳研究中占据着重要的地位。通常有以下形式：1)在自然环境中进行暴露试验，试验结束后进行交变载荷加载试验；2)在实验室模拟腐蚀环境进行试验,试验结束后进行交变载荷加载试验；3)在实验室进行环境腐蚀-交变载荷交互试验，张丹阳^[13]通过交互试验研究TP140高强度油井管钢的等幅腐蚀疲劳寿命，并对特定载荷谱下的变幅腐蚀疲劳寿命进行预测与验证，取得了一定的成果。

4、结论

金属材料常常会因其复杂而又严酷的服役工况发生腐蚀疲劳破坏，导致国家财产受到损害，甚至会伤及工作人员的人身安全，此种情况越来越受到各界的关注。但目前国内的研究主要集中在疲劳破坏方面，对腐蚀疲劳的研究较少，尤其在寿命预测模型的研究方面。而构件在实际服役工况下受到的疲劳载荷多为变幅疲劳载荷，目前国内对此的研究也存在一定的缺失。

参考文献：

[1]王文涛.金属材料腐蚀疲劳研究现状[J].轻工科技,2015,31(02):33-34+36.

[2]王文涛.介质的腐蚀性对油井管材料腐蚀疲劳性能影响研究[D].西安石油大学,2016.

[3]刘思宏.舰载机典型机构腐蚀疲劳可靠性分析[D].西北工业大学,2016.

[4]崔璐,李臻,王建才,等.油井管的腐蚀疲劳研究进展[J].石油机械,2015,43(01):78-83.

[5]王俭秋,李劲,王政富,等.超高纯铁素体不锈钢在3.5%NaCl中的腐蚀疲劳的裂纹萌生[J].金属学报,1995,31(3):103-108.

[6]王荣.金属材料的腐蚀疲劳[M].西安:西北工业大学出版社,2001.

[7]李强,周昌玉,黄文龙,等.加载频率变化的腐蚀疲劳裂纹扩展速率数学模型[J].南京化工大学学报:自然科学版,2000,22(1):32-36.

[8]王浦全,崔广椿,加载频率对腐蚀疲劳裂纹扩展速率影响的研究[J].机械强度,1992,11(1):74-76.

[9]范林,李晓刚,杜翠薇,等.管线钢腐蚀疲劳裂纹扩展的研究现状[J].腐蚀与防护,2012,(11):990-996.

[10]王新虎,邝献任,吕拴录,等.材料性能对钻杆腐蚀疲劳寿命影响的试验研究[J].石油学报,2009,30(02):312-316.

[11]臧启山,刘慷,马敏雅,等.频率pH值和温度对A537海洋用钢腐蚀疲劳性能的影响[J].腐蚀科学与防护技术,1989,1(2):10-14.