腐蚀环境下材料的疲劳极限与损伤分析

腐蚀疲劳（corrosion fatigue）是指材料或构件在交变应力与腐蚀环境的共同作用下产生的脆性断裂，其依赖于载荷、环境以及冶金因素之间的相互作用。腐蚀疲劳破坏要比单纯的交变应力造成的破坏（即疲劳）或单纯的腐蚀造成的破坏严重得多，而且有时腐蚀环境不需要有明显的侵蚀性。在没有疲劳载荷的情况下，腐蚀会在金属表面产生凹痕。这些凹痕将会导致应力集中，引发疲劳裂纹的起裂。当腐蚀和疲劳共同作用时，化学的侵蚀作用将会极大地加速疲劳裂纹的扩展。在空气中测试时具有明显疲劳极限的材料，如钢材，在腐蚀环境下将不再显示出明显的疲劳极限。通常情况下，疲劳会破坏材料表面由于腐蚀而形成的钝化层，促使腐蚀过程继续甚至是加速进行。因此，环境不仅会影响疲劳裂纹的起裂，而且会影响疲劳裂纹的扩展速度。由于腐蚀是一个时间相关的过程，低循环速率相较于加速的疲劳循环，往往会导致50%甚至更大程度的寿命衰退。图11-10是Ti-6Al-4V合金在空气中的腐蚀疲劳破坏扫描图像，其中沿晶断裂和疲劳辉纹在裂纹表面清晰可见，晶粒与合金中其他微结构发生分离。

图11-10　Ti-6Al-4V合金在空气中的腐蚀疲劳［2］

腐蚀环境的出现可以使疲劳裂纹萌生所需时间明显减少，裂纹扩展速度增大，材料的疲劳寿命显著降低。在通常情况下，腐蚀疲劳引起的损伤几乎总是大于由腐蚀和疲劳分别作用引起的损伤之和。腐蚀疲劳具有以下特点：

（1）在空气中的疲劳存在疲劳极限，而腐蚀疲劳不存在疲劳极限。图11-11所示是光滑试样在惰性环境和腐蚀环境下应力-寿命（S-N）曲线的对比。腐蚀环境能够加速裂纹的起裂，缩短试样的疲劳寿命。同时，与惰性环境下的试样不同，腐蚀环境下的试样不再具有疲劳极限。

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图11-11　光滑试样在惰性环境和腐蚀性环境下S-N曲线的比较［8］

（2）与应力腐蚀开裂不同，腐蚀疲劳会发生在纯金属上，而且腐蚀疲劳不仅仅是对于特定的材料-环境组合才发生。只要存在腐蚀介质，材料在交变应力作用下就会发生腐蚀疲劳。

（3）金属的腐蚀疲劳强度与其耐蚀性相关。对于耐蚀性好的材料，机械应力的作用占主导地位，材料的腐蚀疲劳强度随抗拉强度的增加而提高；而对于耐蚀性差的材料，腐蚀疲劳强度主要受化学腐蚀作用的影响，与抗拉强度无关。

（4）腐蚀疲劳裂纹多起源于表面腐蚀坑或缺陷。材料表面的腐蚀坑（如点蚀坑）经常是腐蚀疲劳裂纹优先萌生的位置，若在靠近材料表面处存在缺陷，则该处也可能成为腐蚀疲劳裂纹的起源。腐蚀疲劳裂纹一般存在多个裂纹源，所导致的腐蚀疲劳裂纹主要是穿晶型，有时也可能是沿晶型，或者是两者的结合，这取决于载荷和环境条件，而且随着腐蚀的发展裂纹逐渐变宽。

（5）腐蚀疲劳断裂一般是脆性断裂，没有明显的宏观塑性变形。断口既有传统疲劳断裂的特征（如疲劳辉纹），又有腐蚀的特征（如腐蚀坑、腐蚀产物、二次裂纹等）。

腐蚀疲劳是材料在交变应力与腐蚀环境共同作用下的结果。因此，材料腐蚀疲劳的影响因素包括力学因素、环境因素以及材料因素。其中：力学因素除了传统疲劳对应的应力循环参数外，还包括疲劳加载方式、应力循环波形以及应力集中；环境因素包括温度、介质的腐蚀性和极化电场；材料因素包括材料的耐蚀性能、表面状态以及组织结构。基于腐蚀疲劳的影响因素，人们可以通过降低材料表面粗糙度、进行表面硬化处理、构建表面保护性镀层、使用缓蚀剂以及引入阴极保护手段等方法有效地减缓和防止腐蚀疲劳的发生。