金屬材料的腐蝕疲勞研究進(jìn)展

邵長靜

(遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110161)

1 金屬腐蝕疲勞機(jī)理

1.1 腐蝕疲勞裂紋萌生機(jī)理

1.1.1 局部腐蝕理論

局部腐蝕理論本質(zhì)上來講主要是指在腐蝕環(huán)境及疲勞載荷的影響下形成了交互作用，導(dǎo)致材料的表面出現(xiàn)一系列腐蝕坑，而在其底部及邊緣部分產(chǎn)生了應(yīng)力集中，導(dǎo)致腐蝕疲勞提前出現(xiàn)。而這樣的理論我們通常將其靈活運(yùn)用于發(fā)生局部腐蝕的材料，尤其是對(duì)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(xiàn)了腐蝕疲勞這一現(xiàn)象的原因，整體上具有極強(qiáng)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(shí)現(xiàn)過程中會(huì)經(jīng)過如下3個(gè)步驟：第一，具有陽離子的相關(guān)液體不斷擴(kuò)散；第二，金屬材料表面的保護(hù)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(huì)在載荷的作用下發(fā)生一定的變形，而變形區(qū)域的活化能相比于未變形的位置更高?；诖?，變形區(qū)域及未變形區(qū)域基于環(huán)境的相關(guān)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(fā)生溶解現(xiàn)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(qiáng)鋼的腐蝕疲勞現(xiàn)象，基本不會(huì)應(yīng)用在高強(qiáng)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(fā)生了一定的晶體滑移，同時(shí)其也形成了腐蝕產(chǎn)物，直接阻止了晶體的可逆滑移，久而久之，如果不及時(shí)采取相應(yīng)的措施會(huì)造成表面的錯(cuò)位，導(dǎo)致鈍化膜直接破裂?；诨铺幮纬申枠O區(qū)域，此時(shí)陽極區(qū)域會(huì)迅速地溶解，直到鈍化膜被再次修復(fù)。經(jīng)過足夠長的時(shí)間積累，金屬材料會(huì)經(jīng)過“滑移-膜破裂-溶解-成膜”的這一個(gè)過程并且這樣的過程會(huì)反復(fù)出現(xiàn)，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(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的背景下這一技術(shù)并沒有得到廣泛的普及運(yùn)用。

1.1.4 吸附理論

所謂吸附理論主要是指當(dāng)金屬材料與腐蝕環(huán)境直接接觸的過程中，金屬材料的表面會(huì)直接吸附相應(yīng)的活性物質(zhì)，導(dǎo)致其表面能不斷下降，強(qiáng)度削弱，久而久之，金屬的力學(xué)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(yīng)力作用，只會(huì)進(jìn)一步造成滑移擴(kuò)大。微裂紋經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展就會(huì)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(zhì)及腐蝕環(huán)境緊密聯(lián)系，不同的材料基于差異化的環(huán)境可能會(huì)產(chǎn)生不同的裂紋，發(fā)生的反應(yīng)也大不相同。在這樣的背景下，基于現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的背景仍然缺乏系統(tǒng)完善的科學(xué)理論對(duì)所有材料的腐蝕疲勞過程進(jìn)行描述。

1.2 腐蝕疲勞擴(kuò)展機(jī)制

從一定意義上來講，如果金屬材料直接暴露在腐蝕環(huán)境中，其介質(zhì)在第一時(shí)間會(huì)遷移到裂紋的尖端，同時(shí)與尚未腐蝕的金屬表面發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，而這樣的反應(yīng)具有一定的局部性和有限性。值得注意的是，這樣的化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)上就是指陽極溶解、陰極放氫現(xiàn)象的發(fā)生，通過化學(xué)反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生大量的有害物質(zhì)，并且會(huì)直接吸附在金屬表面。在腐蝕過程中，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的速度、氫的具體量以及其在裂紋尖端還原后發(fā)生的化學(xué)行為都會(huì)在一定程度上對(duì)整個(gè)擴(kuò)散過程進(jìn)行把控。裂紋尖端及金屬滑移出現(xiàn)導(dǎo)致吸附氫位置錯(cuò)位，在不斷擴(kuò)散中逐漸實(shí)現(xiàn)其向高應(yīng)力區(qū)聚集，久而久之，會(huì)造成材料的直接損傷。值得注意的是，在裂紋尖端處產(chǎn)生的一系列電化學(xué)反應(yīng)會(huì)造成大量的腐蝕現(xiàn)象，形成腐蝕產(chǎn)物，從而產(chǎn)生Wedge效應(yīng)，與此同時(shí)，產(chǎn)物的堆積會(huì)直接體現(xiàn)在裂紋尖端，導(dǎo)致其應(yīng)力狀態(tài)不斷變化，形成閉合效應(yīng)。

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(jù)相關(guān)的實(shí)踐調(diào)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(jié)構(gòu)，這些因素都會(huì)在一定程度上造成疲勞裂紋的產(chǎn)生，并在腐蝕環(huán)境下不斷擴(kuò)展。具體而言，如果材料中含有一定的雜質(zhì)會(huì)造成應(yīng)力的集中，金屬材料極易發(fā)生腐蝕疲勞。相關(guān)研究學(xué)者王正認(rèn)為，基于臨界區(qū)域積極實(shí)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(chǎn)生的臨界值不斷提高。而造成這一現(xiàn)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(zhì)的偏析，從而降低擴(kuò)展的速度及效率。

2.2 力學(xué)因素

加載頻率及應(yīng)力比應(yīng)當(dāng)是基于力學(xué)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(duì)加載頻率而言，其在一定程度上導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)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(huán)次數(shù)，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(kuò)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(huán)境中，介質(zhì)對(duì)裂間材料作用的時(shí)間越長，其破壞時(shí)間就越長，造成裂紋的效果就更為突出。

對(duì)于應(yīng)力比而言，其本質(zhì)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(shí)踐調(diào)查Daniel發(fā)現(xiàn)，基于鋁合金材料的腐蝕疲勞應(yīng)力比越大，裂紋產(chǎn)生的門檻就越低，與此同時(shí)，相關(guān)的研究學(xué)者認(rèn)為，ZG20SIMn和SM50B-Zc均隸屬于低合金鋼材料，在具體的實(shí)驗(yàn)開展過程中應(yīng)力比如果提高那么材料鏈接應(yīng)變的速度會(huì)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(yàn)我們可以看出，應(yīng)力比越低，裂紋擴(kuò)展的速度就越快，反之裂紋擴(kuò)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(huì)在一定程度上轉(zhuǎn)化為應(yīng)力，腐蝕破壞。

2.3 環(huán)境因素

在腐蝕環(huán)境中介質(zhì)的成分濃度溶液的pH值，溫度控制，濕度干濕交替頻率都會(huì)在一定程度上造成金屬材料腐蝕疲勞現(xiàn)象的發(fā)生。Agar基于不同腐蝕介質(zhì)中LC4-CS鋁合金的裂紋產(chǎn)生的時(shí)間效率進(jìn)行了深入探究，通過一系列多元化的實(shí)驗(yàn)工作明確不同介質(zhì)對(duì)鋁合金腐蝕疲勞產(chǎn)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(guān)研究學(xué)者藏啟山認(rèn)為，酸性溶液會(huì)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(shí)驗(yàn)對(duì)這一理論進(jìn)行了認(rèn)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(huì)加快陰極上氫去極化的速度，導(dǎo)致腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，與此同時(shí)酸性溶液會(huì)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(dá)12，那么在金屬材料的表面會(huì)形成Fe(OH)2保護(hù)膜，而這樣的某保護(hù)膜基于腐蝕環(huán)境會(huì)保持一定的穩(wěn)定性。

Gerberich基于金屬材料腐蝕疲勞研究的具體現(xiàn)狀深入探究了溫度對(duì)人造海水中低碳鋼腐蝕疲勞的影響，根據(jù)時(shí)間調(diào)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(huì)下降50%，因此同時(shí)如果溶液的溫度進(jìn)一步升高，其疲勞壽命也會(huì)隨之增加，造成這一現(xiàn)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(shí)現(xiàn)了腐蝕電化學(xué)反應(yīng)。與此同時(shí)溫度的升高會(huì)導(dǎo)致溶液的含氧量不斷下降，溶液內(nèi)部無法形成陰極及陽極區(qū)域，導(dǎo)致腐蝕不會(huì)快速產(chǎn)生。

3 腐蝕疲勞試驗(yàn)技術(shù)的研究

3.1 環(huán)境腐蝕-疲勞載荷交互試驗(yàn)技術(shù)

環(huán)境腐蝕-疲勞載荷交互試驗(yàn)從本質(zhì)上來講立足于一定的周期，基于環(huán)境腐蝕試驗(yàn)及載荷疲勞試驗(yàn)，通過不斷地交互循環(huán)形成的綜合性試驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)的實(shí)踐調(diào)查研究我們可以看出，其主要包括以下2個(gè)模塊：第一，基于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模擬環(huán)境腐蝕，探究金屬材料在其中產(chǎn)生的一系列反應(yīng)，其后再進(jìn)行交變載荷疲勞實(shí)驗(yàn)，并且給予一定的周期性開展循環(huán)試驗(yàn)；第二，基于自然環(huán)境背景下將金屬材料直接暴露在環(huán)境中，其后在基于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行載荷疲勞試驗(yàn)，同時(shí)也應(yīng)當(dāng)開展周期性循環(huán)試驗(yàn)。

為了從真正意義上探討基于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境背景下不同介質(zhì)對(duì)鋁合金材料產(chǎn)生的腐蝕疲勞影響，相關(guān)研究學(xué)者AGARS基于LC4-CS和LY12-Z等鋁合金積極開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，最終結(jié)果表明：環(huán)境介質(zhì)的差異性會(huì)直接影響高強(qiáng)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(huán)境腐蝕-疲勞載荷協(xié)同試驗(yàn)技術(shù)

環(huán)境腐蝕-疲勞載荷協(xié)同試驗(yàn)主要是指在實(shí)驗(yàn)過程中金屬材料不僅僅會(huì)受到環(huán)境輻射的影響，也會(huì)受到疲勞載荷的作用，其主要包括2種形式：第一，基于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境可以在實(shí)驗(yàn)設(shè)備加載部位有針對(duì)性地增加環(huán)境小國，這樣的小國只是對(duì)環(huán)境的濕度、溫度進(jìn)行有效的模擬，以此實(shí)現(xiàn)腐蝕環(huán)境及疲勞載荷的共同作用。第二，基于自然環(huán)境而言，則應(yīng)當(dāng)有針對(duì)性地使用能夠施加疲勞載荷的相關(guān)設(shè)備設(shè)施，將其直接安裝在戶外，在戶外開展疲勞試驗(yàn)，通過這樣的方式發(fā)揮自然環(huán)境腐蝕-疲勞載荷的協(xié)同作用。

眾所周知，要充分開展自然環(huán)境腐蝕-疲勞載荷協(xié)同試驗(yàn)必須基于戶外環(huán)境安裝相應(yīng)的載荷設(shè)備設(shè)施，如何在這樣的背景下確保設(shè)備設(shè)施的安全可靠，實(shí)現(xiàn)持續(xù)使用是目前技術(shù)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(huán)境腐蝕及疲勞載荷協(xié)同作用對(duì)于金屬材料結(jié)構(gòu)影響，我國研究學(xué)者羅來正首先基于海南大氣環(huán)境研發(fā)了拉、壓、彎、扭-疲勞載荷協(xié)同試驗(yàn)的具體方式方法，其后基于黑龍江漠河地區(qū)深入探究了高寒氣候的拉、壓、彎、扭-疲勞載荷協(xié)同試驗(yàn)，這些技能技巧都在一定程度上推動(dòng)著協(xié)同實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步研發(fā)完善，能夠在一定程度上為自然環(huán)境腐蝕-疲勞載荷協(xié)同試驗(yàn)提供可靠的平臺(tái)及先進(jìn)的技術(shù)。

4 結(jié)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(yùn)用，在理論及技術(shù)層面都實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步改革創(chuàng)新。在這樣的背景下，國家相關(guān)職能部門必將加大整體研發(fā)力度，希望以此切實(shí)提高金屬材料的抗腐蝕性，延長其使用壽命。