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1裂紋擴展機理

金屬材料在腐蝕介質中形成腐蝕疲勞裂紋之后，裂紋在腐蝕環境與交變載荷共同作用下擴展直至最后的斷裂。疲勞裂紋擴展是裂紋在交變載荷下的漸變過程，而在腐蝕疲勞中由于存在腐蝕，裂紋擴展就會變得非常復雜。韓恩厚[9]等認為降低應力比和頻率所導致的裂紋擴展速率增加是建立在氫致開裂機制的基礎上。韓光煒，宋余九[10]通過研究認為陽極溶解在腐蝕疲勞裂紋擴展過程中的直接貢獻甚微，陽極溶解的主要作用是通過間接促進氫脆過程進而對腐蝕疲勞裂紋擴展產生影響。與裂紋的萌生一樣，腐蝕疲勞的裂紋擴展也是局部性的。腐蝕疲勞裂紋擴展階段，可能存在以下6個過程對裂紋擴展起作用[11]：（1）裂紋尖端的陽極溶解；（2）金屬表面-腐蝕環境的化學反應產生一些有害的化學物質，并擴散至裂紋尖端塑性區，促進了裂紋加速擴展，如氫脆；（3）腐蝕介質向裂尖區的轉移和腐蝕產物由裂尖向外遷移；（4）疲勞開裂導致反復形成新的金屬表面；（5）交變載荷導致裂尖金屬表面的保護膜反復破裂；（6）裂紋張開期間腐蝕產物形成堆積，影響了裂紋的閉合狀態和裂尖環境。

2影響因素

腐蝕疲勞涉及力學、化學、材料學等多個學科，科研工作者通過研究發現影響腐蝕疲勞的因素主要有力學因素、環境因素以及材料因素。力學因素包括應力大小、應力比、頻率、應力幅和波形等；環境因素包括環境類型、酸性和溫度等；材料因素包括材料成分、機械性能、組織形態、加工工藝和雜質分布等。

2.1力學因素研究表明交變載荷對腐蝕疲勞裂紋擴展的影響主要表現在：（1）使疲勞裂紋反復張開和閉合，增強了裂紋尖端與腐蝕的介質交換；（2）改變裂紋尖端的應變速率（3）造成累積疲勞損傷[12]。在力學影響因素中，交變載荷的應力比R和頻率f對腐蝕疲勞裂紋擴展的影響非常重要：增加R和降低f都會加快腐蝕疲勞裂紋擴展速率。R不僅會影響腐蝕疲勞裂紋擴展速率，還會影響腐蝕疲勞的門檻值，一般情況下隨R的增大，門檻值會減小[11,12]。另外，波形也會對腐蝕疲勞裂紋萌生和擴展產生顯著的影響，而在常規疲勞過程中，波形對疲勞性能影響很小。腐蝕速率也會隨著應力的增大而加快，即隨著交變應力的平均值和振幅的增大而加快。

2.2環境因素在腐蝕環境中，理論上講即使應力再低，只要加載次數足夠大，金屬材料也會發生破壞。這主要表現在腐蝕介質降低了材料的疲勞極限。一般升高溫度會加快裂紋擴展速率，但是若溫度上升引起材料嚴重孔蝕，產生許多淺裂紋源，從而降低了應力集中，反而提高材料的耐腐蝕疲勞性能。隨著介質的酸性增加，溶液的腐蝕性增強，金屬材料的臨界應力強度因子降低，加快了腐蝕疲勞破壞，從而降低腐蝕疲勞壽命。腐蝕產物對裂紋擴展速率的影響包括兩個方面：一是腐蝕產物能夠減少腐蝕介質向裂紋尖端的轉移，對電流可以起到屏蔽作用，從而減緩裂紋擴展；二是腐蝕產物在裂紋尖端會形成腐蝕電偶，從而加速腐蝕電化學過程。

2.3材料因素材料特性對腐蝕裂紋擴展速率影響至關重要，不同的材料耐腐蝕性不同，直接影響耐腐蝕疲勞性能。當材料含有雜質時，會產生應力集中，加快點蝕的發生從而增大腐蝕疲勞破壞。材料特性也決定著腐蝕疲勞門檻值的大小來影響裂紋擴展速率。不同晶相組織的電位差異會導致腐蝕疲勞端口裂紋開裂，且呈折線狀，裂紋之間相互連接、交叉、分叉呈現出多裂紋特征。

3壽命預測

目前，對于腐蝕疲勞裂紋擴展壽命的預測方法研究比較多，在工程中應用最廣泛的方法依然是1963年由Paris提出的疲勞裂紋擴展公式，也就是著名的Paris公式，它建立了應力強度因子和疲勞裂紋擴展速率之間的關系，是當今工程應用上預測疲勞裂紋擴展壽命理論的基礎。式中，a是裂紋長度，單位為mm；N是應力循環次數，單位為cycle；da/dN是裂紋擴展速率，單位為mm/cycle；C、n是與材料-環境相關的常數，ΔK是應力強度因子幅，單位為MPam，計算式為。式中Kmax、Kmin分別是裂紋處應力強度因子的最大值和最小值Δσ是裂紋處應力幅值。Wei[13]認為腐蝕環境和交變載荷對裂紋擴展過程是相互獨立的作用，因此提出了疊加模型。在△K>△KISCC的情況下，腐蝕疲勞裂紋擴展速率為機械疲勞裂紋擴展速率和應力腐蝕裂紋擴展速率的疊加。Austen[15]認為雖然機械疲勞和應力腐蝕同時對腐蝕疲勞裂紋擴展起到作用，但二者并非疊加關系，而是由發展較快的一個過程來表示腐蝕疲勞裂紋擴展過程，也就是過程競爭模型。式中，Bcf是與環境、材料相關的常數，ΔKthcf是腐蝕疲勞的門檻值。之所以腐蝕疲勞裂紋擴展速率模型能夠適用腐蝕疲勞環境下，主要是(da)/dNcf與裂尖ΔK相關，另外可將空氣看成一種較弱的腐蝕介質。

4結論

腐蝕疲勞是一個較為復雜的問題，隨著科研工作者的不斷研究，尤其是理論研究與工程實際相結合，人們對腐蝕疲勞機理有了更加深入的認識。然而對某些方面的研究仍需進一步研究，如各影響因素對腐蝕疲勞裂紋的定量影響，盡管已有不少學者提出了腐蝕疲勞裂紋擴展速率模型，但這些模型只對特定的材料-環境體系下的應用是可靠的，目前還沒有一個通用的公式，在不同工況下仍需考慮各影響因素，在全面考慮各種影響因素的前提下，如何獲得較為精確的腐蝕疲勞裂紋擴展模型，是工程領域未來需要解決的問題。另外，隨著計算機的發展，通過試驗研究和數值模擬相結合的方法對腐蝕疲勞的研究有著重要的意義。

作者：王文濤單位：西安石油大學機械工程學院