張宇峰，邊凱舟

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710000）

腐蝕疲勞是指材料在交變載荷和腐蝕介質(zhì)的協(xié)同、交互作用下發(fā)生的一種破壞形式，是航空航天、海洋鉆井平臺(tái)、船舶、化工、石油開發(fā)中常見的失效方式之一[1，2]。2000 年5 月，臺(tái)灣華航公司的一架波音747 在飛往香港進(jìn)行檢修，途經(jīng)南海時(shí)，不幸發(fā)生事故，飛機(jī)墜海導(dǎo)致225 人喪生，事故報(bào)告指出飛機(jī)尾翼因腐蝕疲勞產(chǎn)生裂紋，從而導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)生事故[3]。因此，研究腐蝕疲勞有著重大意義與需求。

1 腐蝕疲勞機(jī)理研究

腐蝕疲勞的發(fā)展常分為兩個(gè)階段，即裂紋萌生與裂紋擴(kuò)展。有研究表明，在空氣中裂紋萌生壽命約占總壽命的90%，裂紋擴(kuò)展占總壽命的10%；腐蝕疲勞正好相反，裂紋萌生壽命占總壽命的10%，裂紋擴(kuò)展占總壽命的90%，構(gòu)件的腐蝕疲勞壽命主要由裂紋擴(kuò)展速率控制[4]。

1.1 裂紋萌生機(jī)理

在服役工況下，構(gòu)件的缺陷處會(huì)因?yàn)楦g介質(zhì)或交變應(yīng)力的作用產(chǎn)生初始裂紋。裂紋的萌生速率受到腐蝕介質(zhì)與應(yīng)力的共同影響。

王儉秋等[5]將腐蝕疲勞裂紋萌生機(jī)理分為以下四種：1）點(diǎn)蝕處的應(yīng)力集中加速裂紋萌生；2）駐留滑移帶PSB 擇優(yōu)溶解導(dǎo)致裂紋萌生；3）保護(hù)膜破裂理論；4）表面能降低。然而，不同的材料在相同的環(huán)境中也會(huì)有不同的裂紋萌生機(jī)理，相同的材料則會(huì)在不同的環(huán)境中有不同的裂紋萌生機(jī)理。因此，至今也沒有一種通用機(jī)理可以應(yīng)用在所有材料中。

1.2 裂紋擴(kuò)展機(jī)理

裂紋擴(kuò)展是指構(gòu)件初生的裂紋在腐蝕介質(zhì)與應(yīng)力的共同作用下，進(jìn)一步擴(kuò)展直至構(gòu)件斷裂的現(xiàn)象。

與裂紋萌生機(jī)理類似，裂紋擴(kuò)展可概括為[6]：1）裂紋尖端的陽(yáng)極溶解；2）金屬表面-腐蝕環(huán)境的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的部分化學(xué)物質(zhì)，促進(jìn)了裂紋加速擴(kuò)展，如氫脆；3）反應(yīng)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移使擴(kuò)展速率發(fā)生改變；4）疲勞開裂導(dǎo)致反復(fù)形成新的金屬表面；5）裂尖金屬表面保護(hù)膜的破裂處發(fā)生電化學(xué)腐蝕進(jìn)一步加快裂紋的擴(kuò)展；6）腐蝕產(chǎn)物在裂紋尖端形成堆積，影響了裂紋尖端的閉合狀態(tài)和裂尖環(huán)境。

2 腐蝕疲勞影響因素

腐蝕疲勞破壞涉及多個(gè)領(lǐng)域及多個(gè)學(xué)科，其影響因素主要有力學(xué)因素、材料特性和環(huán)境因素。力學(xué)因素包括交變載荷、應(yīng)力比、加載頻率、波形、應(yīng)力幅等；材料特性主要為材料的微觀組織、雜質(zhì)分布、熱處理方式、合金成分等；環(huán)境因素主要體現(xiàn)在腐蝕環(huán)境、pH 值、壓力、溫度等。

2.1 力學(xué)因素

力學(xué)因素對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響主要體現(xiàn)在以下方面：1）應(yīng)力的加載頻率決定了裂紋張開與閉合的頻率，有研究表明[7，8]，在一定程度上，裂紋擴(kuò)展速率隨著加載頻率的下降而提高，因此，加載頻率不宜過大。2）改變腐蝕疲勞的門檻值[9，10]。應(yīng)力比R 是交變載荷的最小值與最大值之比，R 的減小將會(huì)降低腐蝕疲勞的門檻值，使得腐蝕疲勞更易發(fā)生。3）影響裂紋尖端的應(yīng)變速率。

此外，加載波形也會(huì)對(duì)腐蝕疲勞產(chǎn)生一定的影響，尤其是在裂紋擴(kuò)展階段。同一種腐蝕環(huán)境與交變載荷加載，不同的加載波形會(huì)使得當(dāng)量應(yīng)力的不同，從而對(duì)金屬材料的腐蝕疲勞產(chǎn)生不一樣的影響。

2.2 材料特性

材料特性對(duì)金屬材料的腐蝕疲勞的影響極為重要，不同的材料其抗腐蝕疲勞的性能不同，即使是同種材料因其熱處理方法的不同對(duì)材料抗腐蝕疲勞性能影響也有所不同。因此，材料特性在一定程度上也決定著門檻值。王新虎等[11]在材料性能對(duì)鉆桿腐蝕疲勞壽命影響的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，不同廠家生產(chǎn)的同一種鉆桿雖然其材料性能和結(jié)構(gòu)尺寸都符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但疲勞壽命差異較大，最主要的原因就是不同廠家生產(chǎn)的同一種鉆桿因其加工方法的不同，其材料的微觀組織和雜質(zhì)分布有所不同，從而導(dǎo)致性能出現(xiàn)差異。

2.3 環(huán)境因素

腐蝕介質(zhì)、pH 值、壓力、溫度等對(duì)腐蝕疲勞都存在著較大的影響。臧啟山等[12]通過研究發(fā)現(xiàn)，在相同溶液和應(yīng)力下，當(dāng)溶液為酸性溶液時(shí)，隨著溶液pH 的增加，材料的腐蝕疲勞壽命也隨之增加，但增加非常緩慢；而當(dāng)溶液為堿性溶液時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)兩種情況，當(dāng)pH 在7～10 之間時(shí)，材料的腐蝕疲勞壽命基本不變；當(dāng)pH 大于12 后，材料腐蝕疲勞壽命急劇增加。該結(jié)果表明，酸性溶液對(duì)材料的抗腐蝕疲勞性能毫無益處。原因?yàn)殡S著腐蝕介質(zhì)的酸性增加，溶液的腐蝕性增強(qiáng)，使得金屬材料的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子降低，加快了腐蝕疲勞破壞，從而降低腐蝕疲勞壽命。鐘彬等[13]通過對(duì)N80 油管穿孔失效進(jìn)行理化檢驗(yàn)及腐蝕機(jī)理分析后發(fā)現(xiàn)，因油管的服役工況中存在大量的CO2，使得油管內(nèi)壁發(fā)生了二氧化碳腐蝕，在閉塞電池反應(yīng)和電偶腐蝕作用下，油管內(nèi)壁較大的腐蝕坑，在油井井液中的氯離子和硫離子的參與下，油管發(fā)生了腐蝕失效，最終導(dǎo)致腐蝕穿孔。

3 腐蝕疲勞試驗(yàn)技術(shù)

腐蝕疲勞試驗(yàn)技術(shù)在腐蝕疲勞研究中占據(jù)著重要的地位。通常有以下形式：1）在自然環(huán)境中進(jìn)行暴露試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行交變載荷加載試驗(yàn)；2）在實(shí)驗(yàn)室模擬腐蝕環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行交變載荷加載試驗(yàn)；3）在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行環(huán)境腐蝕-交變載荷交互試驗(yàn)，張丹陽(yáng)[14]通過交互試驗(yàn)研究TP140 高強(qiáng)度油井管鋼的等幅腐蝕疲勞壽命，并對(duì)特定載荷譜下的變幅腐蝕疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)與驗(yàn)證，取得了一定的成果。

4 結(jié)論

金屬材料常常會(huì)因其復(fù)雜而又嚴(yán)酷的服役工況發(fā)生腐蝕疲勞破壞，導(dǎo)致國(guó)家財(cái)產(chǎn)受到損害，甚至?xí)肮ぷ魅藛T的人身安全，此種情況越來越受到各界的關(guān)注。但目前國(guó)內(nèi)的研究主要集中在疲勞破壞方面，對(duì)腐蝕疲勞的的研究較少，尤其在壽命預(yù)測(cè)模型的研究方面。而構(gòu)件在實(shí)際服役工況下受到的疲勞載荷多為變幅疲勞載荷，目前國(guó)內(nèi)對(duì)此的研究也存在一定的缺失。