腐蝕疲勞簡(jiǎn)介與控制防護(hù)

1、腐蝕疲勞簡(jiǎn)介與控制防護(hù)董超3090702041，金屬0902，材料科學(xué)與工程學(xué)院摘要：本文主要對(duì)腐蝕疲勞做了一定程度的介紹。首先給出了腐蝕疲勞的定義，然后又對(duì)它的特征進(jìn)行了初步描述，同時(shí)給出了現(xiàn)在的腐蝕疲勞標(biāo)準(zhǔn)；接著對(duì)它的機(jī)理做了詳細(xì)的描述與分析，同時(shí)根據(jù)機(jī)理提出了一系列控制防護(hù)措施；最后對(duì)本文進(jìn)行了總結(jié)并對(duì)其實(shí)際情況進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。關(guān)鍵詞：腐蝕疲勞標(biāo)準(zhǔn) 腐蝕疲勞機(jī)理 影響因素 控制防護(hù)一、 腐蝕疲勞簡(jiǎn)介1、定義腐蝕疲勞是設(shè)備循環(huán)應(yīng)力和腐蝕環(huán)境雙重作用下產(chǎn)生的一種腐蝕形式。它涉及許多工業(yè)部門，如傳播的推進(jìn)器、軸、舵，飛機(jī)構(gòu)件，汽車彈簧，礦山繩索等等。即使是抗腐蝕性能很好的金屬材料（如不銹鋼），

2、也能在像自來水這樣的“無害”介質(zhì)中發(fā)生腐蝕疲勞。腐蝕疲勞是一種很危險(xiǎn)的破壞形式,因?yàn)樗霈F(xiàn)的時(shí)間和位置都很難事先預(yù)計(jì)。它不僅發(fā)生于處于活化狀態(tài)的金屬材料,而且也發(fā)生于處于鈍化狀態(tài)的金屬材料。在一定條件下,可在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材、制造及操作中采取一些措施,在一定程度上控制構(gòu)件的腐蝕疲勞。2、特征腐蝕疲勞與氣相中純機(jī)械疲勞不同，其一系列特征表明它與電化學(xué)腐蝕有關(guān)，但又遠(yuǎn)較應(yīng)力與腐蝕的單純疊加嚴(yán)重。（1）表觀疲勞極限 實(shí)際工作中，假設(shè)交變應(yīng)力的某一循環(huán)數(shù)N下的應(yīng)力為腐蝕疲勞的極限應(yīng)力，只要所取N足夠大，使設(shè)備在使用期內(nèi)安全使用即可，此應(yīng)力稱表觀疲勞極限。（2）腐蝕環(huán)境不是特定的 只要環(huán)境對(duì)設(shè)備有腐蝕作用

3、，再加上循環(huán)應(yīng)力的作用均可產(chǎn)生腐蝕疲勞。這是和應(yīng)力腐蝕的不同處。（3）裂紋形態(tài) 腐蝕疲勞所造成的裂紋大多為穿晶型常成群的產(chǎn)生.隨腐蝕疲勞過程的發(fā)展，裂紋寬度將增大，在擴(kuò)展過程中常出分枝，裂紋尖端變鈍。這是由于擴(kuò)展過程中受到腐蝕的緣故。3、腐蝕疲勞標(biāo)準(zhǔn)1（1）GB 國(guó)家質(zhì)檢總局GB/T 20120.1-2006金屬和合金的腐蝕。腐蝕疲勞試驗(yàn)。第一部分：循環(huán)失效試驗(yàn)GB/T 20120.2-2006金屬和合金的腐蝕。腐蝕疲勞試驗(yàn)。第二部分：預(yù)裂紋試驗(yàn)裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)（2）ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 11782-1-1998金屬和合金的腐蝕。腐蝕疲勞試驗(yàn)。第一部分：循環(huán)失效試驗(yàn)ISO 11782-2-

4、1998金屬和合金的腐蝕。腐蝕疲勞試驗(yàn)。第二部分：預(yù)裂紋試驗(yàn)裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)（3）EN ISOEN ISO 11782-1-2008金屬和合金的腐蝕。腐蝕疲勞測(cè)試。第一部分：疲勞測(cè)試周期EN ISO 11782-2-2008金屬和合金的腐蝕。腐蝕疲勞測(cè)試。第二部分：使用破碎試樣的裂紋擴(kuò)展測(cè)試二、 腐蝕疲勞機(jī)理21、氣相中的腐蝕疲勞（1）銜接受阻模型金屬材料加載時(shí)表面發(fā)生滑移，若有氧氣存在,可在滑移帶處溶入高濃度的氧，使熱效應(yīng)增加，空位增殖，表面形成氧化膜。在反向加載發(fā)生逆方向的滑移時(shí)，滑移面俘獲的氧進(jìn)入滑移帶，阻礙了斷裂面的銜接或焊合,引發(fā)裂紋。從而使滑移帶轉(zhuǎn)變成疲勞裂紋，使裂紋擴(kuò)展第I(初始)階

5、段的過程提前(相對(duì)于惰性氣氛)，并加速第I階段裂紋的擴(kuò)展。（2）氧化膜下空穴堆聚形成裂紋模型按理論認(rèn)為，氣相介質(zhì)與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)在表面生成保護(hù)膜，使表面強(qiáng)化。在交變應(yīng)力作用下，保護(hù)膜阻礙位錯(cuò)通過自由表面的逃逸，導(dǎo)致膜下位錯(cuò)堆集，形成空穴與凹陷。在交變應(yīng)力作用下形成裂紋。2、液相中的腐蝕疲勞（1）蝕孔應(yīng)力集中-滑移不可逆性增強(qiáng)模型電化學(xué)腐蝕環(huán)境使金屬表面形成的點(diǎn)蝕孔成為應(yīng)力集中源，當(dāng)金屬受拉應(yīng)力作用時(shí)，在點(diǎn)蝕孔底產(chǎn)生滑移臺(tái)階，滑移臺(tái)階處暴露出的新鮮金屬表面因腐蝕作用使逆向加載時(shí)表面不能復(fù)原(即逆向滑移受阻)，由此造成裂紋源的產(chǎn)生。疲勞的反復(fù)加載，使裂紋不斷向縱深擴(kuò)展。腐蝕產(chǎn)生點(diǎn)蝕孔產(chǎn)生滑移臺(tái)階

6、臺(tái)階溶解形成新表面逆滑移形成裂紋（2）滑移帶優(yōu)先溶解模型金屬表面在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生駐留滑移帶，擠出、擠入處由于位錯(cuò)密度高或雜質(zhì)在滑移帶處的沉積等原因，使原子具有較高的活性而成為局部小陽極，而其他部位則處于活性相對(duì)低的狀態(tài)(成為大陰極)，由此導(dǎo)致駐留滑移帶處發(fā)生優(yōu)先腐蝕溶解，進(jìn)而使腐蝕疲勞裂紋形核。裂紋形核后，交變應(yīng)力和裂紋內(nèi)局部電化學(xué)腐蝕的協(xié)同作用使裂紋不斷擴(kuò)展。（3）氫脆模型水合氫離子從裂紋面向裂紋頂端擴(kuò)散。氫離子發(fā)生還原反應(yīng)而使裂紋頂端表面吸附氫原子，被吸附的氫原子沿表面擴(kuò)散到表面的擇優(yōu)位置上，氫原子在交變應(yīng)力的協(xié)同作用下向金屬內(nèi)的關(guān)鍵位置(如晶粒邊界、裂紋頂端的三向高應(yīng)力集中區(qū)或孔洞處

7、)擴(kuò)散與富集，交變應(yīng)力與富集的氫聯(lián)合作用導(dǎo)致裂紋的萌生與擴(kuò)展。另外，有的研究結(jié)果則表明，吸附氫對(duì)腐蝕疲勞裂紋的擴(kuò)展比三向應(yīng)力集中區(qū)富集的氫的作用還大，即吸附氫是推動(dòng)CF裂紋擴(kuò)展的主要因素。三、腐蝕疲勞的影響因素1、環(huán)境因素的影響（1）溫度 溫度有顯著的影響。隨著溫度的升高，腐蝕現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，疲勞壽命逐漸下降。不過，若溫度上升引起材料的嚴(yán)重孔蝕，產(chǎn)生許多淺裂紋源，從而降低了應(yīng)力集中，使陽極對(duì)陰極的面積比增大。溫度增高反而會(huì)使材料耐腐蝕疲勞的性能有所改進(jìn)。（2）溶液PH PH<4,PH值降低，腐蝕疲勞壽命降低；PH=410壽命保持恒定；PH=1012，壽命顯著增加；PH>12,表觀疲勞

8、極限接近于干疲勞極限。（3）溶液的含氧量 溶液含氧量有重要影響。例如：部分真空時(shí)銅和軟鋼均提高了疲勞極限。實(shí)驗(yàn)表明，氧對(duì)腐蝕疲勞裂紋的引發(fā)幾乎無影響，其主要影響是裂紋的擴(kuò)展，從而提高腐蝕疲勞條件疲勞極限值。2、載荷性質(zhì)的影響(1)循環(huán)載荷的交變幅度增大，腐蝕速度也隨之增大，即使此應(yīng)力低于表觀疲勞極限。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，交變應(yīng)力對(duì)腐蝕速度的加速作用，是由于滑移面上處于“運(yùn)動(dòng)”中的金屬原子溶入溶液所需的活化能低于處于“靜止”狀態(tài)的金屬原子。(2)頻率降低，裂尖張開時(shí)間增大，腐蝕介質(zhì)的作用更加充分；頻率降低，降低了裂尖應(yīng)變速率，致使裂紋尖端的氫含量增加,材料的氫脆敏感性增強(qiáng)；頻率降低,裂紋尖端局部溶液與容器

9、中主體溶液混合交換較少,溶液與尖端金屬表面作用緩慢,腐蝕產(chǎn)物較薄,閉合作用?。活l率降低,裂紋擴(kuò)展由穿晶型轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐?。3、材料性能的影響 研究表明4,材料低倍組織表達(dá)了成分偏析程度、夾雜物含量及分布、缺陷等冶金信息,確認(rèn)成份偏析是腐蝕疲勞壽命減少的主要原因；同種材料,低倍組織往往也決定了顯微組織，如果低倍組織良好,就容易得到均勻的、細(xì)小、充分轉(zhuǎn)變的馬氏體組織。4、低碳鋼的組織的影響5（1）頻率對(duì)低碳鋼的3.5NaCl水溶液中的疲勞裂紋擴(kuò)展抗力有顯著影響。當(dāng)頻率從5.5Hz降至0.5Hz時(shí)，各組織狀態(tài)的裂紋擴(kuò)展抗力均大幅度下降。（2）鋼的成分和顯微組織對(duì)腐蝕疲勞有重要影響。5.5Hz時(shí)，馬氏體

10、組織腐蝕疲勞抗力最高；0.5Hz時(shí)，由于馬氏體組織的氫脆敏感性較高，裂紋擴(kuò)展抗力下降最明顯。降低含碳量和提高冶金質(zhì)量有助于提高鋼的腐蝕疲勞強(qiáng)度。（3）隨應(yīng)力強(qiáng)度因子增加，斷裂方式從條紋沿晶+條紋準(zhǔn)解理+條紋微孔聚合型變化。4、熱處理工藝的影響（1）不同熱處理制度下獲得的顯微組織，對(duì)于材料在介質(zhì)中的腐蝕疲勞極限有一定影響，經(jīng)雙重處理后，其正常的強(qiáng)度、塑性、韌性均有所提高，而且其腐蝕疲勞極限也提高。（2）例如2Cr13鋼在不同熱處理制度下疲勞裂紋萌生的機(jī)制不同,經(jīng)雙重處理后在80,3%NaCl水溶液中裂紋萌生與擴(kuò)展為不穩(wěn)定鈍化態(tài)腐蝕疲勞。雙重理理提高了腐蝕疲勞性能與其自身有較好的強(qiáng)韌性及良好的點(diǎn)蝕

11、抗力有關(guān)6。5、其他工藝因素的影響（1）電解拋光有使腐蝕疲勞強(qiáng)度下降的傾向，如15Cr鋼在NaCl溶液中的N=107的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度由22.5Kg/mm2降至18.5Kg/mm2。（2）表面軋制可提高材料的腐蝕疲勞強(qiáng)度，如經(jīng)壓力為150Kg的直徑為20mm的鋼棒，在255%硫酸溶液中的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度為未經(jīng)軋制的相同鋼棒的兩倍以上。四、腐蝕疲勞的控制與防護(hù)1、合理選材與優(yōu)化材料采用耐腐蝕疲勞的材料。由于鋼的強(qiáng)度愈高，通常其腐蝕疲勞敏感性愈大，因此選擇強(qiáng)度低的鋼種一般更為安全。例如含二氧化硫的溶液中Cr26Ni15鐵素體奧氏體雙相不銹鋼較奧氏體不銹鋼耐蝕。2、降低張應(yīng)力水平或改善表面應(yīng)力狀態(tài)設(shè)

12、計(jì)上注意結(jié)構(gòu)合理化，減少應(yīng)力集中，避免縫隙結(jié)構(gòu)，適當(dāng)加大截面尺寸。3、緩腐蝕作用常用的措施有施加表面、添加緩蝕劑和實(shí)施電化學(xué)保護(hù)技術(shù)。（1）表面涂(鍍)層 噴丸、氮化等在材料表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，有利于提高耐腐蝕疲勞性能。例如碳鋼經(jīng)氮化處理后在3%氯化鈉溶液中的壽命可提高23倍。（2）添加緩蝕劑 例如在含乙醇的水中加200ppm重鉻酸鈉可使正火的0.35%碳鋼的腐蝕疲勞性能接近空氣中的疲勞性能。（3）電化學(xué)保護(hù) 在弱酸性、中性和堿性介質(zhì)中可采用陰極保護(hù)，如碳鋼在3%氯化鈉溶液中和在循環(huán)應(yīng)力作用下，采用陰極保護(hù)可顯著提高耐腐蝕疲勞性能。但不能完全防止，這可能是由于在交變應(yīng)力作用下，材料電勢(shì)的變化并不是

13、同一方向的。在氧化介質(zhì)中使用的碳鋼，特別是不銹鋼，也可采用陽極保護(hù)。五、結(jié)束語腐蝕疲勞是一個(gè)較為復(fù)雜的問題,隨著基礎(chǔ)研究的不斷深入,尤其是理論研究與工業(yè)實(shí)踐的結(jié)合,人們對(duì)其作用機(jī)理有了更加深入的認(rèn)識(shí)。本文所介紹的腐蝕疲勞機(jī)理，概括了人們對(duì)它的最新認(rèn)識(shí)和最新研究結(jié)果。與單純機(jī)械載荷作用下的材料的疲勞不同,腐蝕疲勞表現(xiàn)出一系列明顯特點(diǎn)。掌握這些特點(diǎn),對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇,防護(hù)措施的采取,事故分析等都具有一定的指導(dǎo)意義。根據(jù)不同的腐蝕疲勞機(jī)理,采取與之相應(yīng)的防護(hù)措施十分重要。否則可能達(dá)不到預(yù)期的效果。由于許多影響因素間錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系,目前要定量預(yù)計(jì)所設(shè)計(jì)的構(gòu)件的腐蝕疲勞強(qiáng)度還很困難,在許多情況下,構(gòu)件所處的腐蝕疲勞環(huán)境載荷循環(huán)規(guī)律、腐蝕條件等是很難定量確定的。更復(fù)雜的是,腐蝕疲勞與其它腐蝕現(xiàn)象疊加的情況,這時(shí)只有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和盡量接近實(shí)際操作條件的試驗(yàn),才能有助于問題的解決。致謝：紀(jì)嘉明老師參考文獻(xiàn)：1、百度文庫(kù).腐蝕疲勞