材料腐蚀与防护第三章全面腐蚀与局部腐蚀-4腐蚀疲劳

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1、第3章全面腐蚀与局部腐蚀第七节腐蚀疲劳3.7主要内容腐蚀疲劳1腐蚀疲劳的特征2腐蚀疲劳机理3腐蚀疲劳的控制方法4应力作用下的腐蚀破坏腐蚀应力腐蚀SCC空泡腐蚀腐蚀疲劳CF氢致断裂冲击腐蚀或湍流腐蚀微动腐蚀或微振腐蚀FC3.7.1腐蚀疲劳腐蚀疲劳：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。这种破坏要比单纯的交变应力造成的破坏或单纯的腐蚀作用造成的破坏严重的多。在工程技术上腐蚀疲劳是造成安全设计的金属构件发生突然破坏的最重要原因之一。3.7.2腐蚀疲劳破坏的特征腐蚀疲劳过程受力学因素、环境因素和材料因素交互影响，与一般腐蚀

2、、纯机械疲劳和应力腐蚀失效相比，表现出诸多自身的特征。腐蚀疲劳引起的破坏比单独由腐蚀和机械疲劳(即惰性环境中的纯疲劳)分别作用时引起破坏的总和严重得多，它不仅是航空、船舶、石油、天然气、化工、冶金、机械、海洋开发等工程结构的安全隐患，而且是人体植入关节等的重要失效形式。1）通常不存在腐蚀疲劳极限。腐蚀疲劳破坏的特征（1）力学特征通常不存在腐蚀疲劳极限。在交变应力下，金属承受的最大交变应力max愈大，则至断裂的应力交变次数N愈少；反之，max愈小，则N愈大。通过试验测得的这种曲线称为疲劳曲线(即应力-寿命曲线，或S-N曲线)。当应力

3、低到某值时，材料或构件等承受无限多次应力循环而不发生疲劳断裂，这一应力值称为材料或构件的真正疲劳极限，通常以R表示.疲劳极限是指一定的材料或构件可以承受无限次应力循环而不发生破坏的最大应力。发生破坏时的应力循环次数或从开始承受应力直至断裂所经历的时间称为疲劳寿命，通常以Nf表示。实际中通常规定交变应力循环周次在107次时，材料所能承受的最大循环应力或应力幅为其条件疲劳极限。与应力腐蚀不同，只要存在腐蚀介质，纯金属也能发生腐蚀疲劳腐蚀疲劳的条件(或表现)疲劳极限与材料的抗拉强度没有直接的相关关系，这一点与纯机械疲劳也不相同。腐蚀疲劳破

4、坏的特征（1）力学特征应力交变频率f和应力不对称系数(应力比)只对腐蚀疲劳影响显著。当f很大时，腐蚀来不及发生，只产生机械疲劳破坏，反之，当f很小时，则与静拉力作用接近，产生SCC破坏。f在某一范围内，最易产生CF失效，而且在腐蚀疲劳的应力范围内，f愈小，裂纹扩展速率越高，因为腐蚀的作用更加显著。另一方面，载荷比R(或平均应力)增大，腐蚀疲劳寿命通常降低。腐蚀疲劳破坏的特征（1）力学特征（2）环境特征1)腐蚀疲劳断裂的腐蚀环境没有特殊性要求，即不需要特定的材料/介质组合。只要在疲劳应力和腐蚀环境联合作用下都可发生CF断裂，不需要特定的

5、电化学腐蚀电位范围等特殊条件，这与SCC是完全不同的，因此，CF破坏更具广泛性，其破坏的严重性更大。严格地说，只有在真空或惰性气氛中才不发生CF破坏，在空气、氧气、甚至湿的氮气环境中都可发生CF破坏。腐蚀疲劳破坏的特征2)通常环境腐蚀性增强，CF破环倾向增大。例如对于钢(尤其是高强度钢)，CF裂纹扩展速率按照下列顺序递增：惰性气体大气水蒸气水硫酸盐水溶液氯化物水溶液氢气氛硫化氢。腐蚀过强导致局部腐蚀转化为均匀腐蚀，可能反而降低钢的CF破坏倾向。如温度升高引起钢的严重腐蚀，造成许多浅的裂纹源，从而降低局部的应力集中，并使阳

6、极与阴极面积比变大，结果使钢的抗腐蚀疲劳能力提高。另外，氧时常通过吸附或化学反应促进裂纹闭合，阻碍CF裂纹的扩展，从而提高CF条件疲劳极限值。（2）环境特征腐蚀疲劳破坏的特征（3）形态学特征腐蚀疲劳纹多起源于表面腐蚀坑或表面缺陷，往往成群出现，裂纹主要是穿晶型，并随腐蚀发展裂纹变宽。腐蚀疲劳断口即有腐蚀的特征又有疲劳的特征。而纯力学疲劳断口分两种情况，对于塑性材料断口为纤维状，呈暗灰色；脆性材料断口呈现出一些结晶形状。腐蚀疲劳破坏的特征3.7.3腐蚀疲劳的机理1)衔接受阻模型金属材料加载时表面发生滑移，若有氧气存在,可在滑移带处溶入高

7、浓度的氧，使热效应增加，空位增殖，表面形成氧化膜。在反向加载发生逆方向的滑移时，滑移面俘获的氧进入滑移带，阻碍了断裂面的衔接或焊合,引发裂纹。从而使滑移带转变成疲劳裂纹，使裂纹扩展第I(初始)阶段的过程提前(相对于惰性气氛)，并加速第阶段裂纹的扩展。（1）气相中的腐蚀疲劳2)氧化膜下空穴堆聚形成裂纹模型按理论认为，气相介质与金属发生化学反应在表面生成保护膜，使表面强化。在交变应力作用下，保护膜阻碍位错通过自由表面的逃逸，导致膜下位错堆集，形成空穴与凹陷。在交变应力作用下形成裂纹。（1）气相中的腐蚀疲劳腐蚀疲劳的机理（2）液相中的腐蚀

8、疲劳电化学腐蚀环境使金属表面形成的点蚀孔成为应力集中源，当金属受拉应力作用时，在点蚀孔底产生滑移台阶，滑移台阶处暴露出的新鲜金属表面因腐蚀作用使逆向加载时表面不能复原(即逆向滑移受阻)，由此造成裂纹源的产生。疲劳的反复加