金属材料的腐蚀疲劳研究进展

邵长静

(辽宁装备制造职业技术学院，辽宁 沈阳 110161)

1 金属腐蚀疲劳机理

1.1 腐蚀疲劳裂纹萌生机理

1.1.1 局部腐蚀理论

局部腐蚀理论本质上来讲主要是指在腐蚀环境及疲劳载荷的影响下形成了交互作用，导致材料的表面出现一系列腐蚀坑，而在其底部及边缘部分产生了应力集中，导致腐蚀疲劳提前出现。而这样的理论我们通常将其灵活运用于发生局部腐蚀的材料，尤其是对于铝合金面，但值得注意的是，这一理论无法从真正意义上解释表面没有腐蚀坑却出现了腐蚀疲劳这一现象的原因，整体上具有极强的局限性和片面性。

1.1.2 形变活化理论

从一定意义上来讲，我们可以将形变活化理论看作是阳极滑移溶解模型。其具体的实现过程中会经过如下3个步骤：第一，具有阳离子的相关液体不断扩散；第二，金属材料表面的保护性氧化膜破裂；第三，金属表面不断腐蚀溶解。在这一理论中，金属材料的晶体会在载荷的作用下发生一定的变形，而变形区域的活化能相比于未变形的位置更高。基于此，变形区域及未变形区域基于环境的相关影响共同组成了原电池，其分别可以作为电池的阳极和阴极，阳极不断受到腐蚀发生溶解现象，最终造成了大量的疲劳裂纹。形变活化理论在目前大多用于分析高强钢的腐蚀疲劳现象，基本不会应用在高强铝等材料的腐蚀中。

1.1.3 表面钝化膜破坏理论

表面钝化膜破坏理论主要是指金属材料基于一定的荷载作用不仅仅发生了一定的晶体滑移，同时其也形成了腐蚀产物，直接阻止了晶体的可逆滑移，久而久之，如果不及时采取相应的措施会造成表面的错位，导致钝化膜直接破裂。基于滑移处形成阳极区域，此时阳极区域会迅速地溶解，直到钝化膜被再次修复。经过足够长的时间积累，金属材料会经过“滑移-膜破裂-溶解-成膜”的这一个过程并且这样的过程会反复出现，最终形成腐蚀疲劳裂纹。但值得注意的是，这一理论并没有充分考虑到渗氢作用，因此在现代社会发展的背景下这一技术并没有得到广泛的普及运用。

1.1.4 吸附理论

所谓吸附理论主要是指当金属材料与腐蚀环境直接接触的过程中，金属材料的表面会直接吸附相应的活性物质，导致其表面能不断下降，强度削弱，久而久之，金属的力学性能不断下降。从一定意义上来讲，在具体的材料使用过程中，如果其表面遭到了交变应力作用，只会进一步造成滑移扩大。微裂纹经过一段时间的发展就会造成腐蚀疲劳。众所周知，金属材料的腐蚀疲劳直接与其本身的材质及腐蚀环境紧密联系，不同的材料基于差异化的环境可能会产生不同的裂纹，发生的反应也大不相同。在这样的背景下，基于现代社会发展的背景仍然缺乏系统完善的科学理论对所有材料的腐蚀疲劳过程进行描述。

1.2 腐蚀疲劳扩展机制

从一定意义上来讲，如果金属材料直接暴露在腐蚀环境中，其介质在第一时间会迁移到裂纹的尖端，同时与尚未腐蚀的金属表面发生一系列化学反应，而这样的反应具有一定的局部性和有限性。值得注意的是，这样的化学反应本质上就是指阳极溶解、阴极放氢现象的发生，通过化学反应也会产生大量的有害物质，并且会直接吸附在金属表面。在腐蚀过程中，化学反应产生的速度、氢的具体量以及其在裂纹尖端还原后发生的化学行为都会在一定程度上对整个扩散过程进行把控。裂纹尖端及金属滑移出现导致吸附氢位置错位，在不断扩散中逐渐实现其向高应力区聚集，久而久之，会造成材料的直接损伤。值得注意的是，在裂纹尖端处产生的一系列电化学反应会造成大量的腐蚀现象，形成腐蚀产物，从而产生Wedge效应，与此同时，产物的堆积会直接体现在裂纹尖端，导致其应力状态不断变化，形成闭合效应。

2 金属材料腐蚀疲劳的主要影响因素

2.1 材料自身因素

根据相关的实践调查研究我们可以看出，造成金属材料腐蚀疲劳的原因还包括材料的主要成分、热处理方式方法及具体组织结构，这些因素都会在一定程度上造成疲劳裂纹的产生，并在腐蚀环境下不断扩展。具体而言，如果材料中含有一定的杂质会造成应力的集中，金属材料极易发生腐蚀疲劳。相关研究学者王正认为，基于临界区域积极实施热处理能够在一定程度上提高金属的抗腐蚀性，使其裂纹产生的临界值不断提高。而造成这一现象的主要原因在于基于临界位置的热处理能够减轻临界杂质的偏析，从而降低扩展的速度及效率。

2.2 力学因素

加载频率及应力比应当是基于力学层面上直接造成金属材料腐蚀疲劳的主要原因。具体而言，第一，针对加载频率而言，其在一定程度上导致腐蚀介质与裂尖材料不断相互作用。从一定意义上来讲，基于特定的循环次数，如果加载的频率越低那么二者之间的作用就越充分，裂纹的扩展速度不断提高，久而久之，金属材料的使用寿命不断下降。换而言之，基于腐蚀环境中，介质对裂间材料作用的时间越长，其破坏时间就越长，造成裂纹的效果就更为突出。

对于应力比而言，其本质上是基于载荷的最大值及最少值的比例。从一定意义上来讲，其也是造成腐蚀疲劳裂纹不断拓展的主要因素。通过一定的实践调查Daniel发现，基于铝合金材料的腐蚀疲劳应力比越大，裂纹产生的门槛就越低，与此同时，相关的研究学者认为，ZG20SIMn和SM50B-Zc均隶属于低合金钢材料，在具体的实验开展过程中应力比如果提高那么材料链接应变的速度会变小，久而久之，造成金属材料的敏感性不断提高。由此可见，通过一系列金属材料腐蚀疲劳的试验我们可以看出，应力比越低，裂纹扩展的速度就越快，反之裂纹扩展的速度就越小。值得注意的是，载荷的最大值及最小值比例越接近于1，腐蚀疲劳就会在一定程度上转化为应力，腐蚀破坏。

2.3 环境因素

在腐蚀环境中介质的成分浓度溶液的pH值，温度控制，湿度干湿交替频率都会在一定程度上造成金属材料腐蚀疲劳现象的发生。Agar基于不同腐蚀介质中LC4-CS铝合金的裂纹产生的时间效率进行了深入探究，通过一系列多元化的实验工作明确不同介质对铝合金腐蚀疲劳产生影响的程度依次为3.5% NaCl溶液>3.5% NaCl盐雾>3.5% NaCl盐雾+SO2>潮湿空气(RH>90%)>室温空气。

相关研究学者藏启山认为，酸性溶液会直接造成金属材料的快速腐蚀，影响其使用寿命，并且通过一定的实验对这一理论进行了认证从一定意义上来讲酸性溶液中的pH值较少是在一定程度上会加快阴极上氢去极化的速度，导致腐蚀现象的发生，与此同时酸性溶液会阻碍裂尖金属膜的有效生成。值得注意的是，如果溶液中的pH值高达12，那么在金属材料的表面会形成Fe(OH)2保护膜，而这样的某保护膜基于腐蚀环境会保持一定的稳定性。

Gerberich基于金属材料腐蚀疲劳研究的具体现状深入探究了温度对人造海水中低碳钢腐蚀疲劳的影响，根据时间调查研究，我们可以看出如果人造海水的温度从最初的15 ℃上升到35 ℃，那么其疲劳寿命就会下降50%，因此同时如果溶液的温度进一步升高，其疲劳寿命也会随之增加，造成这一现象的主要原因在于温度的升高降低了溶液的电阻，快速形成阴极和阳极在此背景下实现了腐蚀电化学反应。与此同时温度的升高会导致溶液的含氧量不断下降，溶液内部无法形成阴极及阳极区域，导致腐蚀不会快速产生。

3 腐蚀疲劳试验技术的研究

3.1 环境腐蚀-疲劳载荷交互试验技术

环境腐蚀-疲劳载荷交互试验从本质上来讲立足于一定的周期，基于环境腐蚀试验及载荷疲劳试验，通过不断地交互循环形成的综合性试验。根据相关的实践调查研究我们可以看出，其主要包括以下2个模块：第一，基于实验室环境模拟环境腐蚀，探究金属材料在其中产生的一系列反应，其后再进行交变载荷疲劳实验，并且给予一定的周期性开展循环试验；第二，基于自然环境背景下将金属材料直接暴露在环境中，其后在基于实验室环境进行载荷疲劳试验，同时也应当开展周期性循环试验。

为了从真正意义上探讨基于实验室环境背景下不同介质对铝合金材料产生的腐蚀疲劳影响，相关研究学者AGARS基于LC4-CS和LY12-Z等铝合金积极开展了相关的实验，最终结果表明：环境介质的差异性会直接影响高强铝合金的使用寿命，具体排列顺序如下海水>盐雾>湿空气>干燥空气。

3.2 环境腐蚀-疲劳载荷协同试验技术

环境腐蚀-疲劳载荷协同试验主要是指在实验过程中金属材料不仅仅会受到环境辐射的影响，也会受到疲劳载荷的作用，其主要包括2种形式：第一，基于实验室环境可以在实验设备加载部位有针对性地增加环境小国，这样的小国只是对环境的湿度、温度进行有效的模拟，以此实现腐蚀环境及疲劳载荷的共同作用。第二，基于自然环境而言，则应当有针对性地使用能够施加疲劳载荷的相关设备设施，将其直接安装在户外，在户外开展疲劳试验，通过这样的方式发挥自然环境腐蚀-疲劳载荷的协同作用。

众所周知，要充分开展自然环境腐蚀-疲劳载荷协同试验必须基于户外环境安装相应的载荷设备设施，如何在这样的背景下确保设备设施的安全可靠，实现持续使用是目前技术人员面临的主要问题和困境。在这样的背景下，为了深入探究自然环境腐蚀及疲劳载荷协同作用对于金属材料结构影响，我国研究学者罗来正首先基于海南大气环境研发了拉、压、弯、扭-疲劳载荷协同试验的具体方式方法，其后基于黑龙江漠河地区深入探究了高寒气候的拉、压、弯、扭-疲劳载荷协同试验，这些技能技巧都在一定程度上推动着协同实验的进一步研发完善，能够在一定程度上为自然环境腐蚀-疲劳载荷协同试验提供可靠的平台及先进的技术。

4 结语

金属材料的腐蚀疲劳研究在近年来得到了广泛的普及运用，在理论及技术层面都实现了进一步改革创新。在这样的背景下，国家相关职能部门必将加大整体研发力度，希望以此切实提高金属材料的抗腐蚀性，延长其使用寿命。