金屬材料腐蝕疲勞研究進(jìn)展

符朝旭，黎小鋒，羅來(lái)正

（1.中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039；2.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331）

飛機(jī)、車(chē)輛及船舶等裝備金屬材料在自然環(huán)境服役過(guò)程中，一方面承受自然界中高溫、高濕、高鹽霧、強(qiáng)太陽(yáng)輻射和頻繁的干/濕交替作用等多種環(huán)境因素的腐蝕綜合影響，另一方面遭受反復(fù)的拉伸、壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)等疲勞載荷影響。這種環(huán)境腐蝕和疲勞載荷協(xié)同/交互作用導(dǎo)致裝備結(jié)構(gòu)或構(gòu)件因開(kāi)裂或斷裂提前失效的現(xiàn)象稱為腐蝕疲勞[1]，而環(huán)境腐蝕和交變載荷協(xié)同/交互作用遠(yuǎn)大于環(huán)境腐蝕和疲勞載荷單獨(dú)作用的簡(jiǎn)單迭加[2-3]，極易造成裝備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件和部分功能件提前失效，嚴(yán)重威脅裝備的可靠安全服役。例如，美國(guó)空軍F-4 飛機(jī)在使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)平尾搖臂出現(xiàn)腐蝕裂紋現(xiàn)象，導(dǎo)致美國(guó)1600 架F-4 飛機(jī)和其他國(guó)家600 多架F-4 飛機(jī)的全面停飛檢查[4]。中國(guó)臺(tái)灣華航一架波音747 飛機(jī)由于尾翼產(chǎn)生腐蝕疲勞裂紋，在飛往香港途中墜入南海，導(dǎo)致225 人喪生[5]。

腐蝕疲勞斷裂已成為裝備服役過(guò)程中一種常見(jiàn)的失效行為，因其危害性、破壞性通常無(wú)法提前預(yù)測(cè)，裝備一旦發(fā)生腐蝕疲勞斷裂，其結(jié)果通常是災(zāi)難性的，這種危害已經(jīng)越來(lái)越受到業(yè)界的廣泛關(guān)注[6-9]。Haigh 于1917 年率先在海水中觀察到鋼索的腐蝕疲勞現(xiàn)象。Mcadam 于1926 年首次提出了“腐蝕疲勞”概念，并發(fā)表了相關(guān)學(xué)術(shù)論文?！案g疲勞”概念一經(jīng)發(fā)表，就被廣大研究者認(rèn)同與接受，隨之開(kāi)展了大量的材料及構(gòu)件腐蝕疲勞研究工作[10-11]。數(shù)十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從腐蝕疲勞影響因素、腐蝕疲勞試驗(yàn)、腐蝕疲勞機(jī)理等多個(gè)方面對(duì)金屬材料開(kāi)展了大量腐蝕疲勞研究工作。這些研究工作極大地推動(dòng)了腐蝕疲勞試驗(yàn)開(kāi)展、腐蝕疲勞機(jī)理探索及工程應(yīng)用等，研究成果對(duì)裝備金屬材料及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選材、研制及定型、定/延壽和維護(hù)維修等具有重要指導(dǎo)意義。

1 腐蝕疲勞機(jī)理

1.1 腐蝕疲勞裂紋萌生機(jī)理

關(guān)于腐蝕疲勞裂紋萌生機(jī)理目前主要有以下幾種理論。

1）局部腐蝕理論。該理論認(rèn)為，在交變載荷和腐蝕環(huán)境的交互或協(xié)同作用下，材料表面會(huì)形成腐蝕坑，在腐蝕坑的底部和邊緣等部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，促進(jìn)材料表面的腐蝕疲勞源提前生成。這種理論通常適合于發(fā)生局部腐蝕的鋁合金材料，但不能解釋表面沒(méi)有腐蝕坑仍發(fā)生腐蝕疲勞的現(xiàn)象，具有一定的局限性。

2）形變活化理論，也稱為陽(yáng)極滑移溶解模型。主要涉及三種過(guò)程：陽(yáng)離子的液體擴(kuò)散、裂紋保護(hù)性氧化膜破裂和裸金屬表面溶解。該理論認(rèn)為，在交變載荷作用下，金屬材料晶體產(chǎn)生滑移變形，滑移變形區(qū)域的活化能高于未發(fā)生變形的區(qū)域。變形區(qū)域和未變形區(qū)域與環(huán)境腐蝕介質(zhì)共同組成腐蝕原電池，變形區(qū)域和未變形區(qū)域分別為陽(yáng)極和陰極，陽(yáng)極區(qū)域因持續(xù)受到腐蝕，不斷發(fā)生溶解，最終形成疲勞裂紋。該理論目前主要用于解釋高強(qiáng)鋼的腐蝕疲勞問(wèn)題，在高強(qiáng)鋁等材料腐蝕疲勞中應(yīng)用很少[12-13]。

3）表面鈍化膜破壞理論。該理論認(rèn)為，金屬材料在交變載荷作用下，材料表面同樣發(fā)生晶體滑移，腐蝕環(huán)境中金屬表面形成的腐蝕產(chǎn)物阻止了晶體的可逆滑移，造成金屬表面位錯(cuò)，導(dǎo)致金屬表面鈍化膜破裂，并在滑移臺(tái)階處形成無(wú)膜的微小陽(yáng)極區(qū)，陽(yáng)極區(qū)域快速溶解，直到鈍化膜被重新修復(fù)為止。這種“滑移-膜破裂-溶解-成膜”的重復(fù)過(guò)程，逐步形成了腐蝕疲勞裂紋。該理論未考慮滲氫作用等情況，因此其廣泛性也值得懷疑[14]。

4）吸附理論。該理論認(rèn)為，金屬材料與腐蝕環(huán)境接觸時(shí)，金屬表面會(huì)吸附活性物質(zhì)，其表面能降低，金屬表面的鍵和強(qiáng)度被削弱，金屬的力學(xué)性能被弱化。當(dāng)金屬遭受交變應(yīng)力作用時(shí)，表面滑移帶的產(chǎn)生和微裂紋的擴(kuò)展更容易進(jìn)行，由此導(dǎo)致腐蝕疲勞發(fā)生。

由于腐蝕疲勞裂紋萌生與金屬材料自身及腐蝕環(huán)境均密切相關(guān)，不同的金屬材料在不同腐蝕環(huán)境中可能有不同的裂紋萌生機(jī)理。因此，目前還沒(méi)有一種完善的、通用的理論可準(zhǔn)確地解釋任何金屬材料的腐蝕疲勞過(guò)程。

1.2 腐蝕疲勞擴(kuò)展機(jī)制

腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)裂紋尖端的反應(yīng)過(guò)程如圖1所示。當(dāng)金屬材料暴露于腐蝕環(huán)境中，腐蝕介質(zhì)首先遷移到裂紋尖端，與裂紋尖端新鮮金屬表面發(fā)生局部電化學(xué)反應(yīng)。該反應(yīng)最簡(jiǎn)單的情況是陽(yáng)極溶解與陰極放氫，反應(yīng)可能產(chǎn)生的有害物質(zhì)氫吸附于金屬表面。反應(yīng)的速度、氫還原的量以及氫在裂紋尖端還原后成為吸附氫將控制這個(gè)擴(kuò)散過(guò)程。隨著裂紋尖端和金屬滑移導(dǎo)致位錯(cuò)不斷出現(xiàn)，吸附氫沿著位錯(cuò)帶或晶界遷移擴(kuò)散，進(jìn)入裂紋尖端前沿區(qū)域的吸附氫向高應(yīng)力區(qū)富集，引起材料的局部損傷（如氫脆）。裂紋尖端處電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物，一方面會(huì)向外析出產(chǎn)生Wedge 效應(yīng)，另一方面腐蝕產(chǎn)物容易堆積在裂紋尖端部位，改變裂紋尖端局部應(yīng)力狀態(tài)，引起裂紋的閉合效應(yīng)。

目前，用來(lái)描述金屬材料腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程的模型主要有疊加模型和競(jìng)爭(zhēng)模型。Wei 等[15]認(rèn)為，腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程是一個(gè)由交變載荷和環(huán)境腐蝕的疊加過(guò)程，疊加模型為：

Austen 等[16]認(rèn)為，腐蝕疲勞中交變載荷和環(huán)境腐蝕均對(duì)裂紋擴(kuò)散起作用，二者并非簡(jiǎn)單的疊加關(guān)系，而是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。即發(fā)展較快的一個(gè)過(guò)程代表腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展整個(gè)過(guò)程，競(jìng)爭(zhēng)模型為：

2 腐蝕疲勞影響因素

腐蝕疲勞影響因素主要包括材料自身因素、外界力學(xué)因素和環(huán)境因素三大類[17]。其中，材料自身因素是指材料的成分、熱處理及其自身結(jié)構(gòu)的幾何尺寸等；力學(xué)因素是指疲勞載荷最大應(yīng)力、應(yīng)力比、載荷加載頻率及加載波形等；環(huán)境因素包括溫度、濕度、腐蝕介質(zhì)、干濕交替頻率等。

2.1 材料自身因素影響

金屬材料的成分、熱處理方法及組織結(jié)構(gòu)等特性是腐蝕疲勞的內(nèi)在影響因素，對(duì)腐蝕疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展影響至關(guān)重要。若金屬材料含有雜質(zhì)，會(huì)造成應(yīng)力集中，增加材料腐蝕疲勞發(fā)生的概率，改變材料裂紋擴(kuò)展速率。陳亞軍等[18]研究了固溶時(shí)效熱處理對(duì)GH6149 合金腐蝕疲勞性能影響，分析了材料的組織、顯微硬度與交替腐蝕疲勞和間歇疲勞之間的關(guān)系。王正[19]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，臨界區(qū)熱處理能大幅度提高鋼的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值，主要是由于臨界熱處理可以減輕晶間雜質(zhì)的偏析，從而導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率的降低。Jones 等[20]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，7050 鋁合金表面析出相和腐蝕坑存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，并成為腐蝕疲勞裂紋源，而且鋁合金的金相組織改變了腐蝕偏離的擴(kuò)展方向。

2.2 力學(xué)因素影響

對(duì)金屬材料腐蝕疲勞性能影響最為顯著的力學(xué)因素是加載頻率和應(yīng)力比。加載頻率決定了腐蝕介質(zhì)與裂尖材料的持續(xù)作用時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，在給定的加載循環(huán)次數(shù)下，加載頻率越低，腐蝕介質(zhì)與裂尖材料作用越充分，裂紋擴(kuò)展速率增大，材料腐蝕疲勞壽命越低。這主要是因?yàn)楦g介質(zhì)對(duì)裂尖材料作用時(shí)間越長(zhǎng)，裂紋張開(kāi)時(shí)間增長(zhǎng)，腐蝕介質(zhì)對(duì)裂紋的影響效果更顯著[21]。Kawai 分別在0.05、0.5、5 Hz 三種頻率下，研究了3% NaCl 腐蝕介質(zhì)下，不同加載頻率對(duì)13CrPH 不銹鋼裂紋擴(kuò)展速率的影響。結(jié)果表明，加載頻率對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響大小是：0.05 Hz＞0.5 Hz＞5 Hz。因此，腐蝕疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，加載頻率不能太高。

應(yīng)力比是交變載荷的最小值和最大值之比，也是腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的重要因素。Daniel[22]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，鋁合金腐蝕疲勞過(guò)程中，應(yīng)力比越大，腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值越小，且應(yīng)力比主要影響A 區(qū)和C區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率。韓恩厚等[23]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，ZG20SIMn 和SM50B-Zc 低合金鋼腐蝕疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)力比越大，材料裂尖應(yīng)變和應(yīng)變速率越小，并導(dǎo)致低合金鋼氫和氫脆敏感性增大。因此，腐蝕疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)力比越低，腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率越大；應(yīng)力比越大，裂紋擴(kuò)展速率越小，當(dāng)應(yīng)力比接近1 時(shí)，腐蝕疲勞轉(zhuǎn)為應(yīng)力腐蝕破壞。

2.3 環(huán)境因素影響

腐蝕介質(zhì)成分和濃度、溶液pH 和溫度、電位、空氣濕度和干/濕交替頻率等環(huán)境因素均對(duì)材料腐蝕疲勞存在較大影響。Agar等[24]研究了在不同腐蝕介質(zhì)中LC4-CS 鋁合金的裂紋擴(kuò)展行為，不同腐蝕介質(zhì)對(duì)鋁合金腐蝕疲勞影響程度依次是：3.5% NaCl 溶液＞3.5% NaCl 鹽霧＞3.5% NaCl 鹽霧+SO2＞潮濕空氣（RH＞90%）＞室溫空氣。另外，李鵬等[25]研究了A7N01S-T5 鋁合金在3.5% NaCl 和5% NaCl 溶液中腐蝕疲勞S-N 曲線，結(jié)果表明，相同腐蝕環(huán)境下，腐蝕介質(zhì)濃度越大，腐蝕疲勞發(fā)生時(shí)間越早。

藏啟山等[26]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在相同溶液和應(yīng)力下，當(dāng)pH 從2.5 增加到7 時(shí)，疲勞壽命也隨之增加，但這種增加非常緩慢；當(dāng)pH 在7~10 之間時(shí)，疲勞壽命基本不變；當(dāng)pH 大于12 后，疲勞壽命急劇增加。該結(jié)果表明，酸性溶液對(duì)材料壽命有害。主要是由于pH 較小時(shí)，一方面陰極上氫去極化被加快，腐蝕和裂紋萌生加速；另一方面，pH 值改變會(huì)影響裂尖金屬膜的生成。pH 值高于12 后，金屬表面會(huì)生成Fe(OH)2保護(hù)膜，這種膜在堿性條件下比較穩(wěn)定。

Gerberich 研究了溫度對(duì)人造海水中低碳鋼腐蝕疲勞性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)溫度由15 ℃上升到35 ℃時(shí)，低碳鋼疲勞壽命下降約1/2；當(dāng)溶液溫度進(jìn)一步升高至沸點(diǎn)時(shí)，低碳鋼的疲勞壽命有所增加。這主要是由于溫度升高一方面降低了溶液電阻，加速了陰極和陽(yáng)極形成過(guò)程，有利于腐蝕電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生；另一方面，溫度進(jìn)一步升高會(huì)降低溶液的含氧量，溶液難以形成大面積的陰、陽(yáng)極區(qū)域，不利于腐蝕的發(fā)生。

3 腐蝕疲勞試驗(yàn)技術(shù)

3.1 環(huán)境腐蝕-疲勞載荷交互試驗(yàn)技術(shù)

環(huán)境腐蝕-疲勞載荷交互試驗(yàn)是根據(jù)一定的循環(huán)周期，對(duì)金屬材料開(kāi)展環(huán)境腐蝕試驗(yàn)和交變載荷疲勞試驗(yàn)的交互/循環(huán)試驗(yàn)。通常包括以下兩種形式：1）實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對(duì)金屬材料開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境腐蝕試驗(yàn)，腐蝕試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行交變載荷疲勞試驗(yàn)，并按一定周期進(jìn)行循環(huán)；2）自然環(huán)境下，對(duì)金屬材料開(kāi)展自然暴露試驗(yàn)，暴露試驗(yàn)結(jié)束后，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行交變載荷疲勞試驗(yàn)，并按一定周期進(jìn)行循環(huán)。

目前，受試驗(yàn)?zāi)芰ο拗?，?guó)內(nèi)外環(huán)境腐蝕-疲勞載荷交互試驗(yàn)主要集中于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境腐蝕-疲勞載荷交互試驗(yàn)方面的腐蝕疲勞研究。為了掌握實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下不同環(huán)境介質(zhì)對(duì)鋁合金腐蝕疲勞的影響程度，AGAR S 等[27-29]分別對(duì)LC4-CS 和LY12-Z 等鋁合金開(kāi)展了腐蝕疲勞試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，環(huán)境介質(zhì)會(huì)顯著降低高強(qiáng)鋁合金的疲勞壽命，環(huán)境介質(zhì)對(duì)高強(qiáng)鋁合金疲勞壽命影響排序大致如下：海水＞鹽霧＞潮濕空氣＞干燥空氣。為了研究腐蝕與疲勞的交替順序?qū)︿X合金的壽命影響，陳躍良等[30]在實(shí)驗(yàn)室對(duì)LY12CZ 鋁合金開(kāi)展了“預(yù)腐蝕-疲勞”及“疲勞-腐蝕-疲勞”等兩類試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)后者試驗(yàn)中的試驗(yàn)件壽命更長(zhǎng)，且隨預(yù)疲勞壽命的增加而呈降低趨勢(shì)。張有宏等[31]研究了 3.5% NaCl 腐蝕溶液中不同頻率對(duì)LY12-CZ 鋁合金緊固件疲勞壽命的影響，結(jié)果表明，隨著頻率的增加，LY12-CZ 鋁合金緊固件的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率逐漸降低。

相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境腐蝕-疲勞載荷交互試驗(yàn)而言，因?yàn)槭芨鞣N條件限制，自然環(huán)境腐蝕-疲勞載荷交互試驗(yàn)研究相對(duì)較少。王晴晴等[32]首先對(duì)7475 鋁合金在海南暴露1 年，然后在實(shí)驗(yàn)室對(duì)自然環(huán)境腐蝕后的7475 鋁合金進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明，海洋大氣腐蝕顯著降低7475 鋁合金的疲勞壽命。上官曉峰等[33]將30CrMnSiNi2A 鋼分別在海南和青島暴露1年，研究了海洋大氣環(huán)境腐蝕后30CrMnSiNi2A 鋼疲勞壽命及斷口形貌。

3.2 環(huán)境腐蝕-疲勞載荷協(xié)同試驗(yàn)技術(shù)

環(huán)境腐蝕-疲勞載荷協(xié)同試驗(yàn)是指金屬材料在試驗(yàn)過(guò)程中，同時(shí)受到環(huán)境腐蝕和疲勞載荷的雙重作用。通常也有兩種形式：1）實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，將疲勞試驗(yàn)設(shè)備疲勞載荷加載部位增加“環(huán)境小盒”，這種“環(huán)境小盒”通常只模擬一種環(huán)境條件，如濕度、溫度或腐蝕溶液，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室模擬腐蝕環(huán)境與疲勞載荷的協(xié)同作用；2）自然環(huán)境下，開(kāi)發(fā)可施加疲勞載荷的試驗(yàn)設(shè)備，并安裝于戶外環(huán)境中，在戶外環(huán)境中對(duì)試樣開(kāi)展疲勞試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)自然環(huán)境腐蝕-疲勞載荷的協(xié)同作用。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境腐蝕-疲勞載荷協(xié)同試驗(yàn)，沈海軍等[34]利用“環(huán)境小盒”，對(duì)7475-T761 和LY12CZ 兩種鋁合金開(kāi)展了“3.5%NaCl 腐蝕環(huán)境體系-疲勞載荷”協(xié)同試驗(yàn)，研究了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境腐蝕-疲勞載荷協(xié)同作用對(duì)兩種鋁合金的腐蝕疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展行為的影響。張倫武等[40]利用自行設(shè)計(jì)的恒載荷大氣應(yīng)力腐蝕裝置，在海南萬(wàn)寧試驗(yàn)站對(duì) 7A52 鋁合金和25CrMnSiA 等材料開(kāi)展了海洋大氣環(huán)境-恒載荷協(xié)同應(yīng)力腐蝕研究，但其采用的載荷是恒載荷，而并不是腐蝕疲勞試驗(yàn)需要的交變載荷。

由于自然環(huán)境腐蝕-疲勞載荷協(xié)同試驗(yàn)需要在戶外安裝疲勞載荷試驗(yàn)設(shè)備，而如何保證疲勞載荷試驗(yàn)設(shè)備可靠、長(zhǎng)久使用是需要解決的首要問(wèn)題。為了突破氣候環(huán)境-疲勞載荷協(xié)同試驗(yàn)技術(shù)，研究自然環(huán)境腐蝕與疲勞載荷協(xié)同作用對(duì)裝備材料及結(jié)構(gòu)的影響，羅來(lái)正等[2-3,35]先后在海南萬(wàn)寧海洋大氣環(huán)境下，首次研發(fā)了海洋氣候戶外環(huán)境-拉、壓、彎、扭疲勞載荷協(xié)同試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法；在黑龍江漠河寒冷低溫環(huán)境下，成功研制了高寒氣候戶外環(huán)境-拉、壓、彎疲勞載荷協(xié)同試驗(yàn)設(shè)備。這些協(xié)同試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法的成功研發(fā)，為材料及結(jié)構(gòu)的自然環(huán)境腐蝕-疲勞載荷協(xié)同試驗(yàn)及驗(yàn)證提供了必要的基礎(chǔ)平臺(tái)及新的技術(shù)手段。

4 結(jié)語(yǔ)

金屬材料在服役工況下會(huì)遭受腐蝕疲勞破壞，但目前的研究主要集中在腐蝕性能或疲勞性能，關(guān)于腐蝕疲勞方面研究較少，尤其是腐蝕環(huán)境-交變載荷協(xié)同作用下金屬材料的腐蝕疲勞研究更是少見(jiàn)。

今后金屬材料腐蝕疲勞研究可能并應(yīng)該從以下幾個(gè)方面取得進(jìn)展：自然環(huán)境下，裝備實(shí)際服役腐蝕環(huán)境-交變載荷協(xié)同作用下金屬材料的腐蝕疲勞性能變化規(guī)律及腐蝕疲勞機(jī)理研究；腐蝕環(huán)境-交變載荷協(xié)同作用對(duì)金屬材料腐蝕疲勞性能的影響；建立更符合實(shí)際情況的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)模型；從腐蝕疲勞機(jī)制、壽命預(yù)測(cè)模型、影響因素等出發(fā)，分別建立適合于不同類別金屬的腐蝕疲勞機(jī)制及壽命預(yù)測(cè)模型；研究并獲取金屬腐蝕類型、腐蝕深度等與腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展之間的關(guān)系。