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腐蚀疲劳与腐蚀磨损 腐蚀疲劳 目录 1什么是腐蚀疲劳 4腐蚀疲劳的控制方法 腐蚀疲劳的机理3.腐蚀疲劳的影响因素 口什么是腐烛 疲劳 这种破坏要比 腐蚀疲劳:材 单纯的交变应 料或构件在交 力造成的破坏 变应力与腐蚀 或者单纯的腐 环境的共同作 蚀作用造成的 用下产生的脆 破坏严重的多。 性断裂 在工程技术上腐蚀疲劳是造 成安全设计的金属构件发生 突然破坏的最重要的原因之 2腐蚀疲劳的 机理 2腐蚀疲劳机理 2.1腐蚀疲劳裂纹萌生机理 (1)局部腐蚀理论。该理论认为,在交变载荷和腐蚀环境的交互或协同作用下, 材料表面会形成腐蚀坑,在腐蚀坑的底部和边缘等部位产生应力集中,促进材 料表面的腐蚀疲劳源提前生成。这种理论通常适合于发生局部腐蚀的铝合金材 料,但不能解释表面没有腐蚀坑仍发生腐蚀疲劳的现象,具有一定的局限性。 (2)形变活化理论,也称为阳极滑移溶解模型。主要涉及三种过程:阳离子 液体扩散、裂纹保护性氧化膜破裂和裸金属表面溶解。该理论认为,在交变载 荷作用下,金属材料晶体产生滑移变形,滑移变形区域的活化能高于未发生变 形的区域。变形区域和未变形区域与环境腐蚀介质共同组成腐蚀原电池,变形 区域和未变形区域分别为阳极和阴极,阳极区域因持续受到腐蚀,不断发生溶 解,最终形成疲劳裂纹。该理论目前主要用于解释高强钢的腐蚀疲劳问题,在 高强铝等材料腐蚀疲劳中应用很少。 (3)吸附理论。该理论认为,金属材料与腐蚀环境接触时,金属表面会吸附活 性物质,其表面能降低,金属表面的键和强度被削弱,金属的力学性能被弱化。 当金属遭受交变应力作用时,表面滑移带的产生和微裂纹的扩展更容易进行, 由此导致腐蚀疲劳发生。 2腐蚀疲劳机理 2.2腐蚀疲劳扩展机制 腐蚀疲劳裂纹扩展时裂纹尖端的反应过程如图1所示。当金属材料暴露于腐蚀环 境中,腐蚀介质首先迁移到裂纹尖端,与裂纹尖端新鲜金属表面发生局部电化 学反应。该反应最简单的情况是阳极溶解与阴极放氢,反应可能产生的有害物 质氢吸附于金属表面。反应的速度、氢还原的量以及氢在裂纹尖端还原后成为 吸附氢将控制这个扩散过程。随着 1腐蚀介质迁移至裂纹尖精 裂纹尖端和金属滑移导致位错不断出现,2与裂端新鲜金展表面反应 吸附氢沿着位错带或晶界迁移扩散,进3局都反应产生有害物质被吸购 入裂纹尖端前沿区域的吸附氢向高应力 4有害物质向塑性区扩散 5裂纹尖端处腐蚀产物析出 区富集,引起材料的局部损伤(如氢脆)6腐产物积,影纹闭合 。裂纹尖端处电化学反应产生的腐蚀 物,一方面会向外析出产生 Wedge效应 ≯塑性区 另一方面腐蚀产物容易堆积在裂纹尖端 部位,改变裂纹尖端局部应力状态,引 起裂纹的闭合效应 图1金属发生腐蚀疲劳时裂纹尖端的行为过程 B腐蚀疲劳的 影响因素 材料自身因素影响 金属材料的成分、热处理方法及组织结构等特性是腐蚀疲劳的内在影响因素,对腐蚀疲劳裂纹萌 生与扩展影响至关重要。若金属材料含有杂质,会造成应力集中,增加材料腐蚀疲劳发生的概 改变材料裂纹扩展速率 力学因素影响 对金属材料腐蚀疲劳性能影响最为显著的力学因素是加载频率和应力比。加载频率决定了腐 蚀介质与裂尖材料的持续作用时间。一般来说,在给定的加载循环次数下,加载频率越低, 腐蚀介质与裂尖材料作用越充分,裂纹扩展速率增大,材料腐蚀疲劳寿命越低。这主要是因 为腐蚀介质对裂尖材料作用时间越长,裂纹张开时间增长,腐蚀介质对裂纹的影响效果更显 应力比是交变载荷的最小值和最大值之比,也是腐蚀疲劳裂纹扩展的重要因素。因此,腐蚀 疲劳试验过程中,应力比越低,腐蚀疲劳裂纹扩展速率越大;应力比越大,裂纹扩展速率越 小,当应力比接近1时,腐蚀疲劳转为应力腐蚀破坏。 03环境因素影响 腐蚀介质成分和浓度、溶液pH和温度、电位、空气湿度和干/湿交 替频率等环境因素均对材料腐蚀疲劳存在较大影响