1、腐蚀疲劳的定义
金属材料在周期性(循环)或非周期性(随机)交变应力与腐蚀介质的联合作用下发生脆性断裂的现象,称为腐蚀疲劳。它的本质是电化学腐蚀过程和力学过程的相互作用,这种相互作用远远超过交变应力和腐蚀介质单独作用的数学和。因此,这是一种更为严重的破坏形式,它造成金属破裂多为龟裂发展形式。
2、腐蚀疲劳的特征
(1)无腐蚀条件下的材料疲劳,通常有一个临界应力值,或称为疲劳极限。但腐蚀疲劳不存在临界应力值,即使在很低的应力条件下,腐蚀疲劳的破裂照样产生。
(2)与应力腐蚀不同,包括纯金属在内的任何材料都可能发生腐蚀疲劳。而且发生腐蚀疲劳不需要材料-环境的特殊组合,只要存在腐蚀介质,就会发生腐蚀疲劳。
3、腐蚀疲劳的机理
有关腐蚀疲劳的机理目前还没有统一的看法,主要有以下几种机理。
(1)蚀孔-应力集中理论
由于电化学腐蚀产生的小孔成为应力集中点,金属在交变应力的作用下,破坏了原有结晶结构,产生了电化学不均匀性,应变部分的金属为阳极,未应变的金属为阴极,在电化学和应力的联合作用下,产生了微裂纹。
(2)是吸附电化学理论
在腐蚀介质的作用下,金属表面发生了介质中表面活性因子的吸附,在微裂纹中产生楔入作用。微裂缝是在交变应力作用下由于滑移所生成的显微蚀坑和表面处位错的堆积。表面活性组分的楔入吸附,引起金属强度降低,在交变应力作用下表现为吸附疲劳。若腐蚀过程可能形成氢,则氢容易扩散渗入金属,引起金属的脆化,在一定条件下氢能导致疲劳,在塑性变形时氢能沿金属的滑移面很快地扩散渗入金属。
(3)表面膜理论
金属及合金在溶液环境中,表面覆盖一层氧化膜。在低频疲劳时,被破坏的表面膜有足够的时间使膜愈合而不形成裂纹,因此腐蚀疲劳的寿命较长。而频率高时,被破坏的表面膜来不及愈合而成为裸露的活性点,引起腐蚀疲劳。这种理论在中性介质中较适用。
4、腐蚀疲劳的影响因素
(1)应力因素
应力交变频率f及应力不对称系数对腐蚀疲劳影响显著。应力交变频率很大时,只产生机械疲劳破坏。频率很小时,则与静拉应力相似,产生应力腐蚀。因此频率只有在某一范围内,才容易产生腐蚀疲劳。而在能够产生腐蚀疲劳的应力范围内,频率越低,裂纹扩散速度越高。
(2)材质因素
钢在空气中的疲劳强度大约为抗拉强度的一半。而腐蚀疲劳强度与材料的强度、化学成分、热处理状态等的关系都不大。提高材料强度可以提高材料的疲劳强度,但往往降低材料的耐蚀性,因而也就降低了腐蚀疲劳强度。钢中夹杂物(如MnS)对腐蚀疲劳裂纹的产生有很大影响,在夹杂物处易形成点蚀和缝隙腐蚀。
(3)环境因素
一般情况下随着温度升高,腐蚀疲劳强度下降,中碳钢在人造海水中温度从15℃提高到45℃,对N=107疲劳寿命大约降低了1/2。介质的腐蚀性越强,腐蚀疲劳强度就越低;但过强的腐蚀介质,会使全面腐蚀加剧,从而降低腐蚀疲劳的敏感性。溶液pH值的影响研究表明:pH值在4以下时,疲劳寿命降低;在4~10时,疲劳寿命逐渐增大;在10~12时,疲劳寿命显著增加;pH值大于12时与纯疲劳寿命相同。