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腐蚀疲劳的特点、机理与预防措施

来源:未知2022-06-27
       工业上有些零构件是在腐蚀介质中承受交变载荷作用的,如船舶的推进器、压缩机和燃气轮机叶片等。这些零构件的破坏是在疲劳和腐蚀联合作用下发生的,这种失效形式称为腐蚀疲劳。从失效意义上考虑,腐蚀疲劳过程也包括裂纹的萌生和扩展两个阶段。材料在交变应力和腐蚀介质共同作用下,比在惰性介质中更加容易产生裂纹,现简单介绍腐蚀疲劳的特点、机理与预防措施。
  
船用螺旋桨推进器                             


石油钻杆断口



1.腐蚀疲劳的特点
1.1腐蚀环境不是特定的。与应力腐蚀不同,腐蚀疲劳不需要金属-环境介质的特定配合,只要环境介质对金属有腐蚀作用,外加交变应力的作用,都可产生腐蚀疲劳,这一点更具有普遍性。
1.2腐蚀疲劳曲线无水平线段,即不存在无限寿命的疲劳极限。因此,通常采用“条件疲劳极限”,即以规定循环周次(一般为107次)下的应力值作为腐蚀疲劳极限,来表征材料对腐蚀疲劳的抗力。
1.3腐蚀疲劳极限与静强度之间不存在比例关系。不同抗拉强度的钢在海水介质中的疲劳极限几乎没有什么变化。这表明,提高材料的静强度对在腐蚀介质中的疲劳抗力没有什么贡献。
1.4腐蚀疲劳断口尚可以见到多个裂纹源,并具有多齿状特征。
 
纯疲劳试验与腐蚀疲劳试验的疲劳曲线           


钢在空气中及海水中的疲劳强度


2.腐蚀疲劳的机理
腐蚀疲劳多数是由于小孔腐蚀引起的,断口的起源常在孔蚀处,断口常呈贝壳状,黑白交替分明,中心处是孔蚀引起的应力集中,然后是光亮的穿晶断裂区,再就是穿晶断裂与沿晶断裂交替出现的区域,最后是沿晶断裂区。在液体介质中,主要存在以下两种腐蚀疲劳机理:

2.1点腐蚀形成裂纹模型
这是早期用来解释腐蚀疲劳现象的一种机理。金属在腐蚀介质作用下在表面形成点蚀坑,在点蚀坑处产生裂纹。
(a)在半圆点蚀坑处由于应力集中,受力后易产生滑移;
(b)滑移形成台阶;
(c)台阶在腐蚀介质作用下溶解,形成新表面;
(d)在反向加载时,沿滑移线生成裂纹。
 

2.2保护膜破裂形成裂纹模型
这个理论与应力腐蚀的保护膜破坏理论大致相同,金属表面暴露在腐蚀介质中时,表面将形成保护膜。由于保护膜与金属基体比容不一,因而在膜形成过程中金属表面存在附加应力,此应力与外加应力叠加,使表面产生滑移。在滑移处保护膜破裂露出新鲜表面,从而产生电化学腐蚀。破裂处是阳极,由于阳极溶解反应,在交变应力作用下形成裂纹。

腐蚀疲劳宏观形貌                        


腐蚀疲劳微观形貌


3.防止腐蚀疲劳的措施 
3.1减少腐蚀疲劳的主要方法是选择能在预定的环境中抗腐蚀的材料。

3.2可以通过各种表面处理如喷丸、氧化等工艺使表面残留压应力。比如高强度铝合金常用纯铝包覆,利用Al2O3薄膜能显著提高腐蚀疲劳抗力,虽然这样做会减小在空气中的疲劳强度也在所不惜。

3.3表面附加镀层或涂层可以有效预防腐蚀疲劳。一般认为,阳极镀层是有益的,而阴极镀层有害。如镀锌、镉对钢的表面是阳极镀层,可改善腐蚀疲劳抗力;但镀铬、镍对钢的表面是阴极镀层,使表面产生不利的拉应力,出现发状裂纹和氢脆。其他的表面保护,如涂漆、涂油或用塑料、陶瓷形成保护层,只要它在使用中不破坏,则对防止腐蚀疲劳都是有利的。
喷丸和氧化物保护层共同使用常可更明显地改善腐蚀疲劳抗力。