腐蚀疲劳：界限模糊、常见破坏形式及试验方法

10.5.2.1 腐蚀疲劳特点

金属材料在交变载荷与腐蚀介质同时作用下引起的破坏为腐蚀疲劳。腐蚀疲劳与应力腐蚀有相似之处，但又有区别，应力腐蚀是材料在特定介质中，一般在拉应力作用下发生的低应力破断；而腐蚀疲劳是在交变载荷作用下，在任意腐蚀介质中引起的破坏。应力腐蚀与腐蚀疲劳间的界限不是十分清晰。材料的腐蚀疲劳强度比普通大气介质下疲劳强度显著降低。腐蚀疲劳是机械零件常见的破坏形式，例如石油钻杆用钢中70%～80%是腐蚀疲劳失效。表10-26是一些结构用金属材料在不同介质中的疲劳强度比较。

表10-26 一些结构用金属材料在不同介质中的疲劳强度比较

腐蚀疲劳有以下特点：

（1）在S-N曲线上，腐蚀疲劳无明显疲劳极限，常常将10⁷～10⁸循环周次不断的应力规定为条件疲劳极限。

（2）普通大气介质下材料的疲劳强度不受载荷频率的影响，而腐蚀疲劳强度与频率有密切关系，随频率降低，腐蚀疲劳强度下降。

（3）腐蚀疲劳强度（σ_w）不随材料抗拉强度（R_m）升高而提高，如图10-40所示。

（4）影响腐蚀疲劳的因素较多。腐蚀疲劳是材料、介质、力学等因素综合作用的结果。

图10-40 钢的抗拉强度（R_m）与腐蚀疲劳强度（σ_w）的关系

10.5.2.2 腐蚀疲劳试验方法

1.S-N曲线法 常用旋转弯曲加载，轴向拉伸加载、拉压加载等方法。试样有圆棒形或板状。腐蚀介质加入方式可用浸泡法、捆扎法、液滴法（将腐蚀液滴在试样上）等。为了模拟海洋大气腐蚀可采用喷盐雾法。将试验结果绘成S-N曲线，求出腐蚀疲劳极限，如图10-41所示。

图10-41 w（C）为0.44%钢的腐蚀疲劳S-N曲线

从S-N曲线不能估算实际零件腐蚀疲劳寿命，但可用于材料性能评价与比较。参阅国标GB/T20120.1—2006。

2.断裂力学法 采用三点弯曲试样、四点弯曲试样、紧凑拉伸试验（CT）及中心裂纹拉伸试样（CCT）等加载方法，测定腐蚀疲劳裂纹扩展速率^da（_dN）与应力强度因子（ΔK）曲线，判断腐蚀疲劳行为，进行寿命预测与估算。采用薄板状裂纹试样，试样浸泡在腐蚀介质中时缺口向下。裂纹长度可用直流电位法、交流电位法或光学显微镜跟踪测定。通过断裂片测出的直流电位（ΔV）与裂纹长度（a）的关系如下式，误差小于5%。

a=0.00732+0.0388ΔV

三点弯曲试样K_I表达式为

当=4.0，=0～1时，(www.xing528.com)

式中 F——载荷；

δ——试样厚度；

B——试样宽度；

S——支点跨距；

a——裂纹长度。当=4.0，=0.4～0.6时，

四点弯曲时，K_I表达式为

式中 M——弯矩；

δ——试样厚度；

B——试样宽度；

a——裂纹长度。

图10-42所示为试验得到的-ΔK曲线。曲线分为三个阶段，第Ⅰ阶段是ΔK＜ΔK_th时，裂纹不扩展，ΔK_th为疲劳裂纹扩展门槛值；当ΔK＞ΔK_th时，初期裂纹扩展速度较快，后期随ΔK增加，da/dN增加较慢。

图10-42 钢的腐蚀疲劳-ΔK曲线示意图

第Ⅱ阶段是da/dN与ΔK呈线性关系，即

式中的C及m为与材料有关的常数。

第Ⅲ阶段是da/dN随ΔK增加而加速扩展，当K_max=K_C时发生断裂。图10-43所示是石油钻杆用钢在pH值为10～11的介质中的曲线。参阅国标GB/T 20120.2—2006。