腐蝕疲勞是設備循環應力和腐蝕環境雙重作用下產生的一種腐蝕形式。它涉及許多工業部門,如傳播的推進器、軸、舵,飛機構件,汽車彈簧,礦山繩索等等。即使是抗腐蝕性能很好的金屬材料(如不銹鋼),也能在像自來水這樣的“無害”介質中發生腐蝕疲勞。
腐蝕疲勞是一種很危險的破壞形式,因為它出現的時間和位置都很難事先預計。它不僅發生于處于活化狀態的金屬材料,而且也發生于處于鈍化狀態的金屬材料。在一定條件下,可在結構設計、選材、制造及操作中采取一些措施,在一定程度上控制構件的腐蝕疲勞。
2、特征
腐蝕疲勞與氣相中純機械疲勞不同,其一系列特征表明它與電化學腐蝕有關,但又遠較應力與腐蝕的單純疊加嚴重。
(1)表觀疲勞極限 實際工作中,假設交變應力的某一循環數N下的應力為腐蝕疲勞的極限應力,只要所取N足夠大,使設備在使用期內安全使用即可,此應力稱表觀疲勞極限。
(2)腐蝕環境不是特定的 只要環境對設備有腐蝕作用,再加上循環應力的作用均可產生腐蝕疲勞。這是和應力腐蝕的不同處。
(3)裂紋形態 腐蝕疲勞所造成的裂紋大多為穿晶型常成群的產生.隨腐蝕疲勞過程的發展,裂紋寬度將增大,在擴展過程中常出分枝,裂紋尖端變鈍。這是由于擴展過程中受到腐蝕的緣故。
3、腐蝕疲勞標準
(1)GB 國家質檢總局 GB/T 20120.1-2006
金屬和合金的腐蝕。腐蝕疲勞試驗。第一部分:循環失效試驗 GB/T 20120.2-2006
金屬和合金的腐蝕。腐蝕疲勞試驗。第二部分:預裂紋試驗裂紋擴展試驗
(2)ISO 國際標準化組織 ISO 11782-1-1998
金屬和合金的腐蝕。腐蝕疲勞試驗。第一部分:循環失效試驗 ISO 11782-2-1998
金屬和合金的腐蝕。腐蝕疲勞試驗。第二部分:預裂紋試驗裂紋擴展試驗
(3)EN ISO EN ISO 11782-1-2008
金屬和合金的腐蝕。腐蝕疲勞測試。第一部分:疲勞測試周期 EN ISO 11782-2-2008
金屬和合金的腐蝕。腐蝕疲勞測試。第二部分:使用破碎試樣的裂紋擴展測試
二、腐蝕疲勞機理
1、氣相中的腐蝕疲勞
(1)銜接受阻模型
金屬材料加載時表面發生滑移,若有氧氣存在,可在滑移帶處溶入高濃度的氧,使熱效應增加,空位增殖,表面形成氧化膜。在反向加載發生逆方向的滑移時,滑移面俘獲的氧進入滑移帶,阻礙了斷裂面的銜接或焊合,引發裂紋。從而使滑移帶轉變成疲勞裂紋,使裂紋擴展第I(初始)階段的過程提前(相對于惰性氣氛),并加速第I階段裂紋的擴展。
(2)氧化膜下空穴堆聚形成裂紋模型
按理論認為,氣相介質與金屬發生化學反應在表面生成保護膜,使表面強化。在交變應力作用下,保護膜阻礙位錯通過自由表面的逃逸,導致膜下位錯堆集,形成空穴與凹陷。在交變應力作用下形成裂紋。
2、液相中的腐蝕疲勞
(1)蝕孔應力集中-滑移不可逆性增強模型
電化學腐蝕環境使金屬表面形成的點蝕孔成為應力集中源,當金屬受拉應力作用時,在點蝕孔底產生滑移臺階,滑移臺階處暴露出的新鮮金屬表面因腐蝕作用使逆向加載時表面不能復原(即逆向滑移受阻),由此造成裂紋源的產生。疲勞的反復加載,使裂紋不斷向縱深擴展。 腐蝕產生點蝕孔→產生滑移臺階→臺階溶解形成新表面→逆滑移形成裂紋
(2)滑移帶優先溶解模型
金屬表面在交變應力作用下產生駐留滑移帶,擠出、擠入處由于位錯密度高或雜質在滑移帶處的沉積等原因,使原子具有較高的活性而成為局部小陽極,而其他部位則處于活性相對低的狀態(成為大陰極),由此導致駐留滑移帶處發生優先腐蝕溶解,進而使腐蝕疲勞裂紋形核。 裂紋形核后,交變應力和裂紋內局部電化學腐蝕的協同作用使裂紋不斷擴展。
(3)氫脆模型
水合氫離子從裂紋面向裂紋頂端擴散。 氫離子發生還原反應而使裂紋頂端表面吸附氫原子,被吸附的氫原子沿表面擴散到表面的擇優位置上,氫原子在交變應力的協同作用下向金屬內的關鍵位置(如晶粒邊界、裂紋頂端的三向高應力集中區或孔洞處)擴散與富集,交變應力與富集的氫聯合作用導致裂紋的萌生與擴展。
另外,有的研究結果則表明,吸附氫對腐蝕疲勞裂紋的擴展比三向應力集中區富集的氫的作用還大,即吸附氫是推動CF裂紋擴展的主要因素。
三、腐蝕疲勞的影響因素
1、環境因素的影響
(1)溫度 溫度有顯著的影響。隨著溫度的升高,腐蝕現象越發嚴重,疲勞壽命逐漸下降。不過,若溫度上升引起材料的嚴重孔蝕,產生許多淺裂紋源,從而降低了應力集中,使陽極對陰極的面積比增大。溫度增高反而會使材料耐腐蝕疲勞的性能有所改進。
(2)溶液PH PH<4,PH值降低,腐蝕疲勞壽命降低;PH=4~10壽命保持恒定;PH=10~12,壽命顯著增加;PH>12,表觀疲勞極限接近于干疲勞極限。
(3)溶液的含氧量 溶液含氧量有重要影響。例如:部分真空時銅和軟鋼均提高了疲勞極限。實驗表明,氧對腐蝕疲勞裂紋的引發幾乎無影響,其主要影響是裂紋的擴展,從而提高腐蝕疲勞條件疲勞極限值。
2、載荷性質的影響
(1)循環載荷的交變幅度增大,腐蝕速度也隨之增大,即使此應力低于表觀疲勞極限。實驗證實,交變應力對腐蝕速度的加速作用,是由于滑移面上處于“運動”中的金屬原子溶入溶液所需的活化能低于處于“靜止”狀態的金屬原子。
(2)頻率降低,裂尖張開時間增大,腐蝕介質的作用更加充分;頻率降低,降低了裂尖應變速率,致使裂紋尖端的氫含量增加,材料的氫脆敏感性增強;頻率降低,裂紋尖端局部溶液與容器中主體溶液混合交換較少,溶液與尖端金屬表面作用緩慢,腐蝕產物較薄,閉合作用??;頻率降低,裂紋擴展由穿晶型轉變為沿晶型[3]。
3、材料性能的影響
研究表明,材料低倍組織表達了成分偏析程度、夾雜物含量及分布、缺陷等冶金信息,確認成份偏析是腐蝕疲勞壽命減少的主要原因;同種材料,低倍組織往往也決定了顯微組織,如果低倍組織良好,就容易得到均勻的、細小、充分轉變的馬氏體組織。
4、低碳鋼的組織的影響[5]
(1)頻率對低碳鋼的3.5﹪NaCl水溶液中的疲勞裂紋擴展抗力有顯著影響。當頻率從5.5Hz降至0.5Hz時,各組織狀態的裂紋擴展抗力均大幅度下降。
(2)鋼的成分和顯微組織對腐蝕疲勞有重要影響。5.5Hz時,馬氏體組織腐蝕疲勞抗力最高;0.5Hz時,由于馬氏體組織的氫脆敏感性較高,裂紋擴展抗力下降最明顯。降低含碳量和提高冶金質量有助于提高鋼的腐蝕疲勞強度。
(3)隨應力強度因子增加,斷裂方式從條紋—沿晶+條紋—準解理+條紋—微孔聚合型變化。
4、熱處理工藝的影響
(1)不同熱處理制度下獲得的顯微組織,對于材料在介質中的腐蝕疲勞極限有一定影響,經雙重處理后,其正常的強度、塑性、韌性均有所提高,而且其腐蝕疲勞極限也提高。
(2)例如2Cr13鋼在不同熱處理制度下疲勞裂紋萌生的機制不同,經雙重處理后在80℃,3%NaCl水溶液中裂紋萌生與擴展為不穩定鈍化態腐蝕疲勞。雙重理理提高了腐蝕疲勞性能與其自身有較好的強韌性及良好的點蝕抗力有關[6]。
5、其他工藝因素的影響
(1)電解拋光有使腐蝕疲勞強度下降的傾向,如15Cr鋼在NaCl溶液中的N=107的旋轉彎曲疲勞強度由22.5Kg/mm2降至18.5Kg/mm2。
(2)表面軋制可提高材料的腐蝕疲勞強度,如經壓力為150Kg的直徑為20mm的鋼棒,在25℃5%硫酸溶液中的旋轉彎曲疲勞強度為未經軋制的相同鋼棒的兩倍以上。
四、腐蝕疲勞的控制與防護
1、合理選材與優化材料
采用耐腐蝕疲勞的材料。由于鋼的強度愈高,通常其腐蝕疲勞敏感性愈大,因此選擇強度低的鋼種一般更為安全。例如含二氧化硫的溶液中Cr26Ni15鐵素體–奧氏體雙相不銹鋼較奧氏體不銹鋼耐蝕。
2、降低張應力水平或改善表面應力狀態 設計上注意結構合理化,減少應力集中,避免縫隙結構,適當加大截面尺寸。 3、緩腐蝕作用
常用的措施有施加表面、添加緩蝕劑和實施電化學保護技術。
(1)表面涂(鍍)層 噴丸、氮化等在材料表面產生壓應力,有利于提高耐腐蝕疲勞性能。例如碳鋼經氮化處理后在3%氯化鈉溶液中的壽命可提高2~3倍。
(2)添加緩蝕劑 例如在含乙醇的水中加200ppm重鉻酸鈉可使正火的0.35%碳鋼的腐蝕疲勞性能接近空氣中的疲勞性能。
(3)電化學保護 在弱酸性、中性和堿性介質中可采用陰極保護,如碳鋼在3%氯化鈉溶液中和在循環應力作用下,采用陰極保護可顯著提高耐腐蝕疲勞性能。但不能完全防止,這可能是由于在交變應力作用下,材料電勢的變化并不是同一方向的。在氧化介質中使用的碳鋼,特別是不銹鋼,也可采用陽極保護。
五、總結
腐蝕疲勞是一個較為復雜的問題,隨著基礎研究的不斷深入,尤其是理論研究與工業實踐的結合,人們對其作用機理有了更加深入的認識。本文所介紹的腐蝕疲勞機理,概括了人們對它的最新認識和最新研究結果。
與單純機械載荷作用下的材料的疲勞不同,腐蝕疲勞表現出一系列明顯特點。掌握這些特點,對結構設計和材料選擇,防護措施的采取,事故分析等都具有一定的指導意義。根據不同的腐蝕疲勞機理,采取與之相應的防護措施十分重要。否則可能達不到預期的效果。
由于許多影響因素間錯綜復雜的關系,目前要定量預計所設計的構件的腐蝕疲勞強度還很困難,在許多情況下,構件所處的腐蝕疲勞環境載荷循環規律、腐蝕條件等是很難定量確定的。更復雜的是,腐蝕疲勞與其它腐蝕現象疊加的情況,這時只有實踐經驗和盡量接近實際操作條件的試驗,才能有助于問題的解決。
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