腐蚀疲劳的特点、机理与预防措施

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)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。


参考资料

标签: