腐蚀疲劳与应力腐蚀开裂的关系

腐蚀疲劳与应力腐蚀开裂的关系

河南汇龙合金材料有限公司

技术部刘珍

2018年8月整理

尽管腐蚀疲劳和腐蚀开裂在许多不同的情况下都可能发生，但是在某种程度上，它们被认为具有很大的相关性。当这两者同时发生时，会在许多行业内造成不可估量的经济损失。

近一个世纪以来，工程材料（主要是金属材料）的腐蚀疲劳已成为全球最重要的研究主题之一。第一次世界大战期间，这种腐蚀疲劳失效现象首先是在英国皇家海军某个设备的电缆中观察到的。如今，腐蚀疲劳已被认为是研究最为广泛的腐蚀失效类型之一。而自1960年代初以来，应力腐蚀开裂（SCC）也逐渐引起了人们的广泛关注。尽管在许多不同情况下腐蚀疲劳和应力腐蚀开裂会单独发生，但它们仍然被认为具有很大的相关性。众所周知，当这两种现象同时发生时，会在许多行业中导致设备失效并带来巨大的经济损失。这些失效都是突发性的和灾难性的，是近年来人们进行广泛的科学和工程研究的重要主题。但是，要了解腐蚀疲劳和应力腐蚀开裂如何相互作用，必须首先了解每种腐蚀类型涉及的机理。

什么是应力腐蚀开裂？

应力腐蚀开裂（SCC）被定义为由于机械应力和腐蚀的相互作用而发生的开裂现象。造成应力腐蚀开裂有很多因素，但与其中任何一种单独作用的因素相比，腐蚀性环境这一因素在材料中引起的应力产生的破坏一般更大。尽管SCC 最常见于金属中，但它也可以存在于一些其他材料中，例如聚合物和玻璃等。

SCC带来的结果通常被认为是灾难性的，因为材料的强度会因此发生降低，随后材料的结构也可能发生破坏。

通常情况下，细微的腐蚀裂纹仅在材料的晶界处形成，而其余的区域则不受破坏。因此，在临时检查中通常很难检测到SCC损伤现象，并且不容易预测损伤的程度。

导致SCC进一步发展的原因之一是某些金属的晶界缺乏钝性。由于杂质在这些位置的偏析现象改变了材料的微观结构，使材料的表面钝化难以在边界界面处发生。

例如，在某些奥氏体不锈钢中，晶界处的铬金属局部浓度可能大大低于材料表面的局部浓度。结果，晶界可能比其他材料具有更少的钝化保护，从而为腐蚀的发生提供了一条有效的途径。然后，随着一些外部应力的施加就会在这些薄弱区域形成一条裂缝，也就是应力腐蚀开裂现象。

什么是腐蚀疲劳？

当金属物体在腐蚀性环境中经受交变或循环应力时，会发生腐蚀疲劳。

与传统的机械疲劳相反，腐蚀疲劳没有疲劳极限。换句话说，使材料能够抵抗无限载荷循环的最低应力水平是不存在的。材料疲劳本身就是危险的，而腐蚀疲劳则显得更为严重，这是因为与传统疲劳相比，腐蚀疲劳在较低的应力下以及较短的时间内就会发生故障。

腐蚀疲劳一般是由材料的保护性钝化膜破裂而引起的。因为循环的应力加载不仅会使材料变弱，而且交替的拉伸和压缩作用也会使得氧化层受到损坏。失去这种保护会导致更多的腐蚀发生，从而进一步降低材料的强度并缩短其使用寿命。腐蚀疲劳会导致裂纹的形成，最终甚至可能导致脆性断裂。但是，与SCC 对应的裂纹不同，腐蚀疲劳形成的裂纹更局限且不易分支。

腐蚀疲劳和应力腐蚀开裂有何关系？

腐蚀疲劳和应力腐蚀开裂在许多方面具有相似性。但是，两者之间仍然存在一些区别，其主要区别在于施加的载荷的类型不同。SCC通常是由于静态

拉伸载荷引起的，而腐蚀疲劳是反复和交替循环载荷作用的结果。尽管这两类腐蚀之间的界限可能很模糊，但它们经常会一起发生并带来灾难性的后果。

SCC主要会降低材料的承载能力。在应力腐蚀开裂过程中，腐蚀一般发生在晶界处，几乎没有材料表面发生失效现象的案例。

当材料受到初始拉应力时，会有裂纹萌生，从而导致弱化的晶界“打开”。一旦形成了初始裂纹，在常规操作期间，周期性/交替的载荷就会在整个材料中传播这些裂纹。

此过程可以进一步细分为以以下三种方式发生：

1.应力腐蚀疲劳

应力腐蚀疲劳是纯机械疲劳和应力腐蚀开裂的组合。在下图1中，黑线表示纯机械疲劳。当施加的应力强度超过SCC开裂阈值时，由于存在受腐蚀的晶界（如红线所示），裂纹扩展速度将显着增加。

2.腐蚀疲劳

这里所说的腐蚀疲劳是指不受SCC影响的腐蚀疲劳。在下图中，黑线表示纯机械疲劳。当存在腐蚀性环境时，曲线向左移动，表明在较低的应力水平下就会形成裂纹。

3.腐蚀疲劳和应力腐蚀疲劳相结合

但是，在某些情况下，腐蚀疲劳和应力腐蚀开裂会同时发生从而表现出独特且加速的裂纹扩展。图3就很好的说明了这种行为，其中红线是图1和图2中表示的裂纹扩展速率的叠加。

腐蚀疲劳和应力腐蚀开裂（SCC）一直困扰着许多行业。尽管人们已经在腐蚀防护等领域取得了许多进展，但是研究人员仍在不断研究这两种破坏力极强的腐蚀类型之间的相互作用。虽然现在已经有一些可用于避免SCC和腐蚀疲劳相互作用的方法，但是识别和预测这些故障仍然是十分具有挑战性的。因此，当下最重要的是能够更加充分理解这两种腐蚀机制，以避免发生一些突然和潜在的灾难性故障。