王勇萍 董智嵘 章少伟
浙江三花智能控制股份有限公司浙江绍兴312500
摘要：近年来，经济快速发展，各行各业发展迅速，金属材料在服役工况下常常受到腐蚀介质与交变载荷的共同作用，发生发生腐蚀疲劳破坏。简要概述了腐蚀疲劳机理（裂纹萌生与裂纹扩展机理）及其影响因素（力学因素、材料特性、环境因素）。讲述了腐蚀疲劳试验技术，并对存在的问题及发展方向进行了展望。
关键词：金属材料；腐蚀疲劳；研究进展
引言
金属是生活中必不可少的一种材料，其优异的性能使得它被广泛应用，大到建筑材料，小到家用锅碗瓢盆。金属材料虽然是目前应用的必要材料，但是资源上却不尽人意，金属资源的匮乏使得我们在应用金属材料的过程中应尽可能地保护金属。应用极其广泛的金属材料却面临着一个巨大的问题-腐蚀。在金属的应用中，腐蚀是不可避免的，金属的腐蚀破坏了金属的表面形貌的同时，又影响了金属的性能，被腐蚀的金属在应用的过程中便会具有一定的安全隐患，腐蚀是金属材料及其设备损坏和失效的重要原因之一，金属的腐蚀遍及国内外各个领域，给人们带来了巨大的经济损失。
1机械加工中金属材料腐蚀的原因
机械加工中的金属材料主要通过形成金属氧化物这一过程实现对于低能量状态的趋近，并且保持性能逐渐稳定。金属材料中最具有代表性的稳定金属，金、银两种材料在原始环境下就以氧化物的状态呈现了。然而，金属材料在氧化物状态下，难以得到使用，所以在进行机械加工之前，必须对其进行复杂的提取，才能得到有用的金属材料。当还是氧化物状态的金属材料被提取之后，稳定性就会下降，便极容易发生腐蚀，影响机械加工的进程，并且造成经济损失。金属材料产生腐蚀的原因主要为电化学腐蚀、化学腐蚀以及其他腐蚀这三大类，其中，机械加工中金属材料的化学腐蚀和电化学腐蚀产生的环境类型最为复杂。在不同温度的加工环境下，两种金属腐蚀的腐蚀部位和环境成分均不同，具体的腐蚀类型可分为均匀腐蚀和局部腐蚀。
2金属材料的腐蚀疲劳研究进展
2.1材料特性
材料特性对金属材料的腐蚀疲劳的影响极为重要，不同的材料其抗腐蚀疲劳的性能不同，即使是同种材料因其热处理方法的不同对材料抗腐蚀疲劳性能影响也有所不同。因此，材料特性在一定程度上也决定着门槛值。在材料性能对钻杆腐蚀疲劳寿命影响的试验研究中发现，不同厂家生产的同一种钻杆虽然其材料性能和结构尺寸都符合标准要求，但疲劳寿命差异较大，最主要的原因就是不同厂家生产的同一种钻杆因其加工方法的不同，其材料的微观组织和杂质分布有所不同，从而导致性能出现差异。（红色字全部去掉，用蓝色字代替）
SUS304与SUS304L不锈钢材料抗晶间腐蚀性能对比，试验方案：各将一只SUS304与SUS304L外壳截取7等分，放在650℃（敏化温度区间中材料最易析出的温度）的电阻炉中分时段保温，对比SUS304与SUS304L各时段的耐晶间腐蚀能力；试验结果表明（1）同一温度下SUS304在一分钟出现轻微的晶间腐蚀，SUS304L在二分钟出现轻微的晶间腐蚀；（2）同一温度下保温5分钟和8分钟，SUS304L耐腐蚀程度优于SUS304；查阅文献资料适用目前工艺的方法是降低钢中的碳含量，使钢中碳含量低于平衡状态下在奥氏体内的饱和溶解度，从根本上降低了铬的碳化物（Cr23C6）在晶界上的析出；通常钢中含碳量降至0.03％以下即可很大程度上提高材料耐晶间腐蚀性能的要求。
2.2局部应力应变法
局部应力应变法使用光滑时间的腐蚀疲劳寿命来模拟具有应力应变集中的构件的腐蚀疲劳寿命，认为金属材料或构件的应力应变在一定程度上决定了金属材料或构件的应力集中处的疲劳强度及疲劳寿命。其基本假定：若一金属构件或材料的危险处的应力应变历程与光滑金属材料试件的应力应变历程相同，则他们的腐蚀疲劳命受寿命相同。局部应力应变法估算腐蚀疲劳寿命的具体步骤：第一步，找出金属试件的腐蚀疲劳危险点，并求出其名义应力谱；第二步，运用弹塑性有限元法计算出金属试件的局部应力应变谱，并查找出该应力水平下的应变-寿命曲线；第三步，在疲劳累积损伤理论基础上计算金属试件的危险点的腐蚀疲劳寿命。该方法考虑了金属试件危险点的局部塑性，并能较为合理的金属腐蚀疲劳试件与实际构件的等效关系。但它也有不足之处，即“点应力准则”，所以局部应力应变法未能考虑金属材料构件缺口处的应力变化梯度、多轴应力对腐蚀疲劳寿命的影响。
该分析方法主要根据零件材料的疲劳应变数据用于金属构件在较高应力作用下的腐蚀疲劳寿命估算。
2.3改善焊接质量
发生腐蚀的一个重要原因就是金属材料在焊接过程中有的部位会有残余应力。不过可以采用先进的技术手段提高焊接技术消除残余应力，改善金属焊接某些部位的结构，从而提升其耐腐蚀性。当前社会采用最广泛的技术就是利用不锈钢材料焊接，其中普遍使用的方法就是电弧焊与氩弧焊。压力容器(去掉)在选择焊接材料时要注意保证产品的质量问题，要通过正规的渠道检测材料的合格性，同时要充分考虑金属材料的硬度强度、焊接厚度等因素，并做好相关预防工作。为了避免容器(去掉)出现瑕疵，在焊接完成后要马上采取相应的热处理措施并进行腐蚀程度检测，最后还要利用超声波和切线法(金相法)确认检测结果（改为焊接质量）。
2.4合理选择金属材料
在机械加工中，最直接的防护金属材料腐蚀的措施就是在进行加工之前，合理选择金属材料，从根本上防护。在使用金属材料前，首先，调查清楚该金属材料加工时所处的环境，和该金属材料容易产生腐蚀现象的因素，确保该金属材料所处的加工环境不会增加其腐蚀速度。另外，金属材料的加工环境必须随着材料的不同而改变，例如对于容易发生高温氧化腐蚀的金属材料，要避免在高温环境下进行加工，对于在潮湿环境中容易发生腐蚀的金属材料，在其加工时，应该尽量保持环境的干燥，从而实现减少金属腐蚀。随着工业技术的进步，可以直接对金属材料进行优化，降低其腐蚀性，可以在原始金属材料中添加抑制腐蚀的相关元素，提高其耐腐蚀性，例如在碳钢金属材料中加入铬元素之后，该材料的耐腐蚀性会大幅度提升。
2.5添加缓蚀剂
缓蚀剂是一种存在于环境介质中，能起到减缓金属腐蚀甚至抑制金属腐蚀的一类复合物，因此我们称之为腐蚀抑制剂。它的用量很小，添加微量或少量缓蚀剂就可以使金属在该介质中腐蚀速率明显减慢甚至不腐蚀，可适用于不同酸碱条件的环境下，添加缓蚀剂后不影响金属材料的物理性能、力学性能以及其他性能。缓蚀剂一般分为三类：①阳极型缓蚀剂，阳极缓蚀剂的抑制原理是利用缓蚀剂与金属离子在金属表面的阳极区域发生反应，其优点是用以生成氧化物或氢氧化物覆盖在金属表面，形成一层防止腐蚀的保护膜，抑制了金属失电子而向水中溶解，使阳极反应被抑制。但是该缓蚀剂也有一定的缺点，虽然缓蚀剂的添加量很小，但为了钝化全部阳极，需要保持溶液具有足够高的浓度，如若浓度不够，会发生部分未被钝化的阳极区域出现点蚀现象，从而以点腐蚀金属。具有代表性的阳极缓蚀剂有亚硝酸盐、酸盐和钼酸盐等。②阴极型缓蚀剂，阴极缓蚀剂其防腐机理是利用阴极的溶液发生的电子反应，析出阴极附近溶液中的物质，在阴极的金属表面形成一层防止阴极金属腐蚀的阴极区沉积膜，随着膜的增厚，阴极还原反应逐渐被抑制。其缺点是，该缓蚀剂需在阴极形成沉积成膜，需要一定的时间，因此会影响金属的前期腐蚀。目前，应用较广的阴极型缓蚀剂主要有锌的碳酸盐、磷酸盐和氢氧化物等。③混合型缓蚀剂，混合型缓蚀剂是化学物质分子中含有两种性质相反的极性基团的有机缓蚀剂，其一般是某些含硫或者含氮等含有表面活性的有机缓蚀剂，能够使缓蚀剂同时在金属的阴阳两极吸附在清洁的金属表面形成单分子膜，可同时在阴阳两极形成保护膜，阻止金属与水中溶解氧以及其他介质通过水溶液向金属表面扩散，从而起到缓蚀作用，进而抑制金属发生腐蚀现象。常用混合型缓蚀剂有巯基苯并噻唑（MBT）、苯并三唑、十六烷胺等。（去掉吧，我们不涉及此内容。）
结语
金属材料常常会因其复杂而又严酷的服役工况发生腐蚀疲劳破坏，导致国家财产受到损害，甚至会伤及工作人员的人身安全，此种情况越来越受到各界的关注。但目前国内的研究主要集中在疲劳破坏方面，对腐蚀疲劳的的研究较少，尤其在寿命预测模型的研究方面。而构件在实际服役工况下受到的疲劳载荷多为变幅疲劳载荷，目前国内对此的研究也存在一定的缺失。
参考文献
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