腐蚀疲劳及腐蚀疲劳试验统一标准.docx

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腐蚀疲劳及腐蚀疲劳试验统一标准

腐蚀疲劳特性及评价办法

Bairoe

一、腐蚀疲劳（corrosionfatigue）定义：

当金属受到酸碱腐蚀，某些部位应力就比其她部位高得多，加速裂缝形成，这叫“腐蚀疲劳”。

腐蚀疲劳形成条件：

只要环境对设备有腐蚀作用（气体腐蚀、大气腐蚀、海洋腐蚀、土壤腐蚀等），再加上循环应力作用均可产生腐蚀疲劳。

破坏机制：

金属材料在腐蚀介质作用下形成一层覆盖层，在交变应力作用下覆盖层破裂，局部发生化学浸蚀形成腐蚀坑，交变应力作用下产生应力集中进而形成裂纹。

腐蚀疲劳特点：

（1）疲劳腐蚀不需要特定腐蚀系统，它在不含任何特定腐蚀离子蒸馏水中也能发生。

（2）任何金属材料均也许发生腐蚀疲劳。

（3）材料腐蚀疲劳不存在疲劳极限。

（4）腐蚀疲劳初裂纹扩展受应力循环周次控制，不循环时裂纹不扩展。

有关术语：

腐蚀疲劳极限（corrosionfatiguelimit）

腐蚀疲劳极限：

材料在空气和腐蚀环境中疲劳实验中应力s与循环数N如右图所示。

在给定腐蚀环境中（如空气），应力低于某一临界应力时，交变应力循环数N再大，材料也不发生破坏。

这一临界应力称为材料疲劳极限。

二、腐蚀疲劳影响因素

（一）载荷影响

（1）幅度循环载荷交变幅度睁大，腐蚀速度也随之增大，虽然此应力低于表观疲劳极限。

（2）频率在低速区，加载频率变化对疲劳裂纹扩展速率基本没有影响；当裂纹扩展速率较高时，加载频率减少使裂纹扩展速率增大。

（二）加工工艺影响

电解抛光有使腐蚀疲劳强度下降趋势，以提高材料强度为目热解决也有减少腐蚀疲劳强度趋势，而表面轧制可提高腐蚀疲劳强度。

（三）环境影响

（1）温度温度明显加快腐蚀速度。

但是，若温度上升引起材料严重孔蚀，产生许多浅裂纹源，从而减少了应力集中，使阳极对阴极面积比增大，反而对材料腐蚀疲劳性能有所改进。

（2）pHpH<4时，减少腐蚀疲劳，寿命减少；pH=4-10，寿命保持恒定；pH=10-12，寿命明显增长；pH>12，表观疲劳极限接近干疲劳极限。

（3）含氧量当0.05mg/L0.5mg/L时，疲劳寿命趋于饱和。

三、腐蚀疲劳防护：

可以考虑从3个方面来防范腐蚀疲劳产生

（1）采用耐腐蚀材料：

如含二氧化硫溶液中Cr26Ni5铁素体-奥氏体双相不锈钢较奥氏体不锈钢耐蚀。

（2）表面保护层

镀锌钢丝绳在海水中、镀镍钢丝绳在河水和盐雾中疲劳极限有明显提高，其她非金属有机或无机涂层也有良好效果，但规定与基体金属有良好结合力与耐磨性能。

（3）表面解决

喷丸、氮化等在材料表面形成压应力，有助于提高耐腐蚀疲劳性能。

四、腐蚀疲劳裂纹扩展模型

应用较为广泛腐蚀疲劳裂纹扩展模型，有da/dN（ΔK，f，R，D）模型、叠加模型和竞争模型，这几种模型是建立在Paris公式及其修正形式基本上，通过不同方式考虑环境因素特别是腐蚀作用影响，以计算腐蚀疲劳裂纹。

腐蚀疲劳是一种特殊疲劳，当前工程中惯用疲劳裂纹扩展速率函数是Paris-Erodgan模型，即Paris公式，它建立了应力强度因子和裂纹扩展速率之间关系，是当今工程应用中预测疲劳裂纹扩展寿命理论基本，其形式为

工程中尚有一种十分惯用是Forman模型，这是考虑了腐蚀疲劳环境效应，其实是Paris公式一种修正，其形式为

腐蚀疲劳裂纹扩展寿命计算即是以上述二式其修正形式为基本，式中各参数考虑了腐蚀因素影响，然后通过数值运算来实现。

影响腐蚀疲劳裂纹扩展因素诸多，要依照工程实际需要考虑尽量多因素，以建立精确有效以Paris公式为基本数学模型，当前重要是借助于实验数据，在进行回归分析后对模型做出合理修正。

考虑了介质浓度、加载频率和应力比对腐蚀疲劳裂纹扩展速率影响，引入腐蚀疲劳裂纹扩展环境加速因C（f，R,D）表达式，从而建立了一种腐蚀疲劳裂纹扩展速率数学模型da/dN（ΔK，f，R，D）。

总趋势可以以为，随着载荷频率减少，da/dN增大；当温度和载荷频率一定期，应力比减小，da/dN减少；介质浓度高状况下da/dN普通要快于介质浓度低状况。

普通状况下可将干燥空气看作“惰性”介质，并把空气中疲劳数据作为研究腐蚀疲劳对比数据。

将不同载荷频率、应力比、介质浓度组合伙为实验条件，对腐蚀疲劳实验过程中记录各组数据（Cair，），通过七点增量递增多项式拟合后进行回归解决，得到不同实验条件下疲劳裂纹扩展速率方程。

然后引入环境加速因子Cenc，腐蚀疲劳裂纹扩展速率公式可表达为如下形式

上述建模办法为解决工程实际问题提供了一种比较明确思路，就是以空气中疲劳裂纹扩展速率为基准，引入环境加速因子Cenc，找出载荷频率、应力比和介质浓度在Cenc中关系式，考虑一定安全系数，进而可给出一种腐蚀疲劳裂纹扩展速率da/dN（ΔK，f，R，D）数学模型，经与实验成果相比得到了很高一致性，为在工程实际中对含缺陷构造进行安全评估提供了参照。

五、腐蚀疲劳过程中裂纹长度测量：

在腐蚀疲劳实验过程中进行裂纹长度测量普通是比较麻烦一件事，有几种办法可以进行测量。

第一，在常温或室温~80℃腐蚀介质环境中，可以采用COD规测量，这些COD规放置在腐蚀介质外，试样放置在腐蚀介质内进行疲劳实验；

第二，当腐蚀介质温度较高，腐蚀介质又具备一定压力状况下，采用COD规显然是不也许。

这时，可采用Bairoe专门开发DCPD裂纹扩展速率测量系统，进行CT试样在腐蚀介质下裂纹扩展长度测量。

引入DCPD系统，在线直接测量裂纹扩展长度，并绘制a/W-t曲线。

特别指出是在该系统中，可进行恒K控制，也可进行升K、降K控制。

六、腐蚀疲劳实验办法

（一）研究材料腐浊疲劳性能目：

（1）测定材料腐蚀疲劳寿命曲线；

（2）测定材料腐蚀疲劳临界应力场强度因子范畴；

（3）测定材料疲劳裂纹扩展速率；

（二）研究腐蚀疲劳断裂机理实验办法：

单轴拉压加载法、重复弯曲加载法、旋转弯曲加载法、扭转弯曲加载法等。

（三）实验成果：

通惯用腐蚀疲劳寿命曲线、腐蚀介质下裂纹扩展速率来表达。

七、有关腐蚀疲劳原则

（1）GB国家质检总局

GB/T0.1-金属和合金腐蚀。

腐蚀疲劳实验。

第一某些：

循环失效实验

GB/T0.2-金属和合金腐蚀。

腐蚀疲劳实验。

第二某些：

预裂纹实验裂纹扩展实验

（2）ISO国际原则化组织

ISO11782-1-1998Corrosionofmetalsandalloys-Corrosionfatiguetesting-Part1：

Cyclestofailuretesting（ISO11782-1:

1998）；GermanversionENISO11782-1:

ISO11782-2-1998Corrosionofmetalsandalloys-Corrosionfatiguetesting-Part2：

crackpropagationtestingusingprecrackedspecimens（ISO11782-2:

1998）；GermanversionENISO11782-2:

八、腐蚀疲劳实验装置

疲劳裂纹扩展速率实验容许在不同类型拉压疲劳实验机上进行。

然后配备适当腐蚀环境，进行疲劳实验。

这些腐蚀环境可以依照材料服役环境进行设计，以拟定材料在腐蚀环境中疲劳受寿命。

常用材料及有关腐蚀介质：

材料

介质

低碳钢

NaOH溶液、硝酸盐溶液、含H2S和HCl溶液、CO-CO2-H2O、碳酸盐、磷酸盐

高碳钢

各种水介质、含痕量水有机溶剂、HCN溶液

奥氏体不锈钢

氯化物水溶液、高温高压含氧高纯水、连多硫酸、碱溶液

铝和铝合金

湿空气、海水、含卤素离子水溶液、有机溶剂、熔融NaCl

铜和铜合金

含NH4+溶液、氨蒸汽、汞盐溶液、SO2大气、水蒸汽

钛和钛合金

发烟硝酸、甲醇（蒸汽）、高温NaCl溶液、HCl、H2SO4、湿Cl2、N2O4（含O2，不含NO，24~74℃）

镁和镁合金

湿空气、高纯水、氟化物、KCl+K2CrO4溶液

镍和镍合金

熔融氢氧化物、热浓氢氧化物溶液、HF蒸气和溶液

锆合金

含氯离子水溶液、有机溶剂

腐蚀环境可以选取水化学循环系统、也可以实验室配备，高温高压水化学循环系统。

腐蚀循环系统中普通涉及电导率、溶解氧、溶解氢、PH值测量仪表。

腐蚀环境也有气体腐蚀环境系统。

尚有某些腐蚀系统是比较少，例如：

铅铋腐蚀介质、锂钠腐蚀介质、这些腐蚀循环系统可以选取Bairoe腐蚀循环系统。

疲劳寿命测量难点在于在腐蚀介质环境中腐蚀介质密封、载荷传递以及在腐蚀介质中变形测量、裂纹长度测量。

当前，百若仪器可以进行腐蚀疲劳实验设备供货。

并且，可以在一种试样条件下，进行不同环境裂纹扩展速率测量比较。

通过Bairoe提供DCPD系统进行腐蚀介质条件下裂纹长度测量。

九、腐蚀疲劳试样

金属材料疲劳裂纹扩展实验可以采用原则CT试样或原则棒状试样。

注：

试样加工过程中不可避免地会存在残存应力，它有也许引起疲劳裂纹扩展速率变化。

通过选取适当试样形状和尺寸及合理试样加工与热解决工艺等，使残存应力对疲劳裂纹扩展速率影响尽量减小。

疲劳裂纹扩展速率并非总是与试样几何形状无关，试样厚度变化对疲劳裂纹扩展速率影响有也许增大、减小或保持不变，因而，对试样厚度效应应当引起注意。

备注：

某些腐蚀疲劳实验设备图片：

Bairoe配备了高低温环境箱疲劳实验机

Bairoe配备了气体腐蚀介质腐蚀疲劳实验机

Bairoe配备了氯化钠溶液模仿深海环境腐蚀疲劳实验机

Bairoe配备了超临界水腐蚀介质疲劳实验机。

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本文简朴简介了腐蚀疲劳（corrosionfatigue）影响因素、腐蚀疲劳开裂机理，以及腐蚀疲劳防护办法和腐蚀疲劳裂纹扩展模型，简介了腐蚀疲劳实验办法及评价办法。