近一個世紀以來，工程材料（主要是金屬材料）的腐蝕疲勞已成為全球最重要的研究主題之一。第一次世界大戰(zhàn)期間，這種腐蝕疲勞失效現(xiàn)象首先是在英國皇家海軍某個設備的電纜中觀察到的。如今，腐蝕疲勞已被認為是研究最為廣泛的腐蝕失效類型之一。而自1960年代初以來，應力腐蝕開裂（SCC）也逐漸引起了人們的廣泛關注。盡管在許多不同情況下腐蝕疲勞和應力腐蝕開裂會單獨發(fā)生，但它們?nèi)匀槐徽J為具有很大的相關性。眾所周知，當這兩種現(xiàn)象同時發(fā)生時，會在許多行業(yè)中導致設備失效并帶來巨大的經(jīng)濟損失。這些失效都是突發(fā)性的和災難性的，是近年來人們進行廣泛的科學和工程研究的重要主題。但是，要了解腐蝕疲勞和應力腐蝕開裂如何相互作用，必須首先了解每種腐蝕類型涉及的機理。

一、什么是應力腐蝕開裂？

應力腐蝕開裂（SCC）被定義為由于機械應力和腐蝕的相互作用而發(fā)生的開裂現(xiàn)象。造成應力腐蝕開裂有很多因素，但與其中任何一種單獨作用的因素相比，腐蝕性環(huán)境這一因素在材料中引起的應力產(chǎn)生的破壞一般更大。盡管SCC最常見于金屬中，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帶來的結(jié)果通常被認為是災難性的，因為材料的強度會因此發(fā)生降低，隨后材料的結(jié)構(gòu)也可能發(fā)生破壞。通常情況下，細微的腐蝕裂紋僅在材料的晶界處形成，而其余的區(qū)域則不受破壞。因此，在臨時檢查中通常很難檢測到SCC損傷現(xiàn)象，并且不容易預測損傷的程度。導致SCC進一步發(fā)展的原因之一是某些金屬的晶界缺乏鈍性。由于雜質(zhì)在這些位置的偏析現(xiàn)象改變了材料的微觀結(jié)構(gòu)，使材料的表面鈍化難以在邊界界面處發(fā)生。例如，在某些奧氏體不銹鋼中，晶界處的鉻金屬局部濃度可能大大低于材料表面的局部濃度。結(jié)果，晶界可能比其他材料具有更少的鈍化保護，從而為腐蝕的發(fā)生提供了一條有效的途徑。然后，隨著一些外部應力的施加就會在這些薄弱區(qū)域形成一條裂縫，也就是應力腐蝕開裂現(xiàn)象。

二、什么是腐蝕疲勞？

當金屬物體在腐蝕性環(huán)境中經(jīng)受交變或循環(huán)應力時，會發(fā)生腐蝕疲勞。與傳統(tǒng)的機械疲勞相反，腐蝕疲勞沒有疲勞極限。換句話說，使材料能夠抵抗無限載荷循環(huán)的最低應力水平是不存在的。材料疲勞本身就是危險的，而腐蝕疲勞則顯得更為嚴重，這是因為與傳統(tǒng)疲勞相比，腐蝕疲勞在較低的應力下以及較短的時間內(nèi)就會發(fā)生故障。腐蝕疲勞一般是由材料的保護性鈍化膜破裂而引起的。因為循環(huán)的應力加載不僅會使材料變?nèi)?，而且交替的拉伸和壓縮作用也會使得氧化層受到損壞。失去這種保護會導致更多的腐蝕發(fā)生，從而進一步降低材料的強度并縮短其使用壽命。腐蝕疲勞會導致裂紋的形成，最終甚至可能導致脆性斷裂。但是，與SCC對應的裂紋不同，腐蝕疲勞形成的裂紋更局限且不易分支。

三、腐蝕疲勞和應力腐蝕開裂有何關系？

腐蝕疲勞和應力腐蝕開裂在許多方面具有相似性。但是，兩者之間仍然存在一些區(qū)別，其主要區(qū)別在于施加的載荷的類型不同。SCC通常是由于靜態(tài)拉伸載荷引起的，而腐蝕疲勞是反復和交替循環(huán)載荷作用的結(jié)果。盡管這兩類腐蝕之間的界限可能很模糊，但它們經(jīng)常會一起發(fā)生并帶來災難性的后果。SCC主要會降低材料的承載能力。在應力腐蝕開裂過程中，腐蝕一般發(fā)生在晶界處，幾乎沒有材料表面發(fā)生失效現(xiàn)象的案例。當材料受到初始拉應力時，會有裂紋萌生，從而導致弱化的晶界“打開”。一旦形成了初始裂紋，在常規(guī)操作期間，周期性/交替的載荷就會在整個材料中傳播這些裂紋。

此過程可以進一步細分為以以下三種方式發(fā)生：

1.應力腐蝕疲勞

應力腐蝕疲勞是純機械疲勞和應力腐蝕開裂的組合。在下圖1中，黑線表示純機械疲勞。當施加的應力強度超過SCC開裂閾值時，由于存在受腐蝕的晶界（如紅線所示），裂紋擴展速度將顯著增加。

圖1 應力腐蝕疲勞引起的裂紋擴展行為

2.腐蝕疲勞

這里所說的腐蝕疲勞是指不受SCC影響的腐蝕疲勞。在下圖中，黑線表示純機械疲勞。當存在腐蝕性環(huán)境時，曲線向左移動，表明在較低的應力水平下就會形成裂紋。

圖2.腐蝕疲勞導致的裂紋擴展行為。

3.腐蝕疲勞和應力腐蝕疲勞相結(jié)合

但是，在某些情況下，腐蝕疲勞和應力腐蝕開裂會同時發(fā)生從而表現(xiàn)出獨特且加速的裂紋擴展。圖3就很好的說明了這種行為，其中紅線是圖1和圖2中表示的裂紋擴展速率的疊加。

圖3.腐蝕疲勞和應力腐蝕疲勞共同作用下的裂紋擴展行為

四、總結(jié)

腐蝕疲勞和應力腐蝕開裂（SCC）一直困擾著許多行業(yè)。盡管人們已經(jīng)在腐蝕防護等領域取得了許多進展，但是研究人員仍在不斷研究這兩種破壞力極強的腐蝕類型之間的相互作用。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有一些可用于避免SCC和腐蝕疲勞相互作用的方法，但是識別和預測這些故障仍然是十分具有挑戰(zhàn)性的。因此，當下最重要的是能夠更加充分理解這兩種腐蝕機制，以避免發(fā)生一些突然和潛在的災難性故障。

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