一些概念

 

    疲勞

 

    什么是疲勞？美國試驗與材料協會（ASTM）在“疲勞試驗及數據統計分析之有關術語的標準定義”（ASTM E206-72） 中是這樣定義的：在某點或某些點承受交變應力，且在足夠多的循環交變作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發生的局部永久結構變化的發展過程，稱為疲勞。

 

    疲勞問題具有下述特點：

 

    1、只有在承受交變應力作用的條件下，疲勞才會發生；

 

    2、疲勞破壞起源于高應力或高應變的局部；

 

    3、疲勞破壞是在足夠多次的交變載荷作用之后，形成裂紋或完全斷裂；

 

    4、疲勞是一個動態發展過程。

 

    疲勞斷裂

 

    零件在交變載荷下經過較長時間的工作而發生斷裂的現象叫作疲勞斷裂。

 

    條件： 超出材料的疲勞極限。

 

    交變載荷

 

    有許多機械零件，如軸、齒輪、連桿和彈簧等，在工作過程中受到大小、方向隨時間呈周期性變化的載荷作用，這種載荷稱為交變載荷。

 

    疲勞極限

 

    材料在受到隨時間而交替變化的荷載作用時，所產生的應力也會隨時間作用交替變化，這種交變應力超過某一極限強度而且長期反復作用時即會導致材料的破壞，這個極限稱為材料的疲勞極限。

 

    提高疲勞極限的途徑主要有：在零件結構設計中盡量避免尖角、缺口和截面突變，以免產生應力集中進而產生疲勞裂紋；提高零件表面加工質量，減少疲勞源；采用各種表面強化處理等。

 

    積累理論

 

    疲勞損傷積累理論認為，當零件所受應力高于疲勞極限時，每一次載荷循環都對零件造成一定量的損傷，并且這種損傷是可以積累的；當損傷積累到臨界值時，零件將發生疲勞破壞。較重要的疲勞損傷積累理論有線性和非線性疲勞損傷積累理論，線性疲勞損傷積累理論認為，每一次循環載荷所產生的疲勞損傷是相互獨立的。總損傷是每一次疲勞損傷的線性累加，它最具代表性的理論是帕姆格倫一邁因納定理，應用最多的是線性疲勞損傷積累理論。

 

    疲勞應力

 

    疲勞應力是材料、零件和結構件對疲勞破壞的抗力，是在規定的循環應力幅值和大量重復次數下，材料所能承受的最大交變應力。

 

    疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一。據統計，在機械零件失效中大約有80%以上屬于疲勞破壞，而且疲勞破壞前沒有明顯的變形。疲勞破壞經常造成重大事故，對于軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等承受交變載荷的零件要選擇疲勞強度較好的材料來制造。

 

    疲勞斷裂的內燃機曲軸

 

    金屬疲勞

 

    金屬疲勞是指材料、零構件在循環應力或循環應變作用下，在一處或幾處逐漸產生局部永久性累積損傷，經一定循環次數后產生裂紋或突然發生完全斷裂的過程。當材料和結構受到多次重復變化的載荷作用后，應力值雖然始終沒有超過材料的強度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發生破壞，這種在交變載荷重復作用下材料和結構的破壞現象，叫做金屬的疲勞破壞。

 

    影響金屬疲勞斷裂的因素， 一類是內因有殘余應力、晶粒尺寸化學成分、夾雜物和缺陷，另一類是外因包括材料的表面形態和載荷形式。

 

    金屬零件在交變應力和腐蝕介質的共同作用下導致的斷裂稱為腐蝕疲勞斷裂。它既不同于應力腐蝕破壞也不同于機械疲勞，同時也不是腐蝕和機械疲勞兩種因素作用的簡單疊加。

 

    1、破壞機制

 

    金屬材料在腐蝕介質的作用下形成一層覆蓋層，在交變應力作用下覆蓋層破裂，局部發生化學浸蝕形成腐蝕坑，交變應力作用下產生應力集中進而形成裂紋。

 

    2、特點

 

    （1）疲勞腐蝕不需要特定的腐蝕系統，它在不含任何特定腐蝕離子的蒸餾水中也能發生；

 

    （2）任何金屬材料均可能發生腐蝕疲勞；

 

    （3）材料的腐蝕疲勞不存在疲勞極限；

 

    （4）腐蝕疲勞初裂紋的擴展受應力循環周次的控制，不循環時裂紋不擴展。

 

    3、斷口特征

 

    （1）脆性斷裂，斷口附近無塑變；

 

    （2）微觀斷口可見疲勞輝紋，但由于腐蝕介質的作用而模糊不清；二次裂紋較多并具有泥紋花樣；

 

    （3）屬于多源疲勞，裂紋的走向可以是穿晶型的也可以是沿晶型的；

 

    （4）斷口中的腐蝕產物與環境中的腐蝕產物一致。

 

    金屬零件在交變的彎曲應力作用下發生的疲勞破壞稱為彎曲疲勞斷裂。彎曲疲勞又可分為單向彎曲疲勞、雙向彎曲疲勞及旋轉彎曲疲勞三類。

 

    第一類單向彎曲疲勞斷裂

 

    像吊車懸臂之類的零件，在工作時承受單向彎曲負荷。承受脈動的單向彎曲應力的零件，其疲勞核心一般發生在受拉側的表面上。疲勞核心一般為一個。載荷的大小、材料的性能及環境條件等對斷口中疲勞區與瞬時斷裂區的相對大小皆有影響。

 

    第二類雙向彎曲疲勞斷裂

 

    某些齒輪的齒根承受雙向彎曲應力的作用。零件在雙向彎曲應力作用下產生疲勞斷裂，其疲勞源區可能在零件的兩側表面，最后斷裂區在截面的內部。

 

    材料的性質、負荷大小、結構特征及環境因素等都對斷口的形貌有影響，其趨勢與單向彎曲疲勞斷裂相同。

 

    第三類旋轉彎曲疲勞斷裂

 

    許多軸類零件的斷裂多屬于旋轉彎曲疲勞斷裂。旋轉彎曲疲勞斷裂時，疲勞源區一般出現在表面，但無固定點。當軸的表面存在較大的應力集中時，可出現多個疲勞源。

 

    在彎曲應力作用下斷裂的疲勞宏觀斷口

 

    疲勞壽命

 

    材料在疲勞破壞前所經歷的應力循環數稱為疲勞壽命。

 

    疲勞壽命預測是疲勞研究的一個重要問題。從疲勞損傷的發展來看，疲勞壽命可以分為裂紋形成和裂紋擴展兩個階段。構件或材料從受載開始到裂紋達到一定的裂紋長度為止的循環次數為裂紋形成壽命。此后擴展到臨界裂紋長度為止的循環次數稱為裂紋擴展壽命。裂紋形成壽命和裂紋擴張壽命之和稱為總壽命。

 

    科學的疲勞形成壽命預測方法很多， 但是按疲勞裂紋形成壽命預測的基本假定和控制參數，可將它們大致分為以下幾類：名義應力法，局部應力應變法，能量法和場強法等。

 

    1、名義應力法

 

    基本假設：對任一構件（或結構細節或元件），只要應力集中系數TK相同，載荷譜相同，它們的壽命就相同。此法中名義應力為控制參數。名義應力法的主要不足之處為：（1）沒有考慮缺口根部的局部塑性；（2）標準試件和結構之間的等效關系的確定非常困難，這是由于這種關系和多種因素相關，如結構的幾何形狀、加載方式和結構的大小、材料等。

 

    2、局部應力應變法

 

    基本假定：若一個構件的危險部位（點）的應力-應變歷程與一個光滑試件 的應力-應變歷程相同，則壽命相同。此法中的局部應力-應變是控制參數。局部應力應變法克服了名義應力法的兩個主要缺點，但它本身也有一定的缺點，即“點應力準則”，因此局部應力應變法無法考慮缺口根部附近應力梯度和多軸應力的影響。

 

    3、能量法

 

    基本假定：由相同的材料制成的構件（元件或結構細節）如果在疲勞危險區承 受相同的局部應變能歷程，則它們具有相同的疲勞裂紋形成壽命。 能量法的材料性能數據主要是材料的循環應力-應變曲線和循環能耗-壽命曲線。雖然在現有的能量法中均假設各循環的能耗是線性可加的，而事實上由于循環加載過程中材料內部的損傷界面的不斷擴大，因此能耗總量與循環數之間的關系是非線性的。這一關鍵問題導致了能量法難以運用于工程實際。因此能量法可能不是一種十分合理和有前途的方法。

 

    4、場強法

 

    應力場強法假設：缺口根部存在一破壞區，它只與材料性能有關，對于相同材料制成的構件，若在疲勞失效區域承受相同的應力場強歷程，則它們具有相同的疲勞壽命。

 

    應力場強法從研究構件缺口部位應力分布出發，提出一個辨證地處理缺口的局部和整體狀況的參數（局部應力應變場強）來反映缺口件受載的嚴重程度，并認為局部應力應變場強是疲勞裂紋形成的控制參數。

 

    應力場強法克服了名義應力法用材料力學進行應力分析的簡單、粗糙與保守，又克服了局部應力應變法無法考慮尺寸效應等因素的缺陷。場強參數的計算比直接用應力應變要麻煩。

 

    提高疲勞壽命的方法有：

 

    （1）工件外觀光潔度高，過渡圓滑；

 

    （2）消除拉應力，預置壓應力；

 

    （3）利用豪克能技術（是利用激活能和沖擊能的復合能量對金屬零件進行加工，一次加工即可使零件表面達到鏡面并實現改性的創新性能量加工技術。）可以使工件表面達到高光潔度，并可預置壓應力，可以大大提高疲勞壽命。

 

    疲勞破壞

 

    材料或構件受到多次重復變化的載荷作用后，即使最大的重復交變應力低于材料的屈服極限，經過一段時間的工作后， 最后也會導致破壞，材料或結構的這種破壞就叫做疲勞破壞。

 

    材料科學揭示，由于制造過程中存在不可避免的缺陷，材料中的微裂紋總是存在的，特別是在焊縫處。這些微裂紋在交變應力作用下擴展和聚合，形成宏觀裂紋，宏觀裂紋的進一步擴展導致最后的破壞。疲勞破壞的微觀過程是個極其復雜的過程，在宏觀上一般來說可分為三個階段： 裂紋的萌生、裂紋的穩定擴展及裂紋的失穩擴展。

 

    盡管疲勞載荷有各種類型，但它們都有一些共同的特點：

 

    1、斷裂時并無明顯的宏觀塑性變形， 斷裂前沒有明顯的預兆，而是突然地破壞；

 

    2、引起疲勞斷裂的應力很低，常常低于靜載時的屈服強度；

 

    3、疲勞破壞能清楚地顯示出裂紋的發生、擴展和最后斷裂三個組成部份。

 

    零件 、構件的疲勞破壞可分為3個階段 ：①微觀裂紋階段。在循環加載下，由于物體的最高應力通常產生于表面或近表面區，該區存在的駐留滑移帶、晶界和夾雜，發展成為嚴重的應力集中點并首先形成微觀裂紋。此后，裂紋沿著與主應力約成45°角的最大剪應力方向擴展，裂紋長度大致在0.05毫米以內，發展成為宏觀裂紋。②宏觀裂紋擴展階段。裂紋基本上沿著與主應力垂直的方向擴展。③瞬時斷裂階段。當裂紋擴大到使物體殘存截面不足以抵抗外載荷時，物體就會在某一次加載下突然斷裂。對應于疲勞破壞的3個階段 ， 在疲勞宏觀斷口上出現有疲勞源 、疲勞裂紋擴展和瞬時斷裂3個區。疲勞源區通常面積很小，色澤光亮，是兩個斷裂面對磨造成的；疲勞裂紋擴展區通常比較平整，具有表征間隙加載、應力較大改變或裂紋擴展受阻等使裂紋擴展前沿相繼位置的休止線或海灘花樣；瞬斷區則具有靜載斷口的形貌，表面呈現較粗糙的顆粒狀。掃描和透射電子顯微術揭示了疲勞斷口的微觀特征，可觀察到擴展區中每一應力循環所遺留的疲勞輝紋。

 

    疲勞破壞與靜力破壞的本質區別

 

    1、疲勞破壞是多次重復載荷作用下產生的破壞，它是較長期的交變應力作用的結果。疲勞破壞往往要經歷一定時間，這與靜載下的一次破壞不同。

 

    2、疲勞破壞通常沒有宏觀顯著塑性變形的跡象，即使在靜載下表現為韌性的材料，在交變應力作用下，也表現為無明顯塑性變形的斷裂，與脆性破壞很類似， 但前者需要經過一段較長的列為亞臨界擴展時間，而后者則高速擴展而導致突然破壞。

 

    3、疲勞破壞的斷口上，總是呈現兩個區域：一部分是暗淡光滑區，即疲勞裂紋發生和擴展區；另一部分是光亮晶粒狀區， 即快速斷裂區。在交變荷重作用下，整個疲勞破壞過程，是在構件存在的缺陷處開始的。光滑無缺口試樣，由于滑移產生微小裂紋，裂紋起點叫疲勞源。由于反復的變形，裂紋逐漸擴展，擴展過程中開裂的兩個面時而擠緊，時而松離，這樣反復摩擦產生了光滑區。隨著裂紋的擴大，剖面削弱越來越厲害，直到材料或構件靜強度不足時，即在某載荷作用下，突然斷裂， 這種突然性的破壞常常使材料的斷面呈晶粒狀。在疲勞裂紋的發生、擴展區，往往可借助電子顯微鏡看到明暗交替相平行的疲勞條痕，條痕的出現是判斷疲勞破壞的重要依據。

 

    4、就疲勞破壞來說，材料的組成、構件的形狀、尺寸、表面狀態、使用環境等因素都是非常敏感的，因此，對同一種材料，同一種試驗條件下得到的數據具有相當的分散性，即疲勞抗力具有統計性質。

 

    疲勞破壞案例

 

    19世紀30-40年代，英國鐵路車輛輪軸在軸肩處多次發生破壞；

 

    1954年，英國“慧星號”噴氣客機突然失事并墜入地中海；

 

    20世紀60年代末，美國空軍F-11飛機發生了多次災難性事故；

 

    1967年，美國西弗吉尼亞的Po i n t Pleasant橋在沒有任何預兆的情況下倒塌， 46人死亡；

 

    1979年，美國肯帕體育館屋蓋中心突然塌落（高強度螺栓在長期風載荷作用下發生疲勞破壞）；

 

    1980年，英國北海Kielland 號鉆井平臺傾復（5條支腿之一發生破壞）。

 

    疲勞失效的危害

 

    1、疲勞破壞作為各類材料、構件或結構的一種破壞形式，遍及機械、航空、鐵路、土木工程等各個領域，據統計，機械斷裂事故中有80%以上是金屬疲勞引起的；

 

    2、疲勞斷裂往往都是突然發生的，幾乎沒有什么明顯的預兆，這給人們采取預防措施帶來了很大的困難；

 

    3、疲勞斷裂的后果是非常嚴重的，往往是災難性的事故。

 

    2011年4月1日下午，美國西南航空公司一架波音737 客機飛行途中因金屬疲勞造成的機身破損緊急降落在亞利桑那州的一座軍事基地。

 

    疲勞裂紋萌生機理

 

    金屬材料如果含有缺陷，夾雜物，切口或者其它應力集中源，疲勞裂紋就可能起源于這些地方。通常將疲勞裂紋的萌生過程稱為疲勞裂紋成核。如果金屬材料沒有上述各種應力集中源，則裂紋成核往往在構件表面。因為構件表面應力水平一般比較高，且難免有加工痕跡影響；同時表面區域處于平面應力狀態，有利于塑性滑移的進行。構件在循環載荷作用下經過一定次數應力循環之后，先在部分晶粒的局部出現短而細的滑移線，并呈現相繼錯動的滑移臺階，又由于往復滑移在表面上形成缺口或突起而產生應力集中。隨著循環次數增加，在原滑移線時近又會出現新滑移線逐漸形成較寬的滑移帶，進一步增加應力循環次數，滑移帶尺寸及數量均明顯增加，疲勞裂紋就在這此滑移量大的滑移中產生。這些滑移帶稱為駐留滑移帶，標志裂紋在表面形成。在大量滑移帶中，由于原滑移所引起在表面有擠出和侵入槽的出現。從而在表面下留下相應的空洞成為裂紋源。隨著循環次數提高和應力集中的加劇，會使空洞擴展形成新的較大空洞。

 

    疲勞裂紋擴展機理

 

    疲勞裂紋在表面處成核，是由最大剪應力控制的，這些微裂紋在最大剪應力方向上。在單軸加載條件下，微裂紋與加載方向大致呈45度方向。在循環載荷的繼續作用下，這些微裂紋進一步擴展或互相連接。其中大多數微裂紋很快就停止擴展， 只有少數幾條微裂紋能達到幾十微米的長度。此后逐漸偏離原來的方向，形成一條主裂紋而趨向于轉變到垂直于加載方向的平面（最大拉應力面）內擴展。裂紋由滑移面向最大拉應力面的轉變稱為裂紋從第一階段擴展向第二階段擴展的轉變。隨著循環拉應力的增大，裂紋材料由于高度的應力集中而發生塑性屈服，材料沿最大剪應力方向產生塑性滑移。循環拉應力進一步增大，滑移區擴大使裂尖鈍化而呈半圓形， 此時裂紋尖端己向前移動。此后進入卸載循環。在循環加載時，由于滑移，在裂尖形成一個塑性區，塑性區外的材料只有彈性變形。卸載后彈性變形要恢復，而裂尖已發生塑性變形的材料卻不能協調地收縮，故形成了壓縮應力作用在塑性區上。在裂尖處這種壓應力值可以很大，甚至能夠超過屈服極限而使裂尖材料發生反向塑性變形，滑移反向，裂紋上下表面間距離縮小。但是，加載時裂尖塑性鈍化形成的新的裂紋面卻不能消失，它將在壓應力的作用下屈曲失穩，而在裂尖形成雙凹槽形。最后在循環最大壓應力作用下又形成了一個裂紋尖，但長度已經增加了。下一個循環開始，裂紋又張開鈍化擴展銳化， 重復上述過程。這樣斷口裂紋面上就留下了一條痕跡，即為疲勞條紋。

 

    由斜裂紋產生的鋼軌橫向斷裂

 

    疲勞裂紋的失穩擴展

 

    疲勞裂紋擴展到某臨界長度時，將發生失穩擴展而導致迅速斷裂。這一階段是構件壽命的最后階段。失穩擴展由材料韌性，裂紋尺寸和應力水平等因素綜合決定的。失穩擴展到斷裂這一短暫過程對于壽命的貢獻是可以忽略的。

 

    疲勞斷裂零件斷口上的疲勞條紋

 

    疲勞設計方法

 

    無限壽命設計

 

    人們第一次認識到的疲勞破壞，是19 世紀40年代的鐵路車輛輪軸在重復交變載荷作用下發生的破壞。德國工程師 August Whler （1819-1914） 進行了一系列的試驗研究后指出：對于疲勞，應力幅比構件承受的最大應力更重要。應力幅越大，疲勞壽命越短；應力幅小于某一極限值時，將不發生疲勞破壞。他最先引入了應力壽命（SN）曲線和疲勞極限的概念，并于1867 年在巴黎展出了其研究成果。

 

    20世紀60年代研究裂紋擴展的結果指出，裂紋擴展的控制參量應力強度因子幅度存在著一個門檻值。對于已有裂紋存在的構件，控制其應力強度因子，使其小于門檻值，則雖有裂紋但不擴展，可實現無限壽命設計。

 

    安全壽命設計

 

    無限壽命設計要求將構件中的使用應力控制在很低的水平，材料的潛力得不到充分發揮，對于并不需要經受很多循環次數的構件，無限壽命設計就很不經濟。

 

    1945年，M.A.Miner提出了變幅載荷作用下的疲勞損傷累積方法和判據，使變幅載荷作用下的疲勞壽命預測成為可能。

 

    使構件在有限長設計壽命內，不發生疲勞破壞的設計，稱為安全壽命設計或有限壽命設計。民用飛機，容器，管道，汽車等，大都采用安全壽命設計。

 

    損傷容限設計

 

    由于裂紋的存在，安全壽命設計并不能完全確保安全。1957年，G.R.Irwin 提出了裂紋尖端場控制參量應力強度因子K的概念，為線彈性斷裂力學和疲勞裂紋擴展規律的研究奠定了基礎。1963年， P.C.Paris提出疲勞裂紋擴展速率可以由應力強度因子幅度K描述，這使疲勞裂紋擴展壽命預測研究得到了快速的發展。

 

    損傷容限設計，是為保證含裂紋或可能含裂紋的重要構件的安全，從20世紀70 年代開始發展并逐步應用的一種現代疲勞斷裂控制方法。這種方法的設計思路是： 假定構件中存在著裂紋（依據無損探傷能力、使用經驗等假定其初始尺寸），用斷裂力學分析、疲勞裂紋擴展分析和試驗驗證，證明在定期檢查肯定能發現之前，裂紋不會擴展到足以引起破壞。

 

    耐久性設計

 

    20世紀80年代起，以經濟壽命控制為目標的耐久性設計概念形成。耐久性是構件和結構在規定的使用條件下抗疲勞斷裂性能的一種定量度量。這種方法首先要定義疲勞破壞嚴重細節（如孔、槽、圓弧、臺階等處）處的初始疲勞質量，描繪與材料、設計、制造質量相關的初始疲勞損傷狀態，再用疲勞或疲勞裂紋擴展分析預測在不同使用時刻損傷狀態的變化，確定其經濟壽命，制定使用、維修方案。

 

    耐久性設計由原來不考慮裂紋或僅考慮少數最嚴重的單個裂紋，發展到考慮全部可能出現的裂紋群；由僅考慮材料的疲勞抗力，發展到考慮細節設計及其制造質量對疲勞抗力的影響；由僅考慮安全， 發展到綜合考慮安全、功能及使用經濟性；提供指導設計、制造、使用、維護的綜合信息。耐久性設計已經開始應用于一些飛機結構及其它重要工程構件中，是21世紀疲勞斷裂控制研究的一個主要發展方向。

 

    疲勞斷口

 

    疲勞斷口的宏觀特征：

 

    1、有裂紋源、疲勞裂紋擴展區和最后斷裂區三個部分；

 

    2、裂紋擴展區斷面較光滑平整，通常可見 “海灘條帶”， 有腐蝕痕跡；

 

    3、裂紋源通常在高應力局部或材料缺陷處；

 

    4、與靜載破壞相比，即使是延性材料，也沒有明顯的塑性變形；

 

    5、工程實際中的表面裂紋，一般呈半橢圓形。

 

    疲勞斷口的微觀特征：

 

    1976年，Crooker指出，利用高倍電子顯微鏡可以觀察到三種不同的疲勞裂紋擴展的微觀破壞形式。即微解理型，條紋型和微孔聚合型。

 

    疲勞試驗

 

    疲勞試驗是用以測定材料或結構疲勞應力或應變循環數的過程。疲勞是循環加載條件下，發生在材料某點處局部的、永久性的損傷遞增過程。經足夠的應力或應變循環后，損傷積累可使材料發生裂紋，或是裂紋進一步擴展至完全斷裂。

 

    疲勞試驗機

 

    分類

 

    按破壞循環次數的高低，疲勞試驗分為兩類：

 

    1、高循環疲勞（高周疲勞）試驗，對于此種試驗，施加的循環應力水平較低；

 

    2、低循環疲勞（低周疲勞）試驗，此時循環應力常超過材料的屈服極限，故通過控制應變實施加載。按材料性質劃分有金屬疲勞試驗和非金屬疲勞試驗。

 

    按工作環境劃分包括高溫疲勞試驗、熱疲勞（由循環熱應力引起）試驗、腐蝕疲勞試驗、微動摩擦疲勞試驗、聲疲勞（由噪聲激勵引起）試驗、沖擊疲勞試驗、接觸疲勞試驗等。

 

    腐蝕疲勞

 

    化工設備中許多金屬材料構件都工作在腐蝕的環境中，同時還承受著交變載荷的作用。與惰性環境中承受交變載荷的情況相比，交變載荷與侵蝕性環境的聯合作用往往會顯著降低構件疲勞性能，這種疲勞損傷現象稱為腐蝕疲勞。

 

    腐蝕疲勞機理

 

    1、氣相中的腐蝕疲勞

 

    （1）銜接受阻模型

 

    金屬材料加載時表面發生滑移，若有氧氣存在，可在滑移帶處溶入高濃度的氧，使熱效應增加，空位增殖，表面形成氧化膜。在反向加載發生逆方向的滑移時，滑移面俘獲的氧進入滑移帶，阻礙了斷裂面的銜接或焊合，引發裂紋。從而使滑移帶轉變成疲勞裂紋，使裂紋擴展第 I （初始）階段的過程提前（相對于惰性氣氛），并加速第 I 階段裂紋的擴展。

 

    （2）氧化膜下空穴堆聚形成裂紋模型 按理論認為，氣相介質與金屬發生化學反應在表面生成保護膜，使表面強化。在交變應力作用下，保護膜阻礙位錯通過自由表面的逃逸，導致膜下位錯堆集，形成空穴與凹陷。在交變應力作用下形成裂紋。

 

    2、液相中的腐蝕疲勞

 

    （1）蝕孔應力集中-滑移不可逆性增強模型

 

    電化學腐蝕環境使金屬表面形成的點蝕孔成為應力集中源，當金屬受拉應力作用時，在點蝕孔底產生滑移臺階，滑移臺階處暴露出的新鮮金屬表面因腐蝕作用使逆向加載時表面不能復原（即逆向滑移受阻），由此造成裂紋源的產生。疲勞的反復加載，使裂紋不斷向縱深擴展。

 

    腐蝕產生點蝕孔→產生滑移臺階→臺階溶解形成新表面→逆滑移形成裂紋

 

    （2）滑移帶優先溶解模型

 

    金屬表面在交變應力作用下產生駐留滑移帶，擠出、擠入處由于位錯密度高或雜質在滑移帶處的沉積等原因，使原子具有較高的活性而成為局部小陽極，而其他部位則處于活性相對低的狀態（成為大陰極），由此導致駐留滑移帶處發生優先腐蝕溶解，進而使腐蝕疲勞裂紋形核。 裂紋形核后，交變應力和裂紋內局部電化學腐蝕的協同作用使裂紋不斷擴展。

 

    （3）氫脆模型

 

    水合氫離子從裂紋面向裂紋頂端擴散。

 

    氫離子發生還原反應而使裂紋頂端表面吸附氫原子，被吸附的氫原子沿表面擴散到表面的擇優位置上，氫原子在交變應力的協同作用下向金屬內的關鍵位置（如晶粒邊界、裂紋頂端的三向高應力集中區或孔洞處）擴散與富集，交變應力與富集的氫聯合作用導致裂紋的萌生與擴展。

 

    另外，有的研究結果則表明，吸附氫對腐蝕疲勞裂紋的擴展比三向應力集中區富集的氫的作用還大，即吸附氫是推動CF 裂紋擴展的主要因素。

 

    腐蝕疲勞的特征

 

    腐蝕疲勞與氣相中純機械疲勞不同， 其一系列特征表明它與電化學腐蝕有關， 但又遠較應力與腐蝕的單純疊加嚴重。

 

    1、實際工作中，假設交變應力的某一循環數N下的應力為腐蝕疲勞的極限應力，只要所取N足夠大，使設備在使用期內安全使用即可，此應力稱表觀疲勞極限。

 

    2、腐蝕環境不是特定的只要環境對設備有腐蝕作用，而是再加上循環應力的作用方可產生腐蝕疲勞。

 

    3、腐蝕疲勞所造成的裂紋大多為穿晶型，常成群的產生。隨著腐蝕疲勞過程的發展，裂紋寬度將增大，在擴展過程中常出分枝，裂紋尖端變鈍。這是由于擴展過程中受到了腐蝕的緣故。

 

    腐蝕疲勞的控制

 

    1、提高材料表面光潔度，鍍鋅鋼絲在海水中的疲勞壽命得到了顯著延長；

 

    2、使用緩蝕劑 ；

 

    3、陰極保護，廣泛用于海洋金屬結構物腐蝕疲勞的防護 ；

 

    4、表面處理，通過氣滲、噴丸和高頻淬火等表面硬化處理，在材料表面形成壓應力層。

 

    腐蝕疲勞試驗

 

    腐蝕疲勞試驗目的包括測定材料在給定環境下的腐蝕疲勞壽命、測定材料在給定環境下的條件腐蝕疲勞臨界應力場強度因子范圍或條件臨界腐蝕疲勞極限應力、測定材料在給定環境和給定應力范圍下裂紋擴展速率、研究緩蝕劑或其他防護效果及研究影響腐蝕疲勞裂紋擴展各因素的作用及腐蝕疲勞斷裂機理。常用的腐蝕疲勞試驗方法是在腐蝕環境中進行疲勞試驗， 實驗室腐蝕疲勞試驗可分為兩類：循環失效試驗和裂紋擴展試驗。

 

    在循環失效試驗中，試驗或部件承受交變載荷的作用，并達到誘發腐蝕疲勞裂紋和使其長大到足以導致失效的應力循環數。通常采用光滑試樣和帶缺口的試樣獲取試驗數據。試驗中總循環周數的大部分用于誘發裂紋。盡管采用小試樣不能精確地得出大部分的疲勞壽命，但卻可以提供材料固有的疲勞裂紋發生的有關數據。在工程設計上，這些數據可用于指定防止疲勞失效的標準。但這類試驗方法難以區分CFC起始壽命和擴展壽命。

 

    裂紋擴展試驗是利用斷裂力學方法確定在交變載荷下預制裂紋的裂紋擴展速率及各種相關參數。試驗材料中的預裂紋能顯著減少疲勞壽命中誘發裂紋的孕育期。

 

    疲勞腐蝕試驗根據腐蝕介質的引入方法不同，可分為浸泡法、捆扎法、燈芯法、液滴法和噴霧法等。浸泡法是指把整個試樣浸泡在腐蝕槽中。捆扎法是指用棉花、布或其它吸濕纖維包扎在試樣表面上，使這些覆蓋物與腐蝕介質良好接觸， 從而使試樣表面受腐蝕介質潤濕，在一定的疲勞載荷作用下進行CFC試驗。燈芯法是指用一玻璃棒或塑料棒與試樣保持一定間隙，使腐蝕液能依靠其表面張力與旋轉著的試樣保持接觸，使試樣受到潤濕。液滴法是指在疲勞加載的試樣上方安裝一個滴管系統，使腐蝕液能以一定的時間間隔程序滴注在試樣表面上。液滴法適用于臥式腐蝕疲勞試驗機。噴霧法是指為了模擬海洋大氣或在霧狀環境中工作的構件-環境介質狀態，采用噴霧裝置把腐蝕液呈霧狀噴射到試樣表面。

 

    腐蝕疲勞與應力腐蝕

 

    應力腐蝕是指金屬在承受各種拉載荷時因具體腐蝕介質影響而出現裂紋的現象，在這個過程中，材料無明顯腐蝕產物，脆性斷裂。

 

    腐蝕疲勞是指金屬由于機械交變載荷與腐蝕交互作用所造成的低變形、大多跨晶粒斷裂的現象。機器零件受腐蝕介質和靜應力聯合作用而失效的現象叫做應力腐蝕破壞，受腐蝕介質和交變應力聯合作用的失效則叫做腐蝕疲勞破壞。

 

    在應力腐蝕過程中，通常會同時產生金屬吸氫而引起的脆性破壞，即所謂氫脆現象（由氫和應力的聯合作用而產生脆性斷裂的現象謂之氫脆斷裂）。

 

    腐蝕疲勞和應力腐蝕斷裂的區別：腐蝕疲勞是因為腐蝕導致發展脆性而擴展斷裂；應力腐蝕斷裂只要求材料受應力的作用。