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盡管腐蝕疲勞和腐蝕開裂在許多不同的情況下都可能發(fā)生，但是在某種程度上，它們被認(rèn)為具有很大的相關(guān)性。當(dāng)這兩者同時(shí)發(fā)生時(shí)，會(huì)在許多行業(yè)內(nèi)造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。

近一個(gè)世紀(jì)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(guó)皇家海軍某個(gè)設(shè)備的電纜中觀察到的。如今，腐蝕疲勞已被認(rèn)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(yīng)力腐蝕開裂（SCC）也逐漸引起了人們的廣泛關(guān)注。盡管在許多不同情況下腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕開裂會(huì)單獨(dú)發(fā)生，但它們?nèi)匀槐徽J(rèn)為具有很大的相關(guān)性。眾所周知，當(dāng)這兩種現(xiàn)象同時(shí)發(fā)生時(shí)，會(huì)在許多行業(yè)中導(dǎo)致設(shè)備失效并帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。這些失效都是突發(fā)性的和災(zāi)難性的，是近年來人們進(jìn)行廣泛的科學(xué)和工程研究的重要主題。但是，要了解腐蝕疲勞和應(yīng)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(jī)理。

什么是應(yīng)力腐蝕開裂？

應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）被定義為由于機(jī)械應(yīng)力和腐蝕的相互作用而發(fā)生的開裂現(xiàn)象。造成應(yīng)力腐蝕開裂有很多因素，但與其中任何一種單獨(dú)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(yīng)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(rèn)為是災(zāi)難性的，因?yàn)椴牧系膹?qiáng)度會(huì)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(xì)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(shí)檢查中通常很難檢測(cè)到SCC損傷現(xiàn)象，并且不容易預(yù)測(cè)損傷的程度。

導(dǎo)致SCC進(jìn)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(hù)，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(yīng)力的施加就會(huì)在這些薄弱區(qū)域形成一條裂縫，也就是應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。

什么是腐蝕疲勞？

當(dāng)金屬物體在腐蝕性環(huán)境中經(jīng)受交變或循環(huán)應(yīng)力時(shí)，會(huì)發(fā)生腐蝕疲勞。

與傳統(tǒng)的機(jī)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(yīng)力水平是不存在的。材料疲勞本身就是危險(xiǎn)的，而腐蝕疲勞則顯得更為嚴(yán)重，這是因?yàn)榕c傳統(tǒng)疲勞相比，腐蝕疲勞在較低的應(yīng)力下以及較短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生故障。

腐蝕疲勞一般是由材料的保護(hù)性鈍化膜破裂而引起的。因?yàn)檠h(huán)的應(yīng)力加載不僅會(huì)使材料變?nèi)酰医惶娴睦旌蛪嚎s作用也會(huì)使得氧化層受到損壞。失去這種保護(hù)會(huì)導(dǎo)致更多的腐蝕發(fā)生，從而進(jìn)一步降低材料的強(qiáng)度并縮短其使用壽命。腐蝕疲勞會(huì)導(dǎo)致裂紋的形成，最終甚至可能導(dǎo)致脆性斷裂。但是，與SCC對(duì)應(yīng)的裂紋不同，腐蝕疲勞形成的裂紋更局限且不易分支。

腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕開裂有何關(guān)系？

腐蝕疲勞和應(yīng)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(fù)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(huì)一起發(fā)生并帶來災(zāi)難性的后果。

SCC主要會(huì)降低材料的承載能力。在應(yīng)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(dāng)材料受到初始拉應(yīng)力時(shí)，會(huì)有裂紋萌生，從而導(dǎo)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(huì)在整個(gè)材料中傳播這些裂紋。

此過程可以進(jìn)一步細(xì)分為以以下三種方式發(fā)生：

1.應(yīng)力腐蝕疲勞

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

圖1 應(yīng)力腐蝕疲勞引起的裂紋擴(kuò)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(jī)械疲勞。當(dāng)存在腐蝕性環(huán)境時(shí)，曲線向左移動(dòng)，表明在較低的應(yīng)力水平下就會(huì)形成裂紋。

圖2.腐蝕疲勞導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)展行為。

3.腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕疲勞相結(jié)合

但是，在某些情況下，腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕開裂會(huì)同時(shí)發(fā)生從而表現(xiàn)出獨(dú)特且加速的裂紋擴(kuò)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(kuò)展速率的疊加。

圖3.腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕疲勞共同作用下的裂紋擴(kuò)展行為

總結(jié)

腐蝕疲勞和應(yīng)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(hù)等領(lǐng)域取得了許多進(jìn)展，但是研究人員仍在不斷研究這兩種破壞力極強(qiáng)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(shí)別和預(yù)測(cè)這些故障仍然是十分具有挑戰(zhàn)性的。因此，當(dāng)下最重要的是能夠更加充分理解這兩種腐蝕機(jī)制，以避免發(fā)生一些突然和潛在的災(zāi)難性故障。