隨著國家“海上絲綢之路”和海洋強國戰略的逐步推進，對海洋環境中金屬構件的性能要求也不斷提高。海洋環境是嚴酷的腐蝕性自然環境，海水富含鹽類物質，且還溶解有氧氣、二氧化碳等氣體，具有很強的腐蝕性。海洋環境中金屬構件如海上平臺支撐結構、傳動軸、齒輪、 軸承和船舶艉軸等，在服役過程中除了受到海水環境的腐蝕作用，還受到海浪波動造成的或者自身運動傳遞的循環載荷作用。

為了抵御高濕度、高鹽度的海洋環境，海洋環境中金屬構件多采用耐腐蝕性能較優的合金鋼、鎳基合金、鈦合金和鋁合金等，但隨著服役年限的增加。海洋環境中金屬構件長期處于腐蝕環境和循環載荷的耦合作用下會出現不同程度的腐蝕疲勞性能下降甚至失效。

材料的失效主要源于材料表面的疲勞和腐蝕，上述失效形式占了80%以上。腐蝕是一種自然現象，一般指材料（通常是金屬）與周圍環境相互作用而導致其衰變。腐蝕疲勞是金屬材料構件在腐蝕性環境中承受交變載荷形成裂紋并擴展的現象，其本質是電化學腐蝕與力學因素的共同作用，是海洋環境中金屬構件過早失效的主要原因之一。

作為腐蝕-疲勞耦合作用下的失效形式，腐蝕疲勞受到材料種類、所處環境和受載狀態等多種因素的共同影響，其導致的損傷遠大于單純的疲勞損傷和腐蝕損傷。對于金屬構件腐蝕疲勞的研究更是涉及了材料學、電化學、力學等多學科領域。

金屬的腐蝕損傷按類型可分為：點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕開裂、絲狀腐蝕、侵蝕腐蝕等。關鍵構件在腐蝕環境中不可避免的會受到上述腐蝕損傷，加上載荷的作用則由腐蝕造成的表面缺陷就會產生較大的應力集中從而降低關鍵構件的疲勞壽命。

金屬的腐蝕損傷本質上是金屬材料的電化學反應過程，故不同的金屬構件表面性能及所處腐蝕環境的不同都會導致不同程度的腐蝕損傷。關于腐蝕疲勞機理的研究頗多，目前主要有：蝕坑應力集中理論、吸附理論、保護膜破裂理論等，其主要觀點可籠統的概括為金屬構件因腐蝕損傷造成的表面缺陷是主要的疲勞源區。

本篇文章圍繞金屬構件的腐蝕疲勞失效問題，從腐蝕損傷和腐蝕-載荷耦合作用下的腐蝕疲勞影響因素出發，對目前金屬構件腐蝕疲勞性能改善的各種表面改性技術進行分析，綜合當前研究現狀探討表面改性技術提高海洋環境中金屬構件腐蝕疲勞性能的發展趨勢及不足。

金屬腐蝕按腐蝕形貌可分為均勻腐蝕和局部腐蝕兩種，后者因為不易發現、破壞性強等特點，往往會給工程構件帶來不可逆轉的損傷，并導致災難性的后果。為探明這些腐蝕損傷行為對金屬構件的影響，需要準確表征金屬腐蝕損傷程度。目前常用的表征手段有電化學法、失重法等，單一方法難以全面描述金屬構件的腐蝕情況，研究中往往利用多種表征方式共同表征金屬構件的耐腐蝕性能。

目前海洋環境中金屬構件的腐蝕損傷的影響因素研究主要集中在環境因素和表面質量兩個方面：

目前，可將海洋環境分為5個腐蝕區帶：海洋大氣區、浪花飛濺區、海洋潮差區、海水全浸區和海底泥土區，而我國已建和在建的各類海上及沿海設施在上述5個腐蝕區帶均有分布。

構件的耐腐蝕性能不僅受環境因素影響，其本身的表面質量（包含表面粗糙度、表層力學狀態和表層微觀組織）也會在不同程度上影響耐腐蝕性。有研究學者發現試樣的表面粗糙度越低，其耐腐蝕性能越好。隨著表面粗糙度降低試樣的腐蝕電位逐漸減小，即耐腐蝕性能增加。

腐蝕的影響因素種類繁多且存在相互耦合的情況，確定不同影響因素的影響程度以及它們之間的耦合作用和改變構件表面質量以提高構件的耐腐蝕性的研究具有重要意義。

有研究學者對E690鋼在模擬海水中的腐蝕疲勞行為進行了研究，發現在模擬海水中E690鋼沒有疲勞極限，表明腐蝕介質嚴重降低了E690鋼的疲勞性能。對于Q690qE高強度橋梁鋼在模擬沿海工業環境中的腐蝕行為，研究學者發現循環腐蝕40天后氯離子集中在腐蝕坑的底部，導致構件的力學性能和腐蝕疲勞壽命顯著降低，腐蝕疲勞壽命隨著預腐蝕時間的增加而降低，腐蝕時間的增加會形成更多、更大的腐蝕坑，從而導致較大的應力集中而發生疲勞斷裂。

應力幅值的變化對海洋鋼結構焊接頭腐蝕疲勞裂紋擴展速率也具有重要影響，當應力幅值超過臨界值時，隨應力幅值的增加，疲勞裂紋擴展速率會顯著增加，應力幅值的變化對早期腐蝕疲勞裂紋擴展沒有顯著影響，而隨著裂紋的增長，當疲勞載荷成為主導因素時應力幅值的影響開始顯現。不同的因素(如腐蝕時間、應力幅值、載荷頻率等)之間會相互耦合而影響腐蝕疲勞壽命。

與前文腐蝕損傷相同，不同材料試樣的表面粗糙度、殘余應力和晶粒尺寸對其腐蝕疲勞壽命有著至關重要的影響。有研究學者研究了拋光前后樣品的腐蝕疲勞壽命，發現表面粗糙度低的樣品腐蝕疲勞壽命更高。另外，一定條件下晶粒組織更細的試樣，其腐蝕疲勞壽命也更好。

單獨的腐蝕環境或載荷造成的疲勞失效程度遠不及兩者的耦合作用。如何準確描述環境和載荷之間的耦合關系，探明腐蝕疲勞的失效機理將是未來研究的難點和重點。對于海洋環境下金屬構件，海洋腐蝕環境無法避免，減少應力載荷，改變構件表面質量從而提升構件腐蝕疲勞壽命是目前研究的重點。

表面涂層是提高金屬的耐腐蝕性常用的一類方法，通過在金屬表面涂覆一層保護膜以達到和腐蝕環境隔離的作用。除了刷油漆、電鍍等傳統方法，學者們還研究了疏水涂層和復合鍍層等新型防腐方法。表面涂層不僅可以提升構件的耐腐蝕性，在某些情況下也可以提升構件的腐蝕疲勞壽命。

表面涂層方法可以一定程度提升試樣的耐腐蝕性能，但無法大幅提升試樣的受載能力，且涂層和基體的界面甚至可能成為疲勞失效的源區。因此，此類方法可以顯著提高構件的耐腐蝕性能，但難以很好地解決構件腐蝕疲勞壽命短的問題。

機械噴丸是利用高速噴射的微小顆粒沖擊工件表面，使表層產生塑性變形，引入殘余壓應力并細化晶粒，從而提升構件的表層性能。有研究學者對噴丸(SP)和等離子體電解氧化(PEO)復合處理對7A85鋁合金的腐蝕疲勞壽命進行了研究，發現只進行PEO處理會降低原始試樣的腐蝕疲勞壽命，在PEO處理前進行SP處理可以提高原始試樣的腐蝕疲勞壽命，在兩者間加入拋光處理(P)則可以進一步提高試樣腐蝕疲勞壽命。這是因為SP引入的殘余壓應力可以抑制晶間腐蝕，拋光則可以降低SP后帶來的表面粗糙度的增加。另外，研究學者發現殘余壓應力高的實驗分組其腐蝕疲勞壽命也高（SP組除外），出現這種情況是因為PEO涂層引入了較大的表面粗糙度從而導致局部應力集中，反而降低了腐蝕疲勞壽命。

不同表面條件下試樣的(a)表面殘余壓應力(b)腐蝕疲勞壽命

研究學者發現不同超聲噴丸(USSP)持續時間材料表面殘余壓應力分布不同，殘余壓應力隨持續時間的增加而增大，較短的持續噴丸時間在試樣表面引入的微應變、位錯和壓應力較小，可以使試樣表面鈍化膜更加致密、穩定，而過長時間的噴丸會造成試樣表面粗糙度的增加，這易引起點蝕的發生，導致耐腐蝕性能降低。

綜上所述，噴丸強化可以在試樣表面引入殘余壓應力從而提升其耐腐蝕性和腐蝕疲勞壽命，但同時也要考慮噴丸強化對表面完整性（如表面粗糙度）帶來的影響。較差的的表面完整性會對試樣的耐腐蝕性和腐蝕疲勞壽命帶來不利的影響。因此，需要綜合考慮試樣表面狀態，合理選擇噴丸參數，不能一味追求某個單一表面性能的提升。

激光沖擊強化是利用短脈沖激光誘導吸收層（黑膠或鋁箔）產生等離子體，并在約束層（水或玻璃）的束縛下產生GPa級的沖擊波作用于試樣表面。超高壓沖擊波作用于試樣表面并向內傳播，使試樣表層 發生塑性變形，產生高密度位錯，引入高殘余壓應力場和硬度場，甚至使晶粒細化至納米級。這些表層性能的改善可以有效提高試樣的耐腐蝕性和腐蝕疲勞壽命。

目前研究人員主要聚焦于研究不同的激光沖擊參數對試樣耐腐蝕性和腐蝕疲勞壽命的影響。例如有研究學者研究了平均沖擊次數(ANP)、光斑直徑、激光能量密度對ANSI 316L不銹鋼腐蝕性能和硬度的影響，發現不同光斑直徑下，ANP和激光能量密度對試樣硬度和面阻抗的影響趨勢相似，即經過激光沖擊處理試樣的硬度和面阻抗都有所提升，面阻抗的增加表明激光沖擊可以提高試樣的耐腐蝕性。

有研究學者研究了不同覆蓋層數的激光沖擊強化對AISI 4145鋼電化學耐腐蝕性的影響，發現8J能量的激光沖擊可以大幅提升試樣表層殘余壓應力且相同能量下增加激光沖擊覆蓋層數可進一步提升殘余壓應力。隨著激光沖擊覆蓋層數的增加，鈍化電流密度在減小，這表明獲得了較好的耐腐蝕性能，這說明較高的殘余壓應力可以提高試樣耐腐蝕性，然而隨著覆蓋層數增加到 3 層，鈍化電流密度基本不變，這說明激光重復沖擊的效果有限。另外有學者認為珠光體的存在可以提升AISI 4145鋼的耐點蝕性，大規模的LSP處理可以將線條狀珠光體破碎成較小的珠光體，增加激光能量和覆蓋層數還能提高珠光體含量，這些微觀結構的變化都有利于試樣耐腐蝕性的提高。

對于不同覆蓋層數的激光沖擊強化對Fe-Cr合金試樣在NaCl溶液中的腐蝕疲勞行為，研究學者認為覆蓋層數的增加可以提高殘余壓應力，LSP處理引入的殘余壓應力場可以有效提升試樣的腐蝕疲勞壽命，相同NaCl溶液濃度下，激光沖擊覆蓋層數多的實驗組表現出了較好的腐蝕疲勞壽命。

綜上所述，適當增加激光沖擊覆蓋層數可以一定程度上提高試樣的耐腐蝕性能，這是由于表面殘余壓應力的提高以及微觀組織(如晶粒細化)的變化共同作用的結果。

研究學者研究了不同激光能量對300M鋼腐蝕疲勞壽命的影響，發現在同一加載應力水平下，經LSP處理的試樣的腐蝕疲勞壽命有明顯提升，且這種提升隨著激光能量的增加而增加。這是因為LSP在試樣表面帶來了較高的殘余壓應力，且在試樣次表層形成變形孿晶并提高了位錯密度，進一步提高了試樣的腐蝕疲勞壽命。此外腐蝕疲勞過程中位錯、微變形的減小和殘余壓應力具有松弛現象，這是因為疲勞過程中位錯的持續運動會導致原有位錯的湮滅，進而導致變形能的逐漸釋放和殘余壓應力的松弛。經較高激光能量(7J)處理的試樣表面的微變形、位錯密度和殘余壓應力更加穩定，能夠更有效地抑制疲勞裂紋擴展從而擁有更高的腐蝕疲勞壽命。

激光沖擊處理可以有效抑制裂紋的萌生和擴展，延長試樣腐蝕疲勞壽命，在同一激光沖擊能量下，試樣的腐蝕疲勞壽命隨pH值的降低而減少。這是因為pH值的降低會導致氫離子濃度升高從而破壞金屬試樣表面的鈍化膜，促進滑移帶的溶解，從而使裂紋擴展速率加快，降低試樣的腐蝕疲勞壽命。

改性超聲表層改性作為應變強化技術的一種，其包括了超聲滾壓和超聲沖擊兩種主要的強化方式。超聲滾壓以超聲波(18-30KHz)為能量，通過靜載滾動對工件表面施加超聲沖擊振動，能有效消除工件表面因加工帶來的缺陷，降低表面粗糙度，提高表面完整性，此外超聲滾壓還能使工件表層晶粒產生塑性變形，促進位錯滑移，還能引入殘余壓應力和晶粒細化。超聲沖擊是借助超聲波能量，通過工具頭對工件表面的往復沖擊引入殘余壓應力、改善工件表面狀態。研究人員發現超聲表層改性技術可以提高試樣的耐腐蝕性和腐蝕疲勞壽命，目前主要聚焦于超聲滾壓工藝參數對試樣耐腐蝕性和腐蝕疲勞壽命的影響。

4.1 不同滾壓次數對耐腐蝕性能的影響

有研究學者研究了不同超聲滾壓沖擊次數對7075鋁合金在氯化物環境下的耐腐蝕性能，經多次超聲滾壓后，在試樣的表層引入了較大的殘余壓應力場且顯著降低了試樣表面的粗糙度，且實驗結果表明超聲滾壓后的試樣鈍化電流密度更低，即有更好的耐腐蝕性。超聲滾壓使試樣表面粗糙度降低并引入了殘余壓應力，通過增加滾壓次數可以將表面晶粒細化到納米級，從而進一步提高樣品的耐腐蝕性能。

較高的殘余壓應力和較低的表面粗糙度會改善試樣的耐腐蝕性能，但這一結論并不絕對。當晶粒尺寸細化到納米級別時，由于存在大量納米級晶粒和晶界，這會引起大量惰性元素富集在晶界從而形成致密的鈍化膜阻礙腐蝕行為的進行。

超聲滾壓能提高7B50-T7751鋁合金試樣的腐蝕疲勞壽命，這是因為超聲滾壓后，細化了試樣表面微觀組織、形成了高殘余壓應力場和顯微硬度場的梯度改性層，而UR1（滾壓一次）組有最高的腐蝕疲勞壽命，這是因為相較滾壓3次和6次的試樣其表面粗糙度較低。因此需要注意表面完整性對試樣腐蝕疲勞壽命的影響，因為滾壓次數過多可能會造成表面損傷，利于疲勞裂紋的萌生，從而降低腐蝕疲勞壽命。

如果應用到具體金屬構件上，選取合適的超聲滾壓沖擊次數則需要綜合考慮表面殘余壓應力的大小以及表面完整性，可以在保證表面完整性的基礎上盡可能選取能產生較大殘余壓應力的沖擊次數。

4.2 不同靜壓力對耐腐蝕性能的影響

有研究學者對不同超聲滾壓靜壓（100N、200N、300N、400N）下316L不銹鋼的耐腐蝕性能進行研究，發現靜壓載荷的增加可以提升試樣表面的顯微硬度及其影響層深度并引入較高的殘余壓應力。另外有研究表明顯微組織越致密說明單位體積內原子數越多，這有助于形成致密的鈍化膜阻礙Cl的侵入從而提高耐腐蝕性能。然而也有研究發現隨著靜壓的增加，試樣的耐腐蝕性先增加后降低。靜壓為200N時，試樣有最佳的耐腐蝕性能，而靜壓為400N時耐腐蝕性能最差，甚至低于原始試樣。這是因為施加合適的靜壓可以降低試樣表面粗糙度、引入殘余壓應力和晶粒細化從而提升試樣的耐腐蝕性；然而當靜壓過大時會導致試樣表面出現剝落坑缺陷，缺陷表面的鈍化膜致密性差，更容易被溶液中的腐蝕離子擊穿，這會促進腐蝕進程。

有研究學者采用超聲納米晶表面改性(UNSM)對 7075-T651預腐蝕鋁合金的疲勞性能進行改善，結果表明對預腐蝕試樣表面進行拋光和UNSM處理均可以提升預腐蝕試樣的疲勞壽命。拋光處理帶來的疲勞壽命增益有限，而UNSM處理可以使試樣疲勞壽命提高至原來的20倍，這是因為拋光和UNSM均可對腐蝕表面起到一定的修復作用，且得益于高殘余壓應力和硬度梯度的引入。