腐蝕疲勞是疲勞應力與腐蝕環境共同作用的損傷形式，廣泛存在于工作環境比較惡劣的裝備中，例如：石油化工、海洋裝備等 [1] 。 復雜的腐蝕環境會降低材料的抗疲勞特性，使其更易發生塑性變形，加速裂紋的擴展，降低材料的使用壽命。腐蝕疲勞對生產生活有著不可忽視的作用， 常常會造成結構的失效斷裂，產生嚴重的事故，給國民經濟造成無法挽回的損失，因此，加強對腐蝕疲勞的研究十分必要 [2-3] 。

    隨著科學技術的快速發展和生活水平的不斷提高，單一的陸地資源已難以滿足社會的需求，大家也逐漸把目光投向資源豐富且開發率較低的廣闊海洋。 我國海洋資源的開發還處于初期階段， 油氣資源的開采還需要進一步加強。 造成油氣資源開發緩慢的因素有很多， 其中海洋工程裝備落后是主要原因， 而解決海洋工程裝備材料腐蝕疲勞問題更是重中之重 [4] 。 目前，以 E690 為代表的高剛強因具有較好的耐腐蝕性和較高的抗疲勞特性等優點， 被廣泛應用于海洋工程裝備中 [5-6] 。歐美、日本等發達國家和地區對 E690 高強鋼的研發、生產及應用比較早，標準及規格完善，耐腐蝕性、強度等性能研究及加工工藝都處于世界領先地位。 國內針對海洋工程裝備材料 E690 的腐蝕疲勞特性的研究還較少， 主要是通過微觀組織、 化學成分和金相等手段研究熱處理工藝對其力學與防腐性能的影響 [7-9] 。

    海洋工程裝備材料高強鋼的腐蝕疲勞已成為嚴重制約大型海洋工程技術和裝備發展的技術瓶頸之一，其失效問題更是嚴重影響大型海洋工程裝備的可靠性和安全性，因此有必要對海洋工程裝備用高強鋼的腐蝕疲勞裂紋擴展機理與規律進行深入研究。本文綜述了海洋工程裝備材料腐蝕疲勞裂紋擴展的影響因素， 介紹了裂紋擴展速率的計算模型，比較了優缺點，并展望了腐蝕疲勞裂紋擴展的研究趨勢。

    1 腐蝕疲勞裂紋擴展的影響因素

    腐蝕疲勞是指材料在腐蝕環境和疲勞載荷耦合作用下產生的損傷，宏觀表現為裂紋的擴展。與常規疲勞裂紋擴展不同， 腐蝕疲勞裂紋擴展不僅受到疲勞載荷和材料自身特點的影響， 還受到腐蝕環境因素的影響。 因此， 影響腐蝕疲勞裂紋擴展的因素主要可分為環境因素、力學因素和材料因素。

    1.1 環境因素

    腐蝕環境對材料的影響主要是電化學腐蝕，即材料與腐蝕介質形成腐蝕電池，陽極金屬溶解、擴散，宏觀上表現為裂紋的萌生與擴展；陰極析氫，氫聚集吸附在材料表面，部分氫氣進入材料內部，發生氫脆，降低材料韌性， 促進裂紋擴展， 最終導致材料斷裂失效。 影響材料電化學腐蝕的環境因素主要有 pH 、含氧量、溫度、氯化物的濃度以及干濕交替環境等。

    pH 值反映腐蝕介質的酸堿度，它的變化對腐蝕過程有著重要影響。 一般腐蝕環境可分為酸性、中性和堿性，不同狀態下，腐蝕疲勞裂紋的擴展速度存在很大的差異。 隨 pH 值的增大，裂紋擴展速率逐漸降低，次級小裂紋萌生數量也減少 [10-12] 。 曾榮昌等 [13]研究了 pH 值對 Mg 合金腐蝕的影響， 當腐蝕溶液為酸性和中性時，材料表面出現點蝕坑，發生局部腐蝕，促進裂紋的擴展；當腐蝕溶液為堿性時，點蝕坑的數量明顯減少， 此時材料發生均勻腐蝕且腐蝕速率降低。 黃發 [14] 從材料表面氧化物的角度研究了 pH值對 690 合金鋼電化學腐蝕的影響， 當 pH 值從低到高變化時，鈍化膜的溶解速度逐漸降低。 在 pH 值達到 8 以后，鈍化膜的電阻較大，致密性很好，電化學腐蝕的強度明顯減弱， 腐蝕疲勞裂紋的擴展速率相應降低。

    含氧量是腐蝕環境中不可忽略的因素， 氧對腐蝕過程的影響主要體現在兩個方面： 一是氧氣溶解在腐蝕介質中， 與電化學腐蝕電池的陰極發生氧化還原反應， 從而促進電化學腐蝕的進行。 二是溶解于腐蝕介質中的氧會與陽極溶解產生的金屬發生化學反應，產生氧化物，不同含氧量會導致不同氧化物的產生，影響腐蝕疲勞裂紋的擴展 [15-16] 。 傅曉蕾 [17] 利用電化學阻抗譜和動電位極化的方法研究海水中溶解氧對船體腐蝕的影響， 發現隨海水中氧含量的增加，船體用鋼的腐蝕電位和腐蝕電流逐漸增大，裂紋擴展速率增加。 彭文才 [18] 在研究溫度與氧濃度對鋁合金在海水中腐蝕行為的影響時發現， 氧濃度會改變電化學腐蝕中的點蝕電位， 高溫高氧濃度會使鋁合金在海水中主要發生均勻腐蝕， 而在低溫低氧的情況下，腐蝕形式以點蝕為主。

    腐蝕疲勞的裂紋擴展與溫度有著密不可分的關系，較高溫度對腐蝕疲勞裂紋擴展過程有著活化、促進的作用。 J Burns [19] 通過研究低溫環境下裂紋擴展時發現，疲勞裂紋擴展的速率與溫度呈正相關，隨溫度的升高，裂紋的擴展速率也逐漸提高。 伴隨著溫度的升高，材料的物理性能也會發生改變，抗拉強度和彈性模量會因為高溫而變小， 腐蝕疲勞耦合作用下的裂紋擴展速率會提高 [20-21] 。當溫度升高到一定值時，由于腐蝕產物的變化，裂紋擴展速率會略有下降 [22] 。

    影響腐蝕疲勞裂紋擴展的環境因素還有很多，例如腐蝕介質的成分以及微生物等， 對裂紋的擴展都會有一定的影響。同時，材料處在干濕交替的環境中，腐蝕疲勞裂紋擴展速率也會提高。干濕交替環境會在金屬表面形成薄液，而薄液的存在有利于氧的擴散傳播，在疲勞載荷的共同作用下，促進陽極溶解以及陰極析氫反應，從而加速腐蝕疲勞裂紋的擴展 [23-25] 。

    1.2 力學因素

    在腐蝕疲勞裂紋擴展過程中， 力學因素占據主要地位。 影響腐蝕疲勞裂紋擴展的力學因素主要有應力比、頻率、應力幅和波形等。

    針對應力比 R 對腐蝕疲勞裂紋擴展的影響問題，目前國內外學者有著不同的看法。有些學者認為應力比 R 對裂紋擴展的影響有著明顯的促進作用。隨著應力比 R 的提高，腐蝕疲勞裂紋擴展的門檻值會相應的降低，裂紋擴展速率也會明顯提高 [26-28] 。 李松梅 [29] 利用掃描電鏡觀察端口發現，應力比對裂紋擴展的影響具有明顯的階段性， 應力比 R 對腐蝕疲勞裂紋擴展的初期階段和失穩擴展階段有著明顯的影響，而對裂紋穩定擴展階段的影響比較小。徐人平 [30] 認為應力比對不同的材料有著明顯不同的影響， 塑性性能較好的金屬材料對應力比變化的敏感性較差；而塑性較差的材料裂紋擴展速率會隨應力比的增加而明顯提高。在工程實踐中，描述裂紋擴展速率的主要方法是運用 Paris 公式，通過試驗發現： R-da/dN-ΔK 有著很好的相關性，在同一 ΔK 的情況下，隨著R 的增大， Paris 式中的 C 變大， m 減小 [31-32] 。

    載荷加載頻率對裂紋擴展的影響不僅僅是疲勞方面，對腐蝕損傷也有很大的影響。隨載荷頻率的提高，在一個裂紋擴展周期內，腐蝕介質與材料之間腐蝕反應的時間變短，相應的腐蝕產物減少，腐蝕疲勞裂紋擴展也逐漸趨向于純疲勞作用下的裂紋擴展。 大量試驗研究發現，隨頻率的提高，腐蝕疲勞裂紋擴展速率減小， 有著向單純疲勞裂紋擴展靠攏的趨勢 [33-35] 。 同時，不同材料腐蝕疲勞特性對加載頻率的敏感性也不同。

    A Albedah [36] 通過對比試驗發現，應力幅的變化對腐蝕疲勞裂紋擴展也有影響，當應力幅值升高時，裂紋數量及裂紋擴展速率要比低應力幅高， 材料損傷加重，試件壽命降低。

    不同的加載波形對腐蝕疲勞擴展有著不同的影響，當對試件加載正弦波、三角波和正鋸齒波時，腐蝕溶液會加速裂紋的擴展速度； 當加載鋸齒波和方波時， 腐蝕疲勞裂紋擴展的速率與疲勞裂紋擴展速率相近 [37] 。

    1.3 材料因素

    影響腐蝕疲勞裂紋擴展的另一個因素是材料自身方面，例如材料的內部缺陷、合金成分以及材料自身特性等，都會對腐蝕疲勞裂紋的擴展產生影響。大量的試驗證明： 不同的熱處理工藝對高強度鋼的抗腐蝕疲勞特性有著不同的影響， 這主要是因為不同的熱處理工藝會使材料擁有不同的金相組織，產生不同的腐蝕疲勞損傷，從而改變裂紋的擴展速率 [38-39] 。張忠建 [40] 通過研究硬質合金在其工作環境中腐蝕疲勞特性時發現，裂紋的萌生多發生在材料雜質、氣孔等處，裂紋的擴展速率也明顯提高。

    2 腐蝕疲勞裂紋擴展模型

    腐蝕疲勞對材料影響的宏觀表現可加速裂紋的擴展，裂紋的擴展可分為裂紋的萌生、穩定擴展和失穩擴展三個階段， 其中裂紋的萌生和穩定擴展占據裂紋全壽命的主要部分， 腐蝕環境也主要影響這兩個階段 [41-42] 。 同時，裂紋的擴展過程也可分為短裂紋和長裂紋，在腐蝕疲勞作用下，短裂紋比長裂紋更易發生，短裂紋的擴展速率比長裂紋也要高很多 [43-45] 。

    2.1 腐蝕疲勞裂紋擴展類型

    腐蝕疲勞裂紋擴展主要是腐蝕環境、 疲勞載荷以及材料因素共同作用產生的結果， 針對腐蝕疲勞裂紋擴展的研究已有很多， 其中主要的評價方法還是利用斷裂力學中的知識， 利用裂尖應力強度因子ΔK 與裂紋擴展速率之間 da/dN 的關系搭建腐蝕疲勞裂紋擴展模型。 根據圖 1 描述的腐蝕疲勞裂紋擴展速率（ da/dN ） cf 與常規疲勞裂紋擴展速率（ da/dN ） f 之間的關系，腐蝕疲勞裂紋擴展類型可以分為 3 類 [46-47] 。

    （ 1 ） 類型 a

    由圖 1 （ a ）可知，腐蝕介質會使腐蝕疲勞裂紋擴展門檻值 ΔK thcf 低于疲勞裂紋擴展門檻值 ΔK th ，同時提高了裂紋擴展速率。 當裂紋擴展接近裂紋失穩擴展階段時，腐蝕介質的作用降低，腐蝕疲勞裂紋擴展速率接近純疲勞作用下的裂紋擴展速率。 此類型的典型代表有鋁合金和水介質的腐蝕疲勞反應。

    （ 2 ） 類型 b

    由圖 1 （ b ）可知，當應力強度因子低于臨界應力強度因子 K ISCC （ 1-R ）時，其中 R 為應力比，腐蝕介質的影響基本上可忽略不計； 當應力強度因子達到K ISCC （ 1-R ）時，裂紋擴展速率迅速提升，在達到一定值后，進入穩定擴展階段，最后裂紋進入失穩擴展階段，腐蝕的作用再次減弱。 這種類型的代表有：鋼與氫介質的腐蝕疲勞裂紋擴展。

    （ 3 ） 類型 c

    圖 1 （ c ）的類型是前兩種腐蝕疲勞裂紋擴展類型的混合型，很多材料的腐蝕疲勞就屬于此類型，具有很好的代表性。

    2.2 腐蝕疲勞裂紋擴展模型

    由于腐蝕介質和材料具有多樣性， 很難對各種材料進行系統地試驗研究， 更無法建立一個通用的模型來計算腐蝕疲勞裂紋的擴展速率。 很多學者通過大量的試驗， 研究了不同的腐蝕疲勞裂紋擴展機理，提出了不同的腐蝕疲勞裂紋擴展模型。

    （ 1 ） 疊加模型

    Wei 和 Landes [48] 在研究高強鋼腐蝕疲勞時，率先 提 出 了 腐 蝕 疲 勞 線 性 疊 加 的 模 型 ， 認 為 當ΔK>K ISCC 時， 腐蝕介質和疲勞載荷對材料的影響是相互獨立的， 總的裂紋擴展速率可由腐蝕裂紋擴展速率和單純疲勞裂紋擴展速率疊加而成，即：

    （da/dN） cf =（da/dN） f +（da/dN） c （ 1 ）

    式中： （da/dN） f 為單純疲勞裂紋擴展速率； （da/dN） c 為腐蝕裂紋擴展速率； （da/dN） cf 為腐蝕與疲勞疊加后的裂紋擴展速率。同時，腐蝕裂紋擴展速率還可利用時間來表示，即：

    （da/dN） c =1/f（da/dt） c （ 2 ）

    這種疊加模型將腐蝕與疲勞載荷對裂紋擴展的影響分開考慮， 簡化了腐蝕疲勞裂紋擴展速率的計算。 但是，這種模型忽略了腐蝕與疲勞的相互作用，無法準確計算材料實際的腐蝕疲勞損傷， 具有局限性。 隨著腐蝕科學的發展， Wei 和 Simmons [49] 又對前面提出的模型進行修正， 加入腐蝕疲勞耦合作用下的裂紋擴展速率：

    （da/dN） cf =（da/dN） f +（da/dN） c +（da/dN） cfc （ 3 ）

    式中： （da/dN） cfc 為腐蝕環境與循環載荷耦合作用下的裂紋擴展速率，因腐蝕環境和材料的不同而變化，還沒有確定的計算公式。

    疊加模型雖然考慮了腐蝕環境與疲勞載荷相互作用下的裂紋擴展， 但是由于材料和腐蝕環境具有多樣性，無法定量地給出腐蝕疲勞的裂紋擴展速率，具有很大的局限性。

    （ 2 ） 競爭模型

    金屬材料的腐蝕疲勞過程包含腐蝕過程和疲勞損傷過程， 但裂紋擴展速率并不是兩者簡單的線性疊加， 而是用兩者中裂紋擴展速率較大的一個代替整個腐蝕疲勞裂紋擴展速率，這就是競爭模型 [50] ，即：

    （da/dN） cf =max[（da/dN） f ， （da/dN） c ] （ 4 ）

    LinWeng 和 SergiyKalnaus [51] 提出了一種新型的競爭模型，即：

    （da/dN） cf =[（da/dN） air ] 1-β [（da/dN） air +（da/dN） c ] β （ 5 ）式中： （da/dN） air 為在干燥空氣中的疲勞裂紋擴展速率， β 為 0～1 變化的系數。 當 β 趨于 0 時，腐蝕疲勞裂紋擴展以疲勞裂紋擴展為主；當 β 趨于 1 時，腐蝕疲勞裂紋擴展是腐蝕與疲勞共同作用。

    雖然過程競爭模型具有計算難度低、 便于工程運用的特點， 但它還是有較大的局限性。 由于材料特性、環境因素以及疲勞載荷具有多樣性，這使得腐蝕疲勞過程也不可能完全相同， 若只是利用單方面的最大裂紋擴展速率來代替整個腐蝕疲勞裂紋擴展速率，就會忽略另一方面的影響，無法準確計算整個腐蝕疲勞裂紋擴展速率。

    （ 3 ）基于能量守恒原理的裂紋擴展模型黃小光 [52] 在利用熱力學原理研究裂紋擴展時，根據能量守恒原理， 指出腐蝕疲勞裂紋擴展時陽極溶解的電化學能 U 、 動能 E k 以及靜態能 u c 總和不變，即：

    式中： E 為弾性模量； k 為材料常數； ρ 為密度； N 0 為單位體積內活動位錯源的平均數； L 為滑移面平均長度；β 硬化指數； n p b 為位錯數； ν 為泊松比； σ a 為應力幅； σ 0 為平均應力； f 為加載頻率； a 為裂紋長度。

    此模型從能量守恒角度計算腐蝕疲勞裂紋擴展速率， 提供了一種全新的思路來研究海洋工程材料腐蝕疲勞問題， 能很直觀地反映影響腐蝕疲勞裂紋擴展的主要因素。 同時，該模型也有一些局限性，例如， 并未考慮電化學腐蝕中陰極析氫產生的氫脆及其能量變化。

    （ 4 ） Paris 模型

    影響腐蝕疲勞裂紋擴展的因素有很多， 無論是疊加模型還是競爭模型， 在工程運用方面都是較困難。在實際計算過程中，腐蝕疲勞裂紋擴展速率的計算還是依靠 Paris 模型，在疲勞裂紋擴展的基礎上考慮腐蝕環境的影響，對 Paris 公式進行修正，即：

    （da/dN） cf =D （ t ） × （ ΔK ） m （ 8 ）

    式中： m 為材料參數； D （ t ）為與腐蝕介質、加載頻率和應力比等有關的參數。

    這種修正方法在工程實踐中廣泛運用， 以材料在單純疲勞載荷作用下的裂紋擴展規律為基礎，引入環境因素因子， 找出環境因子與疲勞載荷因素的關系，得到新的腐蝕疲勞裂紋擴展模型，再與試驗數據對比。 這種方法為工程實踐提供了一種很好的思路。

    李旭東 [33] 在研究加載頻率對鋁合金腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響時， 提出了一種新的腐蝕疲勞裂紋擴展數學表達式：

    （da/dN） cf =B cf （ ΔK-ΔK thcf ） （ 9 ）式中： B cf 為與加載頻率有關的表達式。

    XiangqiMen [53] 在研究 7075 鋁合金腐蝕疲勞特性時，提出裂紋擴展預測模型：

    da/dN=L（ΔK ， enν ， f … ）（da/dN） f （ 10 ）式中： L 是關于應力強度因子、腐蝕環境和加載頻率的函數。 在研究加載頻率對腐蝕的影響時提出了新的數學表達式：

    da/dN=C … 10ii 0+ af! “（ ΔK ） m×β （ 11 ）式中： i 0 是海水表面的電流強度； α 是表面電流強度與頻率的關系； β 為基礎常數； f 為加載頻率。 通過試驗發現：在 3.5%NaCl 溶液中， α 值為 10 ， β 值的變化范圍為 0.7～1.5 。

    紀冬梅 [54] 將載荷頻率 f 、應力比 R 和腐蝕介質濃度 D 引入腐蝕疲勞裂紋擴展公式 :

    da/dN=C env C Air （ ΔK ） m （ 12 ）式中： C env 和 C Air 分別為腐蝕環境因子和干燥空氣因子。

    從式（ 12 ）可通過試驗數據擬合得到腐蝕環境因子和干燥空氣因子的數學表達式， 具有較好的準確性，但是該公式還是有一些局限性，例如工作量大、沒有很好的通用性，也沒有區分主要的影響因素。

    3 總結與展望

    目前，針對腐蝕疲勞裂紋擴展的研究有很多，且取得了很多成果，本文總結了很多腐蝕疲勞裂紋擴展速率計算模型， 對于工程結構中腐蝕與防護有著很大幫助。 但是，國內針對海洋工程材料（例如 E690 高強鋼）的腐蝕疲勞特性研究較少，要想準確計算腐蝕疲勞裂紋擴展速率，必須解決以下兩個方面的問題：

    （ 1 ） 將主要影響因素考慮到腐蝕疲勞裂紋擴展試驗中。 影響腐蝕疲勞裂紋擴展的因素有很多，不同的材料和腐蝕環境對于腐蝕疲勞裂紋擴展的影響不同， 準確找出腐蝕疲勞的主要影響因素對研究其裂紋擴展有很大幫助。 例如，影響 E690 高強鋼腐蝕疲勞裂紋擴展的主要因素有應力比、 應力幅、 pH 和干濕交替環境等等，而頻率的影響程度就相對減弱。

    （ 2 ） 建立較準確的腐蝕疲勞裂紋擴展理論模型。針對腐蝕疲勞裂紋擴展的模型有很多，這些模型對腐蝕疲勞裂紋擴展的理論研究有很大的幫助，但是將這些模型運用到實際工程中還有一些困難。 目前， 工程中對于腐蝕疲勞裂紋擴展速率的計算模型還是依靠基于斷裂力學的 Paris 公式，對其系數進行修正。 將環境因子引入到海洋工程材料腐蝕疲勞裂紋擴展研究中，綜合考慮主要影響因素，并給出其數學表達式，定量研究其腐蝕疲勞裂紋擴展。 同時，根據不同階段腐蝕疲勞裂紋擴展具有的差異性提出分段模型，可更加真實地反應實際裂紋擴展行為，以為海洋工程裝備的研發提供支持。

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責任編輯：王元

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