一些概念

 

    疲劳

 

    什么是疲劳？美国试验与材料协会（ASTM）在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”（ASTM E206-72） 中是这样定义的：在某点或某些点承受交变应力，且在足够多的循环交变作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为疲劳。

 

    疲劳问题具有下述特点：

 

    1、只有在承受交变应力作用的条件下，疲劳才会发生；

 

    2、疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部；

 

    3、疲劳破坏是在足够多次的交变载荷作用之后，形成裂纹或完全断裂；

 

    4、疲劳是一个动态发展过程。

 

    疲劳断裂

 

    零件在交变载荷下经过较长时间的工作而发生断裂的现象叫作疲劳断裂。

 

    条件： 超出材料的疲劳极限。

 

    交变载荷

 

    有许多机械零件，如轴、齿轮、连杆和弹簧等，在工作过程中受到大小、方向随时间呈周期性变化的载荷作用，这种载荷称为交变载荷。

 

    疲劳极限

 

    材料在受到随时间而交替变化的荷载作用时，所产生的应力也会随时间作用交替变化，这种交变应力超过某一极限强度而且长期反复作用时即会导致材料的破坏，这个极限称为材料的疲劳极限。

 

    提高疲劳极限的途径主要有：在零件结构设计中尽量避免尖角、缺口和截面突变，以免产生应力集中进而产生疲劳裂纹；提高零件表面加工质量，减少疲劳源；采用各种表面强化处理等。

 

    积累理论

 

    疲劳损伤积累理论认为，当零件所受应力高于疲劳极限时，每一次载荷循环都对零件造成一定量的损伤，并且这种损伤是可以积累的；当损伤积累到临界值时，零件将发生疲劳破坏。较重要的疲劳损伤积累理论有线性和非线性疲劳损伤积累理论，线性疲劳损伤积累理论认为，每一次循环载荷所产生的疲劳损伤是相互独立的。总损伤是每一次疲劳损伤的线性累加，它最具代表性的理论是帕姆格伦一迈因纳定理，应用最多的是线性疲劳损伤积累理论。

 

    疲劳应力

 

    疲劳应力是材料、零件和结构件对疲劳破坏的抗力，是在规定的循环应力幅值和大量重复次数下，材料所能承受的最大交变应力。

 

    疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形。疲劳破坏经常造成重大事故，对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。

 

    疲劳断裂的内燃机曲轴

 

    金属疲劳

 

    金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。当材料和结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料和结构的破坏现象，叫做金属的疲劳破坏。

 

    影响金属疲劳断裂的因素， 一类是内因有残余应力、晶粒尺寸化学成分、夹杂物和缺陷，另一类是外因包括材料的表面形态和载荷形式。

 

    金属零件在交变应力和腐蚀介质的共同作用下导致的断裂称为腐蚀疲劳断裂。它既不同于应力腐蚀破坏也不同于机械疲劳，同时也不是腐蚀和机械疲劳两种因素作用的简单叠加。

 

    1、破坏机制

 

    金属材料在腐蚀介质的作用下形成一层覆盖层，在交变应力作用下覆盖层破裂，局部发生化学浸蚀形成腐蚀坑，交变应力作用下产生应力集中进而形成裂纹。

 

    2、特点

 

    （1）疲劳腐蚀不需要特定的腐蚀系统，它在不含任何特定腐蚀离子的蒸馏水中也能发生；

 

    （2）任何金属材料均可能发生腐蚀疲劳；

 

    （3）材料的腐蚀疲劳不存在疲劳极限；

 

    （4）腐蚀疲劳初裂纹的扩展受应力循环周次的控制，不循环时裂纹不扩展。

 

    3、断口特征

 

    （1）脆性断裂，断口附近无塑变；

 

    （2）微观断口可见疲劳辉纹，但由于腐蚀介质的作用而模糊不清；二次裂纹较多并具有泥纹花样；

 

    （3）属于多源疲劳，裂纹的走向可以是穿晶型的也可以是沿晶型的；

 

    （4）断口中的腐蚀产物与环境中的腐蚀产物一致。

 

    金属零件在交变的弯曲应力作用下发生的疲劳破坏称为弯曲疲劳断裂。弯曲疲劳又可分为单向弯曲疲劳、双向弯曲疲劳及旋转弯曲疲劳三类。

 

    第一类单向弯曲疲劳断裂

 

    像吊车悬臂之类的零件，在工作时承受单向弯曲负荷。承受脉动的单向弯曲应力的零件，其疲劳核心一般发生在受拉侧的表面上。疲劳核心一般为一个。载荷的大小、材料的性能及环境条件等对断口中疲劳区与瞬时断裂区的相对大小皆有影响。

 

    第二类双向弯曲疲劳断裂

 

    某些齿轮的齿根承受双向弯曲应力的作用。零件在双向弯曲应力作用下产生疲劳断裂，其疲劳源区可能在零件的两侧表面，最后断裂区在截面的内部。

 

    材料的性质、负荷大小、结构特征及环境因素等都对断口的形貌有影响，其趋势与单向弯曲疲劳断裂相同。

 

    第三类旋转弯曲疲劳断裂

 

    许多轴类零件的断裂多属于旋转弯曲疲劳断裂。旋转弯曲疲劳断裂时，疲劳源区一般出现在表面，但无固定点。当轴的表面存在较大的应力集中时，可出现多个疲劳源。

 

    在弯曲应力作用下断裂的疲劳宏观断口

 

    疲劳寿命

 

    材料在疲劳破坏前所经历的应力循环数称为疲劳寿命。

 

    疲劳寿命预测是疲劳研究的一个重要问题。从疲劳损伤的发展来看，疲劳寿命可以分为裂纹形成和裂纹扩展两个阶段。构件或材料从受载开始到裂纹达到一定的裂纹长度为止的循环次数为裂纹形成寿命。此后扩展到临界裂纹长度为止的循环次数称为裂纹扩展寿命。裂纹形成寿命和裂纹扩张寿命之和称为总寿命。

 

    科学的疲劳形成寿命预测方法很多， 但是按疲劳裂纹形成寿命预测的基本假定和控制参数，可将它们大致分为以下几类：名义应力法，局部应力应变法，能量法和场强法等。

 

    1、名义应力法

 

    基本假设：对任一构件（或结构细节或元件），只要应力集中系数TK相同，载荷谱相同，它们的寿命就相同。此法中名义应力为控制参数。名义应力法的主要不足之处为：（1）没有考虑缺口根部的局部塑性；（2）标准试件和结构之间的等效关系的确定非常困难，这是由于这种关系和多种因素相关，如结构的几何形状、加载方式和结构的大小、材料等。

 

    2、局部应力应变法

 

    基本假定：若一个构件的危险部位（点）的应力-应变历程与一个光滑试件 的应力-应变历程相同，则寿命相同。此法中的局部应力-应变是控制参数。局部应力应变法克服了名义应力法的两个主要缺点，但它本身也有一定的缺点，即“点应力准则”，因此局部应力应变法无法考虑缺口根部附近应力梯度和多轴应力的影响。

 

    3、能量法

 

    基本假定：由相同的材料制成的构件（元件或结构细节）如果在疲劳危险区承 受相同的局部应变能历程，则它们具有相同的疲劳裂纹形成寿命。 能量法的材料性能数据主要是材料的循环应力-应变曲线和循环能耗-寿命曲线。虽然在现有的能量法中均假设各循环的能耗是线性可加的，而事实上由于循环加载过程中材料内部的损伤界面的不断扩大，因此能耗总量与循环数之间的关系是非线性的。这一关键问题导致了能量法难以运用于工程实际。因此能量法可能不是一种十分合理和有前途的方法。

 

    4、场强法

 

    应力场强法假设：缺口根部存在一破坏区，它只与材料性能有关，对于相同材料制成的构件，若在疲劳失效区域承受相同的应力场强历程，则它们具有相同的疲劳寿命。

 

    应力场强法从研究构件缺口部位应力分布出发，提出一个辨证地处理缺口的局部和整体状况的参数（局部应力应变场强）来反映缺口件受载的严重程度，并认为局部应力应变场强是疲劳裂纹形成的控制参数。

 

    应力场强法克服了名义应力法用材料力学进行应力分析的简单、粗糙与保守，又克服了局部应力应变法无法考虑尺寸效应等因素的缺陷。场强参数的计算比直接用应力应变要麻烦。

 

    提高疲劳寿命的方法有：

 

    （1）工件外观光洁度高，过渡圆滑；

 

    （2）消除拉应力，预置压应力；

 

    （3）利用豪克能技术（是利用激活能和冲击能的复合能量对金属零件进行加工，一次加工即可使零件表面达到镜面并实现改性的创新性能量加工技术。）可以使工件表面达到高光洁度，并可预置压应力，可以大大提高疲劳寿命。

 

    疲劳破坏

 

    材料或构件受到多次重复变化的载荷作用后，即使最大的重复交变应力低于材料的屈服极限，经过一段时间的工作后， 最后也会导致破坏，材料或结构的这种破坏就叫做疲劳破坏。

 

    材料科学揭示，由于制造过程中存在不可避免的缺陷，材料中的微裂纹总是存在的，特别是在焊缝处。这些微裂纹在交变应力作用下扩展和聚合，形成宏观裂纹，宏观裂纹的进一步扩展导致最后的破坏。疲劳破坏的微观过程是个极其复杂的过程，在宏观上一般来说可分为三个阶段： 裂纹的萌生、裂纹的稳定扩展及裂纹的失稳扩展。

 

    尽管疲劳载荷有各种类型，但它们都有一些共同的特点：

 

    1、断裂时并无明显的宏观塑性变形， 断裂前没有明显的预兆，而是突然地破坏；

 

    2、引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载时的屈服强度；

 

    3、疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部份。

 

    零件 、构件的疲劳破坏可分为3个阶段 ：①微观裂纹阶段。在循环加载下，由于物体的最高应力通常产生于表面或近表面区，该区存在的驻留滑移带、晶界和夹杂，发展成为严重的应力集中点并首先形成微观裂纹。此后，裂纹沿着与主应力约成45°角的最大剪应力方向扩展，裂纹长度大致在0.05毫米以内，发展成为宏观裂纹。②宏观裂纹扩展阶段。裂纹基本上沿着与主应力垂直的方向扩展。③瞬时断裂阶段。当裂纹扩大到使物体残存截面不足以抵抗外载荷时，物体就会在某一次加载下突然断裂。对应于疲劳破坏的3个阶段 ， 在疲劳宏观断口上出现有疲劳源 、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂3个区。疲劳源区通常面积很小，色泽光亮，是两个断裂面对磨造成的；疲劳裂纹扩展区通常比较平整，具有表征间隙加载、应力较大改变或裂纹扩展受阻等使裂纹扩展前沿相继位置的休止线或海滩花样；瞬断区则具有静载断口的形貌，表面呈现较粗糙的颗粒状。扫描和透射电子显微术揭示了疲劳断口的微观特征，可观察到扩展区中每一应力循环所遗留的疲劳辉纹。

 

    疲劳破坏与静力破坏的本质区别

 

    1、疲劳破坏是多次重复载荷作用下产生的破坏，它是较长期的交变应力作用的结果。疲劳破坏往往要经历一定时间，这与静载下的一次破坏不同。

 

    2、疲劳破坏通常没有宏观显著塑性变形的迹象，即使在静载下表现为韧性的材料，在交变应力作用下，也表现为无明显塑性变形的断裂，与脆性破坏很类似， 但前者需要经过一段较长的列为亚临界扩展时间，而后者则高速扩展而导致突然破坏。

 

    3、疲劳破坏的断口上，总是呈现两个区域：一部分是暗淡光滑区，即疲劳裂纹发生和扩展区；另一部分是光亮晶粒状区， 即快速断裂区。在交变荷重作用下，整个疲劳破坏过程，是在构件存在的缺陷处开始的。光滑无缺口试样，由于滑移产生微小裂纹，裂纹起点叫疲劳源。由于反复的变形，裂纹逐渐扩展，扩展过程中开裂的两个面时而挤紧，时而松离，这样反复摩擦产生了光滑区。随着裂纹的扩大，剖面削弱越来越厉害，直到材料或构件静强度不足时，即在某载荷作用下，突然断裂， 这种突然性的破坏常常使材料的断面呈晶粒状。在疲劳裂纹的发生、扩展区，往往可借助电子显微镜看到明暗交替相平行的疲劳条痕，条痕的出现是判断疲劳破坏的重要依据。

 

    4、就疲劳破坏来说，材料的组成、构件的形状、尺寸、表面状态、使用环境等因素都是非常敏感的，因此，对同一种材料，同一种试验条件下得到的数据具有相当的分散性，即疲劳抗力具有统计性质。

 

    疲劳破坏案例

 

    19世纪30-40年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处多次发生破坏；

 

    1954年，英国“慧星号”喷气客机突然失事并坠入地中海；

 

    20世纪60年代末，美国空军F-11飞机发生了多次灾难性事故；

 

    1967年，美国西弗吉尼亚的Po i n t Pleasant桥在没有任何预兆的情况下倒塌， 46人死亡；

 

    1979年，美国肯帕体育馆屋盖中心突然塌落（高强度螺栓在长期风载荷作用下发生疲劳破坏）；

 

    1980年，英国北海Kielland 号钻井平台倾复（5条支腿之一发生破坏）。

 

    疲劳失效的危害

 

    1、疲劳破坏作为各类材料、构件或结构的一种破坏形式，遍及机械、航空、铁路、土木工程等各个领域，据统计，机械断裂事故中有80%以上是金属疲劳引起的；

 

    2、疲劳断裂往往都是突然发生的，几乎没有什么明显的预兆，这给人们采取预防措施带来了很大的困难；

 

    3、疲劳断裂的后果是非常严重的，往往是灾难性的事故。

 

    2011年4月1日下午，美国西南航空公司一架波音737 客机飞行途中因金属疲劳造成的机身破损紧急降落在亚利桑那州的一座军事基地。

 

    疲劳裂纹萌生机理

 

    金属材料如果含有缺陷，夹杂物，切口或者其它应力集中源，疲劳裂纹就可能起源于这些地方。通常将疲劳裂纹的萌生过程称为疲劳裂纹成核。如果金属材料没有上述各种应力集中源，则裂纹成核往往在构件表面。因为构件表面应力水平一般比较高，且难免有加工痕迹影响；同时表面区域处于平面应力状态，有利于塑性滑移的进行。构件在循环载荷作用下经过一定次数应力循环之后，先在部分晶粒的局部出现短而细的滑移线，并呈现相继错动的滑移台阶，又由于往复滑移在表面上形成缺口或突起而产生应力集中。随着循环次数增加，在原滑移线时近又会出现新滑移线逐渐形成较宽的滑移带，进一步增加应力循环次数，滑移带尺寸及数量均明显增加，疲劳裂纹就在这此滑移量大的滑移中产生。这些滑移带称为驻留滑移带，标志裂纹在表面形成。在大量滑移带中，由于原滑移所引起在表面有挤出和侵入槽的出现。从而在表面下留下相应的空洞成为裂纹源。随着循环次数提高和应力集中的加剧，会使空洞扩展形成新的较大空洞。

 

    疲劳裂纹扩展机理

 

    疲劳裂纹在表面处成核，是由最大剪应力控制的，这些微裂纹在最大剪应力方向上。在单轴加载条件下，微裂纹与加载方向大致呈45度方向。在循环载荷的继续作用下，这些微裂纹进一步扩展或互相连接。其中大多数微裂纹很快就停止扩展， 只有少数几条微裂纹能达到几十微米的长度。此后逐渐偏离原来的方向，形成一条主裂纹而趋向于转变到垂直于加载方向的平面（最大拉应力面）内扩展。裂纹由滑移面向最大拉应力面的转变称为裂纹从第一阶段扩展向第二阶段扩展的转变。随着循环拉应力的增大，裂纹材料由于高度的应力集中而发生塑性屈服，材料沿最大剪应力方向产生塑性滑移。循环拉应力进一步增大，滑移区扩大使裂尖钝化而呈半圆形， 此时裂纹尖端己向前移动。此后进入卸载循环。在循环加载时，由于滑移，在裂尖形成一个塑性区，塑性区外的材料只有弹性变形。卸载后弹性变形要恢复，而裂尖已发生塑性变形的材料却不能协调地收缩，故形成了压缩应力作用在塑性区上。在裂尖处这种压应力值可以很大，甚至能够超过屈服极限而使裂尖材料发生反向塑性变形，滑移反向，裂纹上下表面间距离缩小。但是，加载时裂尖塑性钝化形成的新的裂纹面却不能消失，它将在压应力的作用下屈曲失稳，而在裂尖形成双凹槽形。最后在循环最大压应力作用下又形成了一个裂纹尖，但长度已经增加了。下一个循环开始，裂纹又张开钝化扩展锐化， 重复上述过程。这样断口裂纹面上就留下了一条痕迹，即为疲劳条纹。

 

    由斜裂纹产生的钢轨横向断裂

 

    疲劳裂纹的失稳扩展

 

    疲劳裂纹扩展到某临界长度时，将发生失稳扩展而导致迅速断裂。这一阶段是构件寿命的最后阶段。失稳扩展由材料韧性，裂纹尺寸和应力水平等因素综合决定的。失稳扩展到断裂这一短暂过程对于寿命的贡献是可以忽略的。

 

    疲劳断裂零件断口上的疲劳条纹

 

    疲劳设计方法

 

    无限寿命设计

 

    人们第一次认识到的疲劳破坏，是19 世纪40年代的铁路车辆轮轴在重复交变载荷作用下发生的破坏。德国工程师 August Whler （1819-1914） 进行了一系列的试验研究后指出：对于疲劳，应力幅比构件承受的最大应力更重要。应力幅越大，疲劳寿命越短；应力幅小于某一极限值时，将不发生疲劳破坏。他最先引入了应力寿命（SN）曲线和疲劳极限的概念，并于1867 年在巴黎展出了其研究成果。

 

    20世纪60年代研究裂纹扩展的结果指出，裂纹扩展的控制参量应力强度因子幅度存在着一个门槛值。对于已有裂纹存在的构件，控制其应力强度因子，使其小于门槛值，则虽有裂纹但不扩展，可实现无限寿命设计。

 

    安全寿命设计

 

    无限寿命设计要求将构件中的使用应力控制在很低的水平，材料的潜力得不到充分发挥，对于并不需要经受很多循环次数的构件，无限寿命设计就很不经济。

 

    1945年，M.A.Miner提出了变幅载荷作用下的疲劳损伤累积方法和判据，使变幅载荷作用下的疲劳寿命预测成为可能。

 

    使构件在有限长设计寿命内，不发生疲劳破坏的设计，称为安全寿命设计或有限寿命设计。民用飞机，容器，管道，汽车等，大都采用安全寿命设计。

 

    损伤容限设计

 

    由于裂纹的存在，安全寿命设计并不能完全确保安全。1957年，G.R.Irwin 提出了裂纹尖端场控制参量应力强度因子K的概念，为线弹性断裂力学和疲劳裂纹扩展规律的研究奠定了基础。1963年， P.C.Paris提出疲劳裂纹扩展速率可以由应力强度因子幅度K描述，这使疲劳裂纹扩展寿命预测研究得到了快速的发展。

 

    损伤容限设计，是为保证含裂纹或可能含裂纹的重要构件的安全，从20世纪70 年代开始发展并逐步应用的一种现代疲劳断裂控制方法。这种方法的设计思路是： 假定构件中存在着裂纹（依据无损探伤能力、使用经验等假定其初始尺寸），用断裂力学分析、疲劳裂纹扩展分析和试验验证，证明在定期检查肯定能发现之前，裂纹不会扩展到足以引起破坏。

 

    耐久性设计

 

    20世纪80年代起，以经济寿命控制为目标的耐久性设计概念形成。耐久性是构件和结构在规定的使用条件下抗疲劳断裂性能的一种定量度量。这种方法首先要定义疲劳破坏严重细节（如孔、槽、圆弧、台阶等处）处的初始疲劳质量，描绘与材料、设计、制造质量相关的初始疲劳损伤状态，再用疲劳或疲劳裂纹扩展分析预测在不同使用时刻损伤状态的变化，确定其经济寿命，制定使用、维修方案。

 

    耐久性设计由原来不考虑裂纹或仅考虑少数最严重的单个裂纹，发展到考虑全部可能出现的裂纹群；由仅考虑材料的疲劳抗力，发展到考虑细节设计及其制造质量对疲劳抗力的影响；由仅考虑安全， 发展到综合考虑安全、功能及使用经济性；提供指导设计、制造、使用、维护的综合信息。耐久性设计已经开始应用于一些飞机结构及其它重要工程构件中，是21世纪疲劳断裂控制研究的一个主要发展方向。

 

    疲劳断口

 

    疲劳断口的宏观特征：

 

    1、有裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区三个部分；

 

    2、裂纹扩展区断面较光滑平整，通常可见 “海滩条带”， 有腐蚀痕迹；

 

    3、裂纹源通常在高应力局部或材料缺陷处；

 

    4、与静载破坏相比，即使是延性材料，也没有明显的塑性变形；

 

    5、工程实际中的表面裂纹，一般呈半椭圆形。

 

    疲劳断口的微观特征：

 

    1976年，Crooker指出，利用高倍电子显微镜可以观察到三种不同的疲劳裂纹扩展的微观破坏形式。即微解理型，条纹型和微孔聚合型。

 

    疲劳试验

 

    疲劳试验是用以测定材料或结构疲劳应力或应变循环数的过程。疲劳是循环加载条件下，发生在材料某点处局部的、永久性的损伤递增过程。经足够的应力或应变循环后，损伤积累可使材料发生裂纹，或是裂纹进一步扩展至完全断裂。

 

    疲劳试验机

 

    分类

 

    按破坏循环次数的高低，疲劳试验分为两类：

 

    1、高循环疲劳（高周疲劳）试验，对于此种试验，施加的循环应力水平较低；

 

    2、低循环疲劳（低周疲劳）试验，此时循环应力常超过材料的屈服极限，故通过控制应变实施加载。按材料性质划分有金属疲劳试验和非金属疲劳试验。

 

    按工作环境划分包括高温疲劳试验、热疲劳（由循环热应力引起）试验、腐蚀疲劳试验、微动摩擦疲劳试验、声疲劳（由噪声激励引起）试验、冲击疲劳试验、接触疲劳试验等。

 

    腐蚀疲劳

 

    化工设备中许多金属材料构件都工作在腐蚀的环境中，同时还承受着交变载荷的作用。与惰性环境中承受交变载荷的情况相比，交变载荷与侵蚀性环境的联合作用往往会显著降低构件疲劳性能，这种疲劳损伤现象称为腐蚀疲劳。

 

    腐蚀疲劳机理

 

    1、气相中的腐蚀疲劳

 

    （1）衔接受阻模型

 

    金属材料加载时表面发生滑移，若有氧气存在，可在滑移带处溶入高浓度的氧，使热效应增加，空位增殖，表面形成氧化膜。在反向加载发生逆方向的滑移时，滑移面俘获的氧进入滑移带，阻碍了断裂面的衔接或焊合，引发裂纹。从而使滑移带转变成疲劳裂纹，使裂纹扩展第 I （初始）阶段的过程提前（相对于惰性气氛），并加速第 I 阶段裂纹的扩展。

 

    （2）氧化膜下空穴堆聚形成裂纹模型 按理论认为，气相介质与金属发生化学反应在表面生成保护膜，使表面强化。在交变应力作用下，保护膜阻碍位错通过自由表面的逃逸，导致膜下位错堆集，形成空穴与凹陷。在交变应力作用下形成裂纹。

 

    2、液相中的腐蚀疲劳

 

    （1）蚀孔应力集中-滑移不可逆性增强模型

 

    电化学腐蚀环境使金属表面形成的点蚀孔成为应力集中源，当金属受拉应力作用时，在点蚀孔底产生滑移台阶，滑移台阶处暴露出的新鲜金属表面因腐蚀作用使逆向加载时表面不能复原（即逆向滑移受阻），由此造成裂纹源的产生。疲劳的反复加载，使裂纹不断向纵深扩展。

 

    腐蚀产生点蚀孔→产生滑移台阶→台阶溶解形成新表面→逆滑移形成裂纹

 

    （2）滑移带优先溶解模型

 

    金属表面在交变应力作用下产生驻留滑移带，挤出、挤入处由于位错密度高或杂质在滑移带处的沉积等原因，使原子具有较高的活性而成为局部小阳极，而其他部位则处于活性相对低的状态（成为大阴极），由此导致驻留滑移带处发生优先腐蚀溶解，进而使腐蚀疲劳裂纹形核。 裂纹形核后，交变应力和裂纹内局部电化学腐蚀的协同作用使裂纹不断扩展。

 

    （3）氢脆模型

 

    水合氢离子从裂纹面向裂纹顶端扩散。

 

    氢离子发生还原反应而使裂纹顶端表面吸附氢原子，被吸附的氢原子沿表面扩散到表面的择优位置上，氢原子在交变应力的协同作用下向金属内的关键位置（如晶粒边界、裂纹顶端的三向高应力集中区或孔洞处）扩散与富集，交变应力与富集的氢联合作用导致裂纹的萌生与扩展。

 

    另外，有的研究结果则表明，吸附氢对腐蚀疲劳裂纹的扩展比三向应力集中区富集的氢的作用还大，即吸附氢是推动CF 裂纹扩展的主要因素。

 

    腐蚀疲劳的特征

 

    腐蚀疲劳与气相中纯机械疲劳不同， 其一系列特征表明它与电化学腐蚀有关， 但又远较应力与腐蚀的单纯叠加严重。

 

    1、实际工作中，假设交变应力的某一循环数N下的应力为腐蚀疲劳的极限应力，只要所取N足够大，使设备在使用期内安全使用即可，此应力称表观疲劳极限。

 

    2、腐蚀环境不是特定的只要环境对设备有腐蚀作用，而是再加上循环应力的作用方可产生腐蚀疲劳。

 

    3、腐蚀疲劳所造成的裂纹大多为穿晶型，常成群的产生。随着腐蚀疲劳过程的发展，裂纹宽度将增大，在扩展过程中常出分枝，裂纹尖端变钝。这是由于扩展过程中受到了腐蚀的缘故。

 

    腐蚀疲劳的控制

 

    1、提高材料表面光洁度，镀锌钢丝在海水中的疲劳寿命得到了显著延长；

 

    2、使用缓蚀剂 ；

 

    3、阴极保护，广泛用于海洋金属结构物腐蚀疲劳的防护 ；

 

    4、表面处理，通过气渗、喷丸和高频淬火等表面硬化处理，在材料表面形成压应力层。

 

    腐蚀疲劳试验

 

    腐蚀疲劳试验目的包括测定材料在给定环境下的腐蚀疲劳寿命、测定材料在给定环境下的条件腐蚀疲劳临界应力场强度因子范围或条件临界腐蚀疲劳极限应力、测定材料在给定环境和给定应力范围下裂纹扩展速率、研究缓蚀剂或其他防护效果及研究影响腐蚀疲劳裂纹扩展各因素的作用及腐蚀疲劳断裂机理。常用的腐蚀疲劳试验方法是在腐蚀环境中进行疲劳试验， 实验室腐蚀疲劳试验可分为两类：循环失效试验和裂纹扩展试验。

 

    在循环失效试验中，试验或部件承受交变载荷的作用，并达到诱发腐蚀疲劳裂纹和使其长大到足以导致失效的应力循环数。通常采用光滑试样和带缺口的试样获取试验数据。试验中总循环周数的大部分用于诱发裂纹。尽管采用小试样不能精确地得出大部分的疲劳寿命，但却可以提供材料固有的疲劳裂纹发生的有关数据。在工程设计上，这些数据可用于指定防止疲劳失效的标准。但这类试验方法难以区分CFC起始寿命和扩展寿命。

 

    裂纹扩展试验是利用断裂力学方法确定在交变载荷下预制裂纹的裂纹扩展速率及各种相关参数。试验材料中的预裂纹能显著减少疲劳寿命中诱发裂纹的孕育期。

 

    疲劳腐蚀试验根据腐蚀介质的引入方法不同，可分为浸泡法、捆扎法、灯芯法、液滴法和喷雾法等。浸泡法是指把整个试样浸泡在腐蚀槽中。捆扎法是指用棉花、布或其它吸湿纤维包扎在试样表面上，使这些覆盖物与腐蚀介质良好接触， 从而使试样表面受腐蚀介质润湿，在一定的疲劳载荷作用下进行CFC试验。灯芯法是指用一玻璃棒或塑料棒与试样保持一定间隙，使腐蚀液能依靠其表面张力与旋转着的试样保持接触，使试样受到润湿。液滴法是指在疲劳加载的试样上方安装一个滴管系统，使腐蚀液能以一定的时间间隔程序滴注在试样表面上。液滴法适用于卧式腐蚀疲劳试验机。喷雾法是指为了模拟海洋大气或在雾状环境中工作的构件-环境介质状态，采用喷雾装置把腐蚀液呈雾状喷射到试样表面。

 

    腐蚀疲劳与应力腐蚀

 

    应力腐蚀是指金属在承受各种拉载荷时因具体腐蚀介质影响而出现裂纹的现象，在这个过程中，材料无明显腐蚀产物，脆性断裂。

 

    腐蚀疲劳是指金属由于机械交变载荷与腐蚀交互作用所造成的低变形、大多跨晶粒断裂的现象。机器零件受腐蚀介质和静应力联合作用而失效的现象叫做应力腐蚀破坏，受腐蚀介质和交变应力联合作用的失效则叫做腐蚀疲劳破坏。

 

    在应力腐蚀过程中，通常会同时产生金属吸氢而引起的脆性破坏，即所谓氢脆现象（由氢和应力的联合作用而产生脆性断裂的现象谓之氢脆断裂）。

 

    腐蚀疲劳和应力腐蚀断裂的区别：腐蚀疲劳是因为腐蚀导致发展脆性而扩展断裂；应力腐蚀断裂只要求材料受应力的作用。