海水环境中不锈钢腐蚀疲劳断裂的机制研究

在全球范围内，大陆内部的油气储量日趋减少，化石能源和燃气资源的开采正逐渐转向深井、深海。海洋占据了地球70%以上的表面积，含有丰富的石油、天然气以及各种矿物和深海生物资源。海水中富含Cl-，导致金属材料在海水中容易产生局部腐蚀。此外海洋油气井中还可能含有CO2、H2S等腐蚀性介质，再加上潮汐、日照、溶解氧、微生物以及深海压力和热液带来的高温等环境条件的影响，往往会加速材料在海水中的腐蚀进程。

与大气环境中“纯”疲劳行为不同的是腐蚀疲劳往往没有明显的疲劳极限；而与应力腐蚀一样对材料和环境存在一定选择性。几乎所有的金属材料在任何腐蚀环境中都可能发生腐蚀疲劳，因此，腐蚀疲劳的潜在危害性更大，在海洋、核电、火电、水电、航空航天等重要领域中受到极大重视。

在海洋开发工程中，很多场合对材料的性能要求比较苛刻，碳钢、合金钢和普通不锈钢无法满足其使用要求，特殊情况下须结合缓蚀剂、阳极/阴极保护、防腐涂层等防护手段才能满足实际需要，于是大大增加了使用成本，维护起来也相当麻烦，井下应用受到极大限制甚至根本无法使用。

目前，对于环境敏感开裂问题的研究大多侧重于应力腐蚀开裂，而对腐蚀疲劳行为的研究甚少。而且腐蚀疲劳方面的研究，多集中在304、316、321、347及双相不锈钢等牌号，其他的则是针对核电站、人体植入等领域。当前在高合金不锈钢工程应用中，对腐蚀疲劳提出要求的情况越来越多，但国内对模拟海洋环境中高合金不锈钢腐蚀疲劳的研究相对较少。

重庆材料研究院的研究者们从腐蚀介质、载荷应力和温度等外在因素和材料成分、显微结构、加工状态等内在因素出发，分析了不锈钢在海水环境下出现腐蚀疲劳断裂的机制。虽然影响材料腐蚀的因素多且复杂，但是依然能够从中发现一些规律：

（1）腐蚀介质种类虽然繁多，但究其主要影响因素就是电解质溶液以及溶液的pH值，大部分疲劳的根本原因在于溶液中的H+和Cl；

（2）载荷应力是影响疲劳腐蚀裂纹萌生和生长的直接因素，尤其是载荷的周期和尖端应力的集中，对材料的疲劳腐蚀影响巨大；

（3）大多数情况下，高温环境中的疲劳寿命较低温环境中短，但是温度不作为影响疲劳性能的必然因素；

（4）对合金成分的控制可以影响材料的疲劳性能，合金中的Mo、N等元素都有可能增强其疲劳性能；

（5）不同的加工方法对材料的疲劳性能也有一定的影响，因此，寻找适当的加工方法也会有助于提升材料的疲劳性能。