应力比、频率、温度——谁才是海水腐蚀疲劳中那个“最狠的角色”？

研究概述

高强度钢因其优异的力学性能被广泛应用于海洋工程、桥梁建设和能源基础设施等领域。然而，当其暴露于海水等腐蚀性环境中并承受循环载荷时，极易发生腐蚀疲劳失效。腐蚀疲劳不仅会显著降低材料的疲劳耐久性，还可能导致不可预测的灾难性破坏，严重威胁工程结构的安全。因此，深入研究高强度钢在腐蚀条件下的疲劳行为，对于优化结构设计和拓展其工程应用具有重要意义。

针对现有研究多局限于单因素条件、缺乏对腐蚀与疲劳非线性耦合机制的统一描述、以及数值模拟中损伤演化方程未能系统性整合等问题，江苏海洋大学薛松领在npj Materials Degradation期刊（2025年第9卷）发表了题为"Fatigue failure analysis of high-strength steel in seawater corrosion environment"的研究论文。该研究通过实验测试、机理分析和数值模拟相结合的方式，系统地探讨了应力比、加载频率和环境温度对高强度钢腐蚀疲劳寿命的影响，建立了腐蚀损伤与疲劳损伤的耦合模型，并利用Abaqus的UMAT和UMESHMOTION子程序实现了耦合过程的数值模拟。

实验方法与核心发现

1. 实验材料与方法

研究采用高强度低合金钢作为实验材料，其主要化学成分（除Fe外）包括：0.0091% Cu、0.030% V、0.15% C、1.00% Mn、0.0014% S、0.37% Mo、0.036% Al、1.45% Ni、0.20% Si、0.99% Cr和0.0058% P。材料的弹性模量为214 GPa，屈服强度为789 MPa，抗拉强度为945 MPa，极限应变为16.92%。试样尺寸如图1所示，标距段宽度为8 mm，长度为50 mm，过渡圆弧半径为R15 mm。

图1 试样尺寸与模型 (mm)

腐蚀疲劳实验在自主设计的腐蚀腔体中进行，以连云港沿海地区海水作为腐蚀介质，并施加正弦波形循环载荷。为保持介质的腐蚀效能，每50000次循环更换一次海水。同时采用数字图像相关（DIC）系统实时监测试样，实现应力分布和裂纹扩展动态过程的精确追踪。实验装置如图2所示，由疲劳试验机、腐蚀箱和DIC采集系统组成。

图2 腐蚀疲劳试验装置

2. 应力比对疲劳寿命的影响

为全面分析高强度钢在不同应力比条件下的腐蚀疲劳特性，研究者在加载频率0.5 Hz下对6种不同应力比（R = 0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5）进行了系统测试，共完成了150个试样的实验。结果表明：随着应力比R的增加，材料的疲劳寿命呈现显著下降趋势。在相同应力水平下，当R从0增加到0.5时，疲劳寿命明显缩短。这一现象表明，较高的应力比对材料的疲劳性能有负面影响。其原因在于：R的升高导致加载过程中材料所承受的最小应力（即拉伸应力的下限）增大，这促进了裂纹的萌生并加速了裂纹的扩展；此外，在高R条件下，局部塑性变形的累积更为明显，进一步加剧了疲劳寿命的降低。

图3 0.5 Hz加载频率下不同应力比R的S-N曲线

3. 加载频率对疲劳寿命的影响

为探究加载频率对腐蚀疲劳性能的影响，研究者在恒定应力比R = 0.3条件下，测试了0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、10 Hz和30 Hz五种加载频率下的疲劳寿命。结果如图4所示，随着加载频率的增加，同一应力水平下的疲劳寿命显著提高。在低频加载条件下（如0.1 Hz），材料有更多时间发生腐蚀反应，导致腐蚀-疲劳耦合效应更为显著。相比之下，在30 Hz频率下，应力幅值为50 MPa时高强度钢的疲劳寿命达到10⁷次循环，表明此条件下腐蚀对疲劳寿命的影响可忽略不计。当加载频率超过10 Hz时，腐蚀-疲劳耦合效应的影响基本可以不予考虑。

图4 不同加载频率下的S-N曲线（R = 0.3）

4. 温度对疲劳寿命的影响

为评估海水腐蚀环境中温度的影响，研究者在腐蚀腔内安装了加热器，在0.5 Hz加载频率和R = 0.3应力比条件下，开展了10°C至80°C范围内的温度控制实验。结果表明：随着温度升高，疲劳寿命显著降低。具体而言，当温度从10°C升高到75°C时，相同应力水平下的疲劳寿命迅速下降。这一现象主要归因于高温环境下腐蚀反应加速以及氧化层退化速率加快，进而加剧了裂纹的萌生和扩展过程。值得注意的是，当温度超过70°C后，S-N曲线的下降显著变陡，凸显了腐蚀疲劳行为对温度的非线性依赖。有趣的是，当温度超过75°C后，观察到疲劳寿命的部分恢复，这一异常现象可能与75°C左右出现的腐蚀速率峰值有关，表明腐蚀与疲劳机制之间的相互作用发生了改变。

图5 不同温度下的S-N曲线（f = 0.5 Hz，R = 0.3）

5. 断口特征分析

实验结束后，将试样进行线切割并使用扫描电子显微镜（SEM）分析裂纹萌生与扩展机制。断口分析表明，各试样的断口表面特征具有一致性。图6显示了高强度钢在腐蚀疲劳下的完整断裂过程：初始阶段，试样表面随机出现腐蚀坑，这些腐蚀坑虽表现出明显的应力集中，但尚未观察到裂纹萌生；随着腐蚀疲劳试验的进行，腐蚀坑逐渐扩大并部分重叠，导致材料累积损伤，最终形成裂纹；裂纹萌生后，裂纹处的应力集中相较于材料其他区域显著增强；在后续加载循环中，裂纹持续扩展直至最终断裂。

图6 高强度钢腐蚀疲劳断裂全过程（3号试样，从左到右分别为加载40万次、90万次、150万次、200万次）

图7展示了断口表面的微观特征。SEM图像显示，高强度钢的断裂模式表现为穿晶断裂与沿晶断裂的混合特征，这主要归因于腐蚀引起的局部应力集中以及晶粒结构的内在异质性。在裂纹附近，晶粒取向各异，位错活动和应力集中在裂纹最为明显。EBSD图像进一步揭示了裂纹附近晶粒取向的变化，裂纹萌生位点常伴有腐蚀产物的堆积和局部腐蚀痕迹。从宏观角度看，断口表面呈现出腐蚀产物沉积、疲劳条纹有序排列以及晶界分离迹象等多种特征，这些特征在SEM图像中相互交织，共同构成了复杂多面的断裂形貌。

图7 高强度钢腐蚀疲劳下的断口表面特征

6. 数值模拟与损伤演化

基于有限元数值分析结果，研究者获得了开裂前腐蚀损伤的分布模式（图8）。尽管单个节点的腐蚀程度存在差异，但整体上呈现出统计规律性。由图8(a)-(e)可见，试样表面的腐蚀程度显著高于侧壁，这主要归因于前者暴露面积更大。值得注意的是，腐蚀缺陷并非以孤立的单个蚀坑形式出现，而是以相互连接、重叠的簇状形式存在，形成复杂的腐蚀区域。这与传统研究中将腐蚀缺陷简化为孤立蚀坑的处理方式有所不同。

图8 基于5个随机腐蚀模型的腐蚀损伤分布模式

为准确模拟断裂过程，研究者在UMAT子程序中引入了状态变量控制方法。当单元的损伤程度D超过0.9时，认为该单元失效并从模型中移除，以模拟材料的断裂和失效。需要注意的是，将临界损伤阈值设置得更高（如D > 1）会导致不收敛问题，无法获得有意义的计算结果。图9显示了5个随机腐蚀模型（a-e）的断裂过程。尽管各模型的失效形貌和断裂位置存在差异，但都遵循相似的腐蚀-疲劳耦合演化过程：腐蚀首先在试样表面诱导缺陷形成，随后在这些缺陷处发生裂纹萌生和逐渐扩展，最终导致断裂。

图9 5个腐蚀-疲劳模型的断裂行为（图8中的a-e）

图10展示了腐蚀与疲劳损伤随时间的累积贡献。在腐蚀-疲劳过程的初始阶段，腐蚀对材料造成的损伤显著大于疲劳。具体而言，在加载寿命的前20%内，5个模型的腐蚀诱导损伤分别为0.1、0.09、0.07、0.12和0.16，而同时期的疲劳损伤分别为0.02、0.04、0.01、0.06和0.1。随着腐蚀-疲劳加载的持续进行，腐蚀诱导损伤的速率逐渐减慢，而疲劳损伤的累积效应则不断增强。腐蚀损伤累积曲线与疲劳损伤累积曲线的交点标志着从腐蚀坑向裂纹转变的过渡点。在整个腐蚀-疲劳过程中，腐蚀虽然只占总损伤的相对较小部分，但疲劳损伤只有在加载循环超过疲劳寿命的一半后才成为主导因素。在高强度钢的耦合腐蚀-疲劳过程中，裂纹萌生寿命占总寿命的50%以上，而裂纹扩展寿命相对较短。

图10 腐蚀和疲劳损伤随时间的累积贡献

7. 有限元模型与网格分析

在Abaqus软件中建立了与实验试样尺寸相同的有限元模型。基础材料参数基于非腐蚀条件下的实验结果确定，包括：弹性模量E = 210 GPa、泊松比v = 0.3、屈服强度σᵧ = 760 MPa，以及与材料本构行为相关的系列参数。考虑海水环境的高腐蚀水平，腐蚀等级设置为L6，选取Iₚ₀ = 0.25 m²/A作为表征腐蚀速率的关键参数。此外，通过设置ΔH = 20 kJ/mol来表征腐蚀反应的热效应。

网格参数分析（图11）表明，随着网格尺寸的减小，有限元模型中的应力奇异现象逐渐减弱。当网格尺寸从8 mm减小到约2 mm时，应力值变化显著；而当网格尺寸进一步减小到1 mm和0.5 mm时，应力变化较小并趋于稳定。具体而言，2 mm网格尺寸下最大应力为948 MPa，1 mm网格下为951 MPa，0.5 mm网格下为946 MPa。综合考虑计算精度与资源效率，研究选取2 mm作为初始网格配置。无论网格尺寸如何，模型的肩部区域均观察到显著的应力集中现象，且在最终断裂位置尤为明显。

图11 网格参数分析与有限元模型

结论与工程启示

该研究通过实验测试、理论建模与数值模拟相结合的方式，系统地揭示了高强度钢在海水腐蚀环境中的腐蚀疲劳行为及其损伤演化机制。主要结论包括：

（1）应力比、加载频率和环境温度对腐蚀疲劳寿命具有显著影响：较高的应力比和温度会显著降低疲劳寿命，而较高的加载频率可缓解腐蚀效应。当加载频率超过10 Hz时，腐蚀-疲劳耦合效应的影响可基本忽略。

（2）腐蚀对疲劳寿命的影响主要体现在加速裂纹萌生阶段：虽然腐蚀对整体损伤累积的贡献相对较小，但它显著加速了裂纹萌生过程，裂纹萌生阶段占总疲劳寿命的50%以上，而裂纹扩展阶段则不足50%。这一发现凸显了Paris定律在预测裂纹扩展行为方面的局限性。

（3）数值模拟结果与实验数据具有较好的一致性：基于UMAT和UMESHMOTION子程序开发的腐蚀-疲劳耦合损伤模型能够有效再现实验观测的腐蚀损伤分布、裂纹萌生位置和断裂过程。理论预测与实验结果的平均误差为11.26%，最大误差为20.68%，最小误差为3.96%。误差来源主要包括：理论计算中的腐蚀环境与实际实验环境的差异、材料性能的内在变异性以及经验模型的局限性。

（4）该研究为海洋工程结构中腐蚀疲劳寿命的预测和防护策略提供了科学依据。所建立的耦合损伤模型不仅推进了对高强度钢在海洋环境下腐蚀-疲劳失效机理的理解，也为工程结构的服务寿命预测和安全评估提供了重要的理论工具和数值方法。未来的研究可进一步考虑各向异性硬化的影响，并结合更多环境因素（如氯离子浓度、溶解氧含量等）以提高模型的普适性和预测精度。