随着国家“海上丝绸之路”和海洋强国战略的逐步推进，对海洋环境中金属构件的性能要求也不断提高。海洋环境是严酷的腐蚀性自然环境，海水富含盐类物质，且还溶解有氧气、二氧化碳等气体，具有很强的腐蚀性。海洋环境中金属构件如海上平台支撑结构、传动轴、齿轮、 轴承和船舶艉轴等，在服役过程中除了受到海水环境的腐蚀作用，还受到海浪波动造成的或者自身运动传递的循环载荷作用。

为了抵御高湿度、高盐度的海洋环境，海洋环境中金属构件多采用耐腐蚀性能较优的合金钢、镍基合金、钛合金和铝合金等，但随着服役年限的增加。海洋环境中金属构件长期处于腐蚀环境和循环载荷的耦合作用下会出现不同程度的腐蚀疲劳性能下降甚至失效。

材料的失效主要源于材料表面的疲劳和腐蚀，上述失效形式占了80%以上。腐蚀是一种自然现象，一般指材料（通常是金属）与周围环境相互作用而导致其衰变。腐蚀疲劳是金属材料构件在腐蚀性环境中承受交变载荷形成裂纹并扩展的现象，其本质是电化学腐蚀与力学因素的共同作用，是海洋环境中金属构件过早失效的主要原因之一。

作为腐蚀-疲劳耦合作用下的失效形式，腐蚀疲劳受到材料种类、所处环境和受载状态等多种因素的共同影响，其导致的损伤远大于单纯的疲劳损伤和腐蚀损伤。对于金属构件腐蚀疲劳的研究更是涉及了材料学、电化学、力学等多学科领域。

金属的腐蚀损伤按类型可分为：点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂、丝状腐蚀、侵蚀腐蚀等。关键构件在腐蚀环境中不可避免的会受到上述腐蚀损伤，加上载荷的作用则由腐蚀造成的表面缺陷就会产生较大的应力集中从而降低关键构件的疲劳寿命。

金属的腐蚀损伤本质上是金属材料的电化学反应过程，故不同的金属构件表面性能及所处腐蚀环境的不同都会导致不同程度的腐蚀损伤。关于腐蚀疲劳机理的研究颇多，目前主要有：蚀坑应力集中理论、吸附理论、保护膜破裂理论等，其主要观点可笼统的概括为金属构件因腐蚀损伤造成的表面缺陷是主要的疲劳源区。

本篇文章围绕金属构件的腐蚀疲劳失效问题，从腐蚀损伤和腐蚀-载荷耦合作用下的腐蚀疲劳影响因素出发，对目前金属构件腐蚀疲劳性能改善的各种表面改性技术进行分析，综合当前研究现状探讨表面改性技术提高海洋环境中金属构件腐蚀疲劳性能的发展趋势及不足。

金属腐蚀按腐蚀形貌可分为均匀腐蚀和局部腐蚀两种，后者因为不易发现、破坏性强等特点，往往会给工程构件带来不可逆转的损伤，并导致灾难性的后果。为探明这些腐蚀损伤行为对金属构件的影响，需要准确表征金属腐蚀损伤程度。目前常用的表征手段有电化学法、失重法等，单一方法难以全面描述金属构件的腐蚀情况，研究中往往利用多种表征方式共同表征金属构件的耐腐蚀性能。

目前海洋环境中金属构件的腐蚀损伤的影响因素研究主要集中在环境因素和表面质量两个方面：

目前，可将海洋环境分为5个腐蚀区带：海洋大气区、浪花飞溅区、海洋潮差区、海水全浸区和海底泥土区，而我国已建和在建的各类海上及沿海设施在上述5个腐蚀区带均有分布。

构件的耐腐蚀性能不仅受环境因素影响，其本身的表面质量（包含表面粗糙度、表层力学状态和表层微观组织）也会在不同程度上影响耐腐蚀性。有研究学者发现试样的表面粗糙度越低，其耐腐蚀性能越好。随着表面粗糙度降低试样的腐蚀电位逐渐减小，即耐腐蚀性能增加。

腐蚀的影响因素种类繁多且存在相互耦合的情况，确定不同影响因素的影响程度以及它们之间的耦合作用和改变构件表面质量以提高构件的耐腐蚀性的研究具有重要意义。

有研究学者对E690钢在模拟海水中的腐蚀疲劳行为进行了研究，发现在模拟海水中E690钢没有疲劳极限，表明腐蚀介质严重降低了E690钢的疲劳性能。对于Q690qE高强度桥梁钢在模拟沿海工业环境中的腐蚀行为，研究学者发现循环腐蚀40天后氯离子集中在腐蚀坑的底部，导致构件的力学性能和腐蚀疲劳寿命显著降低，腐蚀疲劳寿命随着预腐蚀时间的增加而降低，腐蚀时间的增加会形成更多、更大的腐蚀坑，从而导致较大的应力集中而发生疲劳断裂。

应力幅值的变化对海洋钢结构焊接头腐蚀疲劳裂纹扩展速率也具有重要影响，当应力幅值超过临界值时，随应力幅值的增加，疲劳裂纹扩展速率会显著增加，应力幅值的变化对早期腐蚀疲劳裂纹扩展没有显著影响，而随着裂纹的增长，当疲劳载荷成为主导因素时应力幅值的影响开始显现。不同的因素(如腐蚀时间、应力幅值、载荷频率等)之间会相互耦合而影响腐蚀疲劳寿命。

与前文腐蚀损伤相同，不同材料试样的表面粗糙度、残余应力和晶粒尺寸对其腐蚀疲劳寿命有着至关重要的影响。有研究学者研究了抛光前后样品的腐蚀疲劳寿命，发现表面粗糙度低的样品腐蚀疲劳寿命更高。另外，一定条件下晶粒组织更细的试样，其腐蚀疲劳寿命也更好。

单独的腐蚀环境或载荷造成的疲劳失效程度远不及两者的耦合作用。如何准确描述环境和载荷之间的耦合关系，探明腐蚀疲劳的失效机理将是未来研究的难点和重点。对于海洋环境下金属构件，海洋腐蚀环境无法避免，减少应力载荷，改变构件表面质量从而提升构件腐蚀疲劳寿命是目前研究的重点。

表面涂层是提高金属的耐腐蚀性常用的一类方法，通过在金属表面涂覆一层保护膜以达到和腐蚀环境隔离的作用。除了刷油漆、电镀等传统方法，学者们还研究了疏水涂层和复合镀层等新型防腐方法。表面涂层不仅可以提升构件的耐腐蚀性，在某些情况下也可以提升构件的腐蚀疲劳寿命。

表面涂层方法可以一定程度提升试样的耐腐蚀性能，但无法大幅提升试样的受载能力，且涂层和基体的界面甚至可能成为疲劳失效的源区。因此，此类方法可以显著提高构件的耐腐蚀性能，但难以很好地解决构件腐蚀疲劳寿命短的问题。

机械喷丸是利用高速喷射的微小颗粒冲击工件表面，使表层产生塑性变形，引入残余压应力并细化晶粒，从而提升构件的表层性能。有研究学者对喷丸(SP)和等离子体电解氧化(PEO)复合处理对7A85铝合金的腐蚀疲劳寿命进行了研究，发现只进行PEO处理会降低原始试样的腐蚀疲劳寿命，在PEO处理前进行SP处理可以提高原始试样的腐蚀疲劳寿命，在两者间加入抛光处理(P)则可以进一步提高试样腐蚀疲劳寿命。这是因为SP引入的残余压应力可以抑制晶间腐蚀，抛光则可以降低SP后带来的表面粗糙度的增加。另外，研究学者发现残余压应力高的实验分组其腐蚀疲劳寿命也高（SP组除外），出现这种情况是因为PEO涂层引入了较大的表面粗糙度从而导致局部应力集中，反而降低了腐蚀疲劳寿命。

不同表面条件下试样的(a)表面残余压应力(b)腐蚀疲劳寿命

研究学者发现不同超声喷丸(USSP)持续时间材料表面残余压应力分布不同，残余压应力随持续时间的增加而增大，较短的持续喷丸时间在试样表面引入的微应变、位错和压应力较小，可以使试样表面钝化膜更加致密、稳定，而过长时间的喷丸会造成试样表面粗糙度的增加，这易引起点蚀的发生，导致耐腐蚀性能降低。

综上所述，喷丸强化可以在试样表面引入残余压应力从而提升其耐腐蚀性和腐蚀疲劳寿命，但同时也要考虑喷丸强化对表面完整性（如表面粗糙度）带来的影响。较差的的表面完整性会对试样的耐腐蚀性和腐蚀疲劳寿命带来不利的影响。因此，需要综合考虑试样表面状态，合理选择喷丸参数，不能一味追求某个单一表面性能的提升。

激光冲击强化是利用短脉冲激光诱导吸收层（黑胶或铝箔）产生等离子体，并在约束层（水或玻璃）的束缚下产生GPa级的冲击波作用于试样表面。超高压冲击波作用于试样表面并向内传播，使试样表层 发生塑性变形，产生高密度位错，引入高残余压应力场和硬度场，甚至使晶粒细化至纳米级。这些表层性能的改善可以有效提高试样的耐腐蚀性和腐蚀疲劳寿命。

目前研究人员主要聚焦于研究不同的激光冲击参数对试样耐腐蚀性和腐蚀疲劳寿命的影响。例如有研究学者研究了平均冲击次数(ANP)、光斑直径、激光能量密度对ANSI 316L不锈钢腐蚀性能和硬度的影响，发现不同光斑直径下，ANP和激光能量密度对试样硬度和面阻抗的影响趋势相似，即经过激光冲击处理试样的硬度和面阻抗都有所提升，面阻抗的增加表明激光冲击可以提高试样的耐腐蚀性。

有研究学者研究了不同覆盖层数的激光冲击强化对AISI 4145钢电化学耐腐蚀性的影响，发现8J能量的激光冲击可以大幅提升试样表层残余压应力且相同能量下增加激光冲击覆盖层数可进一步提升残余压应力。随着激光冲击覆盖层数的增加，钝化电流密度在减小，这表明获得了较好的耐腐蚀性能，这说明较高的残余压应力可以提高试样耐腐蚀性，然而随着覆盖层数增加到 3 层，钝化电流密度基本不变，这说明激光重复冲击的效果有限。另外有学者认为珠光体的存在可以提升AISI 4145钢的耐点蚀性，大规模的LSP处理可以将线条状珠光体破碎成较小的珠光体，增加激光能量和覆盖层数还能提高珠光体含量，这些微观结构的变化都有利于试样耐腐蚀性的提高。

对于不同覆盖层数的激光冲击强化对Fe-Cr合金试样在NaCl溶液中的腐蚀疲劳行为，研究学者认为覆盖层数的增加可以提高残余压应力，LSP处理引入的残余压应力场可以有效提升试样的腐蚀疲劳寿命，相同NaCl溶液浓度下，激光冲击覆盖层数多的实验组表现出了较好的腐蚀疲劳寿命。

综上所述，适当增加激光冲击覆盖层数可以一定程度上提高试样的耐腐蚀性能，这是由于表面残余压应力的提高以及微观组织(如晶粒细化)的变化共同作用的结果。

研究学者研究了不同激光能量对300M钢腐蚀疲劳寿命的影响，发现在同一加载应力水平下，经LSP处理的试样的腐蚀疲劳寿命有明显提升，且这种提升随着激光能量的增加而增加。这是因为LSP在试样表面带来了较高的残余压应力，且在试样次表层形成变形孪晶并提高了位错密度，进一步提高了试样的腐蚀疲劳寿命。此外腐蚀疲劳过程中位错、微变形的减小和残余压应力具有松弛现象，这是因为疲劳过程中位错的持续运动会导致原有位错的湮灭，进而导致变形能的逐渐释放和残余压应力的松弛。经较高激光能量(7J)处理的试样表面的微变形、位错密度和残余压应力更加稳定，能够更有效地抑制疲劳裂纹扩展从而拥有更高的腐蚀疲劳寿命。

激光冲击处理可以有效抑制裂纹的萌生和扩展，延长试样腐蚀疲劳寿命，在同一激光冲击能量下，试样的腐蚀疲劳寿命随pH值的降低而减少。这是因为pH值的降低会导致氢离子浓度升高从而破坏金属试样表面的钝化膜，促进滑移带的溶解，从而使裂纹扩展速率加快，降低试样的腐蚀疲劳寿命。

改性超声表层改性作为应变强化技术的一种，其包括了超声滚压和超声冲击两种主要的强化方式。超声滚压以超声波(18-30KHz)为能量，通过静载滚动对工件表面施加超声冲击振动，能有效消除工件表面因加工带来的缺陷，降低表面粗糙度，提高表面完整性，此外超声滚压还能使工件表层晶粒产生塑性变形，促进位错滑移，还能引入残余压应力和晶粒细化。超声冲击是借助超声波能量，通过工具头对工件表面的往复冲击引入残余压应力、改善工件表面状态。研究人员发现超声表层改性技术可以提高试样的耐腐蚀性和腐蚀疲劳寿命，目前主要聚焦于超声滚压工艺参数对试样耐腐蚀性和腐蚀疲劳寿命的影响。

4.1 不同滚压次数对耐腐蚀性能的影响

有研究学者研究了不同超声滚压冲击次数对7075铝合金在氯化物环境下的耐腐蚀性能，经多次超声滚压后，在试样的表层引入了较大的残余压应力场且显著降低了试样表面的粗糙度，且实验结果表明超声滚压后的试样钝化电流密度更低，即有更好的耐腐蚀性。超声滚压使试样表面粗糙度降低并引入了残余压应力，通过增加滚压次数可以将表面晶粒细化到纳米级，从而进一步提高样品的耐腐蚀性能。

较高的残余压应力和较低的表面粗糙度会改善试样的耐腐蚀性能，但这一结论并不绝对。当晶粒尺寸细化到纳米级别时，由于存在大量纳米级晶粒和晶界，这会引起大量惰性元素富集在晶界从而形成致密的钝化膜阻碍腐蚀行为的进行。

超声滚压能提高7B50-T7751铝合金试样的腐蚀疲劳寿命，这是因为超声滚压后，细化了试样表面微观组织、形成了高残余压应力场和显微硬度场的梯度改性层，而UR1（滚压一次）组有最高的腐蚀疲劳寿命，这是因为相较滚压3次和6次的试样其表面粗糙度较低。因此需要注意表面完整性对试样腐蚀疲劳寿命的影响，因为滚压次数过多可能会造成表面损伤，利于疲劳裂纹的萌生，从而降低腐蚀疲劳寿命。

如果应用到具体金属构件上，选取合适的超声滚压冲击次数则需要综合考虑表面残余压应力的大小以及表面完整性，可以在保证表面完整性的基础上尽可能选取能产生较大残余压应力的冲击次数。

4.2 不同静压力对耐腐蚀性能的影响

有研究学者对不同超声滚压静压（100N、200N、300N、400N）下316L不锈钢的耐腐蚀性能进行研究，发现静压载荷的增加可以提升试样表面的显微硬度及其影响层深度并引入较高的残余压应力。另外有研究表明显微组织越致密说明单位体积内原子数越多，这有助于形成致密的钝化膜阻碍Cl的侵入从而提高耐腐蚀性能。然而也有研究发现随着静压的增加，试样的耐腐蚀性先增加后降低。静压为200N时，试样有最佳的耐腐蚀性能，而静压为400N时耐腐蚀性能最差，甚至低于原始试样。这是因为施加合适的静压可以降低试样表面粗糙度、引入残余压应力和晶粒细化从而提升试样的耐腐蚀性；然而当静压过大时会导致试样表面出现剥落坑缺陷，缺陷表面的钝化膜致密性差，更容易被溶液中的腐蚀离子击穿，这会促进腐蚀进程。

有研究学者采用超声纳米晶表面改性(UNSM)对 7075-T651预腐蚀铝合金的疲劳性能进行改善，结果表明对预腐蚀试样表面进行抛光和UNSM处理均可以提升预腐蚀试样的疲劳寿命。抛光处理带来的疲劳寿命增益有限，而UNSM处理可以使试样疲劳寿命提高至原来的20倍，这是因为抛光和UNSM均可对腐蚀表面起到一定的修复作用，且得益于高残余压应力和硬度梯度的引入。