01背景与意义
镁及其合金作为最轻的金属结构材料，凭借其低密度、高比强度与比刚度、优异的阻尼性能及生物相容性，在航空航天、汽车轻量化、生物医疗等领域展现出巨大应用潜力。然而，镁合金的电化学活性高，导致其耐蚀性较差，且在循环应力作用下易发生腐蚀疲劳失效，严重制约了其在关键结构部件上的服役可靠性。据统计，镁合金的腐蚀疲劳强度在腐蚀环境中降低40%以上，也迫使人们开始关注镁合金疲劳腐蚀性能的研究工作。当前研究多聚焦于镁合金的单一腐蚀或疲劳行为，而对两者交互作用的微观机制（如微结构演变、局部腐蚀与裂纹萌生的关联）仍缺乏深入理解。传统表征技术难以实时捕捉腐蚀疲劳过程中微米尺度的电化学活性变化。
最近，巴西ABC联邦大学Renato Altobelli Antunes教授等人综述了镁合金腐蚀疲劳行为的最新研究进展，重点探讨了微观结构、环境因素及应力条件对腐蚀疲劳性能的影响机制。该研究通过系统分析不同合金体系（如AZ系列、WE系列等）在模拟服役环境中的腐蚀疲劳行为，揭示了晶界特征、第二相分布及表面处理对裂纹萌生与扩展的关键作用。此外，研究还评估了现有防护技术（如表面涂层、合金化改性等）在延缓腐蚀疲劳失效方面的效果，为开发高性能镁合金提供了重要参考。综述同样指出，当前研究仍存在一些不足，例如对复杂多因素耦合作用下的腐蚀疲劳机制缺乏定量描述，以及对长周期服役性能的预测能力有限。这些问题的解决需要进一步结合先进表征技术与多尺度模拟方法，以推动镁合金腐蚀疲劳研究的深入发展。
02图文导读
首先，作者综述了腐蚀与疲劳协同作用机制及微观结构影响。近年研究聚焦于镁合金腐蚀与疲劳的交互作用机制，揭示了微观结构（晶粒尺寸、析出相、变形孪晶）与局部腐蚀（如点蚀）对疲劳失效的关键影响。例如，AZ31B合金经热处理后晶粒粗化（从35 μm增至250 μm）导致点蚀敏感性增加，而细晶材料（如Mg-Y-0.05Ca合金）因腐蚀产物层更致密，耐蚀性显著提升（原文图1-3）。涂层缺陷（如PEO涂层的孔隙、HA涂层的微坑）成为疲劳裂纹优先萌生位点，降低疲劳极限（如AZ61合金疲劳强度从90 MPa降至80 MPa）。研究还表明，微电偶效应（如Mg2Ca相与基体）、位错堆积及残余应力是局部腐蚀的驱动力，进而加速疲劳裂纹扩展（原文图4-6）。此外，腐蚀介质（如Cl-、H+）在应力集中区的优先吸附加剧了局部电化学活性，导致疲劳寿命显著缩短。
在扫描电化学技术的创新应用方面，作者认为，扫描电化学技术（SECM、SVET、LEIS等）为微观尺度腐蚀-疲劳机制研究提供了新视角，如表1所示。通过SG/TC模式实时监测AZ31合金在模拟体液中H2析出分布，定位高活性腐蚀区域；运用SVET捕捉NaCl溶液中AZ31合金点蚀动态过程，发现阳极电流密度集中区域随腐蚀产物覆盖而迁移；通过LEIS表征揭示了Li2CO3/Mg(OH)2复合涂层缺陷处阻抗变化，发现氢气泡填充缺陷可延缓腐蚀；采用SKP测试发现氢化处理的Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金表面Volta电位提升（-1.01 V vs. -2.15 V），验证氢处理对耐蚀性的改善。这些技术为原位解析腐蚀-疲劳协同作用提供了关键数据，如应力集中区电化学活性增强、涂层/基体界面失效机制等。同时也为原位解析腐蚀-疲劳协同作用提供了实验支撑，如应力集中区电化学活性增强、涂层/基体界面失效机制等。此外，结合高分辨率显微技术（如SEM、TEM）和电化学分析，揭示了腐蚀产物层在疲劳载荷下的动态演变过程。
表1 运用扫描电化学技术研究材料腐蚀疲劳的文献
表面处理技术（如PEO、LDH、冷喷涂）在提升镁合金耐蚀-抗疲劳性能方面取得显著进展。制备PEO涂层，能够通过添加ZrO2纳米颗粒封闭孔隙，降低腐蚀速率，但涂层引入的残余应力导致疲劳强度下降15%-17%；利用LDH涂层，Mg-Li LDH层通过离子交换抑制Cl-渗透，结合缓蚀剂（如酒石酸）形成致密腐蚀产物。然而，现阶段对镁合金疲劳腐蚀机制的研究仍存在诸多挑战：微观尺度腐蚀-疲劳动态过程缺乏原位表征手段；涂层缺陷控制、多尺度模拟（如DIDD模型：溶解-电离-扩散-沉积模型）与高通量实验需进一步结合；生物可降解镁合金的长期疲劳-降解协同机制亟待明晰。
未来研究需重点关注以下方向：1. 原位表征技术：开发结合电化学、力学和显微技术的原位测试平台，实时监测腐蚀-疲劳协同作用；2. 智能涂层：开发具有自修复功能的智能涂层（如微胶囊缓蚀剂涂层），以应对复杂环境下的腐蚀-疲劳挑战；3. 多尺度模拟：结合分子动力学（MD）和有限元分析（FEA），预测腐蚀产物层在疲劳载荷下的动态行为；4. 生物医学应用：深入研究生物可降解镁合金在生理环境下的腐蚀-疲劳机制，推动其在骨科植入物中的应用；5. 跨学科融合（如材料科学、电化学、生物医学）将为镁合金腐蚀与疲劳协同作用的研究提供新思路，推动其在航空、汽车、生物医学等领域的可靠应用。
03结论与展望
尽管镁合金在轻量化结构应用中展现出巨大潜力，但其腐蚀疲劳行为的研究仍面临诸多挑战。目前的研究主要集中在腐蚀疲劳机制、微观结构对疲劳裂纹萌生和扩展的影响，以及涂层对镁合金腐蚀疲劳性能的改善等方面。然而，现有的研究大多依赖于传统的表征技术，如扫描电子显微镜（SEM）和电化学阻抗谱（EIS），这些技术虽然能够提供腐蚀疲劳后的表面形貌和成分信息，但无法在腐蚀疲劳过程中实时监测局部腐蚀过程。因此，未来的研究应更多地利用具有高空间分辨率的扫描电化学技术，如扫描电化学显微镜（SECM）、扫描振动电极技术（SVET）和扫描开尔文探针（SKP），以揭示镁合金在腐蚀疲劳过程中的局部电化学行为。此外，开发适用于腐蚀疲劳实验的微电化学池，结合循环应力加载，将有助于更深入地理解腐蚀疲劳的微观机制。未来的研究还应关注如何通过优化合金成分、热处理工艺和涂层技术，进一步提高镁合金在腐蚀环境中的疲劳性能，从而推动其在航空航天、汽车和生物医学等领域的广泛应用。
04文章信息
该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2024年第12卷第8期：
[1] Mara Cristina Lopes de Oliveira, Rejane Maria Pereira da Silva, Ricardo M. Souto, Renato Altobelli Antunes*. A review on the synergism between corrosion and fatigue of magnesium alloys: Mechanisms and processes on the micro-scale [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2024, 12(8): 3062-3093.
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06中文摘要
由于镁（Mg）及其合金在结构应用中的不断扩展，了解镁及其合金循环应力与腐蚀之间的相互作用的需求日益增加。本综述致力于探索这些材料的腐蚀-疲劳机制，重点关注微观尺度的过程，并探讨利用扫描电化学技术扩展当前知识的可能性。通过考虑微观结构特征（晶粒尺寸、析出物、变形孪晶）以及点蚀的形成，分析了镁合金的疲劳与腐蚀之间的相互作用。此外，对于涂层合金，还描述了涂层缺陷在这些现象中的作用。在此背景下，探讨了使用扫描电化学显微镜（SECM）、扫描振动电极技术（SVET）、扫描离子选择性电极技术（SIET）、局部电化学阻抗谱（LEIS）和扫描开尔文探针（SKP）方法研究镁合金腐蚀-疲劳相互作用的可行性。本文综述了该领域的现有文献，并讨论了利用这些技术研究镁合金腐蚀-疲劳微观过程的机会与局限性。
07英文摘要
Understanding the interaction between cyclic stresses and corrosion of magnesium (Mg) and its alloys is increasingly in demand due to the continuous expansion of structural applications of these materials. This review is dedicated to exploring the corrosion-fatigue mechanisms of these materials, with an emphasis on microscale processes, and the possibility of expanding current knowledge on this topic using scanning electrochemical techniques. The interaction between fatigue and corrosion of Mg alloys is analyzed by considering the microstructural aspects (grain size, precipitates, deformation twins), as well as the formation of pits. Furthermore, in the case of coated alloys, the role of coating defects in these phenomena is also described. In this context, the feasibility of using scanning electrochemical microscopy (SECM), scanning vibrating electrode technique (SVET), scanning ion-selective electrode technique (SIET), localized electrochemical impedance spectroscopy (LEIS) and scanning Kelvin probe (SKP) methods to study the corrosion-fatigue interaction of Mg alloys is examined. A comprehensive review of the current literature in this field is presented, and the opportunities and limitations of consolidating the use of these techniques to study the microscale processes involved in Mg corrosion-fatigue are discussed.
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