高強(qiáng)度7xxx系列鋁合金，可以滿足輕質(zhì)高強(qiáng)材料的需要，以減少碳排放，并廣泛用于航空航天減輕重量的目的。然而，這些合金通過陽極溶解和氫脆(HE)對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)很敏感。

在此，來自英國帝國理工學(xué)院的Baptiste Gault等研究者，在近原子尺度上研究了7XXX系鋁合金的應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）和氫脆行為。相關(guān)論文以題為“Revisiting stress-corrosion cracking and hydrogen embrittlement in 7xxx-Al alloys at the near-atomic-scale”發(fā)表在Nature Communications上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31964-3

全球?qū)崿F(xiàn)凈零碳排放的需求，加強(qiáng)了對(duì)輕型和高強(qiáng)度材料的需求，例如：輕型汽車和發(fā)展氫能經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施，例如商用飛機(jī)或煉鐵部門。7xxx系列鋁合金已廣泛用于航空航天領(lǐng)域的減重目的，并有望得到更廣泛的應(yīng)用。富Cu 7xxx系列鋁合金具有復(fù)雜的組織，η′/η相(Mg(Zn,Cu,Al)2)硬化析出相、Al3Zr等彌散體以及Al7Cu2Fe和Mg2Si等粗大的金屬間化合物粒子。這些合金，是通過在晶內(nèi)和晶界析出富含溶質(zhì)的η相來強(qiáng)化的。然而，7xxx鋁合金容易發(fā)生氫脆(HE)，特別是通過在應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)過程中產(chǎn)生氫。

SCC是由陽極溶解和HE驅(qū)動(dòng)的，但它們對(duì)SCC的相對(duì)貢獻(xiàn)取決于環(huán)境，也取決于合金成分、板厚和回火。學(xué)術(shù)研究往往集中在H對(duì)力學(xué)性能的影響，其微觀組織捕獲的條件遠(yuǎn)不是在操作中遇到的，這使得它們難以直接轉(zhuǎn)化為實(shí)踐。盡管對(duì)這些合金的SCC和HE進(jìn)行了廣泛的研究，但對(duì)這些復(fù)雜過程的整體理解仍然缺失，這阻礙了這些材料設(shè)計(jì)策略的發(fā)展。

腐蝕，在裂紋尖端產(chǎn)生原子H，主要是由于η相、富鋁基體和GB區(qū)之間的電位差異造成的，因此與SCC不可分離。HE與GB的氫增強(qiáng)局部塑性(HELP)和氫增強(qiáng)脫聚(HEDE)等有關(guān)。HELP機(jī)制基于在固溶體中觀察到H存在時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和滑移定位的增加，而HEDE提出H的存在降低了界面的結(jié)合能，從而減少了斷裂功。最近的一篇文章提出HEDE是由H和Mg分離到GB的共同作用引起的。

人工時(shí)效用于優(yōu)化性能，也改變了沉淀的組成和他們的腐蝕和SCC易感性。過時(shí)效在η相引入更多的Cu，提高其電化學(xué)電位，從而減小了與基體的電位差，減少了陰極處的H生成，這與SCC易感性的降低有關(guān)。SCC引起的裂紋，主要沿晶間傳播，在氯化物溶液和潮濕空氣中觀察到的裂紋止裂標(biāo)志(CAM)表明裂紋不連續(xù)，這與有時(shí)提出的滑移溶解型速率控制機(jī)制不一致。CAMs可由多種SCC機(jī)制引起，包括薄膜誘導(dǎo)解理、HEDE和吸附誘導(dǎo)位錯(cuò)發(fā)射。

CAMs的存在表明所有與裂紋相關(guān)的現(xiàn)象都發(fā)生在局部，就在裂紋尖端的前面。此外，腐蝕產(chǎn)生的氧化物及其相對(duì)穩(wěn)定性決定了H產(chǎn)率，其入口和圈閉與微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。然而，人們?nèi)狈CC過程中空間分辨的H成分?jǐn)?shù)據(jù)，并且關(guān)于Al合金中擴(kuò)展應(yīng)力腐蝕裂紋尖端形成的腐蝕層的成分和結(jié)構(gòu)的報(bào)道非常有限。這些知識(shí)差距阻礙了SCC過程中活性機(jī)制的確定。

在此，研究者利用透射電子顯微鏡(TEM)和原子探針斷層掃描(APT)研究了納米尺度下應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展引起的微觀結(jié)構(gòu)和微觀化學(xué)變化。APT具有較高的化學(xué)和空間分辨率，并提供準(zhǔn)確的成分信息。它已成功地用于繪制鋼中的捕獲H，包括在晶體缺陷，以及鈦合金，在7xxx鋁合金中，并分析不銹鋼SCC過程中形成的裂紋尖端氧化物。研究者將重點(diǎn)放在裂紋的直接附近和主裂紋前面的區(qū)域，特別是裂紋沿晶界生長的區(qū)域。研究者觀察到裂紋前的H向GB偏析，以及通常歸因于位錯(cuò)的線性特征。腐蝕裂紋表面為富鎂、氯化非晶態(tài)氫氧化物。為了澄清，研究者把它簡單地稱為氧化物。無析出區(qū)(PFZ)和裂紋附近及前面的析出相的組成發(fā)生了很大的變化，金屬氧化物界面附近的基體在at%O處的含量高達(dá)1以上，即遠(yuǎn)高于O在Al中的溶解度極限，而H的含量沒有增加。研究者從已發(fā)表文獻(xiàn)的角度討論了它們的發(fā)現(xiàn)，并提供了一系列有關(guān)結(jié)構(gòu)缺陷和溶質(zhì)從基體中傳輸?shù)南嗷プ饔玫挠懻擖c(diǎn)，可能有助于強(qiáng)化相的溶解，從而改變裂紋擴(kuò)展的阻力。（文：水生）

圖1 H對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋附近變形行為的影響。

圖2 7449-T7651合金應(yīng)力腐蝕開裂過程中的腐蝕行為。

圖3 在應(yīng)力腐蝕開裂過程中，基體和η相析出。

圖4 應(yīng)力腐蝕裂紋前的晶界成分波動(dòng)。