《Nature》子刊： 近原子尺度探讨7系铝合金的应力腐蚀开裂和氢脆！

高强度7xxx系列铝合金，可以满足轻质高强材料的需要，以减少碳排放，并广泛用于航空航天减轻重量的目的。然而，这些合金通过阳极溶解和氢脆(HE)对应力腐蚀开裂(SCC)很敏感。

在此，来自英国帝国理工学院的Baptiste Gault等研究者，在近原子尺度上研究了7XXX系铝合金的应力腐蚀开裂（SCC）和氢脆行为。相关论文以题为“Revisiting stress-corrosion cracking and hydrogen embrittlement in 7xxx-Al alloys at the near-atomic-scale”发表在Nature Communications上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31964-3

全球实现净零碳排放的需求，加强了对轻型和高强度材料的需求，例如：轻型汽车和发展氢能经济的基础设施，例如商用飞机或炼铁部门。7xxx系列铝合金已广泛用于航空航天领域的减重目的，并有望得到更广泛的应用。富Cu 7xxx系列铝合金具有复杂的组织，η′/η相(Mg(Zn,Cu,Al)2)硬化析出相、Al3Zr等弥散体以及Al7Cu2Fe和Mg2Si等粗大的金属间化合物粒子。这些合金，是通过在晶内和晶界析出富含溶质的η相来强化的。然而，7xxx铝合金容易发生氢脆(HE)，特别是通过在应力腐蚀开裂(SCC)过程中产生氢。

SCC是由阳极溶解和HE驱动的，但它们对SCC的相对贡献取决于环境，也取决于合金成分、板厚和回火。学术研究往往集中在H对力学性能的影响，其微观组织捕获的条件远不是在操作中遇到的，这使得它们难以直接转化为实践。尽管对这些合金的SCC和HE进行了广泛的研究，但对这些复杂过程的整体理解仍然缺失，这阻碍了这些材料设计策略的发展。

腐蚀，在裂纹尖端产生原子H，主要是由于η相、富铝基体和GB区之间的电位差异造成的，因此与SCC不可分离。HE与GB的氢增强局部塑性(HELP)和氢增强脱聚(HEDE)等有关。HELP机制基于在固溶体中观察到H存在时位错运动和滑移定位的增加，而HEDE提出H的存在降低了界面的结合能，从而减少了断裂功。最近的一篇文章提出HEDE是由H和Mg分离到GB的共同作用引起的。

人工时效用于优化性能，也改变了沉淀的组成和他们的腐蚀和SCC易感性。过时效在η相引入更多的Cu，提高其电化学电位，从而减小了与基体的电位差，减少了阴极处的H生成，这与SCC易感性的降低有关。SCC引起的裂纹，主要沿晶间传播，在氯化物溶液和潮湿空气中观察到的裂纹止裂标志(CAM)表明裂纹不连续，这与有时提出的滑移溶解型速率控制机制不一致。CAMs可由多种SCC机制引起，包括薄膜诱导解理、HEDE和吸附诱导位错发射。

CAMs的存在表明所有与裂纹相关的现象都发生在局部，就在裂纹尖端的前面。此外，腐蚀产生的氧化物及其相对稳定性决定了H产率，其入口和圈闭与微观结构有关。然而，人们缺乏SCC过程中空间分辨的H成分数据，并且关于Al合金中扩展应力腐蚀裂纹尖端形成的腐蚀层的成分和结构的报道非常有限。这些知识差距阻碍了SCC过程中活性机制的确定。

在此，研究者利用透射电子显微镜(TEM)和原子探针断层扫描(APT)研究了纳米尺度下应力腐蚀裂纹扩展引起的微观结构和微观化学变化。APT具有较高的化学和空间分辨率，并提供准确的成分信息。它已成功地用于绘制钢中的捕获H，包括在晶体缺陷，以及钛合金，在7xxx铝合金中，并分析不锈钢SCC过程中形成的裂纹尖端氧化物。研究者将重点放在裂纹的直接附近和主裂纹前面的区域，特别是裂纹沿晶界生长的区域。研究者观察到裂纹前的H向GB偏析，以及通常归因于位错的线性特征。腐蚀裂纹表面为富镁、氯化非晶态氢氧化物。为了澄清，研究者把它简单地称为氧化物。无析出区(PFZ)和裂纹附近及前面的析出相的组成发生了很大的变化，金属氧化物界面附近的基体在at%O处的含量高达1以上，即远高于O在Al中的溶解度极限，而H的含量没有增加。研究者从已发表文献的角度讨论了它们的发现，并提供了一系列有关结构缺陷和溶质从基体中传输的相互作用的讨论点，可能有助于强化相的溶解，从而改变裂纹扩展的阻力。（文：水生）

图1 H对应力腐蚀裂纹附近变形行为的影响。

图2 7449-T7651合金应力腐蚀开裂过程中的腐蚀行为。

图3 在应力腐蚀开裂过程中，基体和η相析出。

图4 应力腐蚀裂纹前的晶界成分波动。