全球?qū)含量零排放的要求對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)材料的開發(fā)日益迫切。7××高強(qiáng)鋁合金由于低密度而受到航空航天工業(yè)的日益青睞。但是7××高強(qiáng)鋁合金對(duì)應(yīng)力腐蝕和H環(huán)境非常敏感。氫脆與晶界(GBs)的氫增強(qiáng)局部塑性(HELP)和氫增強(qiáng)脫粘(HEDE)等有關(guān)。腐蝕過程中由于腐蝕引起的η相、富Al基體和GB區(qū)域之間的電位差異，導(dǎo)致原子H在裂紋尖端產(chǎn)生，從而產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋(SCC)。裂紋止裂標(biāo)志（CAMs）的存在表明所有與裂紋有關(guān)的現(xiàn)象都發(fā)生在局部。此外，腐蝕產(chǎn)生的氧化物及其相對(duì)穩(wěn)定性決定了H的生成速率，其進(jìn)入和捕獲依賴于微觀結(jié)構(gòu)。然而，目前對(duì)SCC過程中空間解析的H成分?jǐn)?shù)據(jù)相當(dāng)缺乏，關(guān)于在Al合金中擴(kuò)展的應(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)空白阻礙了SCC中活性機(jī)制的確定。

近日，來自德國(guó)馬普所的Baptiste Gault教授利用先進(jìn)的3維原子探針以及透射電子顯微鏡(TEM)技術(shù)在近原子尺度上研究了SCC裂紋擴(kuò)展前后的晶內(nèi)和晶間微觀結(jié)構(gòu)的演變。采用雙懸臂梁(DCB)裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)：H元素優(yōu)先偏析在位錯(cuò)的平面陣列和晶界上，通過氫增強(qiáng)局部塑性(HELP)和氫增強(qiáng)脫粘(HEDE)機(jī)制的綜合效應(yīng)導(dǎo)致材料在服役過程的氫脆失效。另外，本文還發(fā)現(xiàn)了在腐蝕裂紋表面的富Mg非晶氫氧化物和Mg相關(guān)的擴(kuò)散過程導(dǎo)致裂紋前強(qiáng)化η相析出相溶解的證據(jù)。這些新發(fā)現(xiàn)對(duì)于改進(jìn)現(xiàn)有模型和提高預(yù)測(cè)應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂能力具有重要意義。相關(guān)成果以“Revisiting stress-corrosion cracking and hydrogen embrittlement in 7xxx-Al alloys at the near-atomic scale”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊Nature Communications期刊上。

(1)通過三維原子探針發(fā)現(xiàn)H元素優(yōu)先偏析在位錯(cuò)的平面陣列和晶界上，導(dǎo)致明顯的HELP和HEDE綜合效應(yīng)而使得材料發(fā)生氫脆失效；

(2) 應(yīng)力腐蝕裂紋剪短富Mg非晶氫氧化物，與Mg相關(guān)的擴(kuò)散過程導(dǎo)致裂紋前強(qiáng)化η相析出相的溶解。

圖1 應(yīng)力-腐蝕裂紋附近變形行為的H效應(yīng)；（a）SCC裂紋尖端的SEM顯微圖，框出了APT和TEM表征的位置；（b）裂紋尖端區(qū)域的STEM圖像表明氧化物和空洞的存在；（c）TEM BF圖像表明空區(qū)附近存在位錯(cuò)，如紅色箭頭所示；（d）TEM DF圖顯示了b中位錯(cuò)的(111)衍射光斑；（e）GB 4 μ m前裂紋 的APT重建圖表明存在位錯(cuò)，H和Si偏析。沿著APT重建圖中所示的箭頭分別為跨越GB、位錯(cuò)和Mg₂Si粒子的1D成分分布。@ 2022 Spring Nature

圖2 7449-T7651合金應(yīng)力腐蝕開裂過程中的腐蝕行為；a. APT裂紋的DCB樣品示意圖；b. SCC裂紋尖端的APT重建圖；c. 氧化物-基體界面的一維成分剖面圖；d. 10納米切片中獲得的2D成分圖，顯示了b所示虛線切片中氧化物中Mg、O和Zn的2D元素分布；e. APT二次裂紋的DCB樣品示意圖；f. 氧化二次裂紋的APT重建表明復(fù)雜的氧化形態(tài)以及無沉淀析出；g. 穿過氧化物-基體界面的一維成分剖面. @ 2022 Spring Nature

圖3 應(yīng)力腐蝕開裂過程中基體和η相析出相成分的變化；a. 裂紋尖端周圍的η析出相組成非常靠近裂紋尖端；顯示了裂紋尖端附近以及靠近尖端Cu的平均成分；b.裂紋尖端周圍和氧化二次裂紋附近的基體組成。@ 2022 Spring Nature

圖4 應(yīng)力腐蝕裂紋前的晶界成分波動(dòng)；a裂紋前晶界的APT重建圖; b成分譜顯示η相晶界析出相，Mg含量比為33%，化學(xué)式為Mg(Zn, Cu, Al)2. @ 2022 Spring Nature

高H含量的排列位錯(cuò)集表明應(yīng)變有助于析出相溶解和裂紋擴(kuò)展；富鎂的氧化物的增長(zhǎng)促使Mg從合金中浸出產(chǎn)生了溶質(zhì)的強(qiáng)烈再分配，析出相溶解位錯(cuò)與晶界一起，導(dǎo)致沉淀物的溶解過程。本文的這些重要理論基礎(chǔ)的發(fā)現(xiàn)為提高7××鋁合金的腐蝕和氫脆能力提供了理論支撐。