導(dǎo)讀：本文采用原位三維表征技術(shù)，系統(tǒng)研究了Al - Zn - Mg - Cu合金在外氫和內(nèi)氫共同作用下的應(yīng)力腐蝕開裂( SCC )行為。Al - Zn - Mg - Cu合金的應(yīng)力腐蝕開裂( SCC )可以在H含量超過某一臨界值的潛在裂紋區(qū)域萌生和擴(kuò)展，其中納米尺度的H誘導(dǎo)η - MgZn2析出相的解聚導(dǎo)致宏觀開裂。外界H從環(huán)境中滲入合金，在Al - Zn - Mg - Cu合金的應(yīng)力腐蝕開裂過程中起到了至關(guān)重要的作用，在裂紋尖端附近產(chǎn)生了梯度分布的H影響區(qū)，使處于水環(huán)境中的鋁合金對應(yīng)力腐蝕開裂更加敏感。此外，在塑性變形過程中，預(yù)先存在的內(nèi)部H被驅(qū)動(dòng)到裂紋尖端。它參與了SCC，并對裂紋的萌生和擴(kuò)展都做出了貢獻(xiàn)。

Al - Zn - Mg - Cu合金具有高的比強(qiáng)度、良好的成形性和可接受的生產(chǎn)成本，是航空航天領(lǐng)域中重要的結(jié)構(gòu)材料。然而，在機(jī)械應(yīng)力和環(huán)境的協(xié)同作用下，Al - Zn - Mg - Cu合金的應(yīng)力腐蝕開裂( SCC )敏感性會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的/過早的失效，這極大地挑戰(zhàn)了整個(gè)構(gòu)件的完整性和功能性。

氫脆( HE )對高強(qiáng)Al - Zn - Mg - Cu合金應(yīng)力腐蝕開裂( SCC )行為的重要貢獻(xiàn)已得到越來越多的認(rèn)可。HE可以促進(jìn)韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變，包括沿晶斷裂( IGF )或穿晶準(zhǔn)解理斷裂( QCF ) 。更好地理解H從何而來以及H如何觸發(fā)材料的失效，是緩解HE的根本需求。在SCC試驗(yàn)或?qū)嶋H服役過程中，Al基體與試驗(yàn)或服役環(huán)境中的水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)是原子H的一個(gè)來源，其中一部分H隨后可被材料吸收，稱為外部H。外界H對Al - Zn - Mg - Cu合金SCC行為的影響已被廣泛研究。然而，除了外部H，在制造過程中積累的預(yù)先存在的內(nèi)部H也可能參與SCC過程；這一主題尚未得到深入挖掘。

基于氫致局部塑性變形( HELP )、氫氣添加解聚( HEDE )和吸附誘導(dǎo)位錯(cuò)發(fā)射( AIDE ) ，H與各種氫捕獲位點(diǎn)，如位錯(cuò)、空位、析出相、溶質(zhì)原子和第二相粒子之間的相互作用被普遍報(bào)道是導(dǎo)致HE發(fā)生的原因。這些工作為在Al - Zn - Mg - Cu合金應(yīng)力腐蝕開裂過程中基于氫分布的宏觀斷裂行為評估提供了可能，同時(shí)考慮了外部氫和內(nèi)部氫。本研究的重點(diǎn)是闡明外部和內(nèi)部H對SCC萌生和擴(kuò)展的貢獻(xiàn)，這是通過結(jié)合H誘導(dǎo)的納米尺度脫粘和高強(qiáng)度Al - Zn - Mg - Cu合金的宏觀SCC行為來完成的。本研究結(jié)果有望促進(jìn)對Al - Zn - Mg - Cu合金SCC機(jī)制的深入理解，并有助于通過同時(shí)考慮外部和內(nèi)部H來抑制SCC。

九州大學(xué)機(jī)械工程系的戶田博之專家團(tuán)隊(duì)作了該研究，相關(guān)研究成果以“Stress corrosion cracking induced by the combination of external and internal hydrogen in Al-Zn-Mg-Cu alloy”為題，發(fā)表在Scripta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359646223005250

圖1描述了通過原位拉伸試驗(yàn)獲得的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線和使用SEM觀察的相應(yīng)斷口形貌。無論內(nèi)部H含量如何，在蒸餾水中測試的試樣的斷裂應(yīng)變明顯小于在Ar氣氛中測試的試樣，這表明SCC在來自環(huán)境的外部H存在的情況下加速。此外，在相同環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，延性也會(huì)受到內(nèi)部H含量的影響。斷口SEM圖像顯示了典型的QCF (以黃色區(qū)域突出顯示)混合斷裂和微孔聚集型斷裂。Su等人認(rèn)為QCFs的面積分?jǐn)?shù)( fQCFs )是評估當(dāng)前材料HE行為的有效指標(biāo)。計(jì)算fQCF表明，無論樣品內(nèi)部H含量是高還是低，當(dāng)測試環(huán)境從Ar氣氛變?yōu)檎麴s水時(shí)，fQCF都急劇增加了3 ~ 4倍。最值得注意的是，即使在蒸餾水環(huán)境中，隨著內(nèi)部H含量的增加，fQCFs也增加了50 %。這一結(jié)果似乎表明，盡管環(huán)境中的外部氫起著至關(guān)重要的作用，但內(nèi)部氫對SCC行為的貢獻(xiàn)不容忽視，Al - Zn - Mg - Cu合金的SCC行為同時(shí)受外部氫和內(nèi)部氫的控制。

圖1 通過原位拉伸試驗(yàn)獲得了( a ) HW、( b ) LW、( c ) HAr、( d )和LAr的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線和相應(yīng)的斷口SEM形貌。名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的紅色循環(huán)表明了XMT掃描的操作。斷裂面的黃色區(qū)域顯示了QCFs區(qū)域的分布，其面積分?jǐn)?shù)( fQCFs )分別為12.4 ± 0.35 % ( HW )、7.6 ± 0.4 % ( LW )、3.8 ± 0.35 % ( HAr )和2.0 ± 0.2 % ( LAr )。每次實(shí)驗(yàn)卸載的原因在補(bǔ)充材料中聲明。

圖2 QCFs在( a ) HW，( b ) LW，( c ) HAr和( d ) LAr不同施加應(yīng)變下的3D渲染圖像。

圖3 QCFs在斷裂面上分布的總裂紋面積隨每個(gè)試樣施加應(yīng)變的變化。

圖4 ( a )裂紋萌生階段在蒸餾水中暴露60 min后HW和LW中氫擴(kuò)散的模擬結(jié)果，( b ) ( a )中黑色矩形標(biāo)記區(qū)域內(nèi)HW和LW的放大分布，( c )初始裂紋長度的分布。

綜上所述，SCC可以在H濃度大于21 mass ppm的潛在裂紋區(qū)域萌生和擴(kuò)展，在外部和內(nèi)部H的協(xié)同作用下，η - MgZn2析出相發(fā)生納米尺度的H誘導(dǎo)解聚導(dǎo)致宏觀裂紋的形成。外部H從環(huán)境中的吸收和擴(kuò)散形成了梯度分布的H影響區(qū)，這使得在蒸餾水中測試的試樣對SCC更加敏感。內(nèi)部H在塑性變形過程中被驅(qū)動(dòng)到裂紋尖端并參與SCC，對裂紋的萌生和擴(kuò)展做出了重要貢獻(xiàn)。