7000 系鋁合金是以鋅為主要合金元素的鋁合金，屬于熱處理可強(qiáng)化鋁合金，包括Al-Zn-Mg 合金和Al-Zn-Mg-Cu合金。Al-Zn-Mg 合金在適當(dāng)?shù)臒崽幚項(xiàng)l件下能夠得到較高的強(qiáng)度，焊接性能良好，是強(qiáng)可焊的鋁合金，在高速列車和水下兵器上應(yīng)用較多，比如：我國CRH2 及其衍生車型的主要車體承力部件使用的主要就是Al-Zn-Mg 合金，美國用7039 合金建造了大深度反潛魚雷殼體；Al-Zn-Mg-Cu 合金是在Al-Zn-Mg 合金基礎(chǔ)上通過添加Cu 發(fā)展而來的，其強(qiáng)度比Al-Zn-Mg 合金高，稱為超高強(qiáng)鋁合金，由于添加Cu，其焊接性能不及Al-Zn-Mg 合金，該系合金廣泛應(yīng)用于航空和航天領(lǐng)域，并成為這個(gè)領(lǐng)域中最重要的結(jié)構(gòu)材料之一，典型代表是7055、7050、7075 合金。7000 系鋁合金耐腐蝕性較好，但均有一定的應(yīng)力腐蝕傾向，制品在服役的過程中，應(yīng)力腐蝕開裂（SCC） 往往是導(dǎo)致其失效的主要原因，圖1 為某裝備用蛇形減震器底座（ 材料為7B05） 應(yīng)力腐蝕斷裂圖片。

    圖1 蛇形減震器底座（材料為7B05）應(yīng)力腐蝕斷裂圖片

    因此研究7000 系鋁合金應(yīng)力腐蝕機(jī)制、影響因數(shù)及評(píng)價(jià)方法，從而提高7000 系鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕性能，一直是材料研發(fā)者、使用者和測試者不斷求索的課題方向。

    應(yīng)力腐蝕機(jī)制

    目前，對7000 系鋁合金的SCC 機(jī)制雖進(jìn)行了大量的研究，但仍未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，較為熟知的理論有陽極溶解理論、鈍化膜破裂理論、氫致斷裂理論和Mg-H 復(fù)合體理論等。在20 世紀(jì)70 年代以前，鋁合金的SCC 一直是以陽極溶解理論為主，但是目前氫致斷裂理論和Mg-H 復(fù)合體理論得到了較多學(xué)者的認(rèn)同。

    1 陽極溶解理論

    陽極溶解理論是指晶界上的沉淀相、晶界本身或者是附近的溶質(zhì)貧乏區(qū)優(yōu)先腐蝕導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂的過程。該過程屬于電化學(xué)過程，須具備以下發(fā)生條件：①晶界沉淀相呈連續(xù)或部分連續(xù)分布作為陽極區(qū)；②腐蝕介質(zhì)的選擇性；③存在拉應(yīng)力，加速溶解陽極部分并使新的陽極部分暴露。沿著晶界選擇性地陽極溶解，形成了顯微缺口。當(dāng)該處應(yīng)力集中高于合金的強(qiáng)度極限時(shí)就形成裂紋擴(kuò)展。

    2 鈍化膜破裂理論

    鈍化膜破裂理論假定晶界鈍化膜撕裂是引起應(yīng)力腐蝕開裂的主要原因。7000 系鋁合金的鈍化膜撕裂過程包含：

    ①裂紋尖端局部塑性變形；②表面鈍化膜撕裂；③鈍化膜的去除及金屬表面暴露在腐蝕環(huán)境中并產(chǎn)生溶解。

    陽極通道模式是陽極溶解理論和鈍化膜破裂理論的綜合。鋁合金晶界或晶界沉淀區(qū)域與晶粒內(nèi)存在電位差，形成了很多的陽極通道。沿陽極通道腐蝕的過程就是應(yīng)力腐蝕開裂的特征。鋁合金在潮濕空氣中發(fā)生的SCC 就屬于陽極通道型。

    3 氫致斷裂理論

    氫致斷裂理論認(rèn)為，腐蝕過程中產(chǎn)生的氫在拉應(yīng)力的作用下沿晶界擴(kuò)散進(jìn)入裂尖引起氫脆，從而加速了SCC 裂紋的擴(kuò)展。在拉伸應(yīng)力作用下，晶界與表面相交處的水分與鋁合金反應(yīng)生成活性原子氫，即2Al+3H2O=Al2O3+6[H]。氫原子進(jìn)入晶格中，沿晶界優(yōu)先偏聚，導(dǎo)致晶界強(qiáng)度下降，引起開裂。

    4 “Mg-H”復(fù)合體理論

    “Mg-H”復(fù)合體理論是指在晶界上存在著過量的自由Mg，易與H 形成“Mg-H”復(fù)合體，這樣會(huì)導(dǎo)致晶界上H 固溶度的增加，而H 在晶界上的偏聚會(huì)降低晶界的結(jié)合能，從而促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展，多位研究者表明晶界的“Mg-H”復(fù)合體與7000 系鋁合金的應(yīng)力腐蝕有關(guān)。

    圖2 峰值時(shí)效Al-Zn-Mg合金晶界及其周圍Mg、Zn 和 H 元素的分布：（a）重新構(gòu)建的Mg（粉紅色）和Zn（黑色）原子的三維圖譜，尺寸為55×54×269 nm3;（b） Mg, Zn 和H原子沿著垂直晶界方向含量變化圖。用于含量分析的淺綠色小圓柱體（圖a）直徑為15 nm, 長為28 n。

    “Mg-H”復(fù)合體理論成立的必要條件就是晶界上有自由Mg 存在。中科院金屬所張波等人采用三維原子探針（3DAP） 技術(shù)，觀察到了峰值時(shí)效Al-Zn-Mg 鋁合金的晶界上存在自由Mg 原子（ 圖2），圖2 顯示峰值時(shí)效Al-Zn-Mg鋁合金的晶界上有明顯的Mg 原子偏聚。雖然3DAP 沒有直接觀察到Mg-H 化合物（ 可能是H 濃度低的原因），但該發(fā)現(xiàn)為 “Mg-H”復(fù)合體理論提供了一定程度的實(shí)驗(yàn)支持，為進(jìn)一步深入研究鋁合金的應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理找到了一種新的技術(shù)手段。

    應(yīng)力腐蝕影響因素

    1 熱處理及微觀組織

    7000 系鋁合金的熱處理主要包括固溶和時(shí)效處理。顧名思義固溶處理就是將強(qiáng)化相彌散到鋁基體中，其對提高抗應(yīng)力腐蝕性能是有益的；對應(yīng)力腐蝕性能影響較大的是時(shí)效處理，時(shí)效過程中形成的基體沉淀相（GP 區(qū)、η‘ 過渡相）、晶界η 平衡相的尺寸、數(shù)量、分布及晶界無沉淀析出帶（PFZ）的特性基本決定了7000 系鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕性能。一般認(rèn)為以η' 過渡相為主的強(qiáng)化相更有利于合金的抗應(yīng)力腐蝕性能。因?yàn)樵谝訥P 區(qū)為主要強(qiáng)化相的合金中，基體沉淀相的強(qiáng)度低，基體一旦發(fā)生變形，在大量滑移系開動(dòng)的同時(shí)，一些有利的位向容易產(chǎn)生共面滑移形成滑移帶，造成位錯(cuò)在晶界堆積，隨之產(chǎn)生局部應(yīng)力，從而降低抗應(yīng)力腐蝕性能；而以η' 過渡相為主要沉淀相的合金中，由于η' 過渡相強(qiáng)度高，不易被剪切，位錯(cuò)線是以O(shè)rowan 機(jī)制繞過沉淀相質(zhì)點(diǎn)，所以不會(huì)產(chǎn)生過多的強(qiáng)度薄弱區(qū)。此外，均勻分布的η' 過渡相能更有利于阻礙變形過程中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，不易引起應(yīng)力集中，同時(shí)也減少了氫原子向晶界的聚集，有利于合金的抗SCC 性能。

    除基體沉淀相（MPt） 外，對于抗應(yīng)力腐蝕性能，晶界結(jié)構(gòu)及化學(xué)性質(zhì)起著相當(dāng)重要的作用。其一就是晶界析出相，連續(xù)的晶界析出相往往易成為陽極通道；其二是晶界無沉淀析出帶（PFZ），一方面由于PFZ 屈服強(qiáng)度較低，在應(yīng)力作用下塑性變形容易集中在無沉淀析出帶，最終導(dǎo)致沿晶斷裂；另一方面，塑性變形的PFZ 與其他部分比較呈陽性，在應(yīng)力作用下加速腐蝕，增加了晶界斷裂傾向。當(dāng)然，也有從“應(yīng)力馳豫模型”解釋PFZ 增寬對性能的影響，他們認(rèn)為，由于PFZ 強(qiáng)度較基體低，應(yīng)力可以在較軟的PFZ 中馳豫。PFZ 愈寬，應(yīng)力松弛愈完全，裂紋愈難產(chǎn)生和發(fā)展，這對提高應(yīng)力腐蝕性能是有利的，還有人認(rèn)為，PFZ 的寬度變化對合金性能影響不大。總之，目前對無沉淀帶的利弊尚無定論，不過從力學(xué)性能和抗蝕性方面來看，還是希望縮小或消除晶界無沉淀析出帶。

    2 合金成分

    7000 系鋁合金成分包括主合金元素Zn、Mg 和微量元素Mn、Cr、Ti、Zr、Cu 以及雜質(zhì)元素Fe 和Si 等。各元素的合金化作用見表1.

表1 7000系鋁合金元素的合金化作用

    Zn 和Mg 在7000 系合金中是主要合金元素，含量一般不大于7.5%，合金的應(yīng)力傾向與Zn、Mg 的含量的總和及Zn/Mg 比值有關(guān)，高M(jìn)g 低Zn 或高Zn 低Mg 的合金，只要Zn、Mg 的含量之和不大于7%，且Zn/Mg 比值不在2.7 ～ 2.9的范圍內(nèi)，合金具有較好的耐應(yīng)力腐蝕性能。

    Cu 元素可提高合金的應(yīng)力腐蝕性能，但Cu 的含量若大于0.3%，焊接性能遭到嚴(yán)重破壞，為此，Cu 元素在7000系鋁合金的含量受到限制。

    微量Zr、Mn 均可提高合金的合金的抗應(yīng)力腐蝕性能，Zr 元素含量一般控制在0.05% ～ 0.15%；Mn 元素含量在0.2 ～ 0.4% 時(shí)可顯著提高抗應(yīng)力腐蝕性能，繼續(xù)提高到1%時(shí)，可稍改善Al-Zn-Mg 系合金中抗應(yīng)力腐蝕破裂的能力。

    Fe 和Si 是7000 系鋁合金中有害物質(zhì)，在合金中主要以不溶或難溶的Al7Cu2Fe、Mg2Si、AlFeMnSi 等脆性相和共晶化合物的形式存在，減少可提高合金的抗應(yīng)力腐蝕性能。

    3 外部環(huán)境

    外界環(huán)境影響SCC 的主要包括氣體環(huán)境、水溶液以及電位。其中氣體環(huán)境中水蒸氣對SCC 影響最大。水蒸氣是能引起鋁合金應(yīng)力腐蝕裂紋起始和擴(kuò)展的唯一氣體。干燥氣體（ 包括氫氣、氮?dú)狻⒀鯕狻鍤獾龋?都不會(huì)引起應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展，當(dāng)有水蒸氣進(jìn)入后，應(yīng)力腐蝕裂紋就開始擴(kuò)展。水蒸氣使7000 系鋁合金在氣體環(huán)境中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。

    水溶液中Cl- 能明顯加速鋁合金的SCC。而且在腐蝕性弱的水溶液介質(zhì)中更易引起SCC，當(dāng)溶液的酸堿度為中性時(shí)，鈍化膜比較穩(wěn)定，此時(shí)的溶液介質(zhì)易發(fā)生局部腐蝕，而局部腐蝕往往就變成SCC 的形核核心。

    目前，關(guān)于電位對7000 系鋁合金抗應(yīng)力腐蝕性能的影響大致可分為兩類，第一類觀點(diǎn)認(rèn)為：在中性溶液中，陰極極化使鋁合金的應(yīng)力腐蝕破裂速度減慢，陽極極化則相反；在強(qiáng)酸性溶液中，電位變化對腐蝕速度的影響很小，并且觀測不到陰極保護(hù)的效果。第二類觀點(diǎn)則認(rèn)為：在腐蝕電位下的應(yīng)力腐蝕敏感性均明顯低于極化電位下的，陰極極化和陽極極化對SCC 的不良影響，是由于在陰極時(shí)拉伸試樣上發(fā)生陰極析氫反應(yīng)，部分新生的原子氫通過擴(kuò)散進(jìn)入合金內(nèi)部，產(chǎn)生氫效應(yīng)而增加SCC 敏感性。當(dāng)陽極極化時(shí)，拉伸試樣上發(fā)生陽極溶解反應(yīng)，增生了更多的SCC 裂紋源，加速了腐蝕裂紋的擴(kuò)展。

    應(yīng)力腐蝕評(píng)價(jià)方法

    7000 系鋁合金應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法主要有恒載荷法、恒位移法（C 型環(huán)、四點(diǎn)彎曲、U 型彎曲及軸向拉伸） 及慢應(yīng)變速率拉伸法（SSRT）。各方法由于本身的特點(diǎn)，其適用性不完全相同，表2 為7000 系鋁合金不同類型材料與選用方法對照表。

     可以看出，在所有應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法中，恒載荷法除不適合7000 系鋁合金厚板短橫向應(yīng)力腐蝕性能測試外，可用于型材、薄板長橫向和焊接接頭應(yīng)力腐蝕性能測試；U 型彎曲法是測試沸騰介質(zhì)下應(yīng)力腐蝕性能的最佳方法；C 型環(huán)和軸向拉伸恒應(yīng)變法是厚板短橫向應(yīng)力腐蝕性能測試最佳方法，其中C 型環(huán)應(yīng)用最多；四點(diǎn)彎曲法最適合焊接接頭的應(yīng)力腐蝕性能測試，如要比較基體與焊接接頭的性能差異時(shí)，也可選用四點(diǎn)彎曲法進(jìn)行基體應(yīng)力腐蝕性能的測試；慢應(yīng)變速率拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法則適用于型材和薄板材長橫向應(yīng)力腐蝕性能測試。相比恒載荷法和慢應(yīng)變速率拉伸法在型材、薄板長橫向適用性，由于慢應(yīng)變速率拉伸法測試周期短，可快速識(shí)別材料的應(yīng)力腐蝕敏感性；具有較高的靈敏性，可較靈敏反映材料的應(yīng)力腐蝕敏感的細(xì)微差異；可得到更多有用參量，定量地評(píng)價(jià)應(yīng)力腐蝕敏感性。近年來，慢應(yīng)變速率拉伸法在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

    中船七二五所自上世紀(jì)80 年代研究919（AL-Zn-Mg）合金在艦船上應(yīng)用以來，一直致力于7000 系高強(qiáng)鋁合金的應(yīng)力腐蝕開裂研究，在解決7000 系鋁合金在艦船應(yīng)用中抗應(yīng)力腐蝕問題取得一定成效。近年來，隨著7000 系鋁合金在高速列車及航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，中船七二五所又參與了高速列車及航空用鋁合金應(yīng)力腐蝕性能研究工作，并在快速評(píng)價(jià)7000 系鋁合金的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法取得一定突破。七二五所腐蝕試驗(yàn)室現(xiàn)有慢應(yīng)變速率拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)近十臺(tái)，圖3 為慢應(yīng)變速率拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)室照片。

圖3 七二五所慢應(yīng)變速率拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)室

    結(jié)束語

    由于能源短缺和環(huán)境污染的問題日益嚴(yán)重，輕量化已成為未來交通運(yùn)輸裝備發(fā)展的必然趨勢。7000 系鋁合金因密度低、比強(qiáng)度高、易加工成型等諸多優(yōu)點(diǎn)，將是交通運(yùn)輸裝備未來輕量化的主要用材，但由于其抗應(yīng)力腐蝕性能差，應(yīng)力腐蝕性能研究將是7000 系鋁合金推廣應(yīng)用中的主要課題，路漫漫其修道遠(yuǎn)兮，讓吾輩共同上下而求索。

作者簡介

查小琴

    查小琴，女，1975年8月出生，2007年畢業(yè)于昆明理工大學(xué)材料專業(yè)（鋼鐵研究總院結(jié)構(gòu)所聯(lián)合培養(yǎng)），碩士學(xué)位，高級(jí)工程師。

  
    主要從事金屬材料的腐蝕、疲勞和斷裂性能的測試、評(píng)價(jià)及研究工作，特別在材料的應(yīng)力腐蝕性能評(píng)價(jià)方面具有較多的經(jīng)驗(yàn)。

    分別在《金屬學(xué)報(bào)》、《材料研究學(xué)報(bào)》、《腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)》、《鋼鐵》、《金屬熱處理》、《材料開發(fā)與應(yīng)用》、《電化學(xué)》、《理化檢驗(yàn)》等雜志及“中國腐蝕大會(huì)”、“全國疲勞與斷裂會(huì)議”上發(fā)表第一作者論文30余篇。申請有關(guān)應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞的專利6項(xiàng)，主編國防科技理化檢測人員資格鑒定與認(rèn)證培訓(xùn)教材材料疲勞性能測試部分。

    參加國家技術(shù)基礎(chǔ)預(yù)研項(xiàng)目2項(xiàng)、所創(chuàng)新課題3項(xiàng)及材料綜合性能評(píng)價(jià)項(xiàng)目10余項(xiàng)。曾獲所科技創(chuàng)新成果獎(jiǎng)2項(xiàng)，所突出貢獻(xiàn)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。