全球對C含量零排放的要求對輕質高強材料的開發日益迫切。7××高強鋁合金由于低密度而受到航空航天工業的日益青睞。但是7××高強鋁合金對應力腐蝕和H環境非常敏感。氫脆與晶界(GBs)的氫增強局部塑性(HELP)和氫增強脫粘(HEDE)等有關。腐蝕過程中由于腐蝕引起的η相、富Al基體和GB區域之間的電位差異，導致原子H在裂紋尖端產生，從而產生應力腐蝕裂紋(SCC)。裂紋止裂標志（CAMs）的存在表明所有與裂紋有關的現象都發生在局部。此外，腐蝕產生的氧化物及其相對穩定性決定了H的生成速率，其進入和捕獲依賴于微觀結構。然而，目前對SCC過程中空間解析的H成分數據相當缺乏，關于在Al合金中擴展的應力-腐蝕裂紋尖端形成的腐蝕層的成分和結構的報道非常有限。這些知識空白阻礙了SCC中活性機制的確定。

近日，來自德國馬普所的Baptiste Gault教授利用先進的3維原子探針以及透射電子顯微鏡(TEM)技術在近原子尺度上研究了SCC裂紋擴展前后的晶內和晶間微觀結構的演變。采用雙懸臂梁(DCB)裂紋擴展試驗，研究發現：H元素優先偏析在位錯的平面陣列和晶界上，通過氫增強局部塑性(HELP)和氫增強脫粘(HEDE)機制的綜合效應導致材料在服役過程的氫脆失效。另外，本文還發現了在腐蝕裂紋表面的富Mg非晶氫氧化物和Mg相關的擴散過程導致裂紋前強化η相析出相溶解的證據。這些新發現對于改進現有模型和提高預測應力腐蝕和氫脆斷裂能力具有重要意義。相關成果以“Revisiting stress-corrosion cracking and hydrogen embrittlement in 7xxx-Al alloys at the near-atomic scale”為題發表在國際著名期刊Nature Communications期刊上。

(1)通過三維原子探針發現H元素優先偏析在位錯的平面陣列和晶界上，導致明顯的HELP和HEDE綜合效應而使得材料發生氫脆失效；

(2) 應力腐蝕裂紋剪短富Mg非晶氫氧化物，與Mg相關的擴散過程導致裂紋前強化η相析出相的溶解。

圖1 應力-腐蝕裂紋附近變形行為的H效應；（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圖像表明空區附近存在位錯，如紅色箭頭所示；（d）TEM DF圖顯示了b中位錯的(111)衍射光斑；（e）GB 4 μ m前裂紋 的APT重建圖表明存在位錯，H和Si偏析。沿著APT重建圖中所示的箭頭分別為跨越GB、位錯和Mg₂Si粒子的1D成分分布。@ 2022 Spring Nature

圖2 7449-T7651合金應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重建表明復雜的氧化形態以及無沉淀析出；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 應力腐蝕裂紋前的晶界成分波動；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%，化學式為Mg(Zn, Cu, Al)2. @ 2022 Spring Nature

高H含量的排列位錯集表明應變有助于析出相溶解和裂紋擴展；富鎂的氧化物的增長促使Mg從合金中浸出產生了溶質的強烈再分配，析出相溶解位錯與晶界一起，導致沉淀物的溶解過程。本文的這些重要理論基礎的發現為提高7××鋁合金的腐蝕和氫脆能力提供了理論支撐。