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馬普所重磅《Nature》：新突破！高強度7xxx鋁合金的氫俘獲和脆化機理！

2022-02-18 11:31:32 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：飛機上經常使用的高強度鋁合金有助于減輕汽車的重量，但容易受到環境的影響。氫“脆”通常被認為是罪魁禍首；然而，導致失效的確切機制尚不清楚：對合金內部的 H 進行原子級分析仍然是一個挑戰，這阻礙了采用合金設計策略來提高材料的耐用性。本文對捕獲在高強度 7xxx 鋁合金的第二相顆粒和晶界處的 H 進行了近原子級分析。使用這些觀察結果來指導原子從頭計算，表明合金元素和 H 的共偏析有利于晶界脫聚，H強烈進入第二相粒子，將溶質H從基體中去除，從而防止H脆化。我們的見解進一步推進了對鋁合金中H輔助脆化機理的理解，強調了H陷阱在減少開裂和指導新合金設計方面的作用。

7xxx 系列的高強度鋁合金是航空航天、制造、運輸和移動通信必不可少的結構材料，因為它們具有高強度重量比，這使得產品具有更低的燃料消耗和環境影響。高強度是通過時效熱處理形成的高數密度納米級沉淀物（大約10 24 ?m -3 ）來實現的。不幸的是，眾所周知，高強度鋁合金對環境輔助開裂很敏感，并且像大多數高強度材料一樣，容易發生 H 脆。克服這些內在限制需要準確了解 H 如何穿透材料及其與普遍存在的微觀結構特征（例如晶界（GB）或第二相）的相互作用，最終導致機械性能的災難性惡化。

H 吸收可能發生在高溫熱處理期間，以及在使用中。H在Al 中的溶解度低，但晶體缺陷有助于H的吸收，例如導致疲勞壽命下降。持久的問題仍然是H在微觀結構中的位置以及這些陷阱如何促進災難性故障。一些研究指出了GB在環境退化中的關鍵作用。GB 是優先電化學攻擊的位置，但裂紋也更容易通過 GB 網絡在整個合金的微觀結構中傳播。由于其低溶解度以及在相關尺度和特定微觀結構特征下對 H 進行空間分辨表征的實驗困難，鋁合金中 H 分布的實驗驗證具有挑戰性。最近在鋼中原子尺度 H 成像方面的努力導致對第二相和界面的俘獲行為的深入了解。

在這里，德國馬普所的Baptiste Gault和Dierk Raabe團隊使用低溫原子探針斷層掃描（APT）來解決這些關鍵問題，通過低溫等離子體聚焦離子束（ PFIB ）試樣制備來研究與鋁合金中不同微觀結構相關的 H . 通過氘（D）同位素標記，避免了與從樣品制備中引入 H 相關的偽影以及來自原子探針真空室中的殘余氣體。研究了一種 7xxx 鋁合金，其成分為 Al–6.22Zn–2.46Mg–2.13Cu–0.155Zr （wt.%），處于峰值時效狀態。對于這種合金，與未充電的樣品相比，用 H 進行電化學充電會導致延展性顯著下降（圖1a）。H 解吸光譜顯示在擴展數據圖1中。結果表明合金元素和氫的共偏析有利于晶界脫聚，并且氫強分配到第二相顆粒中會從基體中去除溶質氫，從而防止氫脆。本文提出的見解進一步推進了對鋁合金中氫脆機理理解，強調了氫陷阱在最大限度地減少開裂和指導新合金設計方面的作用。相關研究成果以題“Hydrogen trapping and embrittlement in high-strength Al alloys”發表在國際著名期刊Nature上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04343-z

圖1b-d突出顯示了跨多個長度尺度的微觀結構的復雜性。首先，圖1b、c揭示了 GBs 和 GB 網絡在充氫材料變形過程中裂紋形成和擴展中的主要作用。圖1d顯示了大塊細析出物的典型分布，GBs 處的粗析出物和與 GBs 相鄰的無析出區（PFZ）。還顯示了充當晶粒細化劑的金屬間相（例如，Al 2 CuMg S 相）和 Al 3 Zr 彌散體。

圖 1：航空航天 Al-Zn-Mg-Cu 合金的非均質微觀結構。a，不帶電和帶氫樣品在峰值老化條件下（120 °C 24 h）的工程應力-應變曲線。b , 經拉伸斷裂的含氫合金晶間裂紋的背散射電子成像。c，電子背散射衍射成像顯示沿GBs的裂紋。d，GBs、析出物、PFZs 31 和主要類型的次生相（S 相47 和Al 3 Zr 彌散體）的顯微組織。顏色方案反映了進行特定 APT 分析的微觀結構。APT，原子探針斷層掃描；GB，晶界；GBPs，晶界析出物；PFZ，無沉淀區。比例尺：20 μm（b, c ）， 100 nm （ d , 頂部）， 50 nm （ d , 頂部插圖）， 3 nm （ d , 中間和底部）。

圖 2：在峰值時效條件下（120°C 24 小時）對帶 D 電的 Al-Zn-Mg-Cu 樣品的第二相進行 APT 分析。a - d，沿紅色箭頭分別表示 Al 3 Zr 彌散體（ a , b ）和 S 相（ c , d ）的原子圖和成分分布。軌跡的陰影帶對應于配置文件每個 bin 中計數統計的標準偏差。b和d中的背景顏色分別顯示了分散體和 S 相的位置。比例尺：30 nm （ a , c ）。

通常，首先避免 H 的進入是極不可能的，因此減輕 H 脆化的最佳方法是控制其捕獲以最大限度地延長組件的使用壽命。我們的結果提供了 H 捕獲位點的指示及其各自在環境輔助降解中引發損害的傾向，從而有助于建立對鋁合金中 H 脆化的機理理解。

圖 3：含有 GB 的 D 電荷峰時效 Al-Zn-Mg-Cu 樣品的 APT 分析（120 °C 24 小時）。a，等值面突出了基體中富含（Mg，Zn）的細析出物的分散，GB處的粗大析出物和Al 3 Zr彌散體。比例尺：30 nm。b，H和D（H 2 + ）的原子圖。c , GB 平面上的溶質分布。d ，GB 處一個 Al 3 Zr 彌散體的成分分布。e，GB 處一種富（Mg, Zn）沉淀物的成分分布。f，析出物之間跨越 GB 的溶質組成分布。軌跡的陰影帶對應于配置文件每個 bin 中計數統計的標準偏差。

圖 4：基于 DFT 模擬的理論分析。a , 對稱 Σ5 （210） GB 在 Al 中的示意圖，顯示有兩個 GB 平面。b , 三角形填充單元的投影和透視圖顯示了計算的 H 吸附位點。位點編號 1 是位于多面體填充單元內的 H 位點附近的 Mg 原子的替代位點。c ，對于在b中標記的 H 的不同間隙位置，比較了在 GB 處作為溶質原子的 Mg 不存在和存在（圖案條）的情況下的脆化能和偏析能。d，放大圖中的Al（淺灰色）和Mg原子（淺綠色）屬于不同的相鄰（001）面。

在此研究的基礎上，我們提出了可以探索的具體措施，以增強對 H 引起的損傷的抵抗力，并提高高強度輕質工程部件的壽命和可持續性。第二相顆粒中高 H 富集的結果為提高抗 H 脆性提供了潛在的緩解策略，即通過引入和控制第二相的體積分數、分散和化學成分，盡管它們對機械性能有潛在的有害影響。其他策略可能旨在設計和控制 GB 偏析，例如通過將 GB 捕獲到沉淀物中并將其保持在本體溶液中來消除 GB 的 Mg 。對抗環境退化的第三種也是更普遍的途徑是減小這些合金中 PFZ 的尺寸，目的是減輕 H 修飾的 GB 與受 H 影響較小的相鄰區域之間機械和電化學響應的 H 增強對比。

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