高強度7xxx系列鋁合金，可以滿足輕質高強材料的需要，以減少碳排放，并廣泛用于航空航天減輕重量的目的。然而，這些合金通過陽極溶解和氫脆(HE)對應力腐蝕開裂(SCC)很敏感。

在此，來自英國帝國理工學院的Baptiste Gault等研究者，在近原子尺度上研究了7XXX系鋁合金的應力腐蝕開裂（SCC）和氫脆行為。相關論文以題為“Revisiting stress-corrosion cracking and hydrogen embrittlement in 7xxx-Al alloys at the near-atomic-scale”發表在Nature Communications上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-31964-3

全球實現凈零碳排放的需求，加強了對輕型和高強度材料的需求，例如：輕型汽車和發展氫能經濟的基礎設施，例如商用飛機或煉鐵部門。7xxx系列鋁合金已廣泛用于航空航天領域的減重目的，并有望得到更廣泛的應用。富Cu 7xxx系列鋁合金具有復雜的組織，η′/η相(Mg(Zn, Cu, Al)₂)硬化析出相、Al₃Zr等彌散體以及Al₇Cu₂Fe和Mg₂Si等粗大的金屬間化合物粒子。這些合金，是通過在晶內和晶界析出富含溶質的η相來強化的。然而，7xxx鋁合金容易發生氫脆(HE)，特別是通過在應力腐蝕開裂(SCC)過程中產生氫。

SCC是由陽極溶解和HE驅動的，但它們對SCC的相對貢獻取決于環境，也取決于合金成分、板厚和回火。學術研究往往集中在H對力學性能的影響，其微觀組織捕獲的條件遠不是在操作中遇到的，這使得它們難以直接轉化為實踐。盡管對這些合金的SCC和HE進行了廣泛的研究，但對這些復雜過程的整體理解仍然缺失，這阻礙了這些材料設計策略的發展。

腐蝕，在裂紋尖端產生原子H，主要是由于η相、富鋁基體和GB區之間的電位差異造成的，因此與SCC不可分離。HE與GB的氫增強局部塑性(HELP)和氫增強脫聚(HEDE)等有關。HELP機制基于在固溶體中觀察到H存在時位錯運動和滑移定位的增加，而HEDE提出H的存在降低了界面的結合能，從而減少了斷裂功。最近的一篇文章提出HEDE是由H和Mg分離到GB的共同作用引起的。

人工時效用于優化性能，也改變了沉淀的組成和他們的腐蝕和SCC易感性。過時效在η相引入更多的Cu，提高其電化學電位，從而減小了與基體的電位差，減少了陰極處的H生成，這與SCC易感性的降低有關。SCC引起的裂紋，主要沿晶間傳播，在氯化物溶液和潮濕空氣中觀察到的裂紋止裂標志(CAM)表明裂紋不連續，這與有時提出的滑移溶解型速率控制機制不一致。CAMs可由多種SCC機制引起，包括薄膜誘導解理、HEDE和吸附誘導位錯發射。

CAMs的存在表明所有與裂紋相關的現象都發生在局部，就在裂紋尖端的前面。此外，腐蝕產生的氧化物及其相對穩定性決定了H產率，其入口和圈閉與微觀結構有關。然而，人們缺乏SCC過程中空間分辨的H成分數據，并且關于Al合金中擴展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。這些知識差距阻礙了SCC過程中活性機制的確定。

在此，研究者利用透射電子顯微鏡(TEM)和原子探針斷層掃描(APT)研究了納米尺度下應力腐蝕裂紋擴展引起的微觀結構和微觀化學變化。APT具有較高的化學和空間分辨率，并提供準確的成分信息。它已成功地用于繪制鋼中的捕獲H，包括在晶體缺陷，以及鈦合金，在7xxx鋁合金中，并分析不銹鋼SCC過程中形成的裂紋尖端氧化物。研究者將重點放在裂紋的直接附近和主裂紋前面的區域，特別是裂紋沿晶界生長的區域。研究者觀察到裂紋前的H向GB偏析，以及通常歸因于位錯的線性特征。腐蝕裂紋表面為富鎂、氯化非晶態氫氧化物。為了澄清，研究者把它簡單地稱為氧化物。無析出區(PFZ)和裂紋附近及前面的析出相的組成發生了很大的變化，金屬氧化物界面附近的基體在at% O處的含量高達1以上，即遠高于O在Al中的溶解度極限，而H的含量沒有增加。研究者從已發表文獻的角度討論了它們的發現，并提供了一系列有關結構缺陷和溶質從基體中傳輸的相互作用的討論點，可能有助于強化相的溶解，從而改變裂紋擴展的阻力。（文：水生）