導讀：本文系統研究了Al - Zn - Mg - Cu合金在外氫和內氫共同作用下的應力腐蝕開裂( SCC )行為。Al - Zn - Mg - Cu合金的應力腐蝕開裂( SCC )可以在H含量超過某一臨界值的潛在裂紋區域萌生和擴展，其中納米尺度的H誘導η - MgZn2析出相的解聚導致宏觀開裂。外界H從環境中滲入合金，在Al - Zn - Mg - Cu合金的應力腐蝕開裂過程中起到了至關重要的作用，在裂紋尖端附近產生了梯度分布的H影響區，使處于水環境中的鋁合金對應力腐蝕開裂更加敏感。此外，在塑性變形過程中，預先存在的內部H被驅動到裂紋尖端。它參與了SCC，并對裂紋的萌生和擴展都做出了貢獻。

Al - Zn - Mg - Cu合金具有高的比強度、良好的成形性和可接受的生產成本，是航空航天領域中重要的結構材料。然而，在機械應力和環境的協同作用下，Al - Zn - Mg - Cu合金的應力腐蝕開裂( SCC )敏感性會導致災難性的/過早的失效，這極大地挑戰了整個構件的完整性和功能性。

氫脆( HE )對高強Al - Zn - Mg - Cu合金應力腐蝕開裂( SCC )行為的重要貢獻已得到越來越多的認可。HE可以促進韌性斷裂向脆性斷裂轉變，包括沿晶斷裂( IGF )或穿晶準解理斷裂( QCF ) 。更好地理解H從何而來以及H如何觸發材料的失效，是緩解HE的根本需求。在SCC試驗或實際服役過程中，Al基體與試驗或服役環境中的水發生化學反應是原子H的一個來源，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先存在的內部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 )和吸附誘導位錯發射( AIDE ) ，H與各種氫捕獲位點，如位錯、空位、析出相、溶質原子和第二相粒子之間的相互作用被普遍報道是導致HE發生的原因。這些工作為在Al - Zn - Mg - Cu合金應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，同時考慮了外部氫和內部氫。本研究的重點是闡明外部和內部H對SCC萌生和擴展的貢獻，這是通過結合H誘導的納米尺度脫粘和高強度Al - Zn - Mg - Cu合金的宏觀SCC行為來完成的。本研究結果有望促進對Al - Zn - Mg - Cu合金SCC機制的深入理解，并有助于通過同時考慮外部和內部H來抑制SCC。

九州大學團隊相關研究成果以“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獲得的名義應力-應變曲線和使用SEM觀察的相應斷口形貌。無論內部H含量如何，在蒸餾水中測試的試樣的斷裂應變明顯小于在Ar氣氛中測試的試樣，這表明SCC在來自環境的外部H存在的情況下加速。此外，在相同環境下進行試驗時，延性也會受到內部H含量的影響。斷口SEM圖像顯示了典型的QCF (以黃色區域突出顯示)混合斷裂和微孔聚集型斷裂。Su等人認為QCFs的面積分數( fQCFs )是評估當前材料HE行為的有效指標。計算fQCF表明，無論樣品內部H含量是高還是低，當測試環境從Ar氣氛變為蒸餾水時，fQCF都急劇增加了3 ~ 4倍。最值得注意的是，即使在蒸餾水環境中，隨著內部H含量的增加，fQCFs也增加了50 %。這一結果似乎表明，盡管環境中的外部氫起著至關重要的作用，但內部氫對SCC行為的貢獻不容忽視，Al - Zn - Mg - Cu合金的SCC行為同時受外部氫和內部氫的控制。

圖1 通過原位拉伸試驗獲得了( a ) HW、( b ) LW、( c ) HAr、( d )和LAr的名義應力-應變曲線和相應的斷口SEM形貌。名義應力-應變曲線中的紅色循環表明了XMT掃描的操作。斷裂面的黃色區域顯示了QCFs區域的分布，其面積分數( 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 )。每次實驗卸載的原因在補充材料中聲明。

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

圖3 QCFs在斷裂面上分布的總裂紋面積隨每個試樣施加應變的變化。

圖4 ( a )裂紋萌生階段在蒸餾水中暴露60 min后HW和LW中氫擴散的模擬結果，( b ) ( a )中黑色矩形標記區域內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的潛在裂紋區域萌生和擴展，在外部和內部H的協同作用下，η - MgZn2析出相發生納米尺度的H誘導解聚導致宏觀裂紋的形成。外部H從環境中的吸收和擴散形成了梯度分布的H影響區，這使得在蒸餾水中測試的試樣對SCC更加敏感。內部H在塑性變形過程中被驅動到裂紋尖端并參與SCC，對裂紋的萌生和擴展做出了重要貢獻。