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 合金在適當的熱處理條件下能夠得到較高的強度，焊接性能良好，是強可焊的鋁合金，在高速列車和水下兵器上應用較多，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 合金基礎上通過添加Cu 發展而來的，其強度比Al-Zn-Mg 合金高，稱為超高強鋁合金，由于添加Cu，其焊接性能不及Al-Zn-Mg 合金，該系合金廣泛應用于航空和航天領域，并成為這個領域中最重要的結構材料之一，典型代表是7055、7050、7075 合金。7000 系鋁合金耐腐蝕性較好，但均有一定的應力腐蝕傾向，制品在服役的過程中，應力腐蝕開裂（SCC） 往往是導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） 應力腐蝕斷裂圖片。

    圖1 蛇形減震器底座（材料為7B05）應力腐蝕斷裂圖片

    因此研究7000 系鋁合金應力腐蝕機制、影響因數及評價方法，從而提高7000 系鋁合金的抗應力腐蝕性能，一直是材料研發者、使用者和測試者不斷求索的課題方向。

    應力腐蝕機制

    目前，對7000 系鋁合金的SCC 機制雖進行了大量的研究，但仍未形成統一的認識，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 復合體理論等。在20 世紀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 復合體理論得到了較多學者的認同。

    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貧乏區優先腐蝕導致應力腐蝕開裂的過程。該過程屬于電化學過程，須具備以下發生條件：①晶界沉淀相呈連續或部分連續分布作為陽極區；②腐蝕介質的選擇性；③存在拉應力，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。當該處應力集中高于合金的強度極限時就形成裂紋擴展。

    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境中并產生溶解。

    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域與晶粒內存在電位差，形成了很多的陽極通道。沿陽極通道腐蝕的過程就是應力腐蝕開裂的特征。鋁合金在潮濕空氣中發生的SCC 就屬于陽極通道型。

    3 氫致斷裂理論

    氫致斷裂理論認為，腐蝕過程中產生的氫在拉應力的作用下沿晶界擴散進入裂尖引起氫脆，從而加速了SCC 裂紋的擴展。在拉伸應力作用下，晶界與表面相交處的水分與鋁合金反應生成活性原子氫，即2Al+3H2O=Al2O3+6[H]。氫原子進入晶格中，沿晶界優先偏聚，導致晶界強度下降，引起開裂。

    4 “Mg-H”復合體理論

    “Mg-H”復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”復合體，這樣會導致晶界上H 固溶度的增加，而H 在晶界上的偏聚會降低晶界的結合能，從而促進裂紋的擴展，多位研究者表明晶界的“Mg-H”復合體與7000 系鋁合金的應力腐蝕有關。

    圖2 峰值時效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，觀察到了峰值時效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），但該發現為 “Mg-H”復合體理論提供了一定程度的實驗支持，為進一步深入研究鋁合金的應力腐蝕開裂機理找到了一種新的技術手段。

    應力腐蝕影響因素

    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效處理。顧名思義固溶處理就是將強化相彌散到鋁基體中，其對提高抗應力腐蝕性能是有益的；對應力腐蝕性能影響較大的是時效處理，時效過程中形成的基體沉淀相（GP 區、η‘ 過渡相）、晶界η 平衡相的尺寸、數量、分布及晶界無沉淀析出帶（PFZ）的特性基本決定了7000 系鋁合金的抗應力腐蝕性能。一般認為以η' 過渡相為主的強化相更有利于合金的抗應力腐蝕性能。因為在以GP 區為主要強化相的合金中，基體沉淀相的強度低，基體一旦發生變形，在大量滑移系開動的同時，一些有利的位向容易產生共面滑移形成滑移帶，造成位錯在晶界堆積，隨之產生局部應力，從而降低抗應力腐蝕性能；而以η' 過渡相為主要沉淀相的合金中，由于η' 過渡相強度高，不易被剪切，位錯線是以Orowan 機制繞過沉淀相質點，所以不會產生過多的強度薄弱區。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的運動，不易引起應力集中，同時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，對于抗應力腐蝕性能，晶界結構及化學性質起著相當重要的作用。其一就是晶界析出相，連續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 屈服強度較低，在應力作用下塑性變形容易集中在無沉淀析出帶，最終導致沿晶斷裂；另一方面，塑性變形的PFZ 與其他部分比較呈陽性，在應力作用下加速腐蝕，增加了晶界斷裂傾向。當然，也有從“應力馳豫模型”解釋PFZ 增寬對性能的影響，他們認為，由于PFZ 強度較基體低，應力可以在較軟的PFZ 中馳豫。PFZ 愈寬，應力松弛愈完全，裂紋愈難產生和發展，這對提高應力腐蝕性能是有利的，還有人認為，PFZ 的寬度變化對合金性能影響不大?？傊壳皩o沉淀帶的利弊尚無定論，不過從力學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%，合金的應力傾向與Zn、Mg 的含量的總和及Zn/Mg 比值有關，高Mg 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，合金具有較好的耐應力腐蝕性能。

    Cu 元素可提高合金的應力腐蝕性能，但Cu 的含量若大于0.3%，焊接性能遭到嚴重破壞，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% 時可顯著提高抗應力腐蝕性能，繼續提高到1%時，可稍改善Al-Zn-Mg 系合金中抗應力腐蝕破裂的能力。

    Fe 和Si 是7000 系鋁合金中有害物質，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力腐蝕性能。

    3 外部環境

    外界環境影響SCC 的主要包括氣體環境、水溶液以及電位。其中氣體環境中水蒸氣對SCC 影響最大。水蒸氣是能引起鋁合金應力腐蝕裂紋起始和擴展的唯一氣體。干燥氣體（ 包括氫氣、氮氣、氧氣、氬氣等） 都不會引起應力腐蝕裂紋擴展，當有水蒸氣進入后，應力腐蝕裂紋就開始擴展。水蒸氣使7000 系鋁合金在氣體環境中產生應力腐蝕開裂。

    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中更易引起SCC，當溶液的酸堿度為中性時，鈍化膜比較穩定，此時的溶液介質易發生局部腐蝕，而局部腐蝕往往就變成SCC 的形核核心。

    目前，關于電位對7000 系鋁合金抗應力腐蝕性能的影響大致可分為兩類，第一類觀點認為：在中性溶液中，陰極極化使鋁合金的應力腐蝕破裂速度減慢，陽極極化則相反；在強酸性溶液中，電位變化對腐蝕速度的影響很小，并且觀測不到陰極保護的效果。第二類觀點則認為：在腐蝕電位下的應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，是由于在陰極時拉伸試樣上發生陰極析氫反應，部分新生的原子氫通過擴散進入合金內部，產生氫效應而增加SCC 敏感性。當陽極極化時，拉伸試樣上發生陽極溶解反應，增生了更多的SCC 裂紋源，加速了腐蝕裂紋的擴展。

    應力腐蝕評價方法

    7000 系鋁合金應力腐蝕試驗方法主要有恒載荷法、恒位移法（C 型環、四點彎曲、U 型彎曲及軸向拉伸） 及慢應變速率拉伸法（SSRT）。各方法由于本身的特點，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，在所有應力腐蝕試驗方法中，恒載荷法除不適合7000 系鋁合金厚板短橫向應力腐蝕性能測試外，可用于型材、薄板長橫向和焊接接頭應力腐蝕性能測試；U 型彎曲法是測試沸騰介質下應力腐蝕性能的最佳方法；C 型環和軸向拉伸恒應變法是厚板短橫向應力腐蝕性能測試最佳方法，其中C 型環應用最多；四點彎曲法最適合焊接接頭的應力腐蝕性能測試，如要比較基體與焊接接頭的性能差異時，也可選用四點彎曲法進行基體應力腐蝕性能的測試；慢應變速率拉伸應力腐蝕試驗方法則適用于型材和薄板材長橫向應力腐蝕性能測試。相比恒載荷法和慢應變速率拉伸法在型材、薄板長橫向適用性，由于慢應變速率拉伸法測試周期短，可快速識別材料的應力腐蝕敏感性；具有較高的靈敏性，可較靈敏反映材料的應力腐蝕敏感的細微差異；可得到更多有用參量，定量地評價應力腐蝕敏感性。近年來，慢應變速率拉伸法在各個領域得到廣泛應用。

    中船七二五所自上世紀80 年代研究919（AL-Zn-Mg）合金在艦船上應用以來，一直致力于7000 系高強鋁合金的應力腐蝕開裂研究，在解決7000 系鋁合金在艦船應用中抗應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域的廣泛應用，中船七二五所又參與了高速列車及航空用鋁合金應力腐蝕性能研究工作，并在快速評價7000 系鋁合金的應力腐蝕試驗方法取得一定突破。七二五所腐蝕試驗室現有慢應變速率拉伸應力腐蝕試驗機近十臺，圖3 為慢應變速率拉伸應力腐蝕試驗室照片。

圖3 七二五所慢應變速率拉伸應力腐蝕試驗室

    結束語

    由于能源短缺和環境污染的問題日益嚴重，輕量化已成為未來交通運輸裝備發展的必然趨勢。7000 系鋁合金因密度低、比強度高、易加工成型等諸多優點，將是交通運輸裝備未來輕量化的主要用材，但由于其抗應力腐蝕性能差，應力腐蝕性能研究將是7000 系鋁合金推廣應用中的主要課題，路漫漫其修道遠兮，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年畢業于昆明理工大學材料專業（鋼鐵研究總院結構所聯合培養），碩士學位，高級工程師。

  
    主要從事金屬材料的腐蝕、疲勞和斷裂性能的測試、評價及研究工作，特別在材料的應力腐蝕性能評價方面具有較多的經驗。

    分別在《金屬學報》、《材料研究學報》、《腐蝕科學與防護技術》、《鋼鐵》、《金屬熱處理》、《材料開發與應用》、《電化學》、《理化檢驗》等雜志及“中國腐蝕大會”、“全國疲勞與斷裂會議”上發表第一作者論文30余篇。申請有關應力腐蝕和腐蝕疲勞的專利6項，主編國防科技理化檢測人員資格鑒定與認證培訓教材材料疲勞性能測試部分。

    參加國家技術基礎預研項目2項、所創新課題3項及材料綜合性能評價項目10余項。曾獲所科技創新成果獎2項，所突出貢獻二等獎1項。