全球对C含量零排放的要求对轻质高强材料的开发日益迫切。7××高强铝合金由于低密度而受到航空航天工业的日益青睐。但是7××高强铝合金对应力腐蚀和H环境非常敏感。氢脆与晶界(GBs)的氢增强局部塑性(HELP)和氢增强脱粘(HEDE)等有关。腐蚀过程中由于腐蚀引起的η相、富Al基体和GB区域之间的电位差异，导致原子H在裂纹尖端产生，从而产生应力腐蚀裂纹(SCC)。裂纹止裂标志（CAMs）的存在表明所有与裂纹有关的现象都发生在局部。此外，腐蚀产生的氧化物及其相对稳定性决定了H的生成速率，其进入和捕获依赖于微观结构。然而，目前对SCC过程中空间解析的H成分数据相当缺乏，关于在Al合金中扩展的应力-腐蚀裂纹尖端形成的腐蚀层的成分和结构的报道非常有限。这些知识空白阻碍了SCC中活性机制的确定。

近日，来自德国马普所的Baptiste Gault教授利用先进的3维原子探针以及透射电子显微镜(TEM)技术在近原子尺度上研究了SCC裂纹扩展前后的晶内和晶间微观结构的演变。采用双悬臂梁(DCB)裂纹扩展试验，研究发现：H元素优先偏析在位错的平面阵列和晶界上，通过氢增强局部塑性(HELP)和氢增强脱粘(HEDE)机制的综合效应导致材料在服役过程的氢脆失效。另外，本文还发现了在腐蚀裂纹表面的富Mg非晶氢氧化物和Mg相关的扩散过程导致裂纹前强化η相析出相溶解的证据。这些新发现对于改进现有模型和提高预测应力腐蚀和氢脆断裂能力具有重要意义。相关成果以“Revisiting stress-corrosion cracking and hydrogen embrittlement in 7xxx-Al alloys at the near-atomic scale”为题发表在国际著名期刊Nature Communications期刊上。

(1)通过三维原子探针发现H元素优先偏析在位错的平面阵列和晶界上，导致明显的HELP和HEDE综合效应而使得材料发生氢脆失效；

(2) 应力腐蚀裂纹剪短富Mg非晶氢氧化物，与Mg相关的扩散过程导致裂纹前强化η相析出相的溶解。

图1 应力-腐蚀裂纹附近变形行为的H效应；（a）SCC裂纹尖端的SEM显微图，框出了APT和TEM表征的位置；（b）裂纹尖端区域的STEM图像表明氧化物和空洞的存在；（c）TEM BF图像表明空区附近存在位错，如红色箭头所示；（d）TEM DF图显示了b中位错的(111)衍射光斑；（e）GB 4 μ m前裂纹 的APT重建图表明存在位错，H和Si偏析。沿着APT重建图中所示的箭头分别为跨越GB、位错和Mg₂Si粒子的1D成分分布。@ 2022 Spring Nature

图2 7449-T7651合金应力腐蚀开裂过程中的腐蚀行为；a. APT裂纹的DCB样品示意图；b. SCC裂纹尖端的APT重建图；c. 氧化物-基体界面的一维成分剖面图；d. 10纳米切片中获得的2D成分图，显示了b所示虚线切片中氧化物中Mg、O和Zn的2D元素分布；e. APT二次裂纹的DCB样品示意图；f. 氧化二次裂纹的APT重建表明复杂的氧化形态以及无沉淀析出；g. 穿过氧化物-基体界面的一维成分剖面. @ 2022 Spring Nature

图3 应力腐蚀开裂过程中基体和η相析出相成分的变化；a. 裂纹尖端周围的η析出相组成非常靠近裂纹尖端；显示了裂纹尖端附近以及靠近尖端Cu的平均成分；b.裂纹尖端周围和氧化二次裂纹附近的基体组成。@ 2022 Spring Nature

图4 应力腐蚀裂纹前的晶界成分波动；a裂纹前晶界的APT重建图; b成分谱显示η相晶界析出相，Mg含量比为33%，化学式为Mg(Zn, Cu, Al)2. @ 2022 Spring Nature

高H含量的排列位错集表明应变有助于析出相溶解和裂纹扩展；富镁的氧化物的增长促使Mg从合金中浸出产生了溶质的强烈再分配，析出相溶解位错与晶界一起，导致沉淀物的溶解过程。本文的这些重要理论基础的发现为提高7××铝合金的腐蚀和氢脆能力提供了理论支撑。