7000 系铝合金是以锌为主要合金元素的铝合金，属于热处理可强化铝合金，包括Al-Zn-Mg 合金和Al-Zn-Mg-Cu合金。Al-Zn-Mg 合金在适当的热处理条件下能够得到较高的强度，焊接性能良好，是强可焊的铝合金，在高速列车和水下兵器上应用较多，比如：我国CRH2 及其衍生车型的主要车体承力部件使用的主要就是Al-Zn-Mg 合金，美国用7039 合金建造了大深度反潜鱼雷壳体；Al-Zn-Mg-Cu 合金是在Al-Zn-Mg 合金基础上通过添加Cu 发展而来的，其强度比Al-Zn-Mg 合金高，称为超高强铝合金，由于添加Cu，其焊接性能不及Al-Zn-Mg 合金，该系合金广泛应用于航空和航天领域，并成为这个领域中最重要的结构材料之一，典型代表是7055、7050、7075 合金。7000 系铝合金耐腐蚀性较好，但均有一定的应力腐蚀倾向，制品在服役的过程中，应力腐蚀开裂（SCC） 往往是导致其失效的主要原因，图1 为某装备用蛇形减震器底座（ 材料为7B05） 应力腐蚀断裂图片。

    图1 蛇形减震器底座（材料为7B05）应力腐蚀断裂图片

    因此研究7000 系铝合金应力腐蚀机制、影响因数及评价方法，从而提高7000 系铝合金的抗应力腐蚀性能，一直是材料研发者、使用者和测试者不断求索的课题方向。

    应力腐蚀机制

    目前，对7000 系铝合金的SCC 机制虽进行了大量的研究，但仍未形成统一的认识，较为熟知的理论有阳极溶解理论、钝化膜破裂理论、氢致断裂理论和Mg-H 复合体理论等。在20 世纪70 年代以前，铝合金的SCC 一直是以阳极溶解理论为主，但是目前氢致断裂理论和Mg-H 复合体理论得到了较多学者的认同。

    1 阳极溶解理论

    阳极溶解理论是指晶界上的沉淀相、晶界本身或者是附近的溶质贫乏区优先腐蚀导致应力腐蚀开裂的过程。该过程属于电化学过程，须具备以下发生条件：①晶界沉淀相呈连续或部分连续分布作为阳极区；②腐蚀介质的选择性；③存在拉应力，加速溶解阳极部分并使新的阳极部分暴露。沿着晶界选择性地阳极溶解，形成了显微缺口。当该处应力集中高于合金的强度极限时就形成裂纹扩展。

    2 钝化膜破裂理论

    钝化膜破裂理论假定晶界钝化膜撕裂是引起应力腐蚀开裂的主要原因。7000 系铝合金的钝化膜撕裂过程包含：

    ①裂纹尖端局部塑性变形；②表面钝化膜撕裂；③钝化膜的去除及金属表面暴露在腐蚀环境中并产生溶解。

    阳极通道模式是阳极溶解理论和钝化膜破裂理论的综合。铝合金晶界或晶界沉淀区域与晶粒内存在电位差，形成了很多的阳极通道。沿阳极通道腐蚀的过程就是应力腐蚀开裂的特征。铝合金在潮湿空气中发生的SCC 就属于阳极通道型。

    3 氢致断裂理论

    氢致断裂理论认为，腐蚀过程中产生的氢在拉应力的作用下沿晶界扩散进入裂尖引起氢脆，从而加速了SCC 裂纹的扩展。在拉伸应力作用下，晶界与表面相交处的水分与铝合金反应生成活性原子氢，即2Al+3H2O=Al2O3+6[H]。氢原子进入晶格中，沿晶界优先偏聚，导致晶界强度下降，引起开裂。

    4 “Mg-H”复合体理论

    “Mg-H”复合体理论是指在晶界上存在着过量的自由Mg，易与H 形成“Mg-H”复合体，这样会导致晶界上H 固溶度的增加，而H 在晶界上的偏聚会降低晶界的结合能，从而促进裂纹的扩展，多位研究者表明晶界的“Mg-H”复合体与7000 系铝合金的应力腐蚀有关。

    图2 峰值时效Al-Zn-Mg合金晶界及其周围Mg、Zn 和 H 元素的分布：（a）重新构建的Mg（粉红色）和Zn（黑色）原子的三维图谱，尺寸为55×54×269 nm3;（b） Mg, Zn 和H原子沿着垂直晶界方向含量变化图。用于含量分析的浅绿色小圆柱体（图a）直径为15 nm, 长为28 n。

    “Mg-H”复合体理论成立的必要条件就是晶界上有自由Mg 存在。中科院金属所张波等人采用三维原子探针（3DAP） 技术，观察到了峰值时效Al-Zn-Mg 铝合金的晶界上存在自由Mg 原子（ 图2），图2 显示峰值时效Al-Zn-Mg铝合金的晶界上有明显的Mg 原子偏聚。虽然3DAP 没有直接观察到Mg-H 化合物（ 可能是H 浓度低的原因），但该发现为 “Mg-H”复合体理论提供了一定程度的实验支持，为进一步深入研究铝合金的应力腐蚀开裂机理找到了一种新的技术手段。

    应力腐蚀影响因素

    1 热处理及微观组织

    7000 系铝合金的热处理主要包括固溶和时效处理。顾名思义固溶处理就是将强化相弥散到铝基体中，其对提高抗应力腐蚀性能是有益的；对应力腐蚀性能影响较大的是时效处理，时效过程中形成的基体沉淀相（GP 区、η‘ 过渡相）、晶界η 平衡相的尺寸、数量、分布及晶界无沉淀析出带（PFZ）的特性基本决定了7000 系铝合金的抗应力腐蚀性能。一般认为以η' 过渡相为主的强化相更有利于合金的抗应力腐蚀性能。因为在以GP 区为主要强化相的合金中，基体沉淀相的强度低，基体一旦发生变形，在大量滑移系开动的同时，一些有利的位向容易产生共面滑移形成滑移带，造成位错在晶界堆积，随之产生局部应力，从而降低抗应力腐蚀性能；而以η' 过渡相为主要沉淀相的合金中，由于η' 过渡相强度高，不易被剪切，位错线是以Orowan 机制绕过沉淀相质点，所以不会产生过多的强度薄弱区。此外，均匀分布的η' 过渡相能更有利于阻碍变形过程中位错的运动，不易引起应力集中，同时也减少了氢原子向晶界的聚集，有利于合金的抗SCC 性能。

    除基体沉淀相（MPt） 外，对于抗应力腐蚀性能，晶界结构及化学性质起着相当重要的作用。其一就是晶界析出相，连续的晶界析出相往往易成为阳极通道；其二是晶界无沉淀析出带（PFZ），一方面由于PFZ 屈服强度较低，在应力作用下塑性变形容易集中在无沉淀析出带，最终导致沿晶断裂；另一方面，塑性变形的PFZ 与其他部分比较呈阳性，在应力作用下加速腐蚀，增加了晶界断裂倾向。当然，也有从“应力驰豫模型”解释PFZ 增宽对性能的影响，他们认为，由于PFZ 强度较基体低，应力可以在较软的PFZ 中驰豫。PFZ 愈宽，应力松弛愈完全，裂纹愈难产生和发展，这对提高应力腐蚀性能是有利的，还有人认为，PFZ 的宽度变化对合金性能影响不大。总之，目前对无沉淀带的利弊尚无定论，不过从力学性能和抗蚀性方面来看，还是希望缩小或消除晶界无沉淀析出带。

    2 合金成分

    7000 系铝合金成分包括主合金元素Zn、Mg 和微量元素Mn、Cr、Ti、Zr、Cu 以及杂质元素Fe 和Si 等。各元素的合金化作用见表1.

表1 7000系铝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%，合金的应力倾向与Zn、Mg 的含量的总和及Zn/Mg 比值有关，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的范围内，合金具有较好的耐应力腐蚀性能。

    Cu 元素可提高合金的应力腐蚀性能，但Cu 的含量若大于0.3%，焊接性能遭到严重破坏，为此，Cu 元素在7000系铝合金的含量受到限制。

    微量Zr、Mn 均可提高合金的合金的抗应力腐蚀性能，Zr 元素含量一般控制在0.05% ～ 0.15%；Mn 元素含量在0.2 ～ 0.4% 时可显著提高抗应力腐蚀性能，继续提高到1%时，可稍改善Al-Zn-Mg 系合金中抗应力腐蚀破裂的能力。

    Fe 和Si 是7000 系铝合金中有害物质，在合金中主要以不溶或难溶的Al7Cu2Fe、Mg2Si、AlFeMnSi 等脆性相和共晶化合物的形式存在，减少可提高合金的抗应力腐蚀性能。

    3 外部环境

    外界环境影响SCC 的主要包括气体环境、水溶液以及电位。其中气体环境中水蒸气对SCC 影响最大。水蒸气是能引起铝合金应力腐蚀裂纹起始和扩展的唯一气体。干燥气体（ 包括氢气、氮气、氧气、氩气等） 都不会引起应力腐蚀裂纹扩展，当有水蒸气进入后，应力腐蚀裂纹就开始扩展。水蒸气使7000 系铝合金在气体环境中产生应力腐蚀开裂。

    水溶液中Cl- 能明显加速铝合金的SCC。而且在腐蚀性弱的水溶液介质中更易引起SCC，当溶液的酸碱度为中性时，钝化膜比较稳定，此时的溶液介质易发生局部腐蚀，而局部腐蚀往往就变成SCC 的形核核心。

    目前，关于电位对7000 系铝合金抗应力腐蚀性能的影响大致可分为两类，第一类观点认为：在中性溶液中，阴极极化使铝合金的应力腐蚀破裂速度减慢，阳极极化则相反；在强酸性溶液中，电位变化对腐蚀速度的影响很小，并且观测不到阴极保护的效果。第二类观点则认为：在腐蚀电位下的应力腐蚀敏感性均明显低于极化电位下的，阴极极化和阳极极化对SCC 的不良影响，是由于在阴极时拉伸试样上发生阴极析氢反应，部分新生的原子氢通过扩散进入合金内部，产生氢效应而增加SCC 敏感性。当阳极极化时，拉伸试样上发生阳极溶解反应，增生了更多的SCC 裂纹源，加速了腐蚀裂纹的扩展。

    应力腐蚀评价方法

    7000 系铝合金应力腐蚀试验方法主要有恒载荷法、恒位移法（C 型环、四点弯曲、U 型弯曲及轴向拉伸） 及慢应变速率拉伸法（SSRT）。各方法由于本身的特点，其适用性不完全相同，表2 为7000 系铝合金不同类型材料与选用方法对照表。

     可以看出，在所有应力腐蚀试验方法中，恒载荷法除不适合7000 系铝合金厚板短横向应力腐蚀性能测试外，可用于型材、薄板长横向和焊接接头应力腐蚀性能测试；U 型弯曲法是测试沸腾介质下应力腐蚀性能的最佳方法；C 型环和轴向拉伸恒应变法是厚板短横向应力腐蚀性能测试最佳方法，其中C 型环应用最多；四点弯曲法最适合焊接接头的应力腐蚀性能测试，如要比较基体与焊接接头的性能差异时，也可选用四点弯曲法进行基体应力腐蚀性能的测试；慢应变速率拉伸应力腐蚀试验方法则适用于型材和薄板材长横向应力腐蚀性能测试。相比恒载荷法和慢应变速率拉伸法在型材、薄板长横向适用性，由于慢应变速率拉伸法测试周期短，可快速识别材料的应力腐蚀敏感性；具有较高的灵敏性，可较灵敏反映材料的应力腐蚀敏感的细微差异；可得到更多有用参量，定量地评价应力腐蚀敏感性。近年来，慢应变速率拉伸法在各个领域得到广泛应用。

    中船七二五所自上世纪80 年代研究919（AL-Zn-Mg）合金在舰船上应用以来，一直致力于7000 系高强铝合金的应力腐蚀开裂研究，在解决7000 系铝合金在舰船应用中抗应力腐蚀问题取得一定成效。近年来，随着7000 系铝合金在高速列车及航空领域的广泛应用，中船七二五所又参与了高速列车及航空用铝合金应力腐蚀性能研究工作，并在快速评价7000 系铝合金的应力腐蚀试验方法取得一定突破。七二五所腐蚀试验室现有慢应变速率拉伸应力腐蚀试验机近十台，图3 为慢应变速率拉伸应力腐蚀试验室照片。

图3 七二五所慢应变速率拉伸应力腐蚀试验室

    结束语

    由于能源短缺和环境污染的问题日益严重，轻量化已成为未来交通运输装备发展的必然趋势。7000 系铝合金因密度低、比强度高、易加工成型等诸多优点，将是交通运输装备未来轻量化的主要用材，但由于其抗应力腐蚀性能差，应力腐蚀性能研究将是7000 系铝合金推广应用中的主要课题，路漫漫其修道远兮，让吾辈共同上下而求索。

作者简介

查小琴

    查小琴，女，1975年8月出生，2007年毕业于昆明理工大学材料专业（钢铁研究总院结构所联合培养），硕士学位，高级工程师。

  
    主要从事金属材料的腐蚀、疲劳和断裂性能的测试、评价及研究工作，特别在材料的应力腐蚀性能评价方面具有较多的经验。

    分别在《金属学报》、《材料研究学报》、《腐蚀科学与防护技术》、《钢铁》、《金属热处理》、《材料开发与应用》、《电化学》、《理化检验》等杂志及“中国腐蚀大会”、“全国疲劳与断裂会议”上发表第一作者论文30余篇。申请有关应力腐蚀和腐蚀疲劳的专利6项，主编国防科技理化检测人员资格鉴定与认证培训教材材料疲劳性能测试部分。

    参加国家技术基础预研项目2项、所创新课题3项及材料综合性能评价项目10余项。曾获所科技创新成果奖2项，所突出贡献二等奖1项。