导读：本文采用原位三维表征技术，系统研究了Al - Zn - Mg - Cu合金在外氢和内氢共同作用下的应力腐蚀开裂( SCC )行为。Al - Zn - Mg - Cu合金的应力腐蚀开裂( SCC )可以在H含量超过某一临界值的潜在裂纹区域萌生和扩展，其中纳米尺度的H诱导η - MgZn2析出相的解聚导致宏观开裂。外界H从环境中渗入合金，在Al - Zn - Mg - Cu合金的应力腐蚀开裂过程中起到了至关重要的作用，在裂纹尖端附近产生了梯度分布的H影响区，使处于水环境中的铝合金对应力腐蚀开裂更加敏感。此外，在塑性变形过程中，预先存在的内部H被驱动到裂纹尖端。它参与了SCC，并对裂纹的萌生和扩展都做出了贡献。

Al - Zn - Mg - Cu合金具有高的比强度、良好的成形性和可接受的生产成本，是航空航天领域中重要的结构材料。然而，在机械应力和环境的协同作用下，Al - Zn - Mg - Cu合金的应力腐蚀开裂( SCC )敏感性会导致灾难性的/过早的失效，这极大地挑战了整个构件的完整性和功能性。

氢脆( HE )对高强Al - Zn - Mg - Cu合金应力腐蚀开裂( SCC )行为的重要贡献已得到越来越多的认可。HE可以促进韧性断裂向脆性断裂转变，包括沿晶断裂( IGF )或穿晶准解理断裂( QCF ) 。更好地理解H从何而来以及H如何触发材料的失效，是缓解HE的根本需求。在SCC试验或实际服役过程中，Al基体与试验或服役环境中的水发生化学反应是原子H的一个来源，其中一部分H随后可被材料吸收，称为外部H。外界H对Al - Zn - Mg - Cu合金SCC行为的影响已被广泛研究。然而，除了外部H，在制造过程中积累的预先存在的内部H也可能参与SCC过程；这一主题尚未得到深入挖掘。

基于氢致局部塑性变形( HELP )、氢气添加解聚( HEDE )和吸附诱导位错发射( AIDE ) ，H与各种氢捕获位点，如位错、空位、析出相、溶质原子和第二相粒子之间的相互作用被普遍报道是导致HE发生的原因。这些工作为在Al - Zn - Mg - Cu合金应力腐蚀开裂过程中基于氢分布的宏观断裂行为评估提供了可能，同时考虑了外部氢和内部氢。本研究的重点是阐明外部和内部H对SCC萌生和扩展的贡献，这是通过结合H诱导的纳米尺度脱粘和高强度Al - Zn - Mg - Cu合金的宏观SCC行为来完成的。本研究结果有望促进对Al - Zn - Mg - Cu合金SCC机制的深入理解，并有助于通过同时考虑外部和内部H来抑制SCC。

九州大学机械工程系的户田博之专家团队作了该研究，相关研究成果以“Stress corrosion cracking induced by the combination of external and internal hydrogen in Al-Zn-Mg-Cu alloy”为题，发表在Scripta Materialia上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359646223005250

图1描述了通过原位拉伸试验获得的名义应力-应变曲线和使用SEM观察的相应断口形貌。无论内部H含量如何，在蒸馏水中测试的试样的断裂应变明显小于在Ar气氛中测试的试样，这表明SCC在来自环境的外部H存在的情况下加速。此外，在相同环境下进行试验时，延性也会受到内部H含量的影响。断口SEM图像显示了典型的QCF (以黄色区域突出显示)混合断裂和微孔聚集型断裂。Su等人认为QCFs的面积分数( fQCFs )是评估当前材料HE行为的有效指标。计算fQCF表明，无论样品内部H含量是高还是低，当测试环境从Ar气氛变为蒸馏水时，fQCF都急剧增加了3 ~ 4倍。最值得注意的是，即使在蒸馏水环境中，随着内部H含量的增加，fQCFs也增加了50 %。这一结果似乎表明，尽管环境中的外部氢起着至关重要的作用，但内部氢对SCC行为的贡献不容忽视，Al - Zn - Mg - Cu合金的SCC行为同时受外部氢和内部氢的控制。

图1 通过原位拉伸试验获得了( a ) HW、( b ) LW、( c ) HAr、( d )和LAr的名义应力-应变曲线和相应的断口SEM形貌。名义应力-应变曲线中的红色循环表明了XMT扫描的操作。断裂面的黄色区域显示了QCFs区域的分布，其面积分数( fQCFs )分别为12.4 ± 0.35 % ( HW )、7.6 ± 0.4 % ( LW )、3.8 ± 0.35 % ( HAr )和2.0 ± 0.2 % ( LAr )。每次实验卸载的原因在补充材料中声明。

图2 QCFs在( a ) HW，( b ) LW，( c ) HAr和( d ) LAr不同施加应变下的3D渲染图像。

图3 QCFs在断裂面上分布的总裂纹面积随每个试样施加应变的变化。

图4 ( a )裂纹萌生阶段在蒸馏水中暴露60 min后HW和LW中氢扩散的模拟结果，( b ) ( a )中黑色矩形标记区域内HW和LW的放大分布，( c )初始裂纹长度的分布。

综上所述，SCC可以在H浓度大于21 mass ppm的潜在裂纹区域萌生和扩展，在外部和内部H的协同作用下，η - MgZn2析出相发生纳米尺度的H诱导解聚导致宏观裂纹的形成。外部H从环境中的吸收和扩散形成了梯度分布的H影响区，这使得在蒸馏水中测试的试样对SCC更加敏感。内部H在塑性变形过程中被驱动到裂纹尖端并参与SCC，对裂纹的萌生和扩展做出了重要贡献。