譚思治，羅兵輝，王 帥，孫浩洋

（1.中南大學材料科學與工程學院，長沙410083；2.南方科技大學材料科學與工程系，深圳518055）

0 前言

7N01鋁合金最初是由日本生產，因其良好的力學性能、擠壓性能和焊接性能而被廣泛應用于高速列車的結構件中。但是，作為7×××鋁合金，7N01具有較高的應力腐蝕敏感性，而應力腐蝕開裂（SCC）的出現(xiàn)一般不會有明顯征兆，且后果往往是災難性的。

鋁合金的應力腐蝕機理一直存在爭議。一般認為，鋁合金中存在陽極溶解和氫致開裂兩種SCC機理，陽極溶解為應力作用下的電化學腐蝕，晶界上不連續(xù)分布的析出相有助于降低陽極溶解造成的影響[1]。而氫致開裂為鋁合金的氫致?lián)p傷導致的裂紋萌生及擴展[2-3]。一般的氫致?lián)p傷包括氫鼓泡、氫蝕孔洞、氫壓裂紋和脆性氫化物開裂。Rozenak對鋁單晶進行電化學充氫后，在樣品表面氫氧化物層上觀察到聚合的氫鼓泡，并在橫截面試樣和TEM試樣中發(fā)現(xiàn)微裂紋[4-5]。在多個作者的研究中，經過電化學充氫的鋁合金的XRD譜中都發(fā)現(xiàn)了鋁的氫化物峰[6-8]。

晶體缺陷、第二相以及微孔洞周圍存在應變場及其對應的應力場，而鋁合金中的氫原子周圍也存在應變場，氫原子的應變場與內應力場相互作用使氫原子被缺陷捕獲，這種能捕獲氫原子的缺陷就被稱為氫陷阱。鋁合金中的氫陷阱有很多，純鋁中，氫陷阱為晶格間隙、位錯和空位團[9]；7×××鋁合金中，氫陷阱為空位、位錯、微孔洞和MgZn2相（η），而η'相和晶界不是氫陷阱[10-12]。

充氫后進行慢應變速率拉伸來測試材料的氫脆性能是常用的實驗手段，從多位作者的工作中可以發(fā)現(xiàn)，含氫材料的慢拉伸斷口特征為從表層至芯部由沿晶或準解理過渡到韌窩[6，12，13]。而脆性斷口的深度則可以看作氫擴散的深度，由此可估算氫在材料中的擴散系數(shù)。目前，對7×××鋁合金氫脆的研究多針對于時效態(tài)，對均勻化態(tài)鋁合金的氫脆研究極少。本文采用OM、SEM、EDS和SSRT等實驗手段研究了氫元素對均勻化態(tài)7N01鋁合金力學性能的影響，并揭示該合金的氫致開裂機理。

1 實驗材料及方法

使用的材料為東北輕合金研究院提供的7N01鋁合金，其成分如表1所示。實驗狀態(tài)為均勻化態(tài)，均勻化工藝為460℃保溫12h后，隨爐冷卻至室溫。

表1 7N01合金成分（質量分數(shù)/%）

利用POLYVAR-MET金相顯微鏡、SIRION200場發(fā)射掃描電子顯微鏡和Mini Flex 600高分辨X射線衍射儀進行試樣的組織觀察及物相分析。

采用電化學充氫方法在樣品中引入氫元素，先將待充氫試樣置于100℃下保溫24h以除去樣品中可能存在的氫，再將試樣作為陰極，鉑電極作為陽極。電解液組成為75%甲醇、22.4%水和2.6%硫酸（體積分數(shù)）并加入0.15mL/L二硫化碳作為毒化劑（吸附在樣品表面，阻止氫原子在樣品表面聚合成氫分子），在25℃下保溫并通恒定電流48h。充氫試樣的慢應變速率拉伸實驗（SSRT）在MTS Landmark疲勞試驗機上進行，試樣厚度為3mm，尺寸如圖1所示。應變速率均為7.14×10-5/s，其斷口形貌在Quanta-200環(huán)境掃描電子顯微鏡下得到。

圖1 SSRT試樣示意圖

2 結果與分析

2.1 材料組織分析

圖2為7N01鋁合金經均勻化熱處理后的XRD分析。圖中我們只能觀察到兩種相，即Al基體和MgZn2相。這表明，經均勻化熱處理后，材料內第二相主要為MgZn2相。

圖2 7N01鋁合金均勻化后的XRD譜

圖3和圖4分別為7N01鋁合金均勻化金相組織和SEM照片。可以看出，晶界上分布有粗大未溶相和鏈狀細小相。通過EDS分析可知，粗大相為熔煉過程中引入的雜質相，鏈狀相與基體成分相近。晶內分布有大量析出相，對比XRD分析，可知其主要為MgZn2相。

圖3 7N01鋁合金均勻化處理后的金相組織

圖4 7N01鋁合金均勻化SEM照片及EDS分析

2.2 充氫試樣SEM分析

圖5（a）～（c）為材料充氫后表面和側面SEM圖像。從圖5（a）可以看出，材料經70mA/cm2電流充氫后，試樣周圍大量的氫離子由于通電得到電子而轉化為氫原子，致使pH值顯著升高而進入材料的電位-pH圖中的腐蝕區(qū)而發(fā)生腐蝕，這是一種陰極腐蝕現(xiàn)象，其腐蝕深度僅為數(shù)微米。在后續(xù)力學性能測試試驗中，可以磨去腐蝕層以避免腐蝕損傷對材料拉伸性能的影響。表面除晶內細小第二相被腐蝕產生的腐蝕坑外，還可以看見由充氫產生的氫蝕孔（圖中箭頭所指）。

由于表層產生腐蝕，不便于觀察其它氫致?lián)p傷，故通過橫截面觀察。圖5（b）、（c）為150mA/cm2充氫后試樣橫截面SEM圖?？梢钥匆姴牧蟽炔坑捎跉湓拥囊氘a生的氫蝕孔和氫壓裂紋。氫蝕孔和氫壓裂紋是由于氫原子擴散至空位團內聚集而形成氫分子，從而產生氫壓，促使空位團擴張形成氫蝕孔，而氫壓高于孔壁的原子鍵合力時裂紋即萌生。這些氫損傷在后續(xù)的慢應變速率拉伸試驗中可能成為裂紋源使材料脆化，即氫致開裂（HIC）。

圖5材料表面和橫截面SEM觀察

2.3 SSRT試驗

材料未充氫和充氫后的SSRT應力-應變曲線如圖6所示，力學性能對比如表2所示?？梢钥闯雒黠@的反?，F(xiàn)象：材料內部引入氫元素后，隨著充氫電流密度增加，抗拉強度保持不變，屈服強度由114MPa下降至81MPa，而延伸率反而由8.6%增加至12.6%，這與文獻[7]、[13]、[14]報道的氫脆引起的力學性能變化不同。

圖6材料經不同電流密度充氫后的應力-應變曲線

表2不同電流密度充氫后7N01鋁合金的力學性能

2.4 斷口分析

圖7（a）～（f）為材料斷口SEM分析及示意圖。其中圖7（a）～（b）為未充氫試樣的斷口，斷口由準解理區(qū)和沿晶區(qū)構成，混雜有少量的韌窩。準解理區(qū)呈現(xiàn)較為平坦的狀態(tài)，可以觀察到一些細小的紋路卻找不到連續(xù)分布的河流花樣，這種斷口特征介于解理斷裂和微孔聚集型斷裂之間，故稱為準解理；沿晶斷口是典型的冰糖花樣，可看見完整晶粒。在該實驗中，可以從準解理區(qū)域和沿晶區(qū)域所占比例來判斷材料的脆性。材料經過均勻化熱處理后晶內細小第二相粒子密度極高，晶界第二相大而脆，由于晶界的脆性遠高于晶內，所以斷口以沿晶形式出現(xiàn)而不是穿晶。

圖7（c）～（d）和圖7（e）～（f）分別為30mA/cm2和150mA/cm2電流充氫后的斷口。30mA/cm2充氫斷口中，已經找不到完整的晶粒，晶粒呈現(xiàn)從中部斷裂的形態(tài)，即除未充氫斷口中存在的沿晶裂紋外，還出現(xiàn)了晶粒內部的韌窩，即穿晶區(qū)；150mA/cm2充氫斷口中，沿晶區(qū)進一步減少，典型的沿晶斷口特征即冰糖花樣已基本消失，而純韌窩區(qū)的比例明顯增加?？梢钥闯?，韌窩大小從幾微米到數(shù)十微米不等，且無規(guī)則分布。這表明，隨著充氫電流增大，均勻化態(tài)7N01鋁合金的斷口特征會由脆性轉變?yōu)轫g性。

3 討論

Swapna[15]在7075鋁合金在NaOH溶液中的應力腐蝕試驗中發(fā)現(xiàn)，在10-5/s應變速率下，將試樣作為陰極通入電流會導致試樣延伸率增大，但并未從機理上進行解釋。在本實驗中，我們也發(fā)現(xiàn)，延伸率也隨著充氫電流密度的增大而增大。

通過斷口分析可以發(fā)現(xiàn)，隨充氫電流密度增大，斷口特征由冰糖花樣+準解理+少量韌窩斷口轉變?yōu)榇罅宽g窩+少量沿晶斷口，我們據(jù)此提出氫微孔機理。7N01鋁合金中，MgZn2相為氫元素的陷阱，由于均勻化熱處理后，MgZn2相在材料中均勻分布，氫元素也會隨之均勻分布。拉伸試驗中，當試樣存在缺陷時，材料的開裂由應力場強度因子決定，應力場強度因子KI的定義式為：

式中Y為與缺陷尺寸形狀有關的幾何因子，σ為軸向應力，α為缺陷尺寸。在應力場的作用下，氫原子會被誘導擴散，氫原子聚集處形成微型孔洞。這些微型孔洞由于尺寸極小，其產生的應力場強度因子很小，因此在低于斷裂強度的應力下不會發(fā)生低應力斷裂。當這些微型孔均勻分布在材料內時，變形通過微孔間的基體的微頸縮進行，所需能量比沿晶界斷裂更低。于是，原有的沿晶開裂模式就轉變?yōu)榱宋⒖拙奂烷_裂，即由脆性斷裂過渡到韌性斷裂。

圖8是150mA/cm2電流充氫斷口中的微孔形貌。圖中我們可以看見無孔區(qū)和少孔區(qū)，這些區(qū)域中氫元素未擴散到或是含氫量較少；微孔區(qū)中，微孔尺寸不到0.5μm，我們可以觀察到微孔聚集成的微裂紋（＜100μm）和微孔聚集成的大孔（10～30μm）。微裂紋和大孔尺寸與圖5（b）和（c）中所示的氫蝕孔和氫壓裂紋屬同一數(shù)量級，這些孔洞不具有韌窩特征，大孔與大孔、裂紋與裂紋之間也不顯示脆性斷口特征（解理、沿晶）。綜上所述，對于均勻化熱處理后的7N01鋁合金，氫的引入會導致材料內部出現(xiàn)氫損傷，可能在一定程度上增大材料的脆性，但總體上會由于氫微孔機理降低脆性，即產生“氫韌”現(xiàn)象。氫微孔機理的示意圖如圖9所示。

圖8 150mA/cm2電流充氫斷口中的微孔結構

圖9氫微孔機理示意圖

4 結論

（1）引入氫元素會使材料表面和內部產生氫致?lián)p傷，如氫蝕孔和氫壓裂紋。

（2）預充氫后，材料的屈服強度隨充氫電流密度增大而降低，抗拉強度保持不變，延伸率明顯增大。

（3）材料的斷口特征隨充氫電流密度增大由脆性斷口逐漸轉變?yōu)轫g性斷口。由于氫元素聚集產生微孔從而使開裂機制由沿晶斷裂轉變?yōu)槲⒖拙奂蛿嗔选?/p>