腐蝕頂刊：兩步時效7xxx系鋁合金氫脆機制新見解！

氫脆是鋁合金等材料面臨的核心安全問題，常引發(fā)結(jié)構(gòu)突然失效。尤其在7xxx系鋁合金中，該問題尤為突出。由于氫原子易向高應(yīng)力區(qū)富集，材料氫脆敏感性隨強度提升而急劇升高。工業(yè)界采用過時效熱處理工藝抑制氫脆，但這一方法大幅度犧牲強度，也制約了更高強度合金的開發(fā)。自上世紀50年代以來，商用7xxx系鋁合金的升級多以改善韌性為主，過時效態(tài)實用合金的強度幾乎停滯[1]。

傳統(tǒng)兩步過時效熱處理通常包括：第一步低溫（約120℃）處理，使過飽和固溶體分解為GP區(qū)與η′相（η相前驅(qū)體）；第二步高溫（150–200℃）處理，普遍認為是促進η′相向η相轉(zhuǎn)變及晶界析出相粗化，進而降低氫脆敏感性。因此，長期以來研究多集中于η-MgZn?析出相，而Al-Zn-Mg相圖中的另外一種相——T-Mg??(Al,Zn)??相——很少受到關(guān)注。T相常以近球形析出，對強度的貢獻弱于盤狀η相，故在7xxx系鋁合金研發(fā)中未受重視。此外，早期觀點認為在接近商用成分時，T相僅存在于高溫區(qū)（如＞200℃）。加上T相與η相的化學(xué)成分、形貌相近，尺寸較小時二者也難以區(qū)分，導(dǎo)致T相在商用合金氫脆中的作用被長期忽略。

近年來，理論陷阱導(dǎo)向的氫脆調(diào)控策略得到快速發(fā)展[2-4]。理論預(yù)測顯示，η′/η相的慣態(tài)面（亦為鋁基體滑移面）易發(fā)生氫致開裂，而T相則具有較高氫結(jié)合能，可能成為抑制氫脆的有效納米析出相[5]；某些高鋅合金在充氫后呈現(xiàn)完全穿晶斷裂，表明隨析出相密度增加，晶內(nèi)成為氫脆敏感區(qū)域，這與η′/η相致脆機理相符，也為分離晶內(nèi)與晶界析出相對氫脆的影響提供了理想研究體系[6]。

基于上述進展，研究團隊通過設(shè)計熱處理與力學(xué)對照實驗，精確揭示了晶內(nèi)T相對改善氫脆的關(guān)鍵作用。設(shè)計了單步低溫峰值時效、單步低溫過時效以及兩種溫度下的兩步過時效（圖1），在強度差異不超過5%的條件下，系統(tǒng)比較了各工藝的抗氫脆性能（圖2）。結(jié)果表明，兩步過時效合金能顯著抑制氫致開裂，而傳統(tǒng)觀點僅從時效效率與析出相粗化角度無法完全解釋1OA與2OA在抗氫脆性能上的差異。

圖1. （a）單步時效和（b）兩步時效工藝的時效硬化響應(yīng)。1UA：單步欠時效；1OA：單步過時效；2OA：兩步過時效。注：所有強度低于T6處理的兩步時效材料均定義為過時效。

圖2 （a）應(yīng)力-位移曲線和（b）氫含量熱脫附曲線。

利用球差掃描透射電子顯微鏡的高角環(huán)形暗場像（STEM-HAADF），解析了η相的原子結(jié)構(gòu)及其界面共格性，并結(jié)合富含更多衍射信息的傳統(tǒng)高分辨透射電鏡（HRTEM）模式對T相進行細致觀察。分析表明，在兩步過時效合金中出現(xiàn)了納米級T相的清晰電子衍射花樣。定量統(tǒng)計證實，與1OA處理相比，2OA處理后T相比例顯著提高（圖3）。這歸因于第二步高溫時效中，亞穩(wěn)態(tài)η′相部分溶解并重新析出為T相。氫分布計算進一步指出，雖然T相總體比例低于η相，但其對氫的捕獲作用不可忽視，很可能是當前商用熱處理合金中主要的氫陷阱。

圖3. （a）1OA和（b）2OA合金中T相的HRTEM圖像。（c）、（d）不同氫陷阱的氫含量。

由于兩步時效處理是幾十年來7xxx系合金的傳統(tǒng)熱處理技術(shù)，該研究揭示的新機制具有廣泛的工程應(yīng)用價值，為通過調(diào)控析出相類型與分布進一步優(yōu)化鋁合金抗氫脆性能提供了理論依據(jù)與新方向。

論文以“Quantitative insights into hydrogen embrittlement in two-step aged 7xxx aluminum alloys”為題發(fā)表于《Corrosion Science》期刊。

全文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X25009205

作者介紹：王亞飛，中國科學(xué)院力學(xué)研究所副研究員，任職于超常環(huán)境非線性力學(xué)全國重點實驗室。曾任九州大學(xué)特任準教授，參與兩項研究獲2024、2026年度日本金屬學(xué)會最佳論文獎，成果入選國際鋁合金大會、國際氫大會口頭報告。歡迎學(xué)術(shù)交流、科研合作或招生咨詢！

有關(guān)專業(yè)詞匯解析：TEM、HRTEM、STEM、球差STEM、HAADF

透射電子顯微鏡（TEM）是利用電子束穿透樣品以形成高分辨率圖像的顯微分析儀器。當放大倍數(shù)足夠高時，獲得的圖像即為高分辨透射電鏡（HRTEM）像。掃描透射電子顯微鏡（STEM）通過電子束在樣品表面逐點掃描成像，從而獲取更高空間分辨率的圖像。球差校正STEM則通過內(nèi)置電磁校正器抵消球面像差，可進一步提升分辨率至皮米級。高角環(huán)形暗場（HAADF）成像采用環(huán)形探測器，僅收集大角度散射電子，其信號強度近似正比于原子序數(shù)的平方，因此僅憑原子柱明暗即可區(qū)分元素類型。

HAADF-STEM已成為分析納米析出相原子結(jié)構(gòu)的先進手段。然而，在本研究中，由于HRTEM圖像的傅里葉變換是區(qū)分T相與η相的主要依據(jù)，采用傳統(tǒng)HRTEM技術(shù)反而能更精準地辨識二者的結(jié)構(gòu)差異。

參考文獻：

[1] N.J.H. Holroyd, T.L. Burnett, J.J. Lewandowski, G.M. Scamans, Environment-induced cracking of high-strength Al-Zn-Mg-Cu aluminum alloys: past, present, and future, Corrosion 79(1) (2022) 48–71.

[2] Y. Xu, H. Toda, K. Shimizu, Y. Wang, B. Gault, W. Li, K. Hirayama, H. Fujihara, X. Jin, A. Takeuchi, M. Uesugi, Suppressed hydrogen embrittlement of high-strength Al alloys by Mn-rich intermetallic compound particles, Acta Materialia 236 (2022) 118110.

[3] Y. Wang, H. Toda, Y. Xu, K. Shimizu, K. Hirayama, H. Fujihara, A. Takeuchi, M. Uesugi, In-situ 3D observation of hydrogen-assisted particle damage behavior in 7075 Al alloy by synchrotron X-ray tomography, Acta Materialia 227 (2022) 117658.

[4] Y. Wang, J. Tang, H. Fujihara, N. Adachi, Y. Todaka, Y. Xu, M. Saha, T. Sasaki, K. Shimizu, K. Hirayama, A. Takeuchi, M. Uesugi, H. Toda, Advancing the hydrogen tolerance of ultrastrong aluminum alloys via nanoprecipitate modification, Corrosion Science 240 (2024) 112471.

[5] Y. Wang, B. Sharma, Y. Xu, K. Shimizu, H. Fujihara, K. Hirayama, A. Takeuchi, M. Uesugi, G. Cheng, H. Toda, Switching nanoprecipitates to resist hydrogen embrittlement in high-strength aluminum alloys, Nature Communications 13(1) (2022) 6860.

[6] Y. Wang, H. Toda, H. Fujihara, K. Shimizu, K. Hirayama, A. Takeuchi, M. Uesugi, Role of retrogression and reaging in suppressing hydrogen-induced transgranular cracking in 7xxx Al alloys, Scripta Materialia 255 (2025) 116383.

來源：材料科學(xué)與工程公眾號。感謝論文作者團隊支持。

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