应力作用下7050高强铝合金腐蚀行为与机理的多尺度研究

《Corrosion Communications》：Corrosion behavior and mechanism of 7050 high-strength aluminum alloy under stress

本研究针对7050高强铝合金在应力-腐蚀介质耦合环境中的失效问题，通过原位电化学测试和恒载拉伸实验，系统揭示了应力水平对合金电化学活性及点蚀演化规律的影响机制。研究发现应力通过增强电化学反应活性、改变金属间化合物分布等方式显著加速腐蚀进程，为航空航天等领域铝合金构件的安全评估提供了重要理论依据。

　　

在航空航天、船舶制造等高端装备领域，高强铝合金因其优异的强度重量比而成为关键结构材料。然而当这些构件在服役过程中同时承受机械应力和腐蚀环境作用时，往往会出现应力腐蚀开裂（SCC）等恶性失效现象。特别是7000系列铝合金，虽然具有出色的力学性能，但在潮湿空气、盐雾等恶劣环境中易发生局部腐蚀，且应力作用会破坏表面保护膜，加速材料失效进程。这种应力与腐蚀介质的协同效应可能导致构件在无明显征兆情况下发生脆性断裂，对人员和设备安全构成严重威胁。

为阐明7050高强铝合金在应力-腐蚀耦合场中的损伤机制，研究团队设计了一套多尺度实验方案。通过原位电化学测试系统分析不同应力水平下合金的电化学响应特性，结合恒载拉伸应力腐蚀实验和浸泡试验，追踪点蚀演化过程，并利用显微表征技术揭示微观机理。

关键技术方法包括：①原位电化学测试系统（三电极体系，扫描速率1 mV/s）；②多应力水平恒载拉伸实验（0%-105% σ_0.2）；③腐蚀形貌多尺度表征（三维视频显微镜、扫描电镜SEM+能谱EDS分析）；④点蚀参数定量统计（ImageJ图像分析）。

3.1 应力水平对腐蚀电化学活性的影响

动电位极化曲线显示，随着应力水平从0% σ_0.2增至105% σ_0.2，腐蚀电位（E_corr）从-787 mV负移至-864 mV，点蚀击破电位（E_pit）从-687 mV降至-753 mV，腐蚀电流密度（i_corr）从1.28×10^-7A/cm²升至1.70×10^-6A/cm²，表明应力显著提升了合金腐蚀倾向性和反应速率。电化学阻抗谱（EIS）拟合参数进一步证实，氧化膜电阻（R_o）从8.71×10⁵Ω·cm²（无应力）降至2.57×10⁵Ω·cm²（105% σ_0.2），电荷转移电阻（R_ct）同步下降，塑性应力的促进作用尤为显著。

3.2 应力水平对点蚀行为的影响

宏观形貌显示，无应力试样浸泡24小时后仅出现少量腐蚀痕迹，而105% σ_0.2应力下12小时即出现严重腐蚀。腐蚀增重分析表明，48小时浸泡后塑性应力组的腐蚀速率远超弹性应力组和无应力组。显微观察发现点蚀优先发生在Al(Cu,Fe)金属间化合物周围，EDS点扫显示该相含Al（46.45 wt%）、Cu（29.41 wt%）、Fe（12.70 wt%）等元素。统计结果表明：105% σ_0.2应力下最大点蚀深度在48小时达13.76 μm，平均点蚀直径达100.05 μm，且塑性应力促使金属间化合物细化分布，加速点蚀连通。

3.3 应力-腐蚀介质协同作用机制

研究揭示了三重加速机制：①电化学效应：应力破坏表面氧化膜，增强阳极溶解活性；②微观电偶效应：Al(Cu,Fe)相作为阴极相，与α(Al)基体形成电偶对引发局部溶解；③力学-化学耦合：塑性应力引发位错堆积、晶面滑移等缺陷，成为点蚀形核优先位置，同时促使大尺寸金属间化合物碎化，增大腐蚀反应面积。

本研究通过多尺度实验证实，应力通过增强电化学活性、改变金属间化合物分布等方式显著降低7050铝合金耐蚀性。在弹性应力范围内，主要体现为电化学反应加速；而塑性应力还会引发微观结构重组，进一步促进腐蚀进程。该机理阐释为高强铝合金构件在复杂环境下的寿命预测与安全设计提供了关键理论支撑，对提升航空航天装备可靠性具有重要意义。相关成果发表于《Corrosion Communications》，为材料腐蚀防护研究提供了重要参考。