《Journal of Materials Science & Technology》：Mechanistic insights into corrosion-induced mechanical degradation of 2524-T3 aluminum alloy: Environmentally induced variable ductility reversibility
编辑推荐：
铝合金腐蚀导致力学性能退化及可逆性机制研究。摘要：针对2524-T3铝合金在纯氯离子及亚硫酸根离子共存环境中的腐蚀行为，系统分析了腐蚀产物层、氢脆及基体腐蚀对力学性能退化的影响。研究发现纯氯环境延展性损失完全可逆，亚硫酸根环境因缓冲效应使72%的力学损失不可逆，提出环境pH值与腐蚀模式对可逆性的关键作用。
王明涛|张青槐|崔中宇|张波|王立伟|吴浩|田慧云|崔洪志
中国海洋大学材料科学与工程学院，青岛，266100，中国
摘要
本研究探讨了2524-T3铝合金在纯氯化物环境和含有HSO3?的环境中的腐蚀行为及其引起的机械性能退化。文章讨论了机械性能退化的控制因素和潜在机制及其可逆性。在纯氯化物环境中，延性损失是完全可逆的，这受到腐蚀产物层、内部腐蚀扩展的性质和深度以及腐蚀引起的氢行为的影响。然而，在含有HSO3?的环境中，延性损失主要是不可逆的，48小时后的恢复率为14.6%，72小时后的恢复率仅为3.4%。这归因于初始pH值的变化、缓冲效应以及腐蚀模式的变化，其中缓冲效应占不可逆性的72%。这些结果为预测铝合金机械性能退化的可逆性提供了见解，从而解决了在不同腐蚀环境中确保安全使用和广泛应用所面临的挑战。
引言
高强度铝合金因其优异的强度、低比重、出色的抗损伤性能和疲劳性能而在航空航天领域得到广泛应用[1,2]，2524合金被认为是飞机蒙皮的最佳材料[3]。通常，铝合金由于形成了保护性的表面氧化膜而具有优异的使用性能。然而，对于飞机和其他航空航天部件而言，暴露在多种环境条件以及复杂的操作特性下——特别是在高盐含量、酸性和碱性等腐蚀性元素存在的恶劣环境中——对部件的安全性和结构完整性构成了重大威胁，最终影响设备的可靠性[4,5]。
研究人员为解决高强度铝合金的腐蚀问题做出了大量努力。一种方法是通过优化合金成分[6,7]和精炼热处理工艺[[8], [9], [10]]来提高材料的固有耐腐蚀性。例如，Jiang等人[6]利用机器学习技术开发了新的合金，同时提高了强度、韧性和抗应力腐蚀开裂性能。Kumar等人[11]研究了不同老化温度对7068合金耐腐蚀性的影响，并提出了优化建议。另一种方法是采用表面处理技术，如氧化处理[12]和抗腐蚀涂层[13]来抑制腐蚀。受鱼类对环境变化抵抗力的启发，Wang等人[14]为高强度铝合金引入了一种耐用且自修复的抗腐蚀表面膜，通过向铝中掺入水溶性沉淀物来增强其在恶劣环境中的保护性能。
此外，恢复腐蚀试样的机械性能是一个简单且有前景的解决方案。根据热力学的基本原理，金属腐蚀是一个不可逆的过程[15]。然而，通过补充处理可以部分恢复腐蚀试样的机械性能，这表明由于腐蚀导致的部分机械性能损失是可逆的。Kamoutsi等人[16]证明，在剥离腐蚀测试溶液中去除腐蚀产物层后，2024铝合金的屈服强度可以完全恢复，进一步的热处理可以完全恢复其延性。然而，Wang等人[17]使用相同的材料在含有氯化物的溶液和薄电解质层环境中仅部分恢复了机械性能。同样，Merson等人[18]通过去除腐蚀产物层消除了腐蚀镁试样的机械性能损失。但随着腐蚀时间的延长，这种可逆性会丧失[19]。尽管当前的研究强调了腐蚀产物层在机械性能退化可逆性中的作用，但其他腐蚀诱导因素对损伤可逆性的影响仍不清楚。腐蚀性环境是金属机械性能退化的一个关键因素。在工业沿海地区，工业过程中产生的含硫污染物会改变铝合金的腐蚀行为并显著加速机械退化[20,21]。然而，这些环境引起的腐蚀行为变化对材料机械损伤可逆性的影响尚不清楚，这些问题很少被讨论或研究。
本研究探讨了多种因素在不同环境下腐蚀后2524-T3铝合金机械性能可逆性的作用。详细分析了由腐蚀产物、氢和腐蚀攻击引起的机械性能退化的可恢复性。此外，定量评估了由于环境因素（如pH值和含有HSO3?环境中的腐蚀性离子）变化导致的机械性能损伤的可逆性。讨论了机械性能退化的潜在机制。
材料与环境
材料与实验环境
本实验使用了厚度为5毫米的商用2524-T3铝合金板材。这些板材在493°C下进行20分钟的固溶热处理，然后淬火，再进行冷变形处理，最后在室温下自然老化超过96小时以达到稳定状态。该合金的化学成分（重量百分比）如下：4.4 Cu、1.3 Mg、0.7 Mn、0.03 Fe、0.02 Zn、0.04 Si、0.01 Ti、0.002 Cr、0.01 Zr，其余为铝。图1(a)展示了该合金的光学显微图不同环境下的预腐蚀样品的机械特性
图2(a)显示了2524-T3铝合金在纯氯化物环境中浸泡不同时间后的典型应力-应变曲线。浸泡72小时后，机械性能明显退化，延性和强度分别从20.5%和492.5 MPa下降到11.2%和433.6 MPa。随着暴露时间的延长，机械性能退化的速度逐渐减缓，不同时间点之间的机械性能差异不显著影响2524-T3合金机械性能可逆性的因素分析
当前的结果清楚地表明，腐蚀引起的机械退化根据测试环境和处理程序的不同，可以完全或部分恢复。根据先前的研究[21,42]，腐蚀相关的机械性能退化主要归因于三个关键因素：(i) 腐蚀产物层；(ii) 基体腐蚀（包括坑洞、空洞和晶间腐蚀网络）；(iii) 腐蚀引起的氢。分析表明...结论
本研究全面了解了2524-T3铝合金腐蚀引起的机械性能退化的可逆行为。主要发现如下：
(1)2524-T3铝合金在纯氯化物环境中腐蚀时的延性损失是完全可逆的，大部分强度损失也是可逆的。然而，添加硫后，只有少量的机械性能损失是可逆的。
(2)腐蚀产物...
作者贡献声明
王明涛：撰写——原始稿件、方法论、实验研究。张青槐：方法论。崔中宇：撰写——审稿与编辑、资源准备、概念构思。张波：实验研究。王立伟：撰写——审稿与编辑、监督。吴浩：方法论。田慧云：实验研究。崔洪志：数据管理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢
山东省自然科学基金（项目编号ZR2022ME206、ZR2024JQ028）、
国家自然科学基金（项目编号52371080）以及
泰山学者计划（项目编号tsqn202312107）的支持。
