[論文レビュー] Revisiting stress-corrosion cracking and hydrogen embrittlement in 7xxx-Al alloys at the near-atomic-scale

Martí López Freixes, Xuyang Zhou+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2022

Hydrogen embrittlement and corrosion behaviors in metals参考文献 85被引用数 104

ひとこと要約

本研究では、走査型透過電子顕微鏡（TEM）および原子プローブトモグラフィー（APT）を用いて、7000系アルミニウム合金における応力腐食割れ（SCC）および水素脆化（HE）を近原子スケールで調査した。水素が転位配列および結晶粒界に偏析し、割れ先端にマグネシウムを多く含み水素を多く含む非晶質酸化被膜が形成され、酸化被膜近傍のマトリックスで酸素が増加（1 at%以上）していることが判明した。これは、溶質の再分配と局所的脱合金化を示しており、割れの進行を促進する要因である可能性がある。

ABSTRACT

The high-strength 7xxx series aluminium alloys can fulfil the need for light, high strength materials necessary to reduce carbon-emissions, and are extensively used in aerospace for weight reduction purposes. However, as all major high-strength materials, these alloys can be sensitive to stress-corrosion cracking (SCC) through anodic dissolution and hydrogen embrittlement (HE). Here, we study at the near-atomic-scale the intra- and inter-granular microstructure ahead and in the wake of a propagating SCC crack. Moving away from model alloys and non-industry standard tests, we perform a double cantilever beam (DCB) crack growth test on an engineering 7xxx Al-alloy. H is found segregated to planar arrays of dislocations and to grain boundaries that we can associate to the combined effects of hydrogen-enhanced localised plasticity (HELP) and hydrogen-enhanced decohesion (HEDE) mechanisms. We report on a Mg-rich amorphous hydroxide on the corroded crack surface and evidence of Mg-related diffusional processes leading to dissolution of the strengthening η-phase precipitates ahead of the crack.

研究の動機と目的

• 実用的な工学的条件下における高強度7000系アルミニウム合金における水素脆化および応力腐食割れのメカニズム的役割を理解すること。
• SCC中に生じる構造的欠陥（転位、結晶粒界）、水素、および溶質輸送の相互作用を解明すること。
• 割れ先端およびその前縁における微細化学的および微細組織的変化が、割れ伝播抵抗に与える影響を特定すること。
• 特に水素および酸素分布に関して、空間分解能に優れた組成データの不足を解消すること。
• 微細組織の変化および溶質の再分配が、使用寿命予測および材料設計に与える影響を明らかにすること。

提案手法

• 大気中で商業用7449-T7651 7000系アルミニウム合金に産業標準の二重カンチレバー（DCB）試験を実施し、結晶粒界を介したSCCを誘発した。
• 特定部位に焦点を当てたフォーカスドアイオングラフト（FIB）ミリングを用いて、割れ先端および結晶粒界領域からTEMおよびAPT試料を調製した。
• 75 Kで20%のパルス率、125 kHzのパルス周波数を用いた電圧パルスモードで原子プローブトモグラフィー（APT）を実施し、近原子スケールの化学的マッピングを達成した。
• 走査型透過電子顕微鏡（TEM）および電子バックスクattering回折（EBSD）を用いて、転位構造および割れの形態を分析した。
• エネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDS）および選択領域電子回折（SAED）を実施し、酸化被膜の非晶質性を確認した。
• 既存の手順に従ってAPT再構築をキャリブレーションし、マトリックス領域からの参照データセットと照合することで、水素および酸素測定値の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 7000系アルミニウム合金における進行中のSCC割れの前縁および内部で、水素はどのように近原子スケールで分布しているか？
• RQ2 大気中でのSCC中に形成される割れ先端の酸化被膜の化学的・構造的性質は何か？
• RQ3 割れ伝播中に溶質元素（Mg、Zn、Cu、O）はどのように再分配し、転位および結晶粒界はこのプロセスにおいてどのような役割を果たすか？
• RQ4 析出相や結晶粒界などの微細組織的特徴が、水素の捕獲および割れ伝播メカニズムにどの程度影響を及えるか？
• RQ5 酸化被膜界面近傍のマトリックスにおける局所的脱合金化および酸素の増加は、材料の弱体化および割れ成長に寄与しているか？

主な発見

• 水素は平面状の転位配列および結晶粒界に偏析しており、水素増強局所塑性（HELP）および水素増強界面剥離（HEDE）メカニズムと整合的である。
• 割れ先端にマグネシウムを多く含み、水素を多く含む非化学计量非晶質酸化被膜が形成され、母材合金とは異なる組成を示し、塩化物種が豊富に含まれている。
• 酸化被膜-金属界面近傍のマトリックスにおける酸素濃度は最大1 at%に達しており、アルミニウム中の溶解度限界を著しく上回っており、非平衡状態での溶質の取り込みを示している。
• 割れから離れたマトリックスでは水素濃度に顕著な増加は観察されず、水素は主に欠陥および界面に局在していることが示唆された。
• 割れの前縁に存在するη相析出物におけるMgおよびZn濃度に線形相関が認められ、局所的溶解および溶質輸送に起因する組成変化を示している。
• 転位および結晶粒界は溶質の高速拡散パスとして機能し、強化析出物の局所的脱合金化を促進し、割れ伝播に対する局所的抵抗の変化を引き起こしている。