[논문 리뷰] Revisiting stress-corrosion cracking and hydrogen embrittlement in 7xxx-Al alloys at the near-atomic-scale

Martí López Freixes, Xuyang Zhou외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 06.

Hydrogen embrittlement and corrosion behaviors in metals참고 문헌 85인용 수 104

한 줄 요약

이 연구는 전자현미경(TEM)과 원자현미경 분석(APT)을 이용하여 7000계 알루미늄 합금에서 근원자 스케일의 응력 부식 균열(SCC)과 수소 취성파손(HE)을 조사한다. 수소가 비틀림 배열과 결정립 경계에 축적되고, 균열 끝부분에 마그네슘 농도가 높고 수소 농도가 높은 비정질 산화물이 형성되며, 산화물 근처 기질에서 산소 농도가 1 at% 이상으로 증가함을 확인하여, 용질 재분포와 국소적 탈합금화가 균열 전파를 가속화할 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실제 공학 조건에서 고강도 7000계 알루미늄 합금에서 수소 취성파손과 응력 부식 균열의 기계적 역할을 이해하기 위해.
• SCC 동안 구조 결함(비틀림, 결정립 경계), 수소, 용질 이동 간의 상호작용을 규명하기 위해.
• 균열 끝부분과 그 앞에서 균열 전파 저항성에 영향을 미치는 미세화학적 및 미세구조적 변화를 규명하기 위해.
• 특히 수소 및 산소 분포에 관해 공간 해상도가 확보된 조성 데이터의 부족을 해결하기 위해.
• 미세구조 변화와 용질 재분포가 서비스 수명 예측 및 재료 설계에 어떻게 영향을 미치는지 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 실제 산업 표준 이중 단면보(이중 클램프 비드, DCB) 시험을 실내 대기 조건에서 상업용 7449-T7651 7000계 알루미늄 합금에 적용하여 결정립 간 SCC를 유도하였다.
• 균열 끝부분 및 결정립 경계 부위에서 TEM 및 APT 시편을 제작하기 위해 현장 특화 집속 이온 비드(FIB) 연마를 수행하였다.
• 근원자 해상도 조성을 확보하기 위해 75 K에서 20% 펄스 비율, 125 kHz 펄스 빈도로 전압 펄스 모드에서 원자현미경 분석(APT)을 실시하였다.
• 비틀림 구조 및 균열 형태를 분석하기 위해 전자현미경(TEM)과 전자 반사 회절(EBSD)을 활용하였다.
• 산화물 층의 비정질 성질을 확인하기 위해 에너지 분산 X선 분석(EDS) 및 선택적 영역 전자 회절(SAED)을 수행하였다.
• 기존 절차에 따라 APT 재구성을 校정하고, 기질 영역에서의 기준 데이터셋을 기반으로 수소 및 산소 측정치를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 7000계 알루미늄 합금에서 전파되는 SCC 균열 앞쪽과 내부에서 수소는 근원자 스케일에서 어떻게 분포하는가?
• RQ2 실내 대기 조건에서 SCC 발생 시 균열 끝부분에 형성된 산화물 층의 화학적 및 구조적 성질은 무엇인가?
• RQ3 균열 전파 동안 용질 원소(Mg, Zn, Cu, O)는 어떻게 재분포되며, 비틀림과 결정립 경계는 이 과정에서 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 예상치 못한 탈합금화 및 산화물 인터페이스 근처 기질에서의 산소 농도 증가가 취약성과 균열 전파에 기여하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 균열 전파 메커니즘에 영향을 미치는 미세구조적 특성(예: 침전상, 결정립 경계)은 수소의 함몰과 균열 전파에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 수소는 평면형 비틀림 배열과 결정립 경계에 축적되어 있으며, 수소 강화 국소 플라스티시티(HELP) 및 수소 강화 탈착(HEDE) 메커니즘과 일치한다.
• 균열 끝부분에 마그네슘 농도가 높고 수소 농도가 높은 비스토이히오메트릭 비정질 산화물이 형성되었으며, 이는 기질 합금과 다를 바 있고 염소 기반 화합물이 농축되어 있다.
• 산화물-금속 인터페이스 근처 기질에서 산소 농도가 최대 1 at%에 도달하여 알루미늄 내 용해도 한계를 크게 초과함을 확인하여, 비평형 상태의 용질 도입이 일어났음을 시사한다.
• 균열에서 멀리 떨어진 기질에서는 수소 농도에 유의미한 증가가 관찰되지 않아, 수소가 주로 결함 및 인터페이스에 국소화되어 있음을 시사한다.
• 균열 앞쪽에 있는 η상 침전상에서 마그네슘과 Zinc 농도 간 선형 상관관계가 관찰되어 국소적 용해 및 용질 이동에 의해 조성 변화가 일어났음을 나타낸다.
• 비틀림과 결정립 경계는 용질의 빠른 확산 경로로 작용하여 강화 침전상의 국소적 탈합금화를 촉진하고, 균열 전파 저항성의 국소적 변화를 유도한다.