熱暴露對 7050-T74鋁合金力學性能和應力腐蝕性能的影響

本研究系統性地探討了不同熱暴露溫度（25℃, 100℃, 150℃, 190℃, 280℃）對7050-T74鋁合金微觀組織、力學性能及在3.5wt% NaCl溶液中應力腐蝕開裂行為的影響。通過綜合運用掃描電鏡、透射電鏡、電化學測試、慢應變速率拉伸試驗以及計算機模擬等多種分析手段，揭示了性能演變背后的微觀機制。

一、微觀組織演變：溫度驅動的析出相轉化與粗化

研究核心發現是150℃是一個關鍵的微觀組織轉變閾值。

低溫階段（≤150℃）：合金微觀結構保持相對穩定。析出相以細小的GP區（Guinier-Preston Zone）和亞穩的η‘相為主，尺寸細小且分布彌散。晶界處的無沉淀析出帶寬度較窄且穩定。這種結構為合金提供了良好的強度基礎。

高溫階段（>150℃）：隨著熱暴露溫度升高，組織發生顯著演變。

相變過程：亞穩的η’相逐漸向穩定的η相（MgZn2）轉變。

粗化機制：在190℃時，相變以多級序列（GP區 → η‘相 → η相）為主；到了280℃，則轉變為以Ostwald熟化為主導機制，即小尺寸析出相溶解，大尺寸析出相進一步長大。

具體數據：晶內析出相平均直徑從150℃時的約16 nm 粗化到280℃時的約30 nm。更為顯著的是，晶界η相從板狀急劇粗化，其長軸尺寸從77.4 nm 增長至221.6 nm。同時，晶界旁的無沉淀析出帶寬度也從86.4 nm 擴展至145.5 nm。PFZ的加寬直接導致了晶界結合力的弱化。

二、力學性能：強度與塑性的“此消彼長"

熱暴露溫度對力學性能產生了規律性影響，表現為強度、硬度下降，而塑性提升。

強度變化：合金的屈服強度和抗拉強度隨溫度升高而持續下降。從室溫到280℃，抗拉強度從533 MPa 顯著降至260 MPa。這主要歸因于強化相（η‘相）的減少、粗大的η相對位錯運動的阻礙作用減弱（強化機制從“位錯切過"轉變為“位錯繞過"）。

塑性變化：與此相反，合金的延伸率和截面收縮率在高溫暴露后明顯上升。斷裂模式也隨之改變：低溫下為“沿晶-韌窩"混合斷裂，表明晶界是薄弱環節；高溫下則轉變為的韌窩型穿晶斷裂，說明塑性變形更均勻地發生在晶內，宏觀表現為塑性增加。

三、電化學腐蝕行為：耐蝕性的非單調變化

電化學測試（極化曲線、阻抗譜）結果表明，合金的耐蝕性并非隨溫度升高而單調惡化。

190℃樣品表現出最佳的耐蝕性，其自腐蝕電位最正，電荷轉移電阻最大，表明此時表面可能形成了更穩定的鈍化膜。

280℃樣品的耐蝕性最差，自腐蝕電位最負，腐蝕電流密度最大。這是因為粗大的η相與鋁基體之間形成明顯的電偶腐蝕效應，加上寬化的PFZ為腐蝕介質提供了快速通道，共同加速了腐蝕進程。

四、應力腐蝕性能：協同作用下的顯著惡化

盡管高溫下氫擴散濃度模擬顯示有所降低，但合金的應力腐蝕敏感性指數卻急劇升高。

敏感性指數：從室溫的較低水平，逐步上升至150℃時的8.4%，190℃時的9.5%，并在280℃時達到最高的18.6%。

惡化機制：這是一個多種因素協同作用的結果：

1. 晶界弱化：寬化的PFZ和粗大連續的晶界η相嚴重削弱了晶界強度，使裂紋更容易沿晶界萌生和擴展。

2. 電化學驅動：粗大η相與基體構成的腐蝕微電池，以及PFZ形成的腐蝕通道，使得腐蝕更易集中于晶界。

3. 氫脆輔助：雖然整體氫濃度可能不高，但應力會驅使氫原子在裂紋等應力集中區富集，輔助裂紋擴展。

模擬結果也印證了這一點：低溫時點蝕坑底部應力集中嚴重；高溫后應力分布更均勻，但晶界已成為更薄弱的環節，裂紋擴展阻力減小。

五、綜合結論與工程意義

本研究明確了熱暴露溫度對7050-T74鋁合金服役性能的深遠影響：

1. 組織穩定性：該合金在150℃以下短期暴露，微觀組織和性能保持穩定。

2. 性能權衡：高溫暴露導致強度-塑性-耐蝕性的權衡關系發生根本性變化，強度和不銹鋼腐蝕性能顯著犧牲。

3. 抗應力腐蝕性能排序：在研究的溫度點中，合金抗應力腐蝕性能的優劣順序為：100℃ > 150℃ > 190℃ > 280℃。

工程啟示：對于使用7050-T74鋁合金制造的關鍵承力部件（如航空航天結構件），必須嚴格限制其長期服役溫度或短期過熱溫度，避免超過150℃，以防止因微觀組織惡化而導致的力學性能損失和災難性的應力腐蝕開裂風險。本研究為該合金的熱處理工藝優化和在惡劣環境下的服役安全評估提供了重要的實驗數據和理論依據。