探究：鎂合金應力腐蝕開裂機理

性能優異，可惜美中不足的鎂合金

鎂合金被譽為「21世紀的綠色工程材料」，其具有密度小、比強度和比剛度高、電磁屏蔽性能好、導熱性能好、減震性能高等諸多優點，但是，鎂合金標準電極電位較低，化學穩定性較差，容易在介質環境中發生腐蝕破壞（尤其是應力腐蝕開裂），嚴重影響了其工業應用及產業化。

困難重重的鎂合金應力腐蝕開裂機理探索

鎂合金構件在使用過程中，不僅常暴露於外界介質環境下，還往往受到一定的外加應力作用，這使得鎂合金極易發生應力腐蝕開裂。同時，由於鎂合金的化學電極電位較一般金屬低，極易發生電偶腐蝕，因此其應力腐蝕開裂往往伴隨著其它的腐蝕形式，這使得對鎂合金的應力腐蝕開裂機理的認知尤為困難。

近些年來，有關鎂合金應力腐蝕開裂的機制研究取得一定進展。但由於SCC過程複雜且影響因素眾多，有關鎂合金應力腐蝕開裂的機制尚難達成一致認識，其中得到較多學者認同的有陽極溶解-應力作用機制和氫致脆化-應力作用機制。

陽極溶解-應力作用

鎂合金應力腐蝕開裂的發生往往包括電化學、應力導致的膜層破裂的過程，形成「大陰極、小陽極」的狀態，從而產生很高的瞬時電流密度。腐蝕的過程從撕裂的薄膜的滑移台階開始，進而會誘發基面位錯以及位錯面上點蝕的形成。表面膜由於點蝕作用被穿透，陽極溶解就會加速進行，蝕孔中間的材料發生韌性斷裂。同時韌性斷裂的金屬材料會誘發新的位錯，從而促使開裂尖端的進一步溶解。鎂合金內部的殘餘應力導致基面滑移，劇烈的電化學腐蝕作用極易使蝕孔產生裂紋形核，外加應力的作用促使裂紋擴展。

2部分專家學者研究結果

Meifeng He等研究認為，在鎂合金表面形成多層Mg-Al金屬間化合物膜層，在快速冷卻過程中，由於膜層與基體的熱膨脹係數不同導致膜層裂紋產生，降低其耐蝕性。

A.N. Chamos等認為，由於腐蝕的作用，AZ31鎂合金表面形成點蝕，產生應力集中，促使裂紋的產生及長大。

氫致脆化-應力作用

在腐蝕電化學中，鎂合金會發生析氫腐蝕，基體在應力作用下會產生氫濃度梯度，並在開裂尖端處富集。在較低的應變速率下，一旦氫濃度達到臨界值，氫化物就會在開裂尖端沉澱，誘發脆變。大多數研究表明，氫元素的擴散促成了材料的脆化。氫元素往往聚集於材料的缺陷處，造成了材料基體原子鍵的削弱，同時氫易在第二相處形成氫化物，在外加應力的作用下容易發生開裂。同時，開裂尖端的應變集中導致了開裂尖端的塑性變形，阻止形成二次鈍化膜，使開裂尖端一直處於活性狀態。

V.S. Raja等分別在Mg(OH)₂飽和的0.01和0.1MNaCl溶液中，研究熱軋Mg-Mn鎂合金時發現，氯化物破壞了膜層，引起了點蝕和合金的氫脆傾向，裂紋通過點蝕萌生，並在氫的作用下以穿晶形式長大。

M. Bobby Kannan等研究認為，經摩擦攪拌焊接AZ31鎂合金板在腐蝕環境下進行慢應變拉伸測試，氫致開裂機理是其發生應力腐蝕開裂失效的主要原因。

Chen Jian等在慢應變速率下在0.1M Na₂SO₄溶液中研究鎂合金的應力腐蝕開裂性能，結果表明氫脆是引起AZ91鎂合金應力腐蝕開裂的主要機理。

Renguo Song等研究發現，ZE41鎂合金在0.01M NaCl溶液中以10^-6s^-1的應變速率拉伸試驗，具有一定的應力腐蝕敏感性，主要是由於陽極溶解及氫脆的共同作用。

選自：《腐蝕與防護》 Vol.36 2015.7

作者：強明閃，教授，河海大學

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