镁合金应力腐蚀开裂研究进展

镁合金作为目前最轻的金属结构材料，具有良好的比强度、比刚度、生物相容性和生物降解性，被认为是“21世纪的绿色工程材料”，在工业和生物医学等领域具有广泛的应用前景，如图1所示。但是镁合金的化学性质相对活泼，在应力和腐蚀环境的共同影响下容易发生应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking, SCC)，常常导致突然脆性断裂，且具有较高的隐蔽性和不可预测性，容易造成无法弥补的损失。因此，阐明镁合金的SCC机理及影响因素，提高镁合金抗SCC性能，是拓宽镁合金应用的重要前提。

图1 镁合金在生物医学、汽车、航空航天领域的应用实例

最近，南京工程学院章晓波教授课题组综述了镁合金应力腐蚀行为的最新研究进展，主要总结了镁合金的SCC机制、表征方法、影响因素（合金化、制备工艺、表面处理、腐蚀介质、应变速率）等内容，并对镁合金SCC研究进行了展望。

论文首先总结了镁合金的SCC裂纹扩展类型和机制，扩展类型如图2所示。镁合金的SCC裂纹可分为穿晶裂纹、沿晶裂纹和混合型裂纹。穿晶裂纹通常与氢和合金的显微组织有关，而沿晶裂纹通常是由微电偶腐蚀引起的，并与沿晶界连续的第二相分布有关。镁合金的SCC机制主要分为阳极溶解和氢致开裂两种。其中，阳极溶解又分为膜破裂理论和滑移溶解理论；氢致开裂分为弱键理论、氢化物延迟开裂理论、氢提高局部塑性理论、氢吸附诱导位错发射理论。

图2 镁合金SCC裂纹扩展示意图

其次，本文介绍了镁合金应力腐蚀敏感性系数的几种常用实验方法，包括慢应变速率拉伸实验、恒载荷实验、恒应变实验、线性递增应力实验和断裂力学实验，并对比分析了这些实验方法的测试原理、实验装置及各自优缺点。

最后，从合金化（如图3）、制备工艺、表面处理、腐蚀介质、应变速率等内部和外部因素角度综述了镁合金SCC的最新研究进展。（1）合金元素的加入主要影响合金显微组织，生成的脆性相易导致SCC，显微组织的变化也会改变内部氢的扩散和基体表面的腐蚀，均匀连续的组织有利于减少局部腐蚀和内部氢的扩散，从而提高合金的抗SCC性能。含稀土元素的第二相在腐蚀介质中具有更高的稳定性，对基体的腐蚀屏障起到更有效的保护作用。

图3 常见合金化元素对镁合金SCC的影响

（2）制备工艺会影响合金的微观组织和内应力分布。一般来说，晶粒越细意味着晶界越多，因此在镁合金表面形成更稳定的保护膜，有利于抗SCC。表1列举了在不同加工工艺下不同镁合金的应力腐蚀敏感性系数的变化。加工过程中产生的残余应力通常会加速镁合金SCC，但压缩残余应力可提高镁合金的SCC抗力，而合适的热处理可以有效降低甚至消除残余应力，从而减缓SCC进程。

表1不同制备方法得到的镁合金的应力腐蚀敏感性系数(ISCC)

（3）表面处理是提升镁合金抗SCC性能最为直接有效的方法之一。物理表面处理可以改变合金的微观结构和应力分布，提高合金的SCC阈值，抵消部分外部拉应力，从而提高合金的抗SCC性能。化学涂层形成的均匀致密膜层有利于减缓腐蚀介质对合金的影响，但是单一涂层的抗SCC效果不如复合涂层，如图4所示。

图4 MAO单一涂层和LSP/MAO复合涂层的表面、截面、三维形貌及其在腐蚀介质中的应力应变和曲线和极化曲线

（4）镁合金在含Cl-的环境中会在表面形成许多腐蚀坑洞，容易引起应力集中，腐蚀产生的氢也容易渗入基体，这会增加镁合金的SCC敏感性。镁合金在中性或碱性环境下形成的表面膜层稳定性好，有利于减少环境介质的侵入，从而提升镁合金的抗SCC性能。

（5）应变速率对镁合金SCC的影响主要归因于合金在腐蚀介质中的时间。研究表明，应变速率越慢，合金和腐蚀介质的接触时间越长，通常越有利于溶液中的氢离子侵入合金，在表面形成裂纹源，从而加速镁合金的SCC，如图5所示。

图5 医用Mg-4Zn合金的SCC裂纹形成示意图及其在不同低应变速率下的应力-应变曲线

论文从SCC机理、测试方法、影响因素等方面综述了镁合金应力腐蚀研究最新进展。然而，目前镁合金的研究主要集中在合金设计、制备加工、表面处理等方面，旨在进一步提高合金的力学与耐蚀性能，而对应力腐蚀关注的并不多。当镁合金受应力与腐蚀双重作用时（如生物医用领域），需要高度重视合金的应力腐蚀行为及其内外部影响因素，从而提高其服役寿命，拓宽其应用范围。