高强Al-Zn-Mg-Cu合金因其优异的比强度与加工性能，广泛应用于航空航天关键结构件。然而，其在使用过程中面临的应力腐蚀开裂（SCC）问题，始终是制约其服役安全性与寿命的关键瓶颈。长期以来，氢脆被认为是SCC的重要诱因，但氢的来源——究竟是外部环境渗入的“外氢”，还是材料自身携带的“内氢”——以及二者如何协同作用，始终缺乏系统性认识。

近日，日本九州大学唐建伟团队在 Scripta Materialia 发表的研究成果，首次通过4D原位同步辐射X射线断层扫描与有限元模拟相结合的手段，系统揭示了内外氢在SCC萌生与扩展过程中的协同机制。本文将从行业专家视角，对这项研究进行深度解读。

图1. (a) HW、(b) LW、(c) HAr 和 (d) LAr 试样通过原位拉伸试验获得的名义应力-应变曲线及对应的断口 SEM 形貌。名义应力-应变曲线中的红色圆圈表示进行 XMT 扫描的时刻。断口形貌中的黄色区域显示了准解理断裂（QCF）区域的分布，HW、LW、HAr 和 LAr 试样的 QCF 面积分数（）经计算分别为 、、 和 。每次试验中进行卸载的原因在补充材料中予以说明。

一、研究背景：内外氢并存，SCC机理亟待厘清

在传统SCC研究中，外界环境中的水分子与铝基体发生反应生成原子氢，并扩散进入材料内部，即“外氢”，被认为是主要致裂因素。然而，高强铝合金在熔炼、热处理等制造过程中也会不可避免地引入一定量的“内氢”，这些内氢在后续服役过程中是否会参与SCC过程、其作用机制如何，长期以来缺乏定量研究。

本研究通过调控Al-9.9Zn-2.3Mg-1.4Cu-0.15Zr合金的内氢含量（低氢：4.5 mass ppm，高氢：8.3 mass ppm），并结合不同测试环境（蒸馏水 vs. Ar气氛），构建了四种实验条件，系统评估了内外氢对SCC行为的独立与协同作用。

图2. (a) HW、(b) LW、(c) HAr 和 (d) LAr 试样在不同施加应变下 QCF 的三维渲染图像。

二、核心发现：内外氢协同主导SCC全过程

1. 内外氢共同加速SCC，外氢作用更为显著

实验结果表明：

• 在蒸馏水环境中，无论内氢含量高低，试样的断裂应变均显著低于Ar气氛中，说明外氢对SCC具有强烈促进作用。
• 在相同环境下，高内氢试样表现出更低的断裂应变与更高的准解理断裂（QCF）面积分数。
• QCF面积分数在蒸馏水环境中较Ar气氛提升3~4倍，而内氢含量提升使QCF面积分数再增加约50%。

这表明，SCC行为并非单纯由外氢主导，内氢同样发挥着不可忽视的贡献。

2. 内外氢协同影响裂纹萌生与扩展

通过4D原位X射线断层扫描（图2），研究团队首次实时追踪了QCF的萌生与扩展过程：

• 在Ar气氛中，低内氢试样（LAr）在应变达5.5%时仍未出现QCF，而高内氢试样（HAr）在2.5%应变时已出现微小QCF。
• 在蒸馏水环境中，低内氢试样（LW）在1.5%应变时出现QCF，且初始裂纹面积显著大于HAr。
• 高内氢+蒸馏水（HW）条件下，QCF萌生最早、面积最大、扩展最快。

这一系列结果清晰表明：外氢主导了裂纹的早期萌生与快速扩展，内氢则在裂纹扩展中后期提供持续推动力。

图3. (a) HW 和 LW 试样在裂纹萌生阶段于蒸馏水中暴露 60 分钟后的氢扩散模拟结果；(b) (a) 中黑色矩形框所示区域 HW 和 LW 试样的氢分布放大图；(c) 初始裂纹长度分布。

三、机理剖析：氢致η-MgZn₂界面脱粘是核心

研究团队结合热力学平衡理论与第一性原理计算，进一步揭示了微观机制：

• η-MgZn₂沉淀相与Al基体界面具有较高的氢陷阱能，是氢优先聚集的位置。
• 当该界面氢浓度超过21 mass ppm时，界面脱粘发生，形成纳米尺度裂纹，进而演化为宏观QCF。
• 通过有限元模拟，研究者成功预测了HW与LW试样在萌生阶段的QCF长度（5.6 μm vs. 4.3 μm），与实验观测值（6.3 μm vs. 4.3 μm）高度吻合。

这说明，氢致η-MgZn₂界面脱粘是SCC萌生的关键微观机制，而内外氢共同决定了局部氢浓度是否达到临界值。

四、内外氢的协同路径

研究进一步揭示了内外氢在SCC过程中的协同路径：

• 外氢：从环境渗入，在材料表面形成梯度分布的“氢影响区”，使表层区域更容易达到临界氢浓度，成为裂纹萌生的高风险区。
• 内氢：在塑性变形过程中，内氢随位错迁移至裂纹尖端区域，与局部应力场共同作用，进一步扩大“潜在裂纹区”，为裂纹扩展提供持续氢源。

这种“外氢主导萌生、内氢驱动扩展”的协同机制，为理解高强铝合金在潮湿环境中的SCC行为提供了全新的理论框架。