时效处理对不同晶粒组织Al-Zn-Mg合金腐蚀性能的影响

第 55 卷第 1 期2024 年 1 月
中南大学学报(自然科学版)
Journal of Central South University (Science and Technology)
V ol.55 No.1
Jan. 2024
时效处理对不同晶粒组织Al-Zn-Mg 合金腐蚀性能的影响
王鹏宇1，叶凌英1, 2, 3，柯彬1，董宇1，刘胜胆1, 2, 3(1. 中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙，410083；
2. 中南大学 教育部有色金属材料和工程重点实验室，湖南 长沙，410083；
3. 中南大学 有色金属先进结构材料与协同创新中心，长沙，410083)
摘要：以中强Al-Zn-Mg 合金为研究对象，采用晶间腐蚀、电化学极化曲线测试、慢应变速率拉伸等试验，结合OM 、TEM 、SEM 、EBSD 等组织分析方法研究时效处理和晶粒组织对合金腐蚀性能的影响。

研究结果表明：随着双级时效时间的延长，再结晶晶粒合金的抗腐蚀性能逐渐提升，从欠时效处理到过时效处理，晶间腐蚀等级由4级降为2级，电化学腐蚀电流密度由27.71 μA/cm 2降为0.098 μA/cm 2，应力腐蚀指数由79.15降至18.40；纤维晶粒合金与同时效阶段的再结晶晶粒合金相比，其抗腐蚀性能显著提升，其中，晶间腐蚀最大深度降低了35.9%，电化学腐蚀电流密度降低了81.4%，年腐蚀速率降低了81.9%，应力腐蚀敏感指数降低了46.2%。

中强Al-Zn-Mg 合金腐蚀性能的提升主要源于其较低的再结晶分数和较低的大角度晶界占比。

关键词：Al-Zn-Mg ；晶粒组织；腐蚀性能
中图分类号：TG146.2 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2024）01-0055-14
Effect of aging treatment on the corrosion performance of Al-Zn-Mg alloys with different grain structures
WANG Pengyu 1, YE Lingying 1, 2, 3, KE Bin 1, DONG Yu 1, LIU Shengdan 1, 2, 3
(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering, Ministry of Education, Central South
University, Changsha 410083, China;
3. Nonferrous Metal Oriented Advanced Structural Materials and Manufacturing Cooperative Innovation Center,
Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The effects of aging treatment and grain structure on the corrosion performance of the alloy
were
收稿日期： 2023 −03 −02； 修回日期： 2023 −05 −11
基金项目(Foundation item)：国家重点研发计划项目(2022YFB3403700)；河南省紧固连接技术重点实验室资助项目(JGLJ2208)
(Project(2022YFB3403700) supported by the National Key Research and Development Program of China; Project(JGLJ2208) supported by Key Laboratory of Fastening Connection Technology of Henan Province)
通信作者：叶凌英，博士，教授，从事高性能铝合金研究；E-mail ：******************.cn
DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2024.01.005
引用格式： 王鹏宇, 叶凌英, 柯彬, 等 .时效处理对不同晶粒组织Al-Zn-Mg 合金腐蚀性能的影响[J].中南大学学报(自然科学版), 2024, 55(1): 55−68.
Citation: WANG Pengyu, YE Lingying, KE Bin, et al. Effect of aging treatment on the corrosion performance of Al-Zn-Mg alloys with different grain structures[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2024, 55(1): 55−
68.
第 55 卷
中南大学学报(自然科学版)
investigated by using the medium-strength Al-Zn-Mg alloy as the research object, and using intergranular corrosion, electrochemical polarization curve test, and slow strain rate tensile tests, combined with OM, TEM, SEM, and EBSD observations, respectively. The results show that the corrosion resistance of the recrystallized grain alloy gradually improves with the extension of the double-stage aging time, the intergranular corrosion grade decreases from grade 4
to grade 2, the electrochemical corrosion current density decreases from 27.71 μA/cm2to 0.098 μA/cm2, and the stress corrosion sensitivity factor decreases from 79.15 to 18.40 when the treatment method changes from the under-aging treatment to the over-aging treatment. The corrosion resistance of the fiber grain alloy is significantly improved compared with that of the recrystallized grain alloy at the same aging stage, including a 35.9% reduction in the maximum depth of intergranular corrosion, an 81.4% reduction in the electrochemical corrosion current density, an 81.9% reduction in the annual corrosion rate, and a 46.2% reduction in the stress corrosion sensitivity index. The improvement in corrosion performance is mainly due to the lower recrystallization fraction and lower percentage of large-angle grain boundary of the medium-strength Al-Zn-Mg alloy.
Key words: Al-Zn-Mg; grain structure; corrosion properties
Al-Zn-Mg合金具有中等强度和优秀的焊接性能，广泛应用于航空航天和高铁领域[1−2]，但该类合金在服役过程中容易发生应力腐蚀、晶间腐蚀等局部腐蚀，对使用性能造成了显著影响[3−4]。

目前优化合金抗腐蚀性能的方法主要有2种[5−6]，分别是对合金进行时效处理和对合金成分进行调控。

时效处理对抗腐蚀性能的影响主要是通过改变晶界析出相的成分、尺寸和间距来实现[7]：峰时效处理后的合金强度较高，但因其连续分布的晶界析出相导致其抗腐蚀性能降低；黄星等[8]对含Sc的Al-Zn-Mg-Zr合金进行双级时效处理后发现合金腐蚀开裂的倾向降低；REDA等[9]对7075合金进行回归再时效处理后发现，晶界析出相尺寸和间距增大，同时析出相中的Cu含量增大，基体和析出相的电势差降低，合金的抗腐蚀性能提高；叶凌英等[10]对7020合金进行断续时效后发现经T5I6处理后的合金晶内存在大量的弥散析出相，晶界析出相呈断续分布，合金具有较高的强度和较好的抗腐蚀性能。

对合金成分进行调控主要是通过添加微量元素改变合金的晶粒组织来实现。

柴文茹等[11]将微量Zr加入Al-Zn-Mg-Mn板材，抑制了再结晶，细化了晶粒尺寸，保留了许多亚晶界，提高了抗剥落腐蚀性能；叶凌英等[12]将保留表面粗晶组织和不保留粗晶组织的试样进行对比，发现纤维组织相比于再结晶组织具有更好的抗应力腐蚀性能；瞿猛等[13]通过在Al-Zn-Mg合金中添加Zr 元素得到了纤维组织合金，经对比，纤维组织合金相比于未添加Zr元素的合金具有更好的抗剥落腐蚀性能、抗应力腐蚀性能、抗晶间腐蚀性能；方华婵等[14]在Al-Zn-Mg-Cu合金中复合添加Yb、Cr、Zr等元素，使这些元素与Al结合生成(Al, Cr)
3
(Zr, Yb)等弥散相，抑制了高温再结晶，从而获得了大量的小角度晶界，提高了合金的抗腐蚀性能。

以往的研究往往针对某一种优化合金抗腐蚀性能的方法进行研究，很少对时效处理和调控晶粒组织2种方法进行直接的比较分析，因此，本文选用2种不同晶粒组织的Al-Zn-Mg合金作为研究对象，采用晶间腐蚀、电化学极化曲线测试、慢应变速率拉伸等试验方法探究时效处理和晶粒组织对抗腐蚀性能的影响。

1 实验
采用2种厚度均为12.5 mm，分别含有再结晶组织晶粒、纤维组织晶粒的挤压板材作为实验原料，二者主要差别在于纤维晶粒合金中添加了Zr、Cr元素，合金的化学成分如表1所示。

金相组织图像如图1所示。

实验材料的取样位置为挤压板材ND方向中心部分。

铸造所用的原料为高纯度铝(99.99%)，主合金元素Mg和Zn以纯锌和纯镁的形式加入，其他元素以Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Cr中间合金的方式加入。

采用半连续铸造法铸造，采用三级均匀化退火工艺，具体如下：200 ℃、3 h，350 ℃、10 h，470 ℃、16 h。

在国内某企业正向单动挤压机上挤压出厚度为12.5 mm、宽度为80 mm的矩形截面型
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第 1 期王鹏宇，等：时效处理对不同晶粒组织Al-Zn-Mg合金腐蚀性能的影响
材。

材料采用SX41-10型箱式电阻炉进行固溶处理，
温度为465 ℃，到温放样，保温时间为70 min，
冷却方式为室温水冷，随后对再结晶晶粒合金进
行欠时效处理(90 ℃，12 h)、峰时效处理(90 ℃，
12 h；169℃，5 h)、过时效处理(90℃，12 h；
169 ℃，11 h)，分别命名为欠时效态再结晶合金样
品、峰时效态再结晶合金样品、过时效态再结晶
合金样品。

对纤维组织进行峰时效处理(90 ℃，
12 h；169 ℃，5 h)，命名为峰时效态纤维合金样
品。

时效处理采取与固溶处理相同的到温放样方
式，冷却方式为室温水冷。

慢应变速率拉伸试验按照GB/T 15970.7—2000
《金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第7部分慢应变
速率试验》来执行，腐蚀介质选用质量分数为3.5%
的NaCl溶液，惰性介质选用硅油，试验温度为
50 ℃，应变速率为1´10-6 s-1。

晶间腐蚀实验按照
GB/T 7998—2005《铝合金晶间腐蚀测定方法》进
行，晶间腐蚀溶液为57 g/L NaCl+10 mL/L H
2O
2
，
试样腐蚀面和腐蚀介质的面容比为10 mm2/mL，实验温度为35 ℃。

极化曲线的测量采用长´宽为1 cm´1 cm的试样，在AUTOLAB M204电化学工作站上进行测试，测量时使甘汞电极和铂片达到饱和状态、试样在3.5% NaCl中形成回路，极化曲线的扫描速度为1 mV/s，电压范围为−1.1~−0.6 V。

电子背散射衍射(EBSD)试样在观察前先进行镶样抛光，在20 V电压下进行电解抛光，抛光时间为20 s，电解液为10% HClO
4
+90% C
2
H
5
OH的
混合溶液，使用Zessi EVO MA10扫描电子显微镜进行观察，扫描步长为1.5，采用CHANNEL 5软件系统对结果进行分析。

透射电镜分析在FEI TECNAI G2 20电镜上进行，具体过程如下：先用抛光机将样品厚度减小至100 μm，随后用冲孔机制备直径为3 mm的圆片，采用MTP-1A型双喷电解减薄仪进行双喷减薄，双喷过程中电流控制为50~70 mA，电压控制在10~20 V，双喷液的成分为
30% HNO
3
+70% CH
3
OH。

2 结果和分析
2.1　抗晶间腐蚀性能对比
图2所示为2种晶粒组织合金在不同时效工艺下晶间腐蚀的截面腐蚀形貌和最大腐蚀深度。

从图2可以看出：欠时效态再结晶合金样品的腐蚀程度最严重，腐蚀深度达到了120.1 μm；峰时效态再结晶合金样品次之，腐蚀深度为57.6 μm；过时效态再结晶合金样品与峰时效态纤维合金样品的腐蚀程度较轻，腐蚀深度分别为22.3 μm与36.9 μm。

按照GB/T 7998—2005的评级标准，欠时效态再结晶合金样品为4级，峰时效态再结晶合金样品腐蚀
表1　合金的化学成分(质量分数)
Table 1　Chemical compositions of alloys(mass fraction)%
合金材质
再结晶晶粒合金纤维晶粒合金
Fe
0.082 0
0.085 0
Si
0.054 0
0.052 0
Cu
0.028 0
0.026 0
Mn
0.370 0
0.350 0
Mg
1.450 0
1.450 0
Zn
4.470 0
4.450 0
Zr
0.000 1
0.130 0
Cr
0.250 0
Ti
0.012 0
0.012 0
(a) 再结晶晶粒合金；(b) 纤维晶粒合金
图1　2种合金的金相组织图像
Fig. 1　Microstructure images of two alloys
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第 55 卷
中南大学学报(自然科学版)评级为3级，过时效态再结晶合金样品为2级，峰时效态纤维合金样品为3级。

过时效处理后的再结晶晶粒合金获得了最优的抗晶间腐蚀性能，峰时效处理的纤维晶粒合金次之。

2.2　电化学极化曲线对比
图3所示为2种晶粒组织合金经不同时效工艺后在3.5%NaCl 溶液中的极化曲线，根据极化曲线计算出的参数如表3所示，其中腐蚀速率V 的计算公式如式(1)所示[15]。

V =(M ´i ρ´A ´Z
)´3.27´103
(1)
式中：M 为电极材料的摩尔质量(g/mol)；i 为腐蚀电流密度(A)；ρ为电极材料的密度(kg/m 3)，ρ=7.85×103 kg/m 3；A 为电极的面积(cm 2)，Z 为金属离子的价数。

由表3可知，欠时效态再结晶合金样品腐蚀
电流密度I corr 和年腐蚀速率均最大，分别达到了25.711 μA/cm 2和0.298 760 mm/a ，其极化电阻R p
表2　4种样品晶间腐蚀深度和评级统计
Table 2　Intergranular corrosion depth and rating statistics
of four samples
样品名称欠时效态再结晶合金峰时效态再结晶合金过时效态再结晶合金峰时效态纤维合金
腐蚀评级
4323
最大腐蚀深度/μm
120.1±5.557.6±6.722.3±3.736.9±
4.5
图3　4种样品的电化学极化曲线
Fig. 3　
Electrochemical polarization curves of four samples
(a) 欠时效态再结晶合金样品；(b) 峰时效态再结晶合金样品；(c) 过时效态再结晶合金样品；(d) 峰时效态纤维合金样品
图2　4种样品晶间腐蚀深度的光学显微镜照片
Fig. 2　Optical micrographs of the intergranular corrosion depths of four samples
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第 1 期王鹏宇，等：时效处理对不同晶粒组织Al-Zn-Mg 合金腐蚀性能的影响
最低，仅为1 013.5 Ω，随着再结晶晶粒合金的时效时间进一步增加，腐蚀电流密度和极化电阻、年腐蚀速率变化显著，腐蚀电流密度逐渐降低，在过时效阶段仅为0.098 μA /cm 2；极化电阻逐渐增大，在过时效阶段达到了123 000 Ω，年腐蚀速率降低，在过时效阶段仅为0.001 951 mm/a 。

相较于再结晶晶粒合金，峰时效处理的纤维晶粒合金的腐蚀电流密度较低(0.151 μA /cm 2)，仅比过时效态再结晶合金样品的高，极化电阻和极化电位均最高，分别达到了172 330 Ω和−0.907 V ；同时，峰时效态纤维合金样品也具有最低的年腐蚀速率(0.001 757 mm/a)。

根据上述结果可知过时效态再结晶合金样品和峰时效态纤维合金样品具有良好的抗腐蚀性能。

2.3　抗应力腐蚀性能对比
通过慢应变速率拉伸试验(SSRT)评估2种晶粒组织合金在不同时效工艺下的抗应力腐蚀性能，不同样品的应力−应变曲线如图4所示，其中实线表示50 ℃硅油环境，虚线表示50 ℃、3.5% NaCl 环境。

分别将4种样品在3.5% NaCl 和硅油介质下的屈服强度、抗拉强度和伸长率进行对比，得到
各自的抗拉强度、伸长率的损失率，并计算应力腐蚀指数(I SSRT )。

性能损失率和应力腐蚀指数可用于评价材料的抗应力腐蚀性能，通常情况下，抗拉强度、伸长率的损失率和应力腐蚀指数越高，说明其应力腐蚀敏感性也越高。

表4所示为4种样品的慢应变速率拉伸试验结果。

由表4可知欠时效态再结晶合金样品和峰时效态再结晶合金样品均具有较高的应力腐蚀指数，而过时效态再结晶合金样品和峰时效态纤维合金样品的应力腐蚀指数大幅降低，这表明经过时效处理的再结晶晶粒合金和峰时效态的纤维晶粒合金具有更高的抗应力腐蚀性能。

图5所示为4种样品的慢应变拉伸断口的SEM 照片。

由图5可知：欠时效态再结晶合金样品在3.5% NaCl 和硅油中的断裂模式均为应力腐蚀沿晶断裂，可以观察到明显的冰糖状断口；峰时效态再结晶合金样品在3.5% NaCl 和硅油中的断口形貌存在较大的差异，其在3.5% NaCl 下的断裂模式均为完全的应力腐蚀沿晶断裂，但在硅油在可见少部分穿晶断裂产生的韧窝；在3.5% NaCl 中过时效态再结晶合金样品的断口可见部分冰糖状的沿晶断裂形貌和穿晶断裂的韧窝，在硅油中的断口完全由穿晶断裂构成，未观察到明显沿晶断裂的形貌；在3.5% NaCl 中峰时效态纤维合金样品的断口可见小面积的平台状断裂，其余部分均由穿晶断裂的韧窝构成，其在硅油中的断口完全由穿晶断裂构成，未观察到明显沿晶断裂的形貌。

2.4　透射电镜分析
图6(a)和(b)所示分别为固溶态的再结晶晶粒合金和纤维晶粒合金的TEM 照片。

通过比较可知，含有Zr 、Cr 元素的纤维晶粒合金的晶粒尺寸较小，与金相照片所得结果一致。

图6(c)和(d)所示为纤维晶粒合金的晶粒内部透射照片。

从图6(c)可以看到马蹄状的Al 3Zr 粒子，粒径为10~50 nm ；在图6(d)中，红色的虚线为亚晶界，可以看到亚晶界周围
分布了许多弥散粒子，对这些弥散粒子进行能谱
图4　慢应变速率拉伸试验中4种样品的应力−应变曲线Fig. 4　Stress −strain curves of four samples for slow strain
rate tensile test
表3　4种样品的电化学参数
Table 3　Electrochemical parameters of the four samples
样品名称欠时效态再结晶合金峰时效态再结晶合金过时效态再结晶合金峰时效态纤维合金
I corr /(μA·cm -2)
25.711±1.0100.812±0.0710.098±0.0040.151±0.009
R p /Ω
1 013.5±20.93
2 072.0±908.012
3 000.0±1 200.0172 330.0±2 700.0
E corr /V
−0.926±0.021−0.933±0.017−0.936±0.020−0.907±0.031
年腐蚀速率/(mm ·a −1)0.298 760±0.001 710.009 441±0.000 800.001 951±0.002 110.001 757±0.001 97
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第 55 卷中南大学学报(自然科学版)
表4　4种样品慢应变速率拉伸试验结果
Table 4　Results of slow strain rate tensile test for four samples
样品名称
欠时效态再结晶合金峰时效态再结晶合金过时效态再结晶合金峰时效态纤维合金试验环境
3.5% NaCl
硅油
3.5% NaCl
硅油
3.5% NaCl
硅油
3.5% NaCl
硅油
屈服强度/MPa
196.0±9.4
203.0±0.1
277.3±7.1
300.3±0.9
275.0±2.9
280.0±2.0
324.0±0.7
344.3±8.2
抗拉强度/MPa
275.1±11.4
350.8±2.1
298.3±9.1
334.3±0.4
313.3±3.7
335.0±3.3
372.7±1.1
416.8±9.9
伸长率/%
6.70±3.20
21.30±0.73
12.10±2.72
14.45±0.50
14.50±0.45
16.80±0.10
12.80±0.60
15.20±0.50
I
SSRT
/%
71.9±1.5
38.5±0.7
18.4±0.07
20.7±
0.1.2
(a) 3.5% NaCl溶液，欠时效态再结晶合金样品；(b) 硅油，欠时效态再结晶合金样品；(c) 3.5% NaCl溶液，峰时效态
再结晶合金样品；(d) 硅油，峰时效态再结晶合金样品；(e) 3.5% NaCl溶液，过时效态再结晶合金样品；(f) 硅油，过时效态再结晶合金样品；(g) 3.5% NaCl溶液，峰时效态纤维合金样品；(h) 硅油，峰时效态纤维合金样品
图5　慢应变拉伸断口的SEM照片
Fig. 5　SEM photographs of slow strain tensile fractures
60
第 1 期王鹏宇，等：时效处理对不同晶粒组织Al-Zn-Mg 合金腐蚀性能的影响
扫描，所得结果如图7所示。

具体的偏析数据如表5所示。

根据图7和表5可知：该弥散相粒子为Al 3Zr 粒子，这些粒子分布在亚晶界周围，可以钉扎位错并降低晶界的迁移能力，从而对再结晶长大行为进行抑制，使得小角度晶界不容易转变为大角度晶界。

在再结晶晶粒合金中，由于没有加入Zr 、Cr 元素，亚晶界很容易发生再结晶长大并形成粗大的大角度晶界和再结晶晶粒；而在纤维晶粒合金中，由于添加的微量Zr 、Cr 元素抑制了再结晶行为，从而形成了大量的亚晶粒和小角度晶界，降低了合金中的再结晶分数[16−18]，导致2种合金晶粒组织出现差异。

图8所示为4种样品在不同的时效工艺下的晶内析出相和晶界析出相的变化。

由图8可知再结晶晶粒合金在时效过程中晶内析出相尺寸逐渐增大，与此同时晶界析出相的尺寸和间距也逐渐增大。

在欠时效阶段再结晶晶粒合金中尚不能观察到明显的晶界，如图8(b)所示。

到达峰时效阶段(图8(d))后，晶界析出相出现了明显的断续分布，同时也形成了晶界无沉淀析出区域(precipitation-free zone ，PFZ)，峰时效阶段的晶界析出相直径和间距分别为67.2 nm 和108.7 nm ，PFZ 宽度为105.8 nm(见表6)；在图8(f)所示过时效阶段，再结晶晶粒合金的晶界析出相尺寸、间距和PFZ 宽度进一步增大，此时的晶界析出相尺寸为92.1 nm ，晶界析出相间距为181.2 nm ，PFZ 宽度为157.8 nm(见表6)。

由图8(g)和图8(h)可见：纤维晶粒合金的晶界析出相尺寸、间距以及PFZ 宽度均比同样时效时间下的再结晶晶粒的小，这是因为再结晶晶粒合金的大角度晶界占比更大，具有更高的晶界能，促使晶界析出相析出[19]。

(a) 峰时效态再结晶合金；(b) 峰时效态纤维合金，放大5 000倍；(c) 峰时效态纤维合金，放大50 000倍；
(d) 峰时效态纤维合金，放大100 000倍
图6　2种晶粒组织的TEM 照片
Fig. 6　TEM photographs of two grain structures
61
第 55 卷
中南大学学报(自然科学版)3 分析和讨论
3.1　时效对腐蚀性能的影响
根据上述试验可知再结晶晶粒合金在时效过程中抗晶间腐蚀性能和电化学参数都有所提升，在过时效阶段获得了最好的抗晶间腐蚀性能和最低的电化学年腐蚀速率。

通常认为晶间腐蚀是由于晶界析出相与PFZ 形成了微电偶，微电偶发生阳极溶解而产生的[20−22]，因此，发生晶间腐蚀现象需要满足2个条件[23]
：一是晶界析出相和PFZ 存在一定的电位差，电位差越大，电位低的金属就越容易作为阳极被腐蚀；二是微电偶腐蚀的阴极和阳极必须连续分布，只有连续分布时阳极溶解所形成的腐蚀通道才能沿着晶界扩展。

在电化学极化曲线的试验中，不同时效时间下的极化电位无明显差别，因此，电位差对晶间腐蚀的影响较小，微电偶的连续分布是造成晶间腐蚀差异的主要原因。

根据图8可得再结晶晶粒合金时效过程中的析
出相形貌分布示意图，见图9。

从图9可知，随着时效过程的进行晶界析出相的尺寸和间距逐渐增大，PFZ 的宽度也有所增加，与此同时晶内析出相逐渐由GP 区转变为η相和η'相。

在晶间腐蚀过程中，欠时效态的再结晶晶粒合金(图9(a))的晶界析出相完全呈连续分布，未见明显的晶界析出相间距；在晶间腐蚀过程中连续的晶界析出相使得腐蚀通道沿晶界扩展，抗晶间腐蚀性能显著恶化，同时也使得其腐蚀电流密度和年腐蚀速率均较高。

由图9(b)和图9(c)可知，峰时效和过时效态的再结晶晶粒合金的晶界析出相尺寸和间距都显著增大；在晶间腐蚀过程中，微电偶的腐蚀通道被断续分布的晶界析出相切断，因此抗晶间腐蚀性能得到了提升，腐蚀电流密度和年腐蚀速率均降低。

在抗应力腐蚀性能上，如表4所示，再结晶晶粒合金的抗应力腐蚀性能同样随着时效时间的延长逐渐提升，其原理同抗晶间腐蚀性能的类似：在欠时效和峰时效阶段，晶界析出相呈连续分布，腐蚀通道易沿晶界进行扩展，故在盐水中再结晶晶粒经欠时效和峰时效处理后的慢应变样品断口断裂方式主要以沿晶断裂为主且腐蚀性能较差，应力腐蚀敏感指数较高；在过时效阶段，晶界析出相断续分布，相与相之间的间距显著增加，因此阻碍了应力腐蚀过程中腐蚀通道的扩展，故过时效处理后的再结晶晶粒慢应变样品在盐水中可
见大量韧窝，断裂方式以穿晶断裂为主，表现出
(a) Al 基体透射照片；(b) Al ；(c) Cr ；(d) Zn ；(e) Cu ；(f) Mg ；(g) Zr
图7　晶内析出相的能谱扫描结果
Fig. 7　Result of intracrystalline precipitation phase energy spectrum scanning
表5　晶界中各元素原子分数
Table 5　Molar fraction of different intracrystalline
precipitation phase elements
%
Al 92.85
Zn 4.38
Mg 1.61
Cu 0.12
Cr 0.05
Zr 0.69
62
第 1 期王鹏宇，等：时效处理对不同晶粒组织Al-Zn-Mg 合金腐蚀性能的影响
优良的抗应力腐蚀性能。

3.2　晶粒组织对腐蚀性能的影响
图10所示为2种合金的EBSD 照片。

由图10可知再结晶晶粒合金完全由粗大的等轴晶构成，平均晶粒直径约为50.9 μm ，长宽比为2.6；纤维晶粒合金则主要由亚结构和部分再结晶组织构成，其亚晶直径在10 μm 以下，平均晶粒直径约为 5.2 μm ，长宽比为9.6。

对2种合金的晶粒取向进行分析，根据晶界取向差的不同进行区分。

晶界取向差大于2°小于15°的为小角度晶界(low angle grain boundary)，晶界取向差大于15°
的为大角度
(a) 欠时效态再结晶合金(放大50 000倍)；(b) 欠时效态再结晶合金(放大20 000倍)；(c) 峰时效态再结晶合金(放大50 000倍)；(d) 峰时效态再结晶合金(放大20 000倍)；(e) 过时效态再结晶合金(放大50 000倍)；(f) 过时效态再结晶合金(放大20 000倍)；(g) 峰时效态纤维合金(放大50 000倍)；(h) 峰时效态纤维合金(放大20 000倍)
图8　4种样品的晶内及晶界TEM 照片
Fig. 8　TEM photographs of intracrystalline and grain boundaries of four samples 表6　合金晶界析出相直径及间距Table 6　Diameter and space of grain boundary
precipitates
样品名称峰时效态再结晶合金过时效态再结晶合金峰时效态纤维
合金
晶界析出相直径/nm 67.2±10.8
92.1±40.529.1±5.8晶界析出相间距/nm 108.7±11.5
181.2±22.127.2±11.8PFZ 宽度/nm 105.8±8.7
157.8±10.9
87.2±9.2
63
第 55 卷
中南大学学报(自然科学版)晶界(high angle grain boundary)，通过统计可知再结晶晶粒合金的晶粒取向主要分布在1°~65°的范围内，其大角度晶界占比为61%；纤维晶粒合金的晶粒取向主要集中在1°~15°范围内，其中晶界取向差为1°~5°的晶界占比达到了64%，大角度晶界占比为23%。

采用D GOS (grain orient speed)图对2种合金的再
结晶进行了分析，D GOS 图可测量晶粒内每个像素之间的平均取向差，再结晶晶粒的D GOS ≤3，变形晶粒的D GOS >3，经统计，再结晶晶粒合金的再结
晶分数达到了85.23%，亚结构占比为10.63%，变形组织占比为4.12%；而纤维晶粒合金的再结晶分数为15.7%，亚结构占比为69.5%，同时保留了15.5%
的变形组织。

(a) 欠时效态再结晶合金；(b) 峰时效态再结晶合金；(c) 过时效态再结晶合金;
图9　再结晶晶粒析出相形貌分布示意图
Fig. 9　
Schematic diagram of distributions of the precipitation phase morphology of recrystallized grains
(a) 再结晶晶粒合金；(b) 纤维晶粒合金图10　2种晶粒组织的EBSD 照片
Fig. 10　EBSD photographs of two grain structures
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在抗应力腐蚀性能上，经峰时效处理的纤维晶粒合金显著优于相同时效阶段的再结晶晶粒合金，其在慢应变试验中强度和伸长率的损失率都比再结晶晶粒合金的低，同时慢应变断口也保留了大量韧窝，而再结晶晶粒合金的强度和伸长率的损失率都更高，慢应变下的断口出现典型的应力腐蚀沿晶断裂。

研究表明，合金的晶界特征对其应力腐蚀抗性有极大影响[24]。

FANG 等[25]认为腐蚀更容易沿着晶界粗大且连续的再结晶晶粒的晶界扩展；SINYA VSKII 等[26]研究发现由于大角度晶界的晶界能量高，裂纹容易沿着大角度晶界扩展；CHEN 等[27]认为晶间腐蚀主要是由基体和晶界析出相形成的腐蚀微电池引起的，粗大断续分布的晶
界析出相有利于阻碍析出相的连续溶解，而连续分布的晶界析出相更容易形成腐蚀扩展的通道。

根据EBSD 的结果，再结晶晶粒合金的再结晶分数高达85.2%，大角度晶界占比高达61%；而纤维组织合金的再结晶分数仅15.7%，大角度晶界占比为23%。

图12所示为不同晶粒组织的应力腐蚀裂纹扩展示意图。

由图12可以看出：以大角度晶界为主的再结晶晶粒合金的裂纹会沿着晶界快速扩展，裂纹扩展的总长度短，扩展速率极快，最终形成了如图5(a)和(c)所示的沿晶断裂形貌；而在再结晶分数低、以小角度晶界为主的纤维晶粒合金中，应力腐蚀裂纹会发生分叉，形成大量的二次裂纹，
有效降低了裂纹的扩展速率，这使得纤维晶粒合
(a) 再结晶晶粒合金；(b) 纤维晶粒合金图12　2种晶粒组织的应力腐蚀裂纹扩展示意图
Fig. 12　
Schematic diagram of stress corrosion crack growth of two grain structures
(a) 再结晶晶粒合金；(b) 纤维晶粒合金
图11　2种晶粒组织的GOS 图Fig. 11　GOS maps of two grain structures。