镁合金应力腐蚀开裂行为

在应力和腐蚀环境的耦合作用条件下，金属材料会出现新的腐蚀失效形式，如应力腐蚀、腐蚀疲劳、磨损腐蚀和冲刷腐蚀等。其中，应力腐蚀开裂是十分常见的工程结构失效形式。通常，应力腐蚀开裂被定义为材料在应力及特定环境的共同作用下，发生裂纹的形核、扩展并导致滞后断裂的现象，是一种隐蔽性很强、危险性极高的腐蚀失效形式。其特点是结构件在较低的应力下（远低于屈服强度）便可发生脆性断裂，可在没有任何征兆的情况下引起结构件的突然断裂，极易造成灾难性事故。应力腐蚀的发生需要具备3个必不可少的条件，即应力、材料及引起腐蚀的特定环境。与其它腐蚀破坏类型相比，应力腐蚀可在表面没有明显腐蚀的情况下，发生微裂纹的萌生和扩展，进而导致材料的提前脆断。同时，塑性很好的材料在应力腐蚀的作用下也会发生脆性断裂。
通常，应力腐蚀开裂的发生可使镁合金在应力低于40%屈服强度的加载条件下发生断裂失效。据统计，在1960~1970年间，仅在航空航天设备上，每年就有10~60件镁合金结构因应力腐蚀开裂而失效。可以预测，随着镁合金在航空航天和汽车工业等领域应用的逐年增加，应力腐蚀失效的案例也将逐渐增多。然而，目前国内外大部分的研究工作主要侧重于镁合金的常规力学及腐蚀行为，对其应力腐蚀开裂行为研究的关注度较弱。
基于裂纹扩展路径的差异情况，应力腐蚀开裂类型可分为：穿晶型、沿晶型和混合型。对于镁合金而言，其应力腐蚀开裂主要为穿晶型，偶尔也会出现沿晶型。目前，关于镁合金应力腐蚀的微观机制尚不十分明了，缺乏统一的机理模型。概括来说，现阶段报道的镁合金应力腐蚀开裂机制主要有两种：（1）阳极溶解机制，即阳极溶解作用导致裂纹的连续扩展；（2）机械开裂机制，即在外力的作用下，解理裂纹沿脆性区域萌生并扩展。另外，镁合金在腐蚀过程中产生的氢可扩散到基体内部，引起基体中局部氢的累积，最终导致合金发生氢脆现象。因此，氢脆也是诱发镁合金应力腐蚀开裂的主要机制。
1 阳极溶解机制
依据阳极溶解理论，阳极金属的不断溶解可导致应力腐蚀过程中的裂纹形核和扩展。
2 机械开裂机制
机械开裂机制可分为解理开裂机制和氢脆机制。（1）解理开裂机制：镁合金为典型密排六方结构，滑移系少，很容易发生解理开裂。在外加应力的作用下，镁合金因阳极溶解和机械开裂交替进行，导致其最终失效。镁合金的解理开裂机制可解释传统金属材料存在的某些穿晶型应力腐蚀开裂现象。（2）氢脆机制：因镁合金的腐蚀过程总伴随着阴极析氢，故其应力腐蚀开裂过程必然与氢脆有关，但氢脆的具体机制尚未确定。此外，镁合金的应力腐蚀破坏过程中多种氢脆机制可同时存在，主要与合金处理状态、种类和应变速率等有关。
另外，镁合金的耐蚀性与热处理制度密切相关。研究表明，局部腐蚀可作为裂纹萌生源，加速镁合金的应力腐蚀破坏。此外，局部腐蚀区域因裸露、无膜且表面活性较高，可以作为氢扩散的通道。镁合金中局部氢的累积使基体发生脆化，促进了镁合金的脆性开裂。因此，镁合金的耐蚀性受热处理的影响较大。

3 总结与展望
与其它金属结构材料一样，镁合金在力学-化学交互作用服役环境下发生的失效和破坏归根结底是由局部微区与周围基体之间电化学位的差异所造成的，而这种差异在加工制备过程中是不可避免的，而且还会因力学加载过程中局部微区（尤其是相界面和晶界附近）应变储能的变化而改变。另外，点蚀坑底部或裂纹尖端在不同结构层次上高度局部化特性（包括材料、化学和力学等）会与宏观整体之间存在显着差别。因此，为能够从真正意义上理解引起镁合金应力腐蚀破坏的微观机制，需要研究微结构在应力腐蚀交互作用条件下对点蚀坑的形成和长大、裂纹萌生、裂纹尖端前沿的潜在裂纹扩展路径的影响，同时还要考虑裂纹尖端微区处的高度局部化特性对合金的应力腐蚀开裂行为及其裂纹萌生和动态扩展过程的影响。遗憾的是，关于镁合金应力腐蚀开裂的动态失效过程及其对应的微观失效机理方面的研究尚不深入，急需从宏观到微观，动态与静态实验相结合，从不同结构尺度上深入研究主要微结构对合金的力学-化学动态交互过程的影响。只有这样，才能从真正意义上理解镁合金在力学-化学交互作用条件下的失效机制，并为提高合金使役性能的组织优化指明方向。