摘要：海洋与航空领域的铝合金构件长期承受拉应力‑腐蚀介质的共同作用，金属间颗粒（IMPs）诱发局部腐蚀，会直接破坏表面氧化膜的保护效能。本文基于 5083‑O、6061‑T6、7050‑T6 三种典型铝合金的静态浸泡与恒载荷耦合腐蚀试验，解析微米、亚微米、纳米尺度金属间颗粒在应力‑腐蚀协同环境下的演化行为，揭示不同合金氧化膜保护性能差异的内在机制，为服役铝合金的耐蚀设计提供理论支撑。

论文信息

标题：Degradation of Al alloys under the synthetic effects of tensile stress and corrosion: The role of intermetallic particles and oxide film
作者：计元元，郭玉杰，胡文彬，夏大海，Bernard Tribollet
单位：天津大学材料科学与工程学院；法国索邦大学电化学界面与系统实验室

1 研究背景

铝合金凭借高比强度，大量应用于海洋工程、航空航天的承力结构件。铝合金耐蚀性高度依赖表面致密氧化膜，但基体中大量析出不同尺度金属间颗粒，颗粒与铝基体形成微电偶，成为局部腐蚀萌生位点，割裂氧化膜连续性。

现有研究多分别讨论金属间相腐蚀或者氧化膜破坏机制；而实际服役构件同时承受拉伸应力，应力不仅会改变金属间颗粒的腐蚀行为，还会造成氧化膜反复破裂‑再钝化。

• 微米级富 Fe 阴极颗粒易产生应力集中，成为裂纹萌生源；
• 亚微米金属间相的微电偶效应，对氧化膜完整性的影响尚不清晰；
• 弹性 / 塑性拉应力如何耦合多尺度金属间颗粒，共同调控氧化膜防护性能，缺少系统对比研究。

针对上述问题，研究选取非热处理型 5083 铝合金、热处理型 6061、7050 铝合金，开展静态浸泡以及恒载荷（弹性、塑性变形）腐蚀试验，结合 EIS 电化学阻抗、SEM、FIB‑TEM 表征，厘清多尺度金属间颗粒‑拉应力‑氧化膜保护能力三者之间的内在关联。

2 试验设计

试验腐蚀介质选用 3.5 wt% NaCl 溶液，分别开展静态浸泡试验与恒载荷应力‑腐蚀耦合试验。

1. 静态浸泡试验：试样浸泡 0.5‑48 h，利用 EIS 监测氧化膜电化学演化，SEM 追踪微米、亚微米金属间颗粒腐蚀形貌；借助 FIB‑TEM 对无载荷试样氧化膜做截面精细表征。 
2. 恒载荷耦合试验：设置无载荷、弹性变形（0.7σₛ）、塑性变形（σₛ+0.5 (σᵦ‑σₛ)）三种工况，浸泡 4 h 后同步完成电化学与微观形貌检测。
3. 表征手段：电化学阻抗谱（EIS）采用双层介电模型 DBLM 解析氧化膜内层电阻、电容参数；SEM/BSE 观察不同尺度金属间相局部沟槽、点蚀演化；FIB‑TEM+EDS 解析氧化膜厚度、物相、合金元素偏聚行为。
   
   

   

   Fig. 1 Backscattered electron (BSE) images and high angle annular dark field (HAADF) images of AA5083, AA6061, and AA7050. (a-c) BSE images of the general morphologies. (a1-a2), (b1), and (c1) BSE images of micron-scale intermetallic particles (IMPs). (a3), (b2), and (c2) HAADF images of submicron-scale IMPs.

3 核心实验结果

3.1 无应力静态浸泡条件下腐蚀行为对比

三种合金耐蚀性排序：AA5083‑O＞AA6061‑T6＞AA7050‑T6。

1.  5083‑O：亚微米级 Al₆Mn、Al₆(Fe,Mn) 颗粒表面电位与铝基体接近，微电偶驱动弱；基体表面形成连续性好的氧化膜，内层氧化膜电阻 Rᵢₙ最高，缺陷少，局部腐蚀发展缓慢。微米富 Fe‑Mn‑Si 阴极颗粒周边逐步形成沟槽，后期颗粒发生基体掏蚀脱落。
    
2. 6061‑T6：微米 Al‑(Fe,Mn)‑Si 阴极颗粒密度高，颗粒‑基体电偶作用强，颗粒周边快速形成腐蚀沟槽，随浸泡时间增加颗粒逐步脱落，氧化膜完整性被持续破坏。
3.  7050‑T6：基体弥散大量亚微米 Al‑Zn‑Mg‑Cu 颗粒以及纳米时效析出相 η‑MgZn₂。纳米相发生选择性脱合金，Zn、Cu 元素在氧化膜内部以及膜 / 基体界面富集，在氧化膜内部形成富 Zn 区域，破坏氧化膜连续性，氧化膜电容持续升高，缺陷显著增多，整体耐蚀性能最差。

TEM 结果证实：5083、6061 合金基体氧化膜为 10‑20 nm 非晶氧化铝；7050 合金氧化膜厚度更大，但膜内存在大量富 Zn 纳米析出物，引入大量电化学活性位点。

Fig. 2 SEM images of AA5083-O after immersion in 3.5 wt% NaCl solution for 4 h (a-a3), 8 h (b-b3), 24 h (c-c3), and 48 h (d-d3).

Fig. 3 SEM images of AA6061-T6 after immersion in 3.5 wt% NaCl solution for 4 h (a-a2), 8 h (b-b2), 24 h (c-c2), and 48 h (d-d2).

Fig. 4 SEM images of AA7050-T6 after immersion in 3.5 wt% NaCl solution for 4 h (a-a3), 8 h (b-b3), 24 h (c-c3), and 48 h (d-d3). The scale bar in the zoom-in images in (d2) is 1 μm.

Fig. 5 Resistivity profiles of the oxide films formed on (a) AA5083-O, (b) AA6061-T6, and (c) AA7050-T6 samples after immersion in 3.5 wt% NaCl solution.

3.2 拉应力‑腐蚀耦合作用下失效规律

拉伸应力并不会改变合金腐蚀的电化学反应本质，但会显著改变金属间颗粒的局部腐蚀动力学，不同合金呈现差异化响应：

1.  微米级富 Fe 阴极颗粒：拉应力会加速粗微米富 Fe 阴极颗粒的局部腐蚀。塑性变形条件下，5083 的 Al‑Fe‑Mn 颗粒、7050 的 Al‑(Fe,Mn)‑Cu 颗粒内部产生垂直加载方向微裂纹，新鲜开裂表面进一步加速局部腐蚀；6061 中 Al‑(Fe,Mn)‑Si 颗粒受应力促进，快速发生基体掏蚀并从基体脱落。
    
2. 亚微米金属间颗粒：拉应力对 5083、6061 亚微米颗粒腐蚀几乎无明显影响；但 7050 合金亚微米 Al‑Zn‑Mg‑Cu 颗粒的局部腐蚀被应力显著加速，点蚀坑相互连通，腐蚀损伤加剧。
    
3. 氧化膜电化学响应
      - AA5083：随拉应力增大，内层氧化膜电阻 Rᵢₙ下降，主要源于微米富 Fe 颗粒局部腐蚀加剧；
      - AA6061：拉应力作用下，大量微米阴极颗粒脱落，腐蚀活性位点减少，内层氧化膜电阻反而上升；
      - AA7050：纳米析出相、亚微米颗粒、微米颗粒多重协同作用，应力升高，内层氧化膜电阻持续降低，氧化膜保护能力持续劣化。

重要发现：EIS 拟合得到的氧化膜等效厚度为电学等效参数，不等于 TEM 观测的几何真实厚度。EIS 解析的内层氧化膜电阻、电容，更适合用于横向对比不同工况下氧化膜的防护能力。

4 机理讨论：多尺度金属间相与拉应力协同失效机制 

1. 微米金属间相：富 Fe 系阴极颗粒是局部腐蚀的核心萌生点。颗粒几何形貌会影响应力集中程度，圆形 / 椭圆形颗粒应力集中程度更低；长条状颗粒更容易在拉应力下开裂，暴露新鲜表面，进一步放大微电偶腐蚀效应。颗粒脱落可以消除局部阴极位点，但脱落过程本身会在基体留下点蚀坑缺陷。
    
2. 亚微米金属间相：颗粒与基体的电位差决定微电偶驱动力。5083 中亚微米 Al‑Mn 系颗粒电位与基体接近，电偶效应弱；7050 的亚微米 Al‑Zn‑Mg‑Cu 颗粒脱合金后残留富 Cu 相，持续作为阴极，拉应力下位错在颗粒周边堆积，进一步强化微电偶腐蚀。
    
3. 氧化膜退化机制：7050 合金中纳米析出相溶解带来膜内富 Zn 区域，不仅造成氧化膜结构非均一，富 Zn 区域还会和铝基体构成新电偶对，提升表面电化学活性。即使外层腐蚀产物不断增厚，疏松产物层几乎没有保护效果。
    
4. 应力的双重效应：应力一方面造成颗粒开裂、位错增殖，加速金属间相诱发局部腐蚀；另一方面 6061 合金中应力促进有害阴极颗粒脱落，减少腐蚀源，间接改善氧化膜的电化学表现。该效应提示：应力‑腐蚀耦合体系不存在统一变化规律，失效行为高度受控于合金微观组织。

5 研究结论

1.  三种铝合金耐蚀性：AA5083‑O＞AA6061‑T6＞AA7050‑T6，该趋势在无应力浸泡与拉应力‑腐蚀耦合条件下均成立，微观组织是决定腐蚀性能的主导因素。 
2. 5083 优良耐蚀来源于连续完整氧化膜，以及电位接近基体的亚微米金属间颗粒；7050 耐蚀最差，源于大量纳米析出相、亚微米颗粒，氧化膜内部形成富 Zn 缺陷区。 
3. 拉伸应力会加速粗微米富 Fe 阴极金属间颗粒的局部腐蚀；塑性应力可诱发颗粒内部微裂纹。应力仅显著加速 7050 合金亚微米颗粒腐蚀，对 5083、6061 亚微米相腐蚀行为影响微弱。 
4. 应力对氧化膜保护性能的影响具有合金依赖性：5083、7050 随应力升高内层氧化膜保护性能下降；6061 因微米阴极颗粒大量脱落，活性位点减少，内层氧化膜电阻上升。

编者按

该工作把微米、亚微米、纳米多尺度金属间颗粒的腐蚀行为和氧化膜电化学保护性能建立定量关联，区分了弹性、塑性拉应力对不同铝合金的差异化作用。研究提示：面向海洋、航空承力铝合金选材，不仅要关注微米级粗大杂质相，也需要重视亚微米、纳米析出相对氧化膜完整性的破坏；应力‑腐蚀耦合条件下，不能简单套用静态浸泡得到的耐蚀结论，颗粒脱落、开裂会改变构件整体腐蚀演化路径。

参考文献：Ji Y, Guo Y, Hu W, et al. Degradation of Al alloys under the synthetic effects of tensile stress and corrosion: The role of intermetallic particles and oxide film [J]. Corrosion Science. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2026.114306