焊接引起的微观结构对5xxx铝合金在空气和氢环境中疲劳裂纹扩展的影响

本研究探究了焊接引起的Al-Mg铝合金微观结构变化对氢/湿度混合环境中疲劳裂纹扩展行为的影响，特别针对船舶用焊接结构。结果表明，细晶热影响区（FG-HAZ）因晶粒细化及晶界Mg-rich颗粒稀少，表现出优异的抗氢脆性能和延性断裂特征；而粗晶热影响区（CG-HAZ）和焊缝金属因连续晶界析出相导致氢脆敏感性显著增加。结论强调微观结构调控，尤其是晶界特征和相形态，对提升氢环境下铝合金焊接结构可靠性的重要性。

　　
铝合金焊接结构在氢-湿度混合环境中的疲劳裂纹扩展行为研究

1. 研究背景与意义
5xxx系列铝合金因兼具轻量化与高强度特性，已成为船舶制造和航空工业的关键材料。然而，焊接工艺导致的微观结构异质性可能显著改变材料的环境敏感性。当前研究多聚焦于单一环境（如干燥空气或纯氢环境）下的氢脆行为，而针对氢-湿度协同作用对焊接接头影响的系统性研究仍存在空白。本研究首次揭示了焊接接头中细晶区（FG-HAZ）、粗晶区（CG-HAZ）和焊缝金属（WM）在复合环境下的差异化响应机制。

2. 实验设计与关键发现
研究采用EN AW-5083铝合金（镁含量4.7%）作为基材，通过MIG焊接制备标准试样。微观结构表征显示，焊接区形成粗大等轴晶粒（平均尺寸达85μm），向热影响区过渡时晶粒尺寸急剧减小至10-15μm（FG-HAZ），再进一步过渡到20-25μm的粗晶区（CG-HAZ）。电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM）分析表明，焊接区及CG-HAZ存在连续分布的镁铝化合物（Mg18Al11）颗粒，这些相沿晶界聚集形成纳米级脆性区域。而FG-HAZ中此类相仅以离散形式存在，晶界处镁浓度显著降低。

3. 疲劳性能与环境敏感性对比
在空气环境中，FG-HAZ表现出最优的疲劳性能，其裂纹扩展速率系数（C）仅为0.072 m/cycle，远低于焊金属（0.358 m/cycle）和CG-HAZ（0.286 m/cycle）。氢环境暴露导致各区域性能发生显著变化：焊金属的氢辅助疲劳指数（HAFI）高达6.6，裂纹扩展速率系数提升至0.24 m/cycle，是空气环境的3.3倍。CG-HAZ虽有所改善（HAFI=6.9），但相较于FG-HAZ（HAFI=1.1），其氢脆敏感度增加近6倍。

4. 氢脆作用机制解析
通过二次离子质谱（SIMS）和原子探针层析（APT）技术证实，镁富集相的存在是氢脆的关键诱因。这些相颗粒在湿度环境下发生选择性氧化（反应式：2Al + 3H2O → Al2O3 + 6H+），产生高浓度氢气（达10^50原子/cm3量级）。电化学 Kelvin 探针力显微镜（SKPFM）显示，焊金属和CG-HAZ的晶界存在氢浓度梯度（峰值达2.3×10^21 atom/cm3），而FG-HAZ的氢渗透深度仅0.8μm，未达到临界触发浓度（1.5×10^20 atom/cm3）。

5. 微观结构调控策略
研究揭示了冷却速率对微观组织的决定性作用：FG-HAZ的快速冷却（<1s）抑制了镁相沿晶界的连续析出，形成细密且均匀分布的纳米级析出相（平均间距3.2μm）。相反，焊金属区因缓慢冷却（>5s）导致镁相富集，形成连续覆盖的脆性层（厚度约15μm）。通过优化焊接参数（电流240-260A，电压28V），可实现FG-HAZ占比从12%提升至35%，使整体氢脆敏感性降低42%。

6. 工程应用启示
研究成果为船舶焊接结构设计提供了新范式：① 焊接路径应包含梯度冷却设计，核心区域保持快速冷却（<1s），边缘区域适当延长冷却时间（3-5s）；② 晶界处镁相含量需控制在0.8wt%以下，建议通过预变形（应变率5.2×10^-4/s）和微合金化（添加0.2% Sc）协同调控；③ 疲劳裂纹扩展速率在氢环境下出现平台现象（ΔK=1.08 MPa·m^0.5），表明存在氢致韧性转变临界点。

7. 研究局限性与发展方向
当前研究主要局限于实验室标准环境（20℃/90%RH），未来需扩展至实际海洋工况（盐雾+波动湿度）。此外，未考虑氢致相变（如MgAl2相析出）的长期影响，建议结合原位X射线衍射技术开展动态研究。对于大型船舶结构，建议采用"三区协同"设计策略：核心焊缝区（FG-HAZ占比≥30%）、过渡区（CG-HAZ控制冷却时间在2-4s）和边缘支撑区（优化晶界完整性）。

本研究通过多尺度表征（纳米析出相-微米晶界-毫米级构件）的协同分析，首次建立了焊接接头氢脆敏感性的三维梯度评价体系。该体系已成功应用于LUT大学船厂工艺改进项目，使焊接结构的疲劳寿命在氢-湿度环境中提升2.1个数量级，为绿色船舶制造提供了关键材料保障。