7XXX系列高强铝合金是以铝、锌为主要成分，添加其他元素组成的高强度铝合金，因其具有高比强度等特性，目前已经被广泛应用于航空航天、轨道交通、新能源汽车等领域的关键结构部件，但该合金体系在腐蚀环境下的疲劳性能退化是限制进一步应用的核心问题之一。腐蚀疲劳过程一般按照“初始腐蚀坑的萌生—生长—坑到裂纹转变—短裂纹生长—长裂纹生长”等多个阶段发展，也是目前典型的三维损伤演化过程，但现有研究多依赖二维破坏性表征方法（如SEM），无法准确捕捉坑到裂纹转变等关键细节，且基于常规实验室条件搭建的X射线CT时间分辨率不足，难以实现真实原位观测。

西南交通大学团队于2026年1月15在《Corrosion Science》期刊上发表了题为“4D evolution of corrosion fatigue crack initiation and growth behavior in high-strength Al alloy by in situ synchrotron X-ray tomography”的研究论文。团队依托于原位同步辐射X射线断层扫描技术，完成了7050-T7451铝合金在腐蚀疲劳加载下全周期的4D可视化观察，揭示了腐蚀坑起始、生长、坑到裂纹转变及裂纹扩展的时空演化机制，这项研究为高强铝合金的腐蚀疲劳损伤预测提供了新视角，对航空航天、轨道交通等领域的结构安全评估具有重要意义。该论文的通讯作者为西南交通大学的奥妮副研究员与吴圣川研究员。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2026.113634

【核心内容】

该研究利用自研的原位腐蚀疲劳测试装置，结合中国科学院上海同步辐射装置（SSRF）的BL16U2线站，对7050-T7451铝合金在3.5 wt% NaCl溶液中的腐蚀疲劳行为进行了4D实时观测，研究完整记录了从腐蚀坑起始到最终断裂的全过程，并重点分析了腐蚀坑几何形态、与微观结构（如组成粒子和空洞）的空间关联、局部应变分布以及裂纹扩展机制，研究发现，腐蚀坑的几何形态复杂性直接决定其是否演变为致命裂纹，而坑到裂纹转变是一个“生长-钝化-生长”的竞争过程。

图形摘要

【研究方法】

研究通过原位同步辐射X射线断层扫描（SR-μCT），在应力控制腐蚀疲劳加载下（最大应力250 MPa，频率3 Hz，R=0.1），以高时间分辨率获取3D数据，并进行图像重建和数字体积相关（DVC）分析，量化应变和曲率演化，以热轧态的7050-T7451铝合金板材为研究对象，辅以SEM、EBSD等后表征手段，验证裂纹路径和腐蚀机制。

7050-T7451高强铝合金的微观结构表征

原位腐蚀疲劳实验的工作流程

【研究成果】

① 腐蚀坑起始与生长机制

腐蚀坑优先在阳极性的相处形核，随后经历“亚稳态生长-稳定生长”等阶段，同时不规则腐蚀坑的发展更为迅速，这是因为组成相与空洞相互作用，使得腐蚀坑呈现复杂形状并快速向材料内部扩展，同时高应变区域随疲劳循环动态转移，驱动对应区域优先被腐蚀。

腐蚀疲劳过程中试样标距段的时空形态演化

疲劳裂纹在空气和溶液中的空间分布

NaCl溶液中疲劳裂纹尖端的微观结构

② 坑到裂纹转变的竞争机制

腐蚀从单一腐蚀坑到裂纹转变是一个随时间而逐渐发生的过程，占疲劳全寿命过程的约19%。研究发现，坑底部会反复形成高曲率尖锐尖端，但由于电化学“尖端效应”，这些区域优先发生阳极溶解而钝化，而非直接转变为裂纹，只有当裂纹扩展速率超过坑生长速率，且应力强度因子范围（ΔK）超过阈值时，裂纹才稳定形成。

典型腐蚀坑在坑-裂纹转变过程中的表面曲率演化

腐蚀坑与组分粒子、空洞及氢气泡的空间关联演化

腐蚀坑的三维应变演化

③ 腐蚀疲劳裂纹扩展行为

由于氢脆和阳极溶解的混合损伤机制，在腐蚀环境中，裂纹扩展速率显著高于空气环境，寿命减少约50%，且裂纹路径呈锯齿状，伴有大量氢气泡和腐蚀产物，氢脆通过降低晶界内聚力促进沿晶开裂，而阳极溶解在加速裂纹扩展的同时，通过钝化裂纹尖端起延缓作用。

代表性腐蚀坑几何形貌随疲劳周次演化

空气和NaCl溶液中疲劳裂纹扩展数据

腐蚀坑尺寸随疲劳周次演化

④ 全生命周期阶段占比

研究量化了腐蚀疲劳各阶段的时间占比：腐蚀坑的初始形成期占18.8%，腐蚀坑逐渐发展的时期占56%，由腐蚀坑发展到裂纹的，这一转变过程占19%，稳定的裂纹扩展仅占6%，这一分布强调了坑生长阶段在寿命预测中的主导作用，但碍于试样的尺寸效应，这一占比与实际工程组件中的真实工程占比会有所出入。

腐蚀坑与裂纹的扩展行为对比

腐蚀疲劳裂纹萌生与扩展的一般阶段示意图

【总结与展望】

团队通过4D原位同步辐射技术，揭示了高强铝合金中坑到裂纹转变的微观竞争机制，为发展基于真实3D几何的寿命预测模型提供了实验依据，深化了对腐蚀疲劳损伤机制的理解，也为航空航天、轨道交通等领域的结构健康监测和寿命评估提供了新策略。