7xxx系列铝合金由于其高强度和耐腐蚀性被广泛应用于航空航天领域，但其在潮湿环境中易发生环境辅助开裂（Environmentally Assisted Cracking, EAC），严重威胁结构安全。EAC 涉及裂纹尖端氢的生成、扩散、捕获与晶间裂纹扩展的耦合作用，需多物理场建模揭示其速率控制机制。然而，目前仍缺乏晶粒尺度下能准确描述氢辅助断裂的物理模型。
基于上述问题，英国曼彻斯特大学材料系的C. Grant等人基于唯象晶体塑性本构模型，通过在损伤相场中自由能模块额外考虑化学能的贡献，并在变形梯度弹塑性乘法分解中引入溶质失配诱导的局部变形梯度，实现了将氢诱导的断裂与晶体塑性的耦合。氢扩散方程中考虑了氢浓度梯度和通过第二Piola应力导出的球应力梯度对扩散的贡献，并引入氢源，便于捕捉氢浓度在裂尖集中的现象。在氢的捕获中，分别考虑基体、位错核和晶界三种区域的化学势贡献，通过氢对临界能量释放率的折减体现其对材料抗断裂性能的削弱作用。
图1 通过EBSD构建的预置裂纹的准二维多晶RVE
图2 (a) 裂纹扩展路径；(b) 拉伸应力；(c) 塑性滑移；(d) 总氢浓度分布；(e) 晶界处氢浓度分布
图3 随裂纹扩展，拉伸方向应力、氢浓度及塑性滑移量的分布
图3 第一列给出了205s到295s时间步下的裂纹演化，可以看到裂纹表现出了较为明显的沿晶扩展现象，并且在晶界较为平缓的区域，裂纹扩展速率较快。并且由第四列可以看到，塑性滑移的分布与裂纹分布较为吻合，且表现出了韧性断裂裂尖钝化的特征。氢浓度的分布也由于裂尖应力集中而在裂尖汇聚，且由于裂纹扩展速率导致的内部氢源产生速率的不同，氢的演化也随之改变。
相关成果以“Simulating hydrogen-controlled crack growth kinetics in Al-alloys using a coupled chemo-mechanical phase-field damage model”为题发表在“Acta Materialia ”(Volume 284, 2025) 上，论文第一作者和通讯作者为C. Grant。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120597
