5083鋁合金的質量小、強度中等，耐腐蝕性、可焊性和可加工性良好，廣泛應用于船舶、汽車及高速列車等領域。然而，經過長時間服役或不恰當的熱處理后，5083鋁合金容易沿晶析出β相（Al3Mg2），不僅使合金的強度降低，同時還顯著增大了合金的晶間腐蝕和應力腐蝕傾向[1-3]。國內外研究者對5083鋁合金的晶間腐蝕行為進行了大量研究[4-9]，這些研究主要采用的是質量損失法，參照ASTM G67-24a 《通過暴露在硝酸下后重量損失法測定5XXX系列鋁合金晶間腐蝕敏感性的方法（NAMLT試驗）》或GB/T 26491—2011《5XXX系鋁合金晶間腐蝕試驗方法 質量損失法》標準進行分析。研究方法具體為將加工好的試樣在特定質量分數和溫度的硝酸溶液中浸泡24 h，通過試驗前后的質量變化及暴露面積計算試樣的腐蝕速率，將腐蝕速率作為晶間腐蝕敏感性指標。目前，GB/T 26491—2011與GB/T 7998—2005《鋁合金晶間腐蝕測定方法》合并為GB/T 7998—2023《鋁合金晶間腐蝕敏感性評價方法》，在GB/T 7998—2023標準的質量損失法部分，修改了硝酸的質量分數，進一步提高了溫度控制精度要求。最新版的ASTM G67-24a與ASTM G67-18相比，進一步縮小了試驗用硝酸質量分數的范圍。由于國家標準中規定硝酸的質量分數為65%~68%，范圍較寬，且與ASTM G67-24a標準不一致，采用兩項標準進行試驗可能會使測試結果出現差異。 

在5XXX系鋁合金晶間腐蝕研究過程中，研究者通常在標準試驗條件下進行試驗，但常有客戶參照GB/T 26491—2011標準進行試驗，由于該標準中硝酸的質量分數與ASTM G67-24a存在差異，有研究者研究了硝酸質量分數對測試結果的影響。此外，客戶常提出極限服役溫度下的晶間腐蝕測試需求，如5XXX系鋁合金的剝落腐蝕試驗溫度（65 ℃）或者深海服役溫度（0 ℃）等，晶間腐蝕參數與標準測試參數存在顯著差異，其結果能否表征材料的抗晶間腐蝕性能還有待驗證。 

筆者以市售5083-H116鋁合金為研究對象，改變試驗溫度和硝酸的質量分數，在標準試驗條件下，延長了試驗時間，設計了系統試驗，探究了試驗溫度、硝酸質量分數和試驗時間對其晶間腐蝕測試結果的影響規律，研究結果不僅為5083-H116鋁合金在高、低溫環境下的應用提供技術支撐，也為5XXX系鋁合金晶間腐蝕質量損失法的實驗室檢測和數據解讀提供數據支撐。 

1.   試驗材料與試驗方法

1.1   試驗材料

試驗采用市售3 mm厚的5083-H116鋁合金板材，具體化學成分如表1所示。 

1.2   試驗方法

用光學顯微鏡觀察試樣的顯微組織和晶間腐蝕深度。參照ASTM G67-24a標準對5083-H116鋁合金板材的晶間腐蝕敏感性進行評價，試樣尺寸為50 mm×6 mm×3 mm（長度×寬度×厚度），其中長度方向為合金的變形方向。采用阿拉丁色譜級70%（質量分數）的硝酸配置溶液，試驗用硝酸質量分數分別為70%，60%和50%，試驗溫度分別為0，15，30，45，60 ℃，采用低溫恒溫水箱進行保溫，精度為±0.1 ℃。為了分析試驗時間對合金晶間腐蝕的影響，在標準試驗條件下，另取兩組試樣，分別試驗48 h和72 h，試驗溫度為（30±0.1） ℃，硝酸質量分數為70%。上述每組試驗均采用3個平行試樣。具體試驗過程如下：首先，測量試樣尺寸，將試樣在80 ℃的體積分數為5%的NaOH溶液中浸泡1 min，清水沖洗后將試樣在質量分數為70%的硝酸中浸泡30 s，之后再用清水沖洗、干燥并稱重，得到試驗前的質量m1，然后將試樣分組浸泡于不同條件的硝酸中，試驗時間為24 h（確定試驗時間影響的兩組試驗除外）。試驗結束后取出試樣，用流動的清水沖洗試樣，并在超聲波清洗機中清洗2 min，用冷風吹干并稱重，得到試驗后的質量m2，計算單位面積的質量損失，結果取3個試樣的平均值。分析試驗結果，通過擬合得到腐蝕速率與溫度、硝酸質量分數的關系曲線，分析腐蝕速率的變化規律。 

在垂直變形方向截取典型試樣，對試樣橫截面進行磨制和拋光，不腐蝕試樣，在光學顯微鏡下觀察試樣表面的腐蝕形貌，若產生沿晶腐蝕形貌，則對最大晶間腐蝕深度進行測量。 

2.   試驗結果

2.1   顯微組織

5083-H116鋁合金橫截面微觀形貌如圖1所示。由圖1可知：經混合酸水溶液腐蝕后，試樣組織為α-鋁基體+彌散質點相+塊狀化合物相[見圖1（a）]；經陽極覆膜后，合金出現變形組織，晶粒呈拉長狀，晶粒內部還可觀察到大量黑色的化合物相，部分黑色區域是化合物相脫落形成的腐蝕坑[見圖1（b）]。 

圖  1  5083-H116鋁合金橫截面微觀形貌

2.2   晶間腐蝕

在試驗溫度和硝酸質量分數均不同的條件下，腐蝕試驗后5083-H116鋁合金的腐蝕速率如表2所示。在標準試驗條件下，5083-H116鋁合金在30 ℃、質量分數為70%硝酸溶液中的試驗時間分別為24，48，72 h的腐蝕速率分別為1.34，1.53，1.58 mg/cm2，擬合后的腐蝕速率與溫度、硝酸質量分數的關系如圖2所示，擬合得到的公式如式（1）所示，R2=0.978 3（R為相關系數）。晶間腐蝕試驗后典型試樣表面的微觀形貌如圖3所示。 

式中：z為腐蝕速率；x為溫度；y為硝酸的質量分數。 

圖  2  經擬合得到的腐蝕速率與溫度、硝酸質量分數的關系

圖  3  晶間腐蝕試驗后典型試樣表面的微觀形貌

由圖3可知：在硝酸質量分數不變的條件下，隨著溫度的升高，合金的腐蝕速率呈現指數增長的趨勢；在試驗溫度不變的條件下，隨著硝酸質量分數的增加，合金的腐蝕速率呈逐漸下降的趨勢。由式（1）可知：在硝酸質量分數為50%~70%，溫度為0~60 ℃時，5083-H116鋁合金的腐蝕速率與試驗溫度、硝酸質量分數之間呈現二元二次曲面方程的關系。 

試驗合金在標準試驗條件下的腐蝕速率為1.34 mg/cm2，試樣表面未見晶間腐蝕特征，局部區域產生深度為10 μm左右的點腐蝕坑，表明合金具有較好的抗晶間腐蝕性能。對比圖3（a）、3（b）、3（c）可知：在溫度為30 ℃時，隨著硝酸質量分數的減小，試樣表面腐蝕程度增大；當硝酸質量分數減小為50%時，試樣表面呈現波浪形，產生約40 μm深的點腐蝕坑。對比圖3（c）、3（d）、3（e）可知，在硝酸質量分數為70%時，隨著溫度的升高，點腐蝕坑的深度呈現增大的趨勢。 

對比圖3（c）、3（f）、3（g）可知：在標準試驗條件下，隨著試驗時間的延長，試樣腐蝕速率呈現緩慢上升的趨勢，試驗48 h和72 h試樣表面的腐蝕程度接近，但較試驗24 h試樣表面的腐蝕程度加劇。 

3.   綜合分析

采用濃硝酸浸泡質量損失法測定Al-Mg或Al-Mg-Mn系合金的晶間腐蝕原理為：濃硝酸使晶粒處于鈍化態，沿晶析出的Al3Mg2相（β相）處于活化態，析出相發生溶解并脫落，宏觀上表現為試樣的質量減小，得到的腐蝕速率可表征其晶間腐蝕敏感性。如果Al3Mg2相呈網狀連續分布于晶界，其腐蝕速率可達到25~75 mg/cm2，相反，如果Al3Mg2相很少或者沒有，其腐蝕速率為1~15 mg/cm2，表明材料具有較好的抗晶間腐蝕性能；而如果Al3Mg2相隨機、斷續地分布于晶界上，得到的腐蝕速率為15~25 mg/cm2，此時需要借助金相檢驗方法以確定試樣質量損失是否由晶間腐蝕造成。 

3.1   硝酸質量分數對測試結果的影響

鋁合金在冷的濃硝酸中具有鈍化性，試樣表面會形成一層致密的鈍化膜，該鈍化膜會阻止硝酸的進一步反應，因此必須嚴格控制硝酸的質量分數和試驗溫度，以確保晶粒均處于鈍化狀態，而晶界Al3Mg2相處于活化狀態時可被溶解。此時Al3Mg2相發生選擇性溶解，且優先溶解Mg，具體反應為 

${\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">4HNO</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">3</span>}}<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">(</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">濃</span>}<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">)</span>{\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">=Mg(NO</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">3</span>}}{\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">)</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">2</span>}}\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">+</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">2</span>}{\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">NO</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">2</span>}}{\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">↑+2H</span>}}_{\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">2</span>}}\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">O</span>}$

當硝酸質量分數減小時，其氧化性降低，溶液鈍化性明顯下降，此時電離出的H+濃度升高，體系中硝酸的強氧化性造成Mg、Al的溶解，酸性H+同樣可造成Mg、Al的溶解，具體反應為

在上述反應作用下，晶界上的Al3Mg2相和晶粒（鋁基體）均會發生反應，因此，硝酸濃度越低，試驗合金的腐蝕速率越快，試驗中采用硝酸質量分數最少為50%，在一定程度上仍可稱之為濃硝酸。隨著硝酸質量分數的進一步減小，試驗合金的腐蝕速率將進一步增大，H+溶解金屬的作用越來越明顯。由于GB/T 7998—2023標準采用的硝酸質量分數范圍較寬（65%~68%），不同批次硝酸的質量分數可能存在差異，與ASTM G67-24a（硝酸質量分數為69%~70%）相比，其結果穩定性較差，且腐蝕速率偏高。對5083鋁合金進行晶間腐蝕測試時，建議采用ASTM G67-24a標準。 

3.2   測試溫度對測試結果的影響

化學反應與溫度正相關，溫度越高，化學反應速率越快。在試驗過程中發現，當試驗溫度為45 ℃和60 ℃時，試驗容器中均生成了較為明顯的紅棕色氣體，且溫度越高，硝酸質量分數越小時，氣體含量越多，說明硝酸與晶粒本體發生了劇烈的化學反應，發生了大面積的均勻腐蝕。此時偏離了試驗原理，得到的腐蝕速率已不能表征材料的抗晶間腐蝕性能。因此，用戶在設定項目指標時應避免將溫度定得過高，以免得不到有效的結果。溫度升高和硝酸質量分數減小均使試樣表面腐蝕加劇，腐蝕速率加快，但從表面形貌上看，隨著溫度的升高，試樣表面的變化程度明顯小于隨硝酸質量分數變化的程度。可見，隨著溫度的升高，試樣均勻腐蝕程度加劇，試樣表面發生整體減薄，掩蓋了局部腐蝕。因此，采用該方法進行高溫下的晶間腐蝕測試是不可行的。GB/T 7998—2023標準將測試溫度由（30±1） ℃變更為（30±0.1） ℃，與ASTM G67-24a標準一致，這樣顯著提高了測試結果的穩定性。 

3.3   試驗時間對測試結果的影響

在標準試驗條件下進行腐蝕試驗24 h后，試樣表面已凹凸不平，此時繼續延長暴露時間，與硝酸發生反應的試樣表面的暴露面積增加，在單位面積腐蝕速率不變的情況下，腐蝕失重會增加，而計算腐蝕速率時采用的暴露面積是原始面積，因而得到的腐蝕速率會略有增大。另外，腐蝕試驗進行24 h后，硝酸已被部分消耗，質量分數有所減小，后續反應將更加劇烈，因而平均腐蝕速率有所增大，但增大速率趨于平緩，這可能與試樣表面不耐腐蝕的析出相在腐蝕過程中不斷減少有關。 

4.   結論

（1） 5083-H116鋁合金在標準試驗條件下（30 ℃±0.1 ℃、硝酸質量分數為70%、試驗時間為24 h）的腐蝕速率為1.34 mg/cm2，試樣表面未見晶間腐蝕特征，局部區域產生10 μm左右的點腐蝕坑，表明合金具有較好的抗晶間腐蝕性能。 

（2）在硝酸質量分數不變時，隨著試驗溫度的升高，合金的腐蝕速率呈現指數增長的趨勢；在試驗溫度不變時，隨著硝酸質量分數的增大，合金腐蝕速率呈現減小的趨勢。在標準試驗條件下，隨著試驗時間的延長，試樣腐蝕速率呈現緩慢增大的趨勢。 

（3） 5083-H116鋁合金晶間腐蝕測試時要嚴格控制硝酸的質量分數和試驗溫度，否則可能使試驗原理發生偏離，結果不能有效表征材料的抗晶間腐蝕能力，推薦采用ASTM G67-24標準進行5083鋁合金的晶間腐蝕測試。

文章來源——材料與測試網