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随着人类对海洋资源的需求日益增加，对海洋装备及相关材料的要求也日益提高，5083铝合金是典型的Al-Mg系合金，具有耐腐蚀性能良好、焊接性能、加工性能良好等特点，被广泛应用于航海、交通、能源、通讯等领域。然而，5083铝合金在使用过程中仍然会出现点蚀、晶间腐蚀、剥落腐蚀、应力腐蚀开裂等问题，对产品的使用寿命和安全性都有不利影响。如何兼顾5083铝合金力学性能和耐腐蚀性能，已成为关注的焦点。

国内外学者在Al-Mg系铝合金的成分、热处理工艺和性能的关系方面做了大量的研究。SHI等研究了Zn对5083组织和力学性能的影响，添加5%Zn后，合金抗拉强度和显微硬度提升较大，塑性显著降低。CARROLL等发现5083合金中加入0.68～0.70%Zn后，在晶界处形成了Al-Mg-Zn相，阻碍了β(Al3Mg2)相的形成。

【资料图】

对Al-Mg系铝合金而言，随着Mg含量增加，Mg在合金中固溶强化作用增强，合金的强度提高，但晶界处更易连续析出β相(Al3Mg2),该相对于Al基体为阳极相，导致合金晶间腐蚀敏感性增加。Mn对Al-Mg系铝合金的力学性能和耐腐蚀性能均有影响，HUSKINS等研究发现，5083中Mn大多以不规则形状或棒状沉淀物的形式存在，且通过沉淀-位错相互作用对合金产生明显的强化效果。也有研究认为，Mn在Al-Mg系铝合金中的强化作用大于Mg, 在Al-3%Mg合金中，Mn的强化系数为115～145(固溶状态),但Mn含量的增加会降低合金塑性。Mg、Mn是5083的主要合金元素，但其成分范围较宽，造成力学性能和腐蚀性能波动较大，因此，有必要细化Mg、Mn成分范围来优化和稳定5083合金的性能。

基于此，本文选取5083最主要的两种成分Mg、Mn作为研究对象，设计不同Mg、Mn含量的合金，研究其对显微组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响，得到最优的成分。

实验

按照GB/T 3190—2008标准，在实验室熔铸5083合金；采用型号为SXL-1700C箱式炉对铸锭进行均匀化退火，退火温度为460℃,保温时间为24h。采用ARL iSpark 8860直读光谱仪测定实际成分。考虑到实验室熔铸缺陷对腐蚀性能影响较大，故外购商用5083板材作为腐蚀实验用材。拉伸实验参照GB/T 228.1—2010标准进行，使用Shimadzu AGS-X拉力实验机，并分析合金断口。维氏硬度实验参照GB/T 4340.1—2009标准进行，采用的设备为HXD-1000TM/LCD数字式显微硬度计。选取了部分合金，采用Rigaku D/MAX 2500V型X射线衍射仪进行了XRD分析，设定扫描范围10°～90°,扫描速率6°/min。

根据GB/T 22639—2008标准，进行剥落腐蚀实验，试样尺寸为100mm×30mm×3mm, 实验前对试样进行打磨和清洁，之后将试样悬置于65℃的腐蚀液中，腐蚀液成分为1.0mol/L氯化铵+0.25mol/L硝酸铵+0.01mol/L酒石酸铵+0.09mol/L过氧化氢，浸渍时间24h, 之后取出并清洗，再使用浓硝酸浸泡30s后清洗晾干，观察腐蚀表面微观形貌，评定剥落腐蚀等级。优化Mg、Mn的成分范围后设计验证合金，进行力学性能验证和耐腐蚀性能验证。

结果与分析

不同Mg、Mn含量平衡相及力学性能模拟

采用JMatPro软件对L1～L16合金进行平衡相和力学性能计算模拟。其中L1合金室温平衡相和力学性能模拟，L1～L16号合金室温平衡相和抗拉强度。L1～L16合金主要含有Al、Al3Mg2、AlCrMgMn、Mg2Si、Al6Mn等相。随着Mg含量增加，Al3Mg2相占比逐渐增加；随着Si含量增加，与Mg结合形成的Mg2Si相占比逐渐增加；当Mn含量极少的情况下，优先形成AlCrMgMn相，当Mn含量超过0.5%,形成了Al6Mn相，值得注意的是，当Al6Mn相占比增加时，AlCrMgMn相的占比减小，两相呈现此消彼长的趋势。L5、L11、L14、L15合金的抗压强度较高，其中L15号合金抗拉强度达到252.61MPa,结合表1可以看出，抗拉强度最高的L15号合金对应成分为4.9Mg-0.85Mn-0.4Cr-012Zn-0.25Si。

Mg、Mn对5083力学性能及断口组织的影响

力学实验合金组中合金的最高抗拉强度为206.4 MPa, 平均抗拉强度为164.7 MPa; 最高延伸率为14.10%,平均延伸率为6.88%,大部分合金延伸率未超过10%,呈现出较明显的脆性特征。绘制的合金抗拉强度分布和延伸率分布。

当Mg含量在4.30%～4.50%、Mn含量在0.70%～0.85%、Mg含量在4.80%～4.99%、Mn含量在0.40%～0.80%内，5083铝合金具有较高抗拉强度，当Mg含量在4.10%～4.40%且Mn含量在0.30%～0.50%,合金抗拉强度较低。当Mn含量极低时，Mg的含量变化对5083延伸率影响不大，当Mg含量增加至4.7%时，合金仍具有较高塑性和韧性，随着Mn含量增加，合金延伸率迅速减小，塑性及韧性下降较快，当Mg含量在4.10%～4.40%且Mn含量在0.30%～0.50%,合金延伸率较低。但当Mn含量在0.60%～0.80%且Mg含量在4.20%～4.40%或4.80%～4.99%,合金延伸率有所增加，表明合金塑性和韧性有小幅度提升。

对T2、T4、T7、T12合金拉伸断口进行SEM及EDS分析。当合金中Mn含量较低时，韧窝尺寸较大、深度较深，断口塑性特征明显，含Al、Mg、Cr的复合相颗粒出现明显裂纹，相对于Al基体表现出较明显的脆性，是合金断裂原因之一。当Mn含量增加至0.5%以上，拉伸断口韧窝尺寸较小、深度较浅，脆性特征相对明显，大量白色颗粒分布于韧窝深处和较浅处，且大小、形状不一，部分尺寸较大且含Al、Mg、Mn、Fe的复合颗粒相出现裂纹，相对于Al基体表现出较明显的脆性。

结合EDS分析结果及相关研究，C、D点的第二相颗粒为Al6(Mn, Fe)相。有研究认为，Mn的加入虽然能改变铝合金中含Fe相的形貌，使其降低对合金力学性能的危害并提升合金的强度，但合金中也形成了更多不可溶结晶相，在塑性变形过程中这些不溶相与Al基体间的界面容易形成微小裂纹，从而引发断裂。本研究中Mn含量超过0.5%的合金相对于含Mn量极低的合金，拉伸断口也表现出明显的脆性特征。

Mg、Mn含量的变化对5083合金相的影响

当Mn含量极少时，合金主要存在Al、Mg2Al3、Cr等相，当Mn含量超过0.5%,合金中出现了AlMn0.75Fe2.25、Fe19Mn等相。杂质Fe在铝合金中易形成β-AlFeSi、FeAl3等对合金的力学性能有不利影响的第二相1，但通过XRD分析及断口EDS分析，发现Mn能与Fe结合形成不同的第二相。铝合金中若存在较高的Mn/Fe质量比，能形成固态富Fe金属间沉淀化合物，有效降低合金中Fe含量。在5083合金中Mn能优先形成AlMn0.75Fe2.25、Fe19Mn等不同的第二相，从而显著减少β-AlFeSi、FeAl3等相的形成及其对合金性能的不利影响。

Mg、Mn对5083剥落腐蚀的影响

选取Y1、Y2、Y3、Y4合金进行剥落腐蚀实验，经过24h剥落腐蚀后，表面宏观形貌。当Mg含量为4.31%～4.43%,合金表面出现少量点蚀坑或疱疤，腐蚀特征以点蚀为主。随着Mg含量的增加，合金剥落腐蚀程度愈加严重，当Mg含量为4.78%时，合金表面出现大量的疱疤和爆皮，腐蚀坑尺寸较大、深度较深，并逐步连接在一起，表层金属呈块状脱落。根据GB/T 22639—2008标准，评定Y1、Y3号合金剥落腐蚀等级为PA级，Y2号合金剥落腐蚀等级为PB级，Y4号合金剥落腐蚀等级为PC级。

对Y1、Y2、Y3、Y4合金腐蚀表面进行SEM及EDS分析。Mg含量为4.31%～4.43%时，合金表面出现较多独立或连续的腐蚀孔洞，有的腐蚀孔洞呈网状相连，但合金未腐蚀部分仍呈现较为平整的形貌，其中Al-Mg-Mn-Fe、Al-Mn-Fe-Si、Al-Mn-Fe等复合颗粒相分布于合金表面，未被腐蚀。这些复合相颗粒周围的Al基体出现了不同程度的腐蚀现象，第二相颗粒与Al基体之间存在一定的电位差，在腐蚀介质影响下形成了局部微电池，导致复合相与Al基体间的界面优先腐蚀。当Mg含量为4.78%时，合金表面出现较深的腐蚀坑，其余大部分表面出现阶梯状形貌，表明部分合金已呈块状脱落，表现出较明显的剥落腐蚀特征。

5083合金的成分优化验证

从力学分析可知，在实验范围内，当Mg含量在4.3%～4.4%、Mn含量在0.7%～0.8%时，5083综合力学性能最好。当Mg含量在4.3%～4.4%、Mn含量在0.5%～0.6%时，5083耐剥落腐蚀性能较好。为了兼顾5083合金的力学性能及耐剥落腐蚀性能，据此设计验证合金H,Mg含量为4.38%,Mn含量为0.61%,其他元素的含量。

相比于力学实验合金T1～T16,用抗拉强度和延伸率的大小来验证合金H的力学性能，得到合金H的抗拉强度为202.8 MPa,延伸率为13.9%;Mg含量为4.38%,Mn含量为0.61%的合金具有最佳综合力学性能。此成分的合金腐蚀程度轻微，表面仅出现少量较浅的腐蚀坑，无明显爆皮、分层现象，整体呈现点蚀的特征，根据GB/T 22639—2008标准，评定合金H的剥落腐蚀等级为PA级。

T1～T4合金中，在Mn元素含量极低的条件下研究Mg在5083合金中强化作用。Mg含量为4.71%的T4合金中，抗拉强度为180.2MPa。而Mg含量为4.98%的T2合金抗拉强度仅为148.5 MPa。合金的抗拉强度并未随着Mg的增加而上升，主要原因是Mg元素过剩，导致Si元素易与Mg元素结合形成Mg2Si相，降低Mg在基体中的溶解度，造成抗拉强度和塑性的下降。T5～T16合金中，研究了不同Mg和Mn含量对合金力学性能的影响。对比T2合金与T12合金，在Mg元素含量接近的情况下，添加了0.68%的Mn元素，合金的抗拉强度由148.5 MPa提升至206.4 MPa。

合金抗拉强度的提高主要得益于三个方面：1)在Mn元素添加后，部分Mn原子固溶在Al基体中，造成固溶强化，提升合金的抗拉强度。2)大部分的Mn元素在5系铝合金形成Al6Mn相，Al6Mn相产生弥散强化从而提高合金的抗拉强度。3)Mn在合金中可以提高合金的再结晶温度，阻碍合金的再结晶过程，在再结晶末端抑制合金晶粒粗化且能促进β(Al3Mg2)在基体中均匀沉淀。T4合金与T12合金对比发现，延伸率从13.27%下降到7.56%。Mn元素含量的增加造成延伸率的降低主要由于Mn易与Al、Fe形成AlMn0.75Fe2.25、Fe19Mn相。这些难熔解的多元化合物，在合金再结晶过程以短片状析出，由于其脆硬性，在拉伸过程中极易成为断裂源，极大地降低了合金的塑性。综合Mg、Mn元素对力学性能的影响，Mg含量在4.3%～4.4%且Mn含量在0.7%～0.8%时，5083铝合金综合力学性能较高。

剥落腐蚀是从点腐蚀开始的，是铝合金表面钝化膜破裂并与点蚀点位相关。5083合金在中含Mg量较高，在室温下的强化相组成为α固溶体和β(Al3Mg2),以及少量化合物和Fe、Si杂质相[21]21]。Y1合金与Y4合金中，Mn元素含量差距不大，Mg含量从4.29%增加到4.70%,合金剥落腐蚀的程度加重。主要原因有两个方面：1)Mg含量的增加导致生成的β(Al3Mg2)相数量增多，α固溶体和β(Al3Mg2)之间存在电位差，易引起腐蚀。由于晶界能量较高，位错、杂质、析出相易在晶界出析出，β(Al3Mg2)沿晶界形成网状分布，将会形成腐蚀通道，造成合金的腐蚀。

2)受合金中杂质元素的影响，Al-Mg-Mn-Fe、Al-Mn-Fe-Si、Al-Mn-Fe等难溶杂质相的形成，易与α固溶体之间存在电位差，造成剥落腐蚀。Mn元素对腐蚀性能的影响，主要影响了β(Al3Mg2)形貌的分布。Mn可以细化晶粒，使β(Al3Mg2)更均匀地沉淀，避免β(Al3Mg2)沿晶界形成网状分布，降低晶间腐蚀的敏感性，改善合金的抗腐蚀性能。综合Mg、Mn元素对腐蚀的影响，Mg含量在4.3%～4.4%且Mn含量在0.5%～0.6%时，5083耐剥落腐蚀性能较高。

结论

1)当Mg含量在4.3%～4.4%,5083的力学性能和耐腐蚀性能较高。Mn含量在0.7%～0.8%之，5083力学性能较高；而Mn含量在0.5%～0.6%时，5083剥落腐蚀程度较低。综合考虑力学性能与耐腐蚀性能，实验室条件下优化得到5083合金中Mg、Mn的成分为：Mg含量为4.38%,Mn含量为0.61%,此成分的5083铝合金抗拉强度为202.8 MPa, 延伸率为13.9%,剥落腐蚀等级为PA级。

2)Mg含量在4.3%～4.43%,5083合金的腐蚀特征以点蚀为主，随着Mg含量增加到4.7%时，剥落腐蚀越来越明显。Mg、Mn在5083合金中形成的Al-Mg-Mn-Fe、Al-Mn-Fe-Si、Al-Mn-Fe等复合相与铝基体间的界面为剥落腐蚀的主要根源，这些脆性相也降低了5083合金的塑性和韧性。

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