ألمنيوم 2017A: التركيب، الخصائص، دليل المعالجات، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
تعد سبائك 2017A أحد أعضاء سلسلة الألمنيوم 2xxx، وهي فئة معروفة تاريخياً بتعزيز القوة العالية عبر التصلب الناجم عن الترسيب. تتكون مصفوفة السبيكة بشكل رئيسي من الألمنيوم مع النحاس كعنصر سبيكي أساسي، مدعوم بالمنغنيز وإضافات صغيرة من المغنيسيوم والحديد وعناصر أثرية تُحسّن البنية المجهرية وتتحكم في حركية الترسيب.
يعتمد تقوية 2017A بشكل أساسي على التصلب الناجم عن الترسيب القابل للمعالجة بالحرارة: يتم إذابة المراحل الغنية بالنحاس خلال المعالجة بالحلول، ويحافظ التبريد السريع على محلول صلب مشبع فوق اللازم، ثم يؤدي التقدم الطبيعي أو الصناعي في السن إلى ترسيب فواصل دقيقة من مركب Al2Cu (θ') والمراحل ذات الصلة التي ترفع مقاومة الخضوع والمقاومة القصوى للشد. تظهر هذه السبيكة موازنة نموذجية بين قوة الشد المرتفعة مقابل انخفاض الليونة وزيادة القابلية للتآكل الموضعي وتشققات الإجهاد-تآكُلية مقارنةً بالسبائك غير القابلة للمعالجة حرارياً.
تشمل الخصائص الرئيسية قوة ثابتة عالية يمكن تحقيقها في معاملات التصلب بأسلوب T6، وأداء تعب معقول عند المعالجة الحرارية والتخفيف من الإجهاد المناسبين، وكذلك موصلية حرارية وكهربائية معتدلة أقل مقارنةً بالألمنيوم النقي تجارياً. الصناعات النموذجية التي تستخدم 2017A تشمل الطيران والدفاع للتجهيزات والتشكيلات، والنقل والسيارات للوصلات الهيكلية والبرشام، والأجهزة المتخصصة التي تعطي الأولوية لنسبة القوة إلى الوزن وقابلية التشغيل.
يختار المهندسون سبائك 2017A عندما يكون مطلوباً مزيج من القوة العالية، وقابلية التشغيل الجيدة، واستجابة التقدم في السن المتوقعة، ويمكن للتطبيق التكيّف أو تحمل حساسية التآكل وقيود اللحام الخاصة بها. تُفضّل هذه السبيكة على بعض السلاسل عالية القوة الأخرى عندما يكون التحكم الدقيق في الترسيب والثبات البُعدي بعد التقدم بالغ الأهمية للتجميعات المتكيفة.
أنواع المعالجات الحرارية (Tempers)
| المعاملة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | عالية | ممتازة | ممتازة | حالة مسخنة بالكامل لأقصى ليونة |
| H14 | متوسطة-عالية | منخفضة-متوسطة | متوسطة | محدودة | مشدودة نصف صلبة؛ زيادة القوة عبر العمل البارد |
| T4 | متوسطة | متوسطة | جيدة | محدودة | معالجة بالحلول + تقدم طبيعي بالسن؛ ناعمة بما يكفي للتشكيل قبل التقدم النهائي |
| T6 | عالية | منخفضة | متوسطة | ضعيفة | معالجة بالحلول + تقدم صناعي بالسن؛ حالة القوة القصوى المستخدمة للأجزاء الهيكلية |
| T651 | عالية | منخفضة | متوسطة | ضعيفة | T6 مع تخفيف إجهاد بواسطة الشد أو المعالجة الانضغاطية لتقليل الإجهاد المتبقي |
تلعب المعاملة الحرارية دوراً حاسماً في أداء 2017A حيث تتحكم حالة الترسيب وهيكل الانزلاقات في مقاومة الخضوع، الليونة، والتعب. يستخدم المعدن المسخن O عندما يكون التشكيل العميق ضرورياً، بينما تُستخدم حالات T6 وT651 عندما تُطلب القوة الثابتة القصوى والثبات البُعدي ويُقلل من التشكيل.
تؤثر طرق المعالجة الحرارية أيضاً على القابلية لتشققات الإجهاد-تأكل والسلوك الجلفاني الموضعي؛ تقلل المعاملات المخففة من الإجهاد مثل T651 والمعاملات المشدودة من التشوه أثناء التشغيل وتحسن التناسق في تطبيقات مقاومة التعب الحرجة.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق النسبة المئوية | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.50 | مزيل أكسدة وشوائب؛ يُحافظ على نسب منخفضة للسيطرة على المواد البينية وسلوك التشغيل |
| Fe | ≤ 0.70 | شوائب تُكوّن جسيمات بينية تؤثر على قابلية التشغيل وبداية التآكل |
| Mn | 0.30–1.00 | يُحسّن بنية الحبوب ويعزز القوة والمتانة |
| Mg | 0.10–0.80 | مساهم ثانوي في القوة عبر المحلول الصلب ويعزز التفاعلات المرتبطة بالتصلب بالسن |
| Cu | 3.5–4.5 | العنصر التقوي الرئيسي؛ يُكوّن مركبات Al2Cu المرسبة التي تحدد القوة القصوى |
| Zn | ≤ 0.25 | نسبة منخفضة؛ ليس عنصر تقوية رئيسي في سبائك سلسلة 2xxx |
| Cr | ≤ 0.10 | مراقب لحجم الحبوب ومثبط لعملية إعادة التبلور في بعض المعاملات |
| Ti | ≤ 0.15 | مُكرر للحبوب في القوالب وبعض المنتجات المشغولة |
| عناصر أخرى (لكل منها) | ≤ 0.05 | عناصر أثرية تتحكم فيها للحفاظ على استقرار التقدم بالسن والتآكل |
يعتبر المحتوى العالي للنحاس المحرك الرئيسي للأداء الميكانيكي في 2017A من خلال تعزيز توزيع كثيف ودقيق لمركبات θ' أثناء التقدم بالسن. يتواجد المنغنيز والكروم للتحكم في حجم الحبوب، الملمس والتعافي أثناء المعالجة الحرارية والمعالجة الميكانيكية، ما يساعد على موازنة القوة، المتانة، وعمر التعب.
تُحافظ نسب الشوائب من الحديد والسيليكون على مستويات منخفضة لتقليل مراحل المكونات الخشنة التي تشكل مواقع انطلاق للتآكل وبدء التشققات؛ تُعد السيطرة على التركيب الكيميائي مهمة للحصول على حركيات ترسيب وخصائص ميكانيكية متكررة عبر دفعات الإنتاج.
الخصائص الميكانيكية
في الشد، يظهر 2017A اعتماداً كبيراً على الحالة والمعالجة بسبب تأثير التصلب بالترسيب والعمل البارد على مقاومة الخضوع ومقاومة الشد القصوى. توفر الحالات ذات التقدم بالسن الأقصى (T6 / T651) أعلى قيم القوة والشد مع انخفاض ملحوظ في الاستطالة ومقاومة التكسير عند النتوء مقارنة بالحالة المسخنة بالكامل. المقاومة للتعب جيدة عمومًا في الأجزاء المعالجة حراريًا والمخففة من الإجهاد ذات البنية الدقيقة المسيطر عليها جيداً، لكن يجب أن يؤخذ في الاعتبار تقليل مقاومة التعب التآكلي في البيئات المحتوية على كلوريد أو الرطبة.
تتبع الصلادة سلوك الشد: تنتج الحالة المسخنة O قيم برينيل منخفضة مع قابلية تشكيل عالية، في حين توفر حالات T6 / T651 صلادة مرتفعة تدعم التشغيل ومقاومة التآكل أثناء الخدمة. تؤثر سماكة المقطع تأثيراً ملحوظاً خلال المعالجة بالحلول والترسيب؛ قد تؤدي المقاطع السميكة إلى تقليل الصلادة والقوة القصوى بسبب معدلات تبريد أبطأ وعدم اكتمال الإذابة، لذا يجب تعديل معايير المعالجة لتشكيلات أو ألواح كبيرة.
| الخاصية | O/مسخنة | المعاملة الرئيسية (T6 / T651) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | 220–320 MPa | 430–480 MPa | تعتمد قيم T6 على سماكة المقطع وجدول التقدم بالسن |
| مقاومة الخضوع | 100–160 MPa | 350–420 MPa | تصعد مقاومة الخضوع بشكل حاد مع التصلب بالسن والعمل البارد |
| الاستطالة | 18–30% | 6–12% | انخفاض الليونة في المعاملات ذات التقدم الأقصى؛ يمكن أن تكون أوضاع الكسر أكثر هشاشة |
| الصلادة (HB) | 50–80 HB | 120–150 HB | الصلادة مرتبطة بكثافة الفواصل وتفاعلات الانزلاقات |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.78 g/cm³ | أعلى قليلاً من الألمنيوم النقي بسبب محتوى النحاس |
| نطاق الانصهار (تقريبي) | Solidus ~500°C – Liquidus ~640°C | فترة انصهار السبيكة؛ مهمة لعمليات اللحام والتصنيع المتعلقة بالقوالب |
| الموصلية الحرارية | ~140–160 W/m·K (عند 20°C) | أقل من الألمنيوم النقي؛ يقلل النحاس الموصلية لكنها تظل مناسبة للعديد من التطبيقات الحرارية |
| الموصلية الكهربائية | ~30% IACS (نمطي) | تُقلل بسبب السبائكية؛ غير مخصصة للأسلاك الكهربائية ذات الموصلية العالية |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.90 J/g·K (900 J/kg·K) | قيمة نموذجية لسبائك الألمنيوم عند درجات الحرارة المحيطة |
| التوسع الحراري | ~23.5 µm/m·K (20–100°C) | مماثل لسبائك الألمنيوم الأخرى؛ ذو أهمية للتجميعات المركبة مع مواد مختلفة |
يؤدي المحتوى المرتفع نسبيًا من النحاس إلى تقليل كل من الموصلية الحرارية والكهربائية بالمقارنة مع الألمنيوم النقي والسبائك من سلسلة 6xxx، لكن الأداء الحراري يبقى مقبولًا للتطبيقات التي تكون القوة فيها أهم من الموصلية. يشير نطاق الانصهار إلى ضرورة الحذر في المعالجة الحرارية؛ يجب تجنب درجات الحرارة التي تقترب من Solidus أثناء اللحام أو التسخين الموضعي لمنع الانصهار وذوبان المكونات.
يناسب التمدد الحراري هذا السبيكة لتصاميم التجميعات المشدودة أو المضغوطة مع المواد المختلفة، ويجب مراعاة الإجهادات الحرارية التفاضلية عبر نطاقات درجات الحرارة المتوقعة أثناء الخدمة.
أشكال المنتجات
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | التمبَرّات الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.3–6.0 mm | قوة جيدة في الحالة T6؛ الحالة O مناسبة للتشكيل | O, H14, T4, T6 | تُستخدم على نطاق واسع للألواح، والواجهات، والأجزاء المصنّعة |
| صفائح | >6 mm حتى 150+ mm | قد تظهر القطاعات السميكة صلادة ذروة منخفضة | T6, T651 | تتطلب الأجزاء الأكبر وقت نقع أطول للمعالجة الحلولية وتبريدًا دقيقًا |
| البثق | مقاطع عرضية حتى 200 mm | تعتمد القوة على التمبرّ والعتيقة اللاحقة | T4, T6 | تتيح عمليات البثق مقاطع معقدة لكنها تحتاج إلى ضبط العملية لضمان الخصائص المطلوبة |
| أنابيب | Ø10–300 mm | مماثلة للبثق؛ سمك الجدار يؤثر على استجابة العتيقة | T6, T651 | شائعة في التطبيقات الهيكلية والهيدروليكية عند الحاجة إلى قوة عالية |
| قضبان/عصي | Ø4–150 mm | توفر القضبان سهولة تشغيل عالية في الحالة T6 | T6, O | تُستخدم في البراغي، والتجهيزات، والمكونات ذات التشغيل الدقيق |
تختلف معالجة الألواح والصفائح بشكل رئيسي في الكتلة الحرارية وقابلية التبريد؛ الصفائح تتطلب فترات نقع أطول لتحقيق معالجة حلولية كاملة واستراتيجيات تبريد أكثر شدة لتجنب تجانس الترسيبات. يجب تصميم البثق والأنابيب مع مراعاة تحولات التمبرّ أثناء المعالجة الحرارية واحتمال وجود إجهادات متبقية يمكن تخفيفها عبر تمديد أو تمريرات تثبيت.
غالبًا ما تخضع المنتجات المشكلة أو المعالجة باردة لتتابع T4 → T6 حيث تُشكل الأجزاء بعد المعالجة الحلولية والعتيقة الطبيعية، ثم تُعالج عتيقة صناعيًا لتحقيق القوة النهائية، مما يوازن بين القابلية للتشكيل والأداء الميكانيكي النهائي.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 2017A | الولايات المتحدة / دولي | تسمية شائعة من Aluminum Association لسبائك Al-Cu-Mn المسحوبة |
| EN AW | 2017A | أوروبا | تصنيف EN يتوافق تركيبياً بشكل عام لكنه قد يختلف في حدود السيطرة |
| JIS | A2017 | اليابان | كيمياء مماثلة مع تحمّلات محلية وتمبّرات مخصصة لممارسات JIS |
| GB/T | 2A17 (أو 2017A) | الصين | القيم القياسية الصينية غالبًا ما تُدرج كـ 2A17 بتركيبات مماثلة |
تعكس التسميات المكافئة تركيبات Al-Cu-Mn متشابهة بشكل عام، لكن المعايير الإقليمية تختلف في حدود الشوائب، والتمبّرات المسموح بها، والتحمّلات الأبعادية. يجب على المستخدمين مراجعة بيانات الشهادة للخصائص الحرجة لأن الاختلافات الطفيفة في Mn وFe أو Si يمكن أن تؤثر على حركية العتيقة، والمتانة، ومقاومة التآكل.
عند الاستبدال بين المعايير، يرجى التأكد من متطلبات الخصائص الميكانيكية والتمبّرات المسموح بها؛ فبعض المعايير تسمح بجداول معالجة حلولية وعتيقة مختلفة قليلاً تؤثر على القوة النهائية ومستويات الإجهاد المتبقي.
مقاومة التآكل
في البيئات الجوية، تظهر 2017A مقاومة معتدلة لكنها أكثر عرضة من سبائك 5xxx و6xxx بسبب مركبات النحاس الغنية التي تعمل كمواقع كاثودية. قد يبدأ التآكل الموضعي مثل النقر والتآكل بين الحبيبات عند الجسيمات المكونة أو على طول حدود الحبوب، خاصة بعد معالجة حرارية غير صحيحة أو في وجود أيونات الكلوريد. تقلل الطبقات الحامية، والتأنيد، والتصميم الدقيق لتجنب الشقوق من هذه المخاطر وهي ممارسة شائعة للأجزاء المعرضة في الهواء الطلق والبحرية.
السلوك البحري أقل ملاءمة مقارنة بسبائك Al-Mg للصفوف البحرية؛ فعادةً ما تُتجنب سبائك 2xxx للهياكل الأساسية في المياه المالحة القاسية دون توفر حماية تآكل كبيرة وأنودات تضحّي. الكسر بالتآكل الإجهادي (SCC) هو خطر معروف للسبائك ذات القوة العالية Al-Cu تحت إجهاد شد في بيئات رطبة تحتوي على الكلوريد ويجب أخذه بعين الاعتبار في اختيار المواد وتأهيل المكونات الحرجة.
تضع التفاعلات الجلفانية 2017A في خطر عندما تُقرن مع مواد أكثر نبالة مثل الفولاذ المقاوم للصدأ؛ يتعين تصميم النظام لضمان وجود طبقات عازلة أو أنودات تضحّي لمنع تسريع التآكل الجلفاني. بالمقارنة مع عائلات 1xxx/3xxx/5xxx، تقدم 2017A مقاومة تآكل أقل مقابل قوة ميكانيكية أعلى وتتطلب حماية سطحية إضافية في البيئات العدوانية.
خواص التصنيع
قابلية اللحام
لحام 2017A بعمليات الانصهار (MIG/TIG) تحدٍ بسبب فقدان القوة في منطقة تأثير الحرارة وعرضة للتشقق الساخن والمسامات. تُفضل طرق الانضمام الصلبة مثل اللحام بالاحتكاك (FSW) للمكونات الهيكلية لأنها تقلل من مخاطر تشقق الانصهار وتحافظ على قوة المعدن الأم. عند ضرورة اللحام الانصهاري، يُنصح باستخدام سبائك حشو ذات ليونة أعلى ومعالجات حرارية بعد اللحام، لكن يجب على المصممين الأخذ في الاعتبار تليين منطقة تأثير الحرارة وتأثيرات إعادة الترسيب.
سهولة التشغيل
تُظهر 2017A سلاسة تشغيل جيدة مقارنة بالعديد من سبائك الألمنيوم بسبب قوتها الأعلى وتشكل رقائق مستقر في حالة T6؛ تُشغل بأدوات ذات تآكل متوقع وثبات أبعادي. تؤدي أدوات الكربيد المغطاة (TiN, AlTiN) وسرعات القطع المتحكم بها (سرعات متوسطة مع تغذية قوية) إلى أفضل النتائج خاصة في القطع المتقطع، بينما يقلل التحكم في التبريد من تشكل الحافة المتراكمة للأدوات. تميل رقائق التشغيل لأن تكون قصيرة ومجزأة في التمبّرات الصلبة ومستمرّة في الحالات الممطرة؛ يجب مطابقة هندسة الأدوات واختيار المبرد مع التمبرّ وسمك المقطع.
قابلية التشكل
تكون قابلية التشكل أفضل في التمبّرات اللينة مثل O أو T4 حيث تسمح الليونة بالثني والسحب بنصف قطر معتدل؛ أما حالة T6 المشبعة فإنها تقدم قابلية تشكل محدودة ومعرضة للتشقق عند التشكل البارد. تعتمد أنصاف أقطار الثني الموصى بها على التمبرّ والسماكة لكنها عادة ما تتراوح بين 2–6× سماكة المادة للحالات O وT4، وتزداد بشكل ملحوظ لـ T6 حيث يعد التشكيل المسبق قبل العتيقة النهائية أمرًا شائعًا. تُستخدم عمليات التشكيل الدافئ المضبوط ودورات المعالجة الحلولية/التشكيل/العتيقة عادةً لتحقيق أشكال معقدة مع الحفاظ على القوة النهائية.
سلوك المعالجة الحرارية
2017A سبيكة قابلة للمعالجة الحرارية حيث تحدد المعالجة الحلولية، والتبريد السريع، والعتيقة الخصائص الميكانيكية النهائية. تتراوح درجات المعالجة الحلولية النموذجية بين 500–525°C، مع تثبيت لفترة كافية لإذابة المراحل الغنية بالنحاس في مصفوفة الألمنيوم، تليها تبريد سريع (تبريد مائي) لحجز محلول صلب مشبع. معدل التبريد وسمك المقطع حرجان؛ التبريد البطيء أو غير الكافي يقللان من قوة الترسيب ويخفضان القوة الموجّهة القصوى.
تتم العتيقة الصناعية عادة عند 150–190°C لفترات من 4–12 ساعة حسب توازن القوة والمتانة المطلوب؛ تشير تسمية T6 إلى الحالة المعالجة حلولياً والعتيقة صناعيًا للحصول على أقصى قوة. يمكن للعتيقة الطبيعية (T4) أن توفر تقوية جزئية في درجة حرارة الغرفة لكنها أقل قوة ذروة من العتيقة الصناعية، وتستخدم كخطوة وسيطة عندما يجب تشكيل الأجزاء قبل العتيقة النهائية.
تُستخدم تحولات التمبرّ مثل T4 → T6 بشكل متكرر في عمليات التصنيع: تُعالج الأجزاء حلولياً وتُعالج عتيقة خفيفة للسماح بالتشكيل، ثم تُعالج عتيقة صناعيًا للوصول إلى الخصائص الميكانيكية النهائية. تقلل عمليات تخفيف الإجهاد مثل التمديد (T651) التشوهات المتبقية وتحسن عمر التعب في التجميعات المشغولة أو الملائمة.
الأداء عند درجات الحرارة العالية
تحافظ 2017A على قوة مفيدة عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة، لكن بدأ تخشن الترسيبات والعتيقة الزائدة بتقليل القوة بشكل ملحوظ فوق حوالي 150°C. يتدهور الاستخدام المستمر فوق 150–175°C تدريجيًا الترسيبات الدقيقة المسؤولة عن التقسية، مما يؤدي إلى انخفاض مقاومة الخضوع والشد وزيادة الليونة في حالة العتيقة الزائدة. ينبغي أن يتضمن التصميم للتطبيقات عند درجات حرارة مرتفعة اختبارات عتيقة متسارعة وتأهيل درجات حرارة الخدمة لتقييم فقدان السلامة الميكانيكية مع الزمن.
الاوكسدة ليست مشكلة كبيرة للألمنيوم عند درجات حرارة متوسطة بسبب طبقة الألومينا الواقية، لكن السخونة الموضعية خلال اللحام أو التشغيل يمكن أن تسبب انصهار سطحي وفقدان الخصائص الميكانيكية. تكون منطقة تأثير الحرارة قرب الوصلات عرضة بشكل خاص للتليين وترسيب الجسيمات ...