ألمنيوم 2124: التركيب، الخصائص، دليل المعالجة، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
رقم 2124 هو سبيكة ألومنيوم-نحاس من سلسلة 2xxx، يتميز بوجود النحاس كمكون رئيسي مضاف مع وجود المغنيسيوم والمنغنيز كعناصر ثانوية هامة. هي سبيكة قابلة للمعالجة الحرارية تطور قوتها العالية بشكل رئيسي عبر المعالجة الحرارية بالتحليل الحلولي، والتبريد السريع، والشيخوخة الاصطناعية، مع تقوية إضافية يتم الحصول عليها عن طريق العمل البارد المتحكم فيه حيث تتطلب الدرجات المحددة ذلك.
تظهر السبيكة مقاومة عالية للشد وسُمك انكسار جيد لسبيكة ألومنيوم تحتوي على النحاس، لكنها تضحي ببعض مقاومة التآكل العامة وقابلية اللحام مقارنة بعائلات 5xxx و6xxx. قابلية التشكيل في الحالة المعالجة حراريًا (الأنيلية) مقبولة، بينما تقلل الدرجات الصلبة بشكل كبير من الليونة؛ وقابلية التشغيل عمومًا جيدة لأشكال المنتجات المشغولة المستخدمة في الطيران.
تشمل الصناعات النموذجية التي تحدد استخدام 2124 هياكل الطيران الأولية والثانوية، التجهيزات عالية القوة وبعض مكونات الدفاع حيث تكون القوة النوعية والأداء المتعب من المتطلبات الأساسية. يختار المهندسون 2124 بدلاً من السبائك الأخرى عندما يكون مطلوباً الجمع بين القوة العالية، تحمل الضرر، واستجابة الشيخوخة المتوقعة، وعندما يمكن للتغليف أو الإجراءات الوقائية التخفيف من حساسية التآكل.
درجات المعالجة
| الدرجة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | مرتفع | ممتاز | ممتاز | معالجة أنيلية كاملة، أقصى ليونة للتشكيل |
| H14 | متوسط | منخفض-متوسط | مقبول | ضعيف | عمل بارد مع تقسية محدودة وليونة محدودة |
| T3 | متوسط-مرتفع | متوسط | مقبول | ضعيف | معالجة حرارية بالتحليل الحلولي، عمل بارد، شيخوخة طبيعية |
| T4 | متوسط | متوسط | مقبول | ضعيف | معالجة حرارية بالتحليل الحلولي وشيخوخة طبيعية |
| T6 | مرتفع | منخفض | محدود | ضعيف | معالجة حرارية بالتحليل الحلولي وشيخوخة اصطناعية لأعلى قوة |
| T8 | مرتفع | منخفض | محدود | ضعيف | معالجة حرارية بالتحليل الحلولي، عمل بارد، وشيخوخة اصطناعية |
| T351 | متوسط-مرتفع | متوسط | مقبول | ضعيف | معالجة حرارية بالتحليل الحلولي وتخفيف الإجهاد عن طريق الشد |
| T851 | مرتفع | منخفض-متوسط | محدود | ضعيف | معالجة حرارية بالتحليل الحلولي، تخفيف إجهاد (تمدد)، وشيخوخة اصطناعية؛ درجة شائعة في الطيران |
تحدد درجة المعالجة بشكل كبير التوازن بين القوة، الليونة، ومقاومة التعب في 2124. تستخدم المادة المعالجة أنيليًا (O) عندما يكون التشكيل هو الهدف الأساسي، بينما يتم اختيار درجات T6/T851 لأعلى قوة ساكنة وثبات في الخصائص عند درجة حرارة الغرفة.
يمكن استخدام مستويات العمل البارد والشيخوخة الاصطناعية اللاحقة (مثل T8) لتعديل مقاومة الخضوع مقابل المتانة، لكنها تقلل بشكل كبير من قابلية التشكيل وتجعل اللحام صعبًا بسبب تليين منطقة تأثير الحرارة (HAZ) وحساسية التشقق الحراري.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النسبة % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.50 | شائبة؛ تخضع للرقابة لتقليل عيوب الصب والحفاظ على الليونة |
| Fe | ≤ 0.50 | شائبة؛ الزيادة تقلل مقاومة التآكل ويمكن أن تشكل مركبات بين معدنية |
| Cu | 3.8 – 4.9 | العنصر المقوي الرئيسي الذي يعزز تصلب الترسيب |
| Mn | 0.20 – 0.50 | يسيطر على بنية الحبيبات وإعادة التبلور؛ يحسن المتانة |
| Mg | 1.2 – 1.8 | يتفاعل تآزريًا مع Cu لتقوية الترسيب وقابلية التقسية |
| Zn | ≤ 0.25 | عنصر ثانوي؛ عادة منخفض وليس له دور تقوية واضح هنا |
| Cr | ≤ 0.10 | يسيطر على بنية الحبيبات ويساعد في الحد من إعادة التبلور |
| Ti | ≤ 0.15 | مكرر بنية حبيبات في المعالجة الأولية للسبائك والسبك |
| أخرى | ≤ 0.15 كليًا | عناصر أثرية وبقايا؛ تُحفظ منخفضة للحفاظ على استجابة الشيخوخة المتوقعة |
النحاس والمغنيسيوم عناصر رئيسية تمكّن من تصلب الترسيب في 2124؛ حيث يشكل النحاس CuAl2 والمركبات المرتبطة التي ترسب أثناء الشيخوخة. المنغنيز والكروم والتيتانيوم الأثري ينمّون بنية الحبيبات ويثبتون الخصائص، بينما يتم التحكم بالسيليكون والحديد لتجنب تكون مركبات بين معدنية هشة تقلل المتانة ومقاومة التآكل.
الخصائص الميكانيكية
يعتمد السلوك الميكانيكي للشد في 2124 إلى حد كبير على درجة المعالجة، حيث تحدث زيادات كبيرة في مقاومتَي الخضوع والشد النهائي في درجات الشيخوخة الترسيبية. تؤدي حالات النضج الذروي مثل T6 أو T851 إلى نسب عالية بين قوة الخضوع والشد القصوى واستطالة موحدة منخفضة نسبيًا؛ كما تزيد هذه الدرجات من الصلادة وتقلل من متانة المقاومة للقطع مقارنة بالمادة المعالجة أنيليًا. مقاومة التعب جيدة عمومًا لسبائك الألومنيوم-النحاس عالية القوة بشرط التحكم في جودة السطح والجهود المتبقية، والتخفيف من التآكل عبر المعالجات الوقائية أو التغليف.
تؤثر سماكة المنتج وشكله على المعايير الميكانيكية بسبب معدلات تبريد خلال السمك أثناء التبريد السريع وإمكانية اختلاف الشيخوخة؛ يمكن للشرائح الرقيقة الوصول إلى القوة الذروية بشكل أكثر انتظامًا من الألواح السميكة. تقل الاستطالة مع زيادة القوة، كما تقل في الحالات التي تتعرض لعمل بارد مكثف؛ يجب أن يأخذ التصميم بقابلية الليونة في الاعتبار الدرجات المتاحة وعمليات التشكيل. الصلادة تقترن ارتباطًا وثيقًا بالخصائص الشدية لكن التليين الموضعي في اللحامات أو مناطق تأثير الحرارة (HAZ) قد يضعف الأداء الخدمي بشكل كبير إذا لم يُؤخذ في الحسبان.
| الخاصية | O / معالجة أنيلية | الدرجة الرئيسية (T851/T6) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد (UTS) | ~200–300 MPa | ~470–520 MPa | القيم تعتمد على سماكة المقطع والمعالجة؛ المواد المعتمدة في الطيران غالبًا على الحد الأعلى |
| قوة الخضوع (انحراف 0.2%) | ~80–220 MPa | ~350–470 MPa | تزداد مقاومة الخضوع بشكل كبير مع الشيخوخة؛ T851 تعطي عموماً قوة خضوع أعلى من T6 في بعض شروط المعالجة |
| الاستطالة (في 50 مم) | ~18–26% | ~6–12% | تنخفض الاستطالة مع زيادة الشيخوخة والعمل البارد |
| الصلادة (برينل HB) | ~30–60 HB | ~120–160 HB | الصلادة تتوافق مع قوة الشد وحالة الشيخوخة؛ تؤثر المعالجات السطحية على الصلادة الخدمية |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.78 g/cm³ | مميزة لسبائك الألومنيوم عالية القوة، مفيدة لقوة النوعية |
| مدى الانصهار | ~500–640 °C | نطاق الصلب/السائل يعتمد على نسبة النحاس والعناصر الثانوية |
| التوصيل الحراري | ~120 W/m·K | أقل من الألومنيوم النقي لكنه جيد لتطبيقات حرارية عديدة |
| التوصيل الكهربائي | ~30–40 %IACS | ينخفض بسبب السبكة؛ لا يُختار حيث تكون التوصيلية الكهربائية عالية مطلوبة |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.90 J/g·K (900 J/kg·K) | قياسية لسبائك الألومنيوم في درجات الحرارة المحيطة |
| التوسع الحراري | ~23–24 µm/m·K | معامل توسع حراري مشابه للسبائك الأخرى من الألومنيوم |
تجعل الكثافة والخصائص الحرارية رقم 2124 جذابًا في التطبيقات التي تتطلب كتلة منخفضة وتوصيل حراري معقول إلى جانب القدرة الميكانيكية. يتم تقليل التوصيلية الكهربائية بشكل كبير بسبب إضافة النحاس، لذا فإن 2124 ليست بديلًا للألومنيوم الخاص بالكهرباء حيث تكون التوصيلية التصميمية مهمة.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | الدرجات الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.5 – 6 mm | تجانس جيد في السماكات الرقيقة | O, T3, T6, T851 | سماكات شائعة لجلد الطائرات والألواح؛ ممكن تغليفها |
| صفائح | 6 – 200 mm | قد تظهر تدرجات في الخصائص عبر السماكة | O, T6, T851 | الألواح السميكة تحتاج تبريدًا متحكمًا لتجنب تليين القلب |
| بثق | بروفيلات بمقاطع عرضية كبيرة | تعتمد على تبريد المقطع | T6 (قابلة للشيخوخة) بعد المعالجة الحلولية | أقل شيوعًا من الألواح والصفائح؛ جيدة للدعامات المعقدة |
| أنابيب | قطر خارجي متغير، سماكة الجدار متغيرة | الحدود الميكانيكية تحددها سماكة الجدار | T3, T6 | تستخدم في التجهيزات والأنابيب الهيكلية في الطيران |
| قضبان/قضبان مستديرة | أقطار تصل إلى 200 mm | متجانسة في الأقطار الصغيرة | O, T6 | تستخدم في تجهيزات مشغولة ومطروقات |
تؤدي اختلافات المعالجة إلى تأثيرات مميزة على الخصائص: الألواح الرقيقة والبثق السريع يبرّدان بسرعة ويحققان شيخوخة أكثر انتظامًا، بينما تحتاج الألواح السميكة إلى ممارسات تبريد خاصة وقد تتطلب دورات معالجة بعد التشكيل. يجب أن تأخذ عملية اختيار المنتج في الاعتبار المعالجات الحرارية المطلوبة بعد التشكيل، والإمكانية للتغليف، وما إذا كان سيتم تشغيل الماكينات أو اللحام على القطعة.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 2124 | الولايات المتحدة الأمريكية | التعيين الأساسي تحت Aluminum Association |
| EN AW | 2124 | أوروبا | يشار إليه غالبًا باسم EN AW-2124 في المعايير الأوروبية مع كيمياء مماثلة |
| JIS | A2618/A؟ | اليابان | لا يوجد ما يعادل JIS دقيق مباشر؛ توجد درجات ألومنيوم نحاسية عالية القوة مشابهة |
| GB/T | AlCu4Mg1 / النظير 2124 | الصين | قد تسرد المعايير الصينية التركيبات تحت أسماء وصفية بدلاً من أرقام سبائك متطابقة |
الدرجة 2124 مُعتمدة أساساً في AA/ASTM ومعروفة ضمن التسمية EN كـ AW-2124؛ ومع ذلك، تطبق بعض المناطق سبائك ذات ارتباط وثيق مع حدود شاردة مختلفة قليلاً وظروف معالجة حرارية مختلفة. الفروق الطفيفة في العناصر النزرة المسموح بها أو إجراءات قبول الدفعات يمكن أن تؤدي إلى نتائج ميكانيكية مختلفة قليلاً، لذا من الضروري مطابقة المواصفات الميكانيكية وشهادات الدفعات عند الاستعاضة بين المناطق.
مقاومة التآكل
في البيئات الجوية، 2124 أقل مقاومة من سبائك 5xxx و6xxx بسبب ترسيبات النحاس التي قد تعزز بدء تآكل محلي. عند التعرض لجو رطب أو معتدل التآكل، يستفيد 2124 من بطانة حماية أو طلاءات تحويل كروماتية تُطبق عادة في صناعة الطيران. تستخدم البطانة (alclad) بشكل شائع لتطبيقات الجلد الخارجي لتوفير حاجز من الألومنيوم النقي القائم على التضحية وتحسين المقاومة للتآكل النقري والتقشر.
في البيئات البحرية، السبيكة عرضة للتآكل النقري والبيني الحبيبي ما لم تُحم حفاظاً على الطلاءات، البطانة، أو الحماية الكاثودية؛ فالتعرض المستمر لرذاذ الملح يعجل بهجوم على مناطق ترسيبات النحاس الغنية. قد يحدث تشقق التآكل الإجهادي (SCC) في بيئات تحتوي على كلوريدات وتحت إجهادات شد، خاصة في حالات المعالجة الحرارية الذروية وعندما تبقى إجهادات شد متبقية من التشكيل أو التشغيل.
تفاعلات الجلفنة مهمة عند تماس 2124 مع معادن أكثر نبلاً مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو النحاس؛ حيث يتصرف الألومنيوم كمصعد ويتآكل تفضيلياً إذا لم يتم عزله كهربائياً أو حمايته. بالمقارنة مع سبائك 6xxx (Al-Mg-Si)، يضحي 2124 بجزء من مقاومة التآكل مقابل قوة أعلى، وبالمقارنة مع 5xxx فهو أقل تحملاً للتعرض البحري للكلوريد بشكل ملحوظ.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
اللحام في 2124 صعب وعادة ما يُنصح بتجنبه في التطبيقات التي تتطلب خصائص هيكلية كاملة بسبب قابلية التشقق الساخن وتليين منطقة التأثير الحراري (HAZ). عند الحاجة للحام، تستخدم عمليات مثل TIG أو MIG مع أسلاك لحام متطابقة Al-Cu (مثلاً 2319 أو أنواع خاصة مثل 4047/5356) لتقليل التشقق وتحسين اللدونة في معدن اللحام. لا يمكن للمعالجة الحرارية بعد اللحام استعادة الخصائص الذروية الأصلية بالكامل في مناطق اللحام، وغالباً ما يتجنب المصممون لحام الأعضاء الحرجة عالية الإجهاد.
قابلية التشغيل
يُعتبر 2124 قابل للتشغيل بشكل معقول مقارنة بالعديد من سبائك الألومنيوم عالية القوة؛ يُشغل بشكل جيد بأدوات فولاذية عالية السرعة أو كربيد عندما تُحافظ على سرعات وتغذيات مناسبة. تنتج رقائق مستمرة ومرنة؛ يساعد استخدام تبريد وتركيبات ثابتة على تحسين السطح والدقة الأبعاد. عمر الأداة قد يكون أطول من بعض السبائك الخالية من النحاس بسبب ميل السبائك إلى تكوين رقائق ملائمة، لكن القوة العالية تزيد من قوى القطع ولا بد من مراعاتها.
قابلية التشكيل
التشكيل يُفضل أن يُجرى في ظروف مطاولة (O) أو معالجات خفيفة؛ درجات الصلابة مثل T6/T851 تظهر قابلية تشكيل منخفضة وتكون صعبة التشكيل بدون تشقق. يجب الاقتراب من أدنى أنصاف أقطار الانحناء وأعماق السحب بحذر للدرجات المعالجة حرارياً، ويمكن استخدام التشكيل الدافئ أو المعالجة بالخضوع تليه المعالجة الحرارية لتحقيق أشكال معقدة. العودة الزنبركية في الدرجات عالية القوة كبيرة ويجب تعويضها في تصميم الأدوات.
سلوك المعالجة الحرارية
تُجرى المعالجة الحلولية ل2124 عند درجات حرارة عادة بين 495–505 °C لحل المراحل التي تحتوي على النحاس والمغنيسيوم داخل محلول صلب مشبع. التبريد السريع، عادة تبريد مائي من درجة حرارة المحلول، ضروري للحفاظ على العناصر في حالة تشبع وما يسمح بترسيب لاحق أثناء المعالجة الحرارية الاصطناعية. جداول المعالجة الحرارية لصيغ T6 تستخدم درجات حرارة حوالي 160–190 °C لعدة ساعات لتحقيق توازن بين القوة والمتانة مع تتابع ترسيب يمكن تكراره.
درجات T851 والدرجات المشابهة في الطيران تضيف خطوة تمتد خاضعة للتحكم (تخفيف إجهاد) بعد التبريد وقبل المعالجة الحرارية لتحسين استقرار الأبعاد وتقليل الإجهادات المتبقية. يمكن استخدام المعالجة الحرارية المفرطة عمدًا لتحسين مقاومة التآكل الإجهادي مقابل خسارة في القوة القصوى، كما يمكن تطبيق إعادة معالجة حرارية أو معالجة إصلاحية للأجزاء بعد تعرّضات حرارية محدودة. لا ينطبق السلوك غير القابل للمعالجة الحرارية على 2124 لأن تقويته الأساسية تعتمد على الترسيب وليس فقط تصلب الشغل.
الأداء عند درجات الحرارة العالية
يتناقص قوة 2124 تدريجياً مع ارتفاع درجة الحرارة، مع انخفاض ملحوظ فوق 100–150 °C وطيّنة كبيرة عند الاقتراب من درجات حرارة المعالجة الحرارية الاصطناعية النموذجية. التعرض طويل الأمد لدرجات حرارة مرتفعة يعزز المعالجة الحرارية المفرطة وتكبّر الترسيبات المقوية، مما يقلل مقاومة الخضوع والتعب. التأكسد ضئيل للألومنيوم عند هذه الدرجات في الهواء الجاف، لكن فقدان الخصائص الميكانيكية هو القيد الرئيسي للخدمة بدرجات حرارة مرتفعة.
تُحدث مناطق التأثير الحراري الناتجة عن اللحام تلييناً موضعياً وتغيرات في البنية المجهرية تقلل من قدرة التحميل، خاصة عند درجات الحرارة التي تتسارع فيها كبّرات الترسيبات. في التطبيقات الدورية أو الحساسة للزحف، يحد المصممون عادةً من درجات حرارة الخدمة لتكون دون بداية مراحل الكبّرات الكبيرة ويرافقون ذلك بطبقات واقية للحد من التفاعلات البيئية.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكون | سبب استخدام 2124 |
|---|---|---|
| الفضاء الجوي | وصلات الأجنحة، ألواح الربط، حوامل هيكلية شديدة الحمل | نسبة قوة إلى وزن عالية ومقاومة جيدة للتعب والكسر |
| البحرية | عناصر هيكلية عالية القوة (محمية أو مبطنة) | القوة والمتانة حيث يتم التحكم بالتآكل |
| الدفاع | مكونات الدروع، هياكل الصواريخ، المطروقات الهيكلية | قوة ساكنة عالية مع وزن منخفض نسبيًا |
| الإلكترونيات | حوامل هيكلية، مكونات الهيكل | الصلابة والتوصيل الحراري مع قوة عالية |
تظهر 2124 غالبًا حيث تُطلب قوة نوعية عالية وسلوك تثبيط تآكل متوقع، وحيث توفر التدابير الوقائية حماية ضد التآكل. وتظل المادة المفضلة لعناصر الهياكل في الطيران حيث توفر توفير وزن وتحمل ضرر على مستوى النظام.
نصائح اختيار
استخدم 2124 عندما تكون المحركات التصميمية الأساسية هي مقاومة الخضوع وقوة الشد العالية مع خصائص جيدة للتعب والكسر، وعندما تحد التدابير الوقائية مثل الطلاءات، البطانة أو البيئات المضبوطة من خطر التآكل. حدد درجات T851 أو ما يشابهها من المعالجات بالتمدد والمعالجة للحصول على استقرار أبعاد بدرجة طيران وقوة خضوع مرتفعة؛ واختر درجات O أو درجات أقل معالجة للعمليات التشكيلية قبل المعالجة الحرارية النهائية.
مقارنةً مع الألومنيوم النقي تجارياً (1100)، يتنازل 2124 عن التوصيل الكهربائي والحراري وقابلية التشكيل المتفوقة مقابل قوة أعلى بكثير وأداء تعب أفضل. مقارنةً بالسبائك المعالجة بالتمدد مثل 3003 أو 5052، يوفر 2124 قوة أعلى بكثير لكنه أقل مقاومة للتآكل بشكل عام وأصعب في اللحام. مقارنةً بالسبائك المعالجة حرارياً الشائعة مثل 6061 أو 6063، يقدم 2124 غالبًا قوة خضوع أعلى وصلابة كسر متفوقة لتطبيقات هيكلية متطلبة، لكنه على حساب مقاومة التآكل وأسهلية اللحام/الإصلاح؛ اختر 2124 عندما تكون القوة وكفاءة التعب أعلى أهمية من تلك المساومات.
الملخص النهائي
تظل 2124 سبائك ألومنيوم عالية القوة ذات صلة في الهندسة الحديثة حيث تُطلب قوة نوعية مرتفعة واستجابة موثوقة للتقوية بالترسيب، خصوصًا في قطاعات الفضاء والدفاع. يجب أن يصاحب اختيارها حماية مناسبة ضد التآكل، والتحكم في المعالجة الحرارية وتخطيط التصنيع لتحقيق الاستفادة الكاملة من مزاياها الميكانيكية.