ألمنيوم 5050: التركيب، الخواص، دليل التصلب والتطبيقات

نظرة شاملة

5050 هو أحد سبائك الألومنيوم من السلسلة 5xxx، وهي سبائك تحتوي على المغنيسيوم، تصنع بالتشكيل وتميزت بتقوية غير قابلة للمعالجة الحرارية. تم صياغة السبيكة حول الألومنيوم مع المغنيسيوم كمادة سبائكية رئيسية، مدعومة بكميات مضبوطة من المنغنيز والكروم وعناصر أثرية لضبط القوة ومقاومة التآكل. يحصل 5050 على قوته بشكل رئيسي من تقوية المحلول الصلب والتصلب بالعمل بدلاً من المعالجة الحرارية بالترسيب، مما يجعل تاريخ المعالجة وشدة العمل البارد الوسائل المسيطرة للتحكم في الخصائص. تشمل السمات النموذجية قوة معتدلة إلى جيدة لسبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية، مقاومة جيدة جداً للتآكل الجوي، قابلية جيدة للحام، وقابلية تشكيل معقولة تعتمد على حالة التصلب والسماكة.

تستخدم الصناعات التي تعتمد عادة سبائك السلسلة 5xxx مثل 5050 في البناء البحري وصناعة السفن، مكونات النقل والسيارات، أوعية الضغط والأنابيب، الألواح المعمارية، والتصنيع العام حيث تُفضّل مقاومة التآكل والقوة المعتدلة. يختار المصممون 5050 عندما يحتاجون إلى توازن بين مقاومة التآكل، قابلية التشكيل، وقابلية اللحام بدون تعقيد المعالجة الحرارية. يُفضل هذا السبائك على سبائك ذات قوة أقل وموصلية أعلى عند الحاجة إلى أداء ميكانيكي محسّن، وعلى السبائك القابلة للمعالجة الحرارية عندما تكون متطلبات تقليل التشوهات، قابلية اللحام الأفضل، ومقاومة التآكل في الخدمة أهم من أقصى قوة ذروة.

حالات التصلب

الحالة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	مرتفع	ممتاز	ممتاز	الحالة المعالجة حرارياً بالكامل لتسهيل التشكيل
H111	منخفض–معتدل	مرتفع	جيد جداً	ممتاز	تصلب طفيف بالعمل مع زيادة ميكانيكية طفيفة
H14	معتدل	معتدل	جيد	ممتاز	تصلب بالشد خطوة واحدة، شائع الاستخدام للمكونات المشكّلة
H24	معتدل–عالي	معتدل	مقبول	ممتاز	تصلب وشد مستقر؛ قوة أعلى مع تقليل اللدونة
H32	عالي	أقل	محدود	جيد	تصلب وشد جزئي مع تنعيم لتحقيق خصائص متوازنة
H34	عالي	أقل	محدود	جيد	مستوى أعلى من التصلب لتحقيق أقصى قوة في القطع المعالجة بالبرودة
T5 / T6 / T651	غير قابل للتطبيق	غير قابل للتطبيق	غير قابل للتطبيق	غير قابل للتطبيق	حالات المعالجة الحرارية غير فعالة لسبيكة السلسلة 5xxx

للحالة تأثير أساسي على مقاومة الخضوع ومقاومة الشد من خلال تراكم الإجهاد اللدن وكثافة التشوهات الناتجة. الحالات المعالجة حرارياً (O) تعزز اللدونة وقابلية التشكيل إلى أقصى حد بينما تزيد حالات H- و Hx- القوة تدريجياً على حساب الاستطالة وقابلية الانثناء.

يجب اختيار الحالة بما يتناسب مع عمليات التشكيل؛ يحتاج السحب العميق والانحناءات القاسية لحالات O أو H111، في حين تُستخدم الحالات H32/H34 في الألواح والعناصر الهيكلية التي تتطلب قوة أعلى عند التصنيع.

التركيب الكيميائي

العنصر	نسبة %	ملاحظات
Si	≤ 0.25	شائبة؛ يتم التحكم فيها لتقليل المواد البينية الهشة
Fe	≤ 0.40	شائبة شائعة؛ زيادة تركيزها تقلل اللدونة ومقاومة التآكل
Mn	0.10–0.50	يزيد القوة ويسيطر على بنية الحبيبات عبر تكوين متشتتات
Mg	1.5–3.5	العنصر الرئيسي للتقوية؛ يحسّن مقاومة التآكل وقابلية التصلب بالعمل
Cu	≤ 0.10	مستويات منخفضة للحفاظ على المقاومة للتآكل؛ زيادة النحاس تقلل مقاومة تآكل الإجهاد
Zn	≤ 0.10	نسبة قليلة؛ تُحافظ منخفضة لتجنب الشقوق الساخنة ومشاكل كلفانية
Cr	0.05–0.25	يسيطر على بنية الحبيبات، يحسّن مقاومة التآكل ويحد نمو الحبيبات
Ti	≤ 0.15	منعم للحبيبات في المصبوبات والسبائك الأولية
عناصر أخرى	الباقي ألومنيوم	عناصر أثرية (V, Zr) قد تكون موجودة بكميات صغيرة لبعض الأنواع الخاصة

المغنيسيوم هو العنصر السبائكي المميز لـ5050، يزيد القوة ومقاومة تآكل مياه البحر من خلال تقوية المحلول الصلب. المنغنيز والكروم هما عناصر سبائكية دقيقة تعزز تنعيم الحبيبات وتكون متشتتات تحسن القوة ومقاومة التبلور مع الحفاظ على السبيكة غير القابلة للمعالجة الحرارية. الحديد والسيليكون هما عناصر متبقية يجب التحكم فيها للحفاظ على اللدونة ومنع تكوين مراحل بينية هشة أثناء الصب والتشكيل الحراري الميكانيكي.

الخصائص الميكانيكية

في السلوك الشدي يظهر 5050 استجابة نموذجية للسبائك غير القابلة للمعالجة الحرارية: قوة أولية منخفضة في الحالة المعالجة حرارياً مع زيادات واضحة من خلال العمل البارد. مقاومة الخضوع ومقاومة الشد تعتمد بشدة على حالة التصلب؛ حالة O تعطي قيم متواضعة مناسبة للتشكيل بينما يمكن لحالات H تحقيق زيادات بين مرتين إلى ثلاثة أضعاف في مقاومة الخضوع عبر التصلب بالشد. تقل الاستطالة مع تقدم الحالة من O إلى H32/H34 بسبب كثافة التشوه المتزايدة وتأثيرات النسيج المحتملة في المنتجات المدلفنة.

الصلادة تتبع اتجاهات مقاومة الشد وتعتبر مقياساً عملياً لتقدير قابلية التشكيل والسلوك عند الانثناء أثناء التصنيع. أداء التعب مقبول للعديد من التطبيقات الهيكلية لكنه يتأثر بسطح القطعة والسماكة والبيئة؛ مقاومة التعب التآكلي في بيئات الكلوريد أفضل من العديد من السبائك التي تحتوي على النحاس ولكن أقل من بعض سبائك الألمنيوم الجوية من السلسلة 6xxx. للسماكة تأثير واضح على التشكيل والاحتفاظ بالقوة؛ القطاعات السميكة أصعب في التشكيل البارد وتظهر قوة أعلى عند التصنيع بسبب توزيع غير متجانس للعمل البارد عبر المقطع العرضي.

الخاصية	O/معالجة حرارية	الحالة الأساسية (H32)	ملاحظات
مقاومة الشد	95–140 MPa (14–20 ksi)	240–320 MPa (35–46 ksi)	الشد يرتفع بقوة مع التصلب بالشد؛ القيم تعتمد على شكل المنتج والسماكة
مقاومة الخضوع	35–70 MPa (5–10 ksi)	150–260 MPa (22–38 ksi)	قوة الخضوع تختلف بشكل واسع حسب حالة التصلب وتاريخ العمل
الاستطالة	20–30%	6–15%	الاستطالة تقل مع زيادة التصلب والقوة؛ السماكة تؤثر على اللدونة
الصلادة (HV)	25–45	60–95	الصلادة مرتبطة مع الشد ومقاومة الخضوع؛ تُستخدم للتحكم في الجودة أثناء الإنتاج

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.68 g/cm³	قيمة نموذجية لسبائك الألومنيوم؛ مهمة لحسابات النسبة قوة/وزن
نطاق الانصهار	~600–650 °C	الألومنيوم السبائكي يظهر فترة صلبة-سائلة تشبه المعجون؛ النطاق الدقيق يعتمد على التركيب
التوصيل الحراري	~130–160 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي لكنها لا تزال مرتفعة للكثير من تطبيقات نقل الحرارة
التوصيل الكهربائي	~35–45% IACS	منخفض مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب السبائكة؛ مقبول لبعض التطبيقات الكهربائية أو الحافلات
السعة الحرارية النوعية	~900 J/kg·K	قيمة نموذجية تُستخدم في حسابات الكتلة الحرارية والانتقالات الحرارية
التوسع الحراري	~23.5 µm/m·K	زيادة عالية مقارنة بالصلب؛ مهمة في تصميم الوصلات الحرارية

تشير الثوابت الفيزيائية إلى أن 5050 خفيف الوزن مع توصيل حراري وسعة حرارية نوعية ملائمة مقارنة بالصلب، مما يجعله جذاباً في أدوار النقل وتبديد الحرارة. الجمع بين الكثافة المنخفضة والتوصيلات الحرارية والكهربائية المعتدلة يدعم استخدامه في هياكل حيث يكون التحكم الحراري وتوفير الوزن أموراً رئيسية، لكن على المصممين مراعاة التوسع الحراري العالي والصلابة الأقل مقارنة بالمواد الحديدية.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	التمبرات الشائعة	ملاحظات
ألواح (Sheet)	0.3–6.0 mm	تشطيب سطحي جيد؛ القوة تختلف حسب التمبر	O, H111, H14, H32	تستخدم على نطاق واسع للوحيات، الصناديق والمكونات المشكلة
ألواح سميكة (Plate)	6–150+ mm	القوة تعتمد على السماكة؛ قابلية السحب العميق محدودة	O, H111, H32	تستخدم للأجزاء الإنشائية، تبطين الهياكل والمكونات المصنعة السميكة
بثق (Extrusion)	مقاطع بطول عدة أمتار	القوة تعتمد على نسبة البثق والعمل البارد اللاحق	O, H112, H34	الأشكال المبثوقة تسمح بتشكيل مقاطع معقدة للأجزاء الإنشائية والمعمارية
أنابيب (Tube)	بلا طريقة اللحام/ملحومة، أقطار متغيرة	القوة تتحكم بها سماكة الجدار والتمبر	O, H32	تستخدم في معالجة السوائل، الإطارات خفيفة الوزن والأنابيب الهيكلية
قضبان / عصي (Bar/Rod)	أقطار تصل إلى 150 mm	مسحوبة بارداً لزيادة القوة	H112, H14, H32	تُورد للأجزاء المشغلة، المثبتات، والمحاور حيث تكون مقاومة التآكل مفيدة

الألواح والصفائح هي الأشكال الأكثر شيوعًا لـ 5050، وتُنتج بعمليات الدرفلة التي تحدد بنية الحبيبات والإجهادات المتبقية قبل التمبر أو العمل البارد. يسمح البثق بمقاطع مخصصة وغالبًا ما يتطلب استراتيجيات تجانس وتبريد محددة في القطعة لتحقيق خصائص موحدة. تزيد عمليات الطرق والسحب البارد للقضبان والعصي من القوة عبر تقسية العمل الإضافية، بينما قد تُقدم مكونات الأنابيب الملحومة بتمبرات توازن بين قابلية التشكيل والحفاظ على القوة بعد اللحام.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	5050	الولايات المتحدة الأمريكية	تستخدم تسميات Allied/Alcoa/AA بشكل شائع في عمليات الشراء
EN AW	5050	أوروبا	تتوافق تسمية EN AW-5050 مع كيمياء وسلسلة تمبر AA
JIS	A5050	اليابان	خرائط درجات JIS غالباً ما تتبع تركيب AA مع التفاوتات الإقليمية
GB/T	5050	الصين	توفر معايير GB/T الصينية تراكيب مشابهة لكنها قد تختلف في معايير القبول الميكانيكية

تماثل الدرجات عبر المعايير عادة ما يكون واضحًا لأن 5050 هي سبيكة مغنيسيوم مصاغة معرف جيداً، ولكن الحذر مطلوب: قد تختلف المعايير الإقليمية في العناصر المسموحة، بروتوكولات الاختبار وتسميات التمبر. يجب على المشترين تحديد المعيار المصدر والأداء الميكانيكي / المقاوم للتآكل المطلوب بدلاً من الاعتماد فقط على اسم الدرجة لضمان خصائص متسقة عند التسليم.

مقاومة التآكل

تُظهر 5050 مقاومة جيدة لتآكل الغلاف الجوي النموذجي للسبيكة المغنيسيوم من السلسلة 5xxx، حيث تُكون طبقة أكسيد واقية توفر عمر خدمة طويل في البيئات الحضرية والضواحي الصناعية الخفيفة. مقاومة التآكل الحُفري والتآكل الموحد في البيئات المكلورة (كالمالحة) جيدة مقارنة بسبائك النحاس والعديد من السبائك المعالجة حراريًا، لكن قد يحدث ذوبان أنودي موضعي عند تركيزات عالية من الكلوريد أو تحت ظروف مياه مالحة ساكنة. نقاء السبيكة، التمبر، التشطيب السطحي والإجهادات المتبقية (بما في ذلك من اللحام) تؤثر بشكل كبير على عمر الخدمة في البيئات العدوانية.

الحساسية للتشقق بالإجهاد نتيجة التآكل (SCC) تزداد في سبائك السلسلة 5xxx مع زيادة محتوى المغنيسيوم وببعض التمبرات؛ السبائك التي تحتوي على Mg > 3.5% معرضة بشكل أكبر لـ SCC تحت إجهاد شد في ماء البحر. 5050، ذات مستويات Mg معتدلة ومحتوى شوائب مضبوط، عادة ما تظهر مخاطر SCC منخفضة إلى معتدلة عند تحديدها ومعالجتها بشكل مناسب، لكن ينبغي للمصممين تجنب التحميل بالشد الزائد والنظر في الحماية الكاثودية في الهياكل البحرية. يجب النظر في التفاعلات الجلفانية عند استخدام 5050 مع معادن أكثر نبالة مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو النحاس؛ سيقلل العزل المناسب، اختيار المثبتات واستراتيجيات الطلاء من تآكل التسريع عند الواجهات.

مقارنةً بسبائك السلسلة 6xxx (Mg + Si)، توفر 5050 أداء أفضل لمقاومة التآكل البحرية وقابلية اللحام، لكن على حساب قوة قصوى أقل يمكن تحقيقها عبر المعالجة الحرارية. وبالمقارنة مع سبائك السلسلة 3xxx (Mn)، توفر 5050 قوة أعلى وغالبًا مقاومة أفضل لماء البحر بفضل محتوى المغنيسيوم.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

تُلحم 5050 بسهولة بواسطة عمليات الانصهار الشائعة مثل MIG (GMAW) وTIG (GTAW) مع ميل منخفض للتشقق الساخن مقارنة بسبائك النحاس العالية. يوصى باستخدام أسلاك حشو من سلسلتي 5xxx أو 4xxx للحفاظ على مقاومة التآكل؛ وفي التطبيقات البحرية الملحومة، غالباً ما تستخدم أسلاك حشو منخفضة النحاس مثل 5183 أو 5554 عند الاقتضاء. يحد التليين في منطقة تأثير الحرارة (HAZ) من المشاكل لأن السبيكة غير معالجة بالتسفيق، ولا يحدث تخلخل فوقي؛ يجب التحكم في الإجهادات المتبقية والتشوهات عبر التثبيت والتدريج الميكانيكي بعد اللحام إذا لزم الأمر.

قابلية التشغيل

قابلية تشغيل 5050 معتدلة ومماثلة للسبائك الأخرى في السلسلة 5xxx؛ تعمل بشكل أنظف مقارنة مع بعض السبائك القوية لكنها لا تصل إلى سهولة التشغيل للألمنيوم النقي. ينصح باستخدام أدوات كربيد ذات زاوية قص إيجابية وتصريف جيد للرقائق؛ يجب ضبط سرعات وتغذيات القطع لتفادي تراكم الرقائق والتحكم في تقسية السطح. السلوك النموذجي ينتج رقائق قصيرة إلى متوسطة الطول اعتمادًا على هندسة القطع والتمبر؛ تساعد الزيوت والسوائل على ضمان الدقة البُعدية والتشطيب السطحي.

قابلية التشكيل

مميزات التشكيل ممتازة في تمبرات O وH111 حيث تظهر السبيكة استطالة عالية وقابلية سحب عميقة؛ يمكن أن تكون أنصاف أقطار الانحناء في التطبيقات اللوحية ضيقة حسب السماكة والأدوات. في تمبرات H32/H34، تقل قابلية التشكيل مع زيادة مقاومة الخضوع بسبب تقسية العمل؛ يجب على المصممين التعامل مع التمرد الربيعي وقد يحتاجون إلى كهربصة أجزاء قبل التشكيل الشديد. أفضل النتائج للأشكال المعقدة تتحقق بتحديد تمبر كهربصي أو مع عمل بسيط والتحكم في أنصاف أقطار الأدوات، المزلقات وتوزيع الإجهاد.

سلوك المعالجة الحرارية

كسبيكة غير معالَجة حراريًا، لا تستجيب 5050 لعلاجات التصلب والانحلال الحراري والتسنين التي تُستخدم في عائلات 6xxx و7xxx لرفع القوة بشكل كبير. لذا تتركز المعالجة الحرارية على الكهربصة لتليين المادة وعمليات التثبيت (تخفيف الإجهاد) لتقليل الإجهادات المتبقية بعد التشكيل أو اللحام. عادةً ما تتم دورات الكهربصة عند درجات حرارة كافية لإعادة تبلور البنية المجهرية واستعادة الليونة؛ مع تبريد دقيق لتفادي التشوه الزائد.

تتحقق زيادات القوة بشكل أساسي عبر العمل البارد (تقسية التشوه) مثل الدرفلة، السحب أو الانحناء المسيطر عليه. تشير رموز تيمبر H إلى مدى ونوع العمل البارد وأية خطوات تثبيت؛ تُستخدم الكهربصات الجزئية (مثل H32) لموازنة الليونة والقوة حسب الحاجة للشكل أو الهيكل. للإصلاح وإعادة العمل، يمكن استخدام الكهربصة الموضعية أو إعادة التمبر الميكانيكي لاستعادة قابلية التشكيل في المناطق الصغيرة.

الأداء عند درجات الحرارة المرتفعة

تحافظ 5050 على خصائص ميكانيكية قابلة للاستخدام عند درجات حرارة معتدلة لكنها تظهر فقداناً تدريجياً في القوة مع اقتراب درجة الخدمة من جزء كبير من نطاق انصهار الألمنيوم. عادة ما تقتصر درجات حرارة الخدمة المستمرة العملية إلى ما دون ~150–200 °C لتطبيقات الأحمال الإنشائية التي تتطلب الحفاظ على القوة. الأكسدة ليست مشكلة جوهرية عند هذه الدرجات، لكن مقاومة الزحف محدودة مقارنة بالسبائك المتخصصة للحرارة المرتفعة.

التعرض لدرجات حرارة مرتفعة أثناء اللحام أو عمليات الحرارة اللاحقة لن يؤدي إلى ترسيب مراحل تقوية لكنه قد يخفف تقسية العمل ويقلل مقاومة الخضوع محليًا في منطقة تأثير الحرارة. يجب على المصممين أخذ التليين الحراري في المفاصل بعين الاعتبار والنظر في التصميم الميكانيكي أو إعادة تقسية العمل بعد العملية لاستعادة القوة المفقودة إذا كانت درجات الحرارة المرتفعة جزءًا من الخدمة أو التصنيع.

الاستخدامات

الصناعة	مثال على المكون	لماذا تُستخدم 5050
السيارات	ألواح هيكلية، تشطيبات زخرفية	سهولة التشكيل ومقاومة التآكل مع قوة معتدلة
البحرية	تبطين الهيكل، تجهيزات السطح	مقاومة متفوقة لماء البحر وقابلية اللحام
الطيران	هياكل ثانوية، أغلفة	نسبة قوة إلى وزن عالية للهياكل غير الرئيسية ومتانة التآكل
النقل	صهاريج، مقطورات	عناصر هيكلية خفيفة الوزن مع مقاومة جيدة للإجهاد والكلوريد
العمارة	ألواح واجهات، تسقيف	مقاومة للعوامل الجوية وسهولة التصنيع
الإلكترونيات	حوامل، ناشرات حرارية	موصلية حرارية وكهربائية مناسبة وكثافة منخفضة

تُستخدم 5050 في التطبيقات التي تتطلب توازناً بين مقاومة التآكل، القوة المعتدلة وقابلية التصنيع الممتازة. وهي شائعة بشكل خاص حيث يكون اللحام والتشكيل جزءًا أساسياً من مسار التصنيع وأينما تشمل بيئة الخدمة التعرض لأجواء رطبة أو مشحونة بالكلوريدات.

رؤى الاختيار

يُعد 5050 خيارًا عمليًا عندما تكون الأولويات الهندسية مقاومة التآكل، قابلية اللحام، وقابلية التشكيل الجيدة دون الحاجة إلى معالجات الشيخوخة بالحرارة العالية. يقدم هذا السبيكة تنازلاً في القوة القصوى التي يمكن تحقيقها بالمعالجة الحرارية مقابل تحسين قابلية اللحام وتقليل القابلية للتشوه والضغوط المتبقية مقارنة بسبائك سلسلة 6xxx.

بالمقارنة مع الألمنيوم التجاري النقي (1100)، يوفر 5050 قوة أعلى بشكل ملحوظ مع الاحتفاظ بتوصيل كهربائي وحراري معقول؛ مع توقع انخفاض في التوصيل مقارنة بـ 1100 لكنه مكسب مفيد في الأداء الميكانيكي. مقارنة بسبائك العمل المقواة مثل 3003 أو 5052، يتمتع 5050 بقوة أعلى قليلاً وعموماً يقدم مقاومة أفضل لتآكل المياه البحرية، رغم أن قابلية التشكيل قد تكون متقاربة حسب حالة التصلب. مقارنة بسبائك المعالجة الحرارية الشائعة مثل 6061 أو 6063، يفضّل استخدام 5050 عندما تكون مقاومة التآكل أثناء الخدمة والتحكم في تشوهات اللحام من الأولويات بالرغم من تحقيق قوة قصوى أقل.

اختر 5050 عندما يكون الجزء معرضًا للحام المكثف، ويتعرض لأجواء بحرية أو قاسية، أو يتطلب تشكيلًا كبيرًا في الحالة الملدنة. إذا كان المطلوب هو أقصى صلابة أو أعلى نسبة قوة إلى وزن ممكنة، فكر في بدائل معالجة حرارية أو سبائك 5xxx/6xxx ذات القوة الأعلى مع اعتماد استراتيجيات انضمام مناسبة.

الملخص الختامي

يظل 5050 سبائك ألومنيوم ذو صلة بالهندسة الحديثة حيث يتطلب الأمر مزيجًا قويًا من مقاومة تآكل مياه البحر، قابلية اللحام، وقابلية التشكيل دون الاعتماد على المعالجة الحرارية بالترسيب. موقعه ضمن عائلة 5xxx يجعله خيارًا موثوقًا للتطبيقات الهيكلية والبحرية حيث تكتسب القوة المتوقعة من العمل المقوى والمتانة طويلة الأمد أهمية أكبر من تحقيق أقصى قوة شّد مطلقة.