ألمنيوم 5657: التركيب، الخواص، دليل المعالجة، والتطبيقات

نظرة شاملة

السبائك 5657 هي عضو في سلسلة 5xxx من سبائك الألمنيوم-المغنيسيوم المصنعة على البارد، وتصنف ضمن الفئة غير المعالجة حرارياً والمعالجة بالتشغيل البارد، والمفضلة لتوازنها بين القوة ومقاومة التآكل. العنصر الرئيسي في السبيكة هو المغنيسيوم، يرافقه إضافات محكومة من المنغنيز والعناصر النزرة (الكروم، الحديد، السيليكون، التيتانيوم) للتحكم في هيكل الحبيبات والقوة وقابلية التشكيل.

تُحقق مقويات السبيكة أساساً من خلال تقوية المحلول الصلب بواسطة المغنيسيوم والمعالجة بالتشغيل البارد؛ فسبائك 5657 مصممة لتتفاعل بشكل جيد مع التشوه البارد ومجموعة من حالات التخشين H-temper المُثبتة بدلاً من التقسية الحرارية عند الشيخوخة. تشمل الخصائص الرئيسية مقاومة انسيابية وقوة شد مرتفعة مقارنة بالألمنيوم النقي، مقاومة جيدة للتآكل العام والتآكل النقطي في البيئات البحرية، وقابلية جيدة للحام مع سبائك حشو Al–Mg النموذجية؛ كما تتمتع بقابلية تشكيل جيدة في الحالات الملدنة أو المعالجة بشكل خفيف، لكنها تقل مع زيادة التصلب بالتشغيل البارد.

تتواجد تطبيقات السبائك 5657 في صناعات النقل (مكونات السيارات والشاحنات الثقيلة)، المعدات البحرية وبناء السفن، التطبيقات الهيكلية والمعمارية، وبعض المكونات الكهربائية ومكونات نقل الحرارة حيث يكون الوزن المنخفض والقوة ومقاومة التآكل مهمة. يختار المهندسون 5657 بدلاً من سبائك أخرى عندما تكون الحاجة إلى ألومنيوم عالي القوة، قابل للحام، ومقاوم جيداً للتآكل البحري مع المحافظة على قابلية تشكيل تنافسية وتكلفة مناسبة.

أنواع المعالجات الحرارية (Temper Variants)

معالجة حرارية	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	عالية (20–30%)	ممتازة	ممتازة	مُلدّنة بالكامل، الحد الأقصى لللدونة للعمليات العميقة والتشكيل المعقد
H14	متوسط	معتدلة (8–12%)	جيدة	ممتازة	تشغيل بارد خفيف، شائع للألواح المشكّلة حيث تتطلب قوة إضافية
H22	متوسط-مرتفع	معتدلة (6–10%)	متوسطة	ممتازة	تم تشديده بالتشغيل البارد ثم تثبيته لتقليل تأثيرات الشيخوخة الطبيعية
H32	عالية	منخفضة (5–8%)	من متوسطة إلى جيدة	ممتازة	تشغيل بارد وتثبيت؛ شائع للألواح الهيكلية
H111	متغير	متغير	جيدة	ممتازة	معالجة تحكمية بمرحلة واحدة للتشغيل للبثق والمنتجات المدلفنة

اختيار المعالجة الحرارية يؤثر بشكل قوي على التوازن بين قابلية التشكيل والقوة؛ فمعالجة O الملدنة توفر أفضل نافذة للتشكيل بينما تزيد معالجات H من مقاومة الخضوع والشد لكنها تقلل الاستطالة. في عمليات اللحام أو حيث يحدث تشوه محلي بعد اللحام، تُختار المعالجات المثبتة (H22, H32) للحد من تليين ما بعد اللحام ولضمان الاستقرار البُعدي.

التركيب الكيميائي

العنصر	النسبة المئوية	ملاحظات
Si	0.10–0.40	محافظ عليه منخفضاً للحد من تكون المركبات بين المعدنية الهشة ولتحسين مقاومة التآكل
Fe	0.20–0.60	شائبة نموذجية؛ تُحكم للوقاية من تكوين مراحل غنية بالحديد الخشنة التي تقلل الدونة
Mn	0.20–0.80	مُكرر حبيبات ومحسن ثبات القوة؛ يحسن مقاومة إعادة التبلور
Mg	4.8–5.8	العنصر المقوي الرئيسي يوفر تقوية محلول صلب وزيادة مقاومة التآكل
Cu	0.05–0.20	مخفض لتفادي فقدان كبير لمقاومة التآكل والحفاظ على قابلية اللحام
Zn	0.05–0.30	مستويات منخفضة تحد من قابلية التآكل بين الحبيبات وتحافظ على الدونة
Cr	0.05–0.25	يراقب هيكل الحبيبات ويحسن مقاومة التحسس وتصدعات الإجهاد الناتجة عن التآكل
Ti	0.02–0.10	مُكرر حبيبات يُستخدم بشكل رئيسي في المواد الخام المصبوبة أو القضبان للتحكم في التركيب الدقيق
عناصر أخرى (لكل عنصر)	≤0.05	بقايا وعناصر أثرية؛ الباقي من الألمنيوم

محتوى المغنيسيوم هو العامل الأساسي في أداء السبيكة، حيث يرفع مقاومة الشد والخضوع من خلال تأثيرات المحلول الصلب ويسهم في تحسين مقاومة التآكل في مياه البحار. يعمل المنغنيز والكروم كعوامل سبائكية دقيقة للتحكم في نمو الحبيبات والتقليل من إعادة التبلور والتحسس، مما يعزز المتانة ومقاومة تشقق التآكل الناتج عن الإجهاد أثناء الخدمة.

الخصائص الميكانيكية

يُظهر سلوك الشد في سبيكة 5657 مزيجاً من مقاومة انسيابية عالية ودونة معتدلة تعتمد بشكل كبير على نوع المعالجة الحرارية وسمك العينة. في حالة الملدنة، تتمتع السبيكة باستطالة كبيرة وقوة خضوع منخفضة، أما المعالجات بالتشغيل البارد فتزيد من مقاومة الانسيابية بشكل ملحوظ وتقلل الدونة. تتناسب مقاومة الخضوع وقوة الشد القصوى مع مستوى التشغيل البارد؛ نماذج الفشل النموذجية هشة نسبياً مع تكون تجويفات دقيقة في عينات الاختبار المهندمة جيداً.

تتبع الصلادة نفس اتجاه القوة، حيث تزداد مع زيادة مستوى المعالجة الحرارية H ومع المزيد من التشغيل البارد. تستفيد مقاومة التعب من القوة الجيدة للسبيكة ونمط الكسر الدنيوي نسبياً، لكن حدود التعب تتأثر بتشطيب السطح، والإجهادات المتبقية الناتجة عن التشكيل أو اللحام، والسمك. تأثيرات السمك واضحة: السماكات الرفيعة يمكن معالجتها لتحقيق قوة أعلى عبر التشغيل البارد، بينما الألواح السميكة توفر قابلية تشكيل أقل وأنماط فشل مختلفة تحت التحميل الدوري.

الخاصية	O/ملدنة	معالجة رئيسية (H32)	ملاحظات
قوة الشد	150–200 MPa	320–380 MPa	القيم تختلف حسب السمك والمعالجة؛ H32 يوفر زيادة كبيرة مقارنة بـ O
قوة الخضوع	65–110 MPa	260–320 MPa	زيادة قوية في الخضوع مع زيادة التشغيل والتثبيت
الاستطالة	20–30%	5–8%	الاستطالة تقل مع ازدياد تصلب المعالجة؛ تأثيرات السمك مطبقة
الصلادة	35–45 HB	80–95 HB	قيم برينل تقريبية؛ الصلادة مرتبطة بالتشغيل البارد والمعالجة

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.68 g/cm³	معتادة لسبائك الألمنيوم، يستخدم للحسابات التصميمية للوزن الخفيف
مدى الانصهار	~570–645 °C	يعتمد على محتوى السبائك والتجانس
الموصلية الحرارية	120–140 W/m·K	أدنى من الألمنيوم النقي بسبب وجود المغنيسيوم في المحلول الصلب لكنها لا تزال عالية لتطبيقات نقل الحرارة
الموصلية الكهربائية	~30–38 %IACS	منخفضة مقارنة بالألمنيوم النقي؛ تقل بتزايد التشغيل البارد
الحرارة النوعية	~0.90 J/g·K	قيمة نموذجية للتطبيقات الحرارية واحتساب التسخين العابر
معامل التمدد الحراري	23.5–24.5 µm/m·K	شبيه بسبائك Al–Mg الأخرى؛ ذو أهمية في تصميم التمدد التفاضلي

الخصائص الحرارية والكهربائية تجعل سبيكة 5657 جذابة لتطبيقات التبريد السلبي ومغلفات الأجهزة الكهربائية التي تحتاج أيضاً لقوة ميكانيكية. الموصلية الحرارية مناسبة للعديد من تطبيقات التبريد، لكن ينبغي للمصممين الأخذ بعين الاعتبار انخفاضها مقارنة بالألمنيوم النقي عند تحديد مقاطع الألواح وزوايا الزعانف.

أشكال المنتجات

الشكل	السمك/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المعالجات النموذجية	ملاحظات
ألواح	0.3–6.0 mm	تزداد القوة مع التخفيض البارد	O, H14, H32	شائعة للألواح الخارجية، الأسطح البحرية والجلود الهيكلية
صفائح	6–200 mm	قابلية تشكيل أقل، قوة هيكلية جيدة	O, H32	مكونات هيكلية ثقيلة وهياكل مصنوعة
بثق	ملامح حتى 250 mm	القوة الميكانيكية تعتمد على التشغيل البارد اللاحق	H111, H32	مقاطع معقدة للإطارات والسكك والعناصر الهيكلية
أنابيب	قطر 6–300 mm، سماكة 0.5–10 mm	القوة وقابلية التشكيل تعتمد على عملية التصنيع	O, H14	أنابيب ضغط وهيكلية للتطبيقات البحرية والنقل
قضبان/أعمدة	قطر 5–150 mm	قوة جيدة في حالات التشغيل البارد للسحب	H111, H14	مكونات تثبيت، وصلات مُشغّلة وأجزاء تركيب

مسار التصنيع وشكل المنتج يؤثران بشكل كبير على خصائص سبيكة 5657 النهائية. عادةً ما تمر الألواح والصفائح بالدرفلة والتجانس والتبريد المنضبط لإنشاء تركيب دقيق قابل للتشكيل، في حين تعتمد الأخدود والبثق على جودة القضبان والخامات الأولية والمعالجة اللاحقة للتحكم في هيكل الحبيبات والقوة. يجب أن تعكس خيارات التصنيع شكل القطعة والأداء الميكانيكي المطلوب.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	5657	الولايات المتحدة الأمريكية	سبائك الألومنيوم–مغنيسيوم المشغولة كما هو محدد للاستخدام العام في التطبيقات الإنشائية
EN AW	5xxx (تقريباً)	أوروبا	المكافئات الأقرب تقع ضمن عائلة EN AW-5xxx؛ يختلف الرقم الدقيق حسب محتوى المغنيسيوم والمنغنيز
JIS	A5xxx (تقريباً)	اليابان	المكافئ يوجد ضمن سبائك الألومنيوم–مغنيسيوم المشغولة JIS ذات مستويات المغنيسيوم المماثلة
GB/T	5xxx (تقريباً)	الصين	المواصفات الصينية تحتوي على تعيينات 5xxx مماثلة؛ قد تختلف تفاوتات التركيب الكيميائي

تشير المراجع المباشرة إلى اختلافات حسب المعيار الإقليمي وتفاوتات التكوين الدقيقة؛ وعادةً ما تقع المكافئات ضمن عائلة سبائك الألمنيوم–مغنيسيوم المشغولة بشكل عام بدلاً من تطابق واحد لواحد. عادةً ما تتعلق الفروقات بين المعايير بحدود الشوائب، والخواص الميكانيكية المضمونة عند سماكات محددة، وحالة السطح المسموح بها لأشكال المنتجات المحددة.

مقاومة التآكل

يُظهر 5657 مقاومة جيدة للتآكل الجوي العام النموذجية لسبائك الألمنيوم–مغنيسيوم، حيث يتكون عليه طبقة أكسيد مستقرة تحمي الركيزة في البيئات الريفية والصناعية. في الأجواء البحرية أو الحاملة للكلوريد، يعزز محتواه العالي نسبياً من المغنيسيوم مقاومة التآكل النقري مقارنةً بسبائك السلاسل 1xxx و3xxx، ولكن يلزم الانتباه الشديد لحالة المعالجة الحرارية للسبائك، وممارسات اللحام، وتشطيب السطح لتجنب التآكل الموضعي.

تزداد حساسية تشقق التآكل الإجهادي (SCC) لسبائك الألمنيوم–مغنيسيوم مع زيادة محتوى المغنيسيوم والتعرض للإجهادات الشد في بيئات محفزة بالكلوريد؛ ويخفف 5657 من هذه الحساسية من خلال إضافات مضبوطة من المنغنيز والكروم التي تستقر البنية الحبيبية وتقلل القابلية. تتسبب التفاعلات الجلفانية بحدوث تآكل عند الاتصال مع معادن أكثر نبلاً مثل الفولاذ المقاوم للصدأ والنحاس، لذا ينبغي على المصممين عزل المعادن المختلفة أو توفير أنودات تضحوية في الأنظمة البحرية لحماية الأقسام الرقيقة.

مقارنةً مع سبائك 6xxx (Al–Mg–Si)، يوفر 5657 مقاومة أفضل لتآكل مياه البحر، لكن صلابته القصوى أقل عادةً؛ ومقارنةً مع سبائك 7xxx (Al–Zn–Mg) فإنه يتنازل عن القوة النهائية مقابل خصائص محسنة بشكل ملحوظ في مقاومة التآكل وقابلية اللحام. تساهم المعالجات السطحية المناسبة، والمواد السدادية، والحماية الكاثودية في إطالة عمر الخدمة في البيئات العدائية.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

يلحم 5657 بسهولة باستخدام عمليات تقليدية مثل MIG (GMAW) وTIG (GTAW)، مع التوصية باستخدام سبائك حشو من عائلة الألومنيوم–مغنيسيوم (مثلاً ER5356 أو ER5183) لمطابقة القوى وخصائص التآكل. خطر التشقق الحراري منخفض ما لم تقلل معلمات اللحام من التقييد ويُستخدم أسلوب لحام منخفض الهيدروجين؛ وينحصر تليين منطقة التأثير الحراري بعد اللحام لأن السبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية، وإن كان هناك تراجع طفيف في الصلادة المحلية ووجود إجهادات متبقية مرتفعة متوقعة. من الضروري اعتماد إجراءات تأهيل اللحام واختيار الحشو المناسب لضمان أداء الوصلات في ظروف الإجهاد المتكرر وبيئات التعرض لتآكل التشقق الإجهادي.

قابلية التشغيل

كنوع من سبائك الألمنيوم–مغنيسيوم القابلة للطرق، يشغل 5657 عادة بصعوبة متوسطة مقارنةً بالسبائك سهلة التشغيل؛ ينتج رقائق طويلة ومتواصلة تستلزم تطبيق استراتيجيات للتحكم بالرقائق. توفر أدوات التقطيع المصنوعة من كربيد مع زوايا موجبة وحواف حادة توازنًا جيدًا بين جودة السطح وعمر الأداة؛ تكون سرعات القطع معتدلة ويجب ضبط التغذية لتجنب تراكم الحافة. تُستخدم عمليات التشطيب الثانوية مثل التلميع أو التجريد الكيميائي غالبًا لتحقيق متطلبات صقل السطح الصارمة التي تؤثر على عمر التعب وبدء التآكل.

قابلية التشكيل

تتميز بتشكيل ممتاز في حالة O (الأنيلية)، مما يتيح السحب العميق والطباعة المعقدة والتشكيل بالشد المتوسط؛ وأدنى أنصاف أقطار الانحناء صغيرة في المادة المعالجة أنيليًا. مع إدخال الحالتين H (المشتدة)، يزيد تصلب السبائك بسرعة ويزداد الارتداد، لذا ينبغي للمصممين السماح بأنصاف أقطار انحناء أكبر أو اختيار حالات تطعيم وسطية للتشكيل تليها تثبيت مسيطر عليه. توسع تقنيات التشكيل الهيدروليكي والتشكيل التدريجي تطبيق السبائك للأشكال المعقدة مع تقليل ترقيق موضعي وخطر الكسر.

سلوك المعالجة الحرارية

5657 هو سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية ولا تزداد قوتها عن طريق المعالجة بالتحليل الحراري والتقسية الاصطناعية؛ حيث تتحكم الخصائص الميكانيكية بشكل رئيسي في الشغل البارد والمعالجة الحرارية-الميكانيكية. يتم التلدين (حالة O) عبر التسخين إلى درجات حرارة التجانس أو إعادة التبلور المناسبة يليها تبريد مسيطر عليه لاستعادة الليونة لعمليات التشكيل. يمكن استخدام معالجات حرارية تثبيتية عند درجات حرارة معتدلة لتخفيف الإجهادات المتبقية وتلطيف البنية المجهرية، مما ينتج حالات H22/H32 التي توفر ثباتًا أبعادياً ومقاومة للشيخوخة الطبيعية.

نظرًا لعدم خضوع السبيكة للتقسية بالتساقط، فإن دورات T-series الشائعة للمعالجة بالتحليل والشيخوخة (مثل T6) غير فعالة ولن تنتج الزيادات الحادة في القوة كما في عائلات 2xxx أو 6xxx. وبدلاً من ذلك، يتركز التحكم في العمليات على نسبة الشغل البارد، ومسارات التشوه المسيطر عليها، والمعالجات التثبيتية منخفضة الحرارة لضبط الخصائص النهائية للتصنيع والاستخدام.

الأداء في درجات الحرارة العالية

عند درجات الحرارة المرتفعة، تقل فاعلية تقوية المحلول الصلب الناتجة عن المغنيسيوم حيث تزداد حركة الذائبة، لذلك يعاني 5657 من فقد تدريجي في القوة فوق حوالي 100–150 °C. قد يحتفظ بالتكامل الميكانيكي لفترة قصيرة عند التعرض حتى ~200 °C حسب حالة التحميل، ولكن الاستخدام طويل الأمد فوق 150 °C يسرع من عمليات التليين والانتعاش التي تقلل مقاومة الخضوع وعمر التعب. التأكسد بسيط مقارنة بالسبائك الحديدية بسبب طبقة الألومينا الواقية، لكن درجات الحرارة العالية قد تعزز نمو الحبوب وتغيرات مجهرية موضعية تؤثر على سلوك ما بعد اللحام وعوامل التعب.

يجب على المصممين تجنب ظروف التشغيل التي تجمع بين درجات حرارة مرتفعة، إجهاد شد، وتعريض للكلوريد، حيث تتضاعف العوامل فيما بينها لتعزيز الحساسية لتشقق التآكل الإجهادي والتآكل المتسارع. عند الحاجة لخدمة في درجات حرارة مرتفعة، ينبغي النظر في سبائك بديلة أكثر ثباتًا حراريًا أو طلاءات حماية مناسبة.

التطبيقات

الصناعة	مكون نموذجي	سبب استخدام 5657
السيارات	سكك حماية التصادم، ألواح الهيكل الداخلية	نسبة قوة إلى وزن عالية، قابلية تشكيل جيدة في بعض الحالات
البحري	ألواح الهيكل، هياكل الطوابق	مقاومة محسنة لتآكل مياه البحر وقابلية لحام جيدة
الفضاء الجوي	الإنشاءات الثانوية، التجهيزات	نسبة قوة إلى وزن مناسبة وسلوك جيد في التعب للهياكل غير الرئيسية
الإلكترونيات	موزعات الحرارة، هيكليات الحماية	توصيل حراري متوازن مع صلابة ميكانيكية لتوفير حاويات متينة

يُحدد 5657 غالبًا حيث يتطلب الأمر توازنًا بين القوة ومقاومة التآكل وسهولة التصنيع بدلاً من أعلى قوة مطلقة. وتتنوع تطبيقاته بين مكونات الألواح المشكلة والتجميعات الإنشائية الملحومة التي يكون فيها أداء تآكل دورة الحياة وقابلية التصنيع من أولويات التصميم.

نصائح الاختيار

اختر 5657 عندما يحتاج المصمم إلى ألومنيوم قابل للّحام بقوة أعلى من الألومنيوم التجاري الخالص مع الاحتفاظ بمقاومة جيدة للتآكل للاستخدام البحري أو الإنشائي. تكون السبيكة مفيدة عندما يتطلب الأمر تشكيلًا باردًا مبدئياً وعندما يمكن للحالات الحرارية H أو تثبيت التسوية بعد التشكيل توفير الثبات الأبعادي المطلوب.

مقارنةً بالألومنيوم التجاري الخالص (1100)، يتنازل 5657 عن بعض التوصيل الكهربائي والحراري وقابلية التشكيل في الحالة الصافية مقابل زيادة كبيرة في مقاومة الخضوع والشد. مقارنةً بالسبائك المعتادة التي تخضع لتصلب العمل مثل 3003 أو 5052، يحتوي 5657 عادةً على قوة أعلى وعادةً ما يساوي أو يتجاوز مقاومة التآكل، لكنه قد يكون أغلى قليلاً وأقل توصيلاً. مقارنةً بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061، لا يصل 5657 إلى قوة الذروة في حالة التقسية بالشيخوخة لكنه يفضل غالبًا حين تفوق قابلية اللحام ونقاء مقاومة التآكل البحري على أقصى قوة.

الملخص الختامي

يبقى 5657 خيارًا عمليًا للمهندسين الباحثين عن ألومنيوم غير قابل للمعالجة الحرارية يجمع بين تقوية محلول صلب قوية، وقابلية لحام موثوقة، وأداء متين ضد التآكل في البيئات الحاملة للكلوريد. يجمع توازنه بين الخصائص الميكانيكية والتصنيعية ويجعله مناسبًا لطيف واسع من التطبيقات الإنشائية، البحرية، والنقل حيث تعد متانة دورة الحياة وقابلية التصنيع عوامل تصميم رئيسية.