ألمنيوم EN AW-3103: التركيب الكيميائي، الخصائص، دليل التلين، والتطبيقات

نظرة شاملة

EN AW-3103 هو عضو في سلسلة 3xxx من سبائك الألمنيوم المشغولة، والتي تُسبَّب أساساً بعنصر المنجنيز كمادة تقوية رئيسية. تُصنف هذه العائلة من السبائك على أنها غير قابلة للمعالجة الحرارية وتكتسب قوتها من خلال العمل البارد المسيطر عليه (تصلب التشويه) بدلاً من المعالجات الحرارية بالإنحلال والترسيب النموذجية لسلسلة 6xxx و7xxx.

العنصر السائد في سبائك EN AW-3103 هو المنجنيز، ويتواجد عادةً بمستويات منخفضة أو تحت الواحد بالمئة، مع كميات صغيرة مراقبة من الحديد والسيليكون وعناصر أثرية تؤثر على التشكيل وجودة السطح. ونتيجة لذلك، يقدم EN AW-3103 توازناً بين القوة المعتدلة، سهولة التشكيل الجيدة جداً، ومقاومة معقولة للتآكل في العديد من البيئات الجوية.

تشمل الخصائص الرئيسية لـ EN AW-3103 قوة متوسطة (أعلى من الألمنيوم النقي تجارياً ولكن أقل من العديد من السبائك المعالجة بالتصلب بالعمل أو المعالجة الحرارية)، قابلية تشكيل بارد ممتازة في الحالة المخملة، قابلية لحام موثوقة باستخدام عمليات الألمنيوم القياسية، ومقاومة جيدة للتآكل العام. الصناعات النموذجية التي تستخدم EN AW-3103 تشمل مكونات البناء والهندسة المعمارية، الزخارف والكسوات، اللافتات وتركيبات الإضاءة، وأعمال الصفائح المعدنية العامة حيث تكون قابلية التشكيل وجودة السطح مهمة.

يختار المهندسون EN AW-3103 بدلاً من الدرجات النقية لأدائه الميكانيكي المحسن مع الحفاظ على خصائص التشكيل الجيدة، ويختارونه вместо السبائك الأعلى قوة عندما تكون اللدونة المتفوقة، جودة السطح وتكلفة الإنتاج من الأولويات. يحتل هذا السبيكة موضع توازن عملي للأجزاء المصنوعة من الصفائح والمنتجات الرقيقة التي تتطلب الثني، السحب واللحام دون الحاجة إلى قوة عالية ناتجة عن التقسية بالعمر الذروي.

أنواع المعالجات الحرارية (Temper)

المعالجة	مستوى القوة	الإطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	20–35%	ممتازة	ممتازة	مخملة بالكامل، أقصى قدر من اللدونة للسحب العميق
H11 / H111	منخفضة إلى متوسطة	15–30%	جيدة جداً	ممتازة	تصلب خفيف ناتج عن العمل؛ تستخدم عادة للتشكيل الخفيف
H14	متوسطة	6–18%	جيدة	ممتازة	تصلب ربع؛ معالجة شائعة لتوازن القوة والتشكيل المعتدل
H16	متوسطة إلى عالية	4–12%	مقبولة إلى جيدة	ممتازة	تصلب نصف؛ تحسين الصلابة والتحكم في استرجاع الزنبرك
H18	عالية	2–8%	محدودة	ممتازة	تصلب كامل ناتج عن العمل البارد؛ تستخدم عند الحاجة لمقاومة خضوع أعلى

يتم توريد EN AW-3103 في المقام الأول في الحالة المخملة (O) وأنواع H المختلفة التي تتحقق من خلال الدرفلة والعمل البارد المسيطر عليه. تتحكم المعالجة الحرارية في كثافة الانزلاقات والبنية الدقيقة، لذا يزيد الانتقال من O إلى H18 القوة ويقلل الإطالة وقابلية السحب.

تبقى قابلية اللحام جيدة عبر هذه المعالجات الحرارية لأن السبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ ومع ذلك، تظهر المعالجات الناتجة عن العمل البارد تلييناً موضعياً في مناطق التأثر الحراري بعد اللحام وقد تتطلب معالجات ميكانيكية أو حرارية ما بعد اللحام لاستعادة الخصائص.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق المئوي	ملاحظات
Si	≤ 0.6	السيليكون منخفض للحفاظ على اللدونة وجودة السطح.
Fe	≤ 0.7	الحديد هو شوائب؛ المستويات المضبوطة تؤثر على التفاوت والقوة.
Mn	0.6–1.5	العنصر الأساسي في السبائك؛ يمنح تقوية بالانحلال الصلب والتشتت.
Mg	≤ 0.10	الماجنيزيوم قليل في 3103 وغير مستخدم للتقسية بالترسيب.
Cu	≤ 0.20	النحاس منخفض؛ يساهم جزئياً في القوة ولكن قد يقلل مقاومة التآكل إذا ازداد.
Zn	≤ 0.20	الزنك شوائب قليلة تؤثر قليلاً على الخصائص عند هذه المستويات.
Cr	≤ 0.10	الكروم يمكن أن يظهر بكميات أثرية للتحكم في بنية الحبيبات.
Ti	≤ 0.15	التيتانيوم يستخدم نادراً كمصفّر للحبيبات بكميات صغيرة.
عناصر أخرى (لكل منها)	≤ 0.05	عناصر أخرى مراقبة للحفاظ على اللدونة وقابلية التشكيل.

يُعتبر محتوى المنجنيز العامل الأساسي المحدد للتركيب الكيميائي في EN AW-3103، حيث يمكن الاستجابة لتصلب العمل وتحسين القوة مقارنة بالألمنيوم النقي تجارياً. يُحتفظ بالحديد والسيليكون عند مستويات منخفضة لتجنب الهشاشة والحفاظ على تشطيب سطحي ممتاز وقابلية الدرفلة في إنتاج الصفائح.

الخواص الميكانيكية

في السلوك الشددي يظهر EN AW-3103 أداء سبائك كلاسيكية غير قابلة للمعالجة الحرارية: لدونة مرتفعة وقوة خضوع منخفضة في الحالة المخملة مع زيادة تدريجية في قوة الخضوع وقوة الشد مع إدخال العمل البارد. تعتمد قوة الخضوع على معدل التشوه ويمكن رفعها بشكل كبير من خلال العمل البارد المعتدل، مما يوفر خصائص استرجاع زنبركي متوقعة مفيدة للأجزاء المشكَّلة.

الإطالة في حالة O مرتفعة، داعمة للسحب العميق والتشكيل بالتمدد، بينما تقلل معالجات H من اللدونة مقابل زيادة الصلابة وقوى إثبات 0.2%. تتناسب الصلادة مع المعالجة الحرارية وتكون عادة منخفضة في O (طرية)، وترتفع بمرور H11/H14 إلى H18 حيث ينتج التصلب بالعمل أعلى مستويات الصلادة؛ كما تُستخدم مقاييس الصلادة لمراقبة جودة الإنتاج.

أداء التعب لـ EN AW-3103 معتدل وعادة ما يرتبط بحالة السطح والمعالجة الحرارية؛ تحسن الأسطح المصقولة والإجهادات المتبقية الانضغاطية الناتجة عن التشكيل عمر التعب. تؤثر سماكة الصفائح على الاستجابة الميكانيكية: حيث يسهل تشويه السماكات الرفيعة وتصل إلى قوى التصلب بالعمل مبكراً أثناء التشكيل، بينما تحتفظ السماكات الأكبر بامتصاص طاقة أعلى ولكن تقلل من قابلية التشكيل.

الخاصية	O / مخلوة	المعالجة الرئيسية (مثال H14)	ملاحظات
قوة الشد	95–140 MPa (نموذجي)	140–200 MPa (نموذجي)	القيم تعتمد على السماكة، تاريخ المعالجة والمعالجة الحرارية الدقيقة
قوة الخضوع (0.2% إثبات)	30–50 MPa	90–140 MPa	ترتفع قوة الخضوع بشكل ملحوظ مع العمل البارد
الإطالة	20–35%	6–18%	المخلوة تعطي أقصى اللدونة؛ العمل البارد يقلل الإطالة
الصلادة (HB)	20–40	40–80	الصلادة تتبع العمل البارد؛ تستخدم لمراقبة العملية

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.70 g/cm³	كثافة نموذجية لسبائك الألمنيوم-المنجنيز المشغولة؛ مفيدة لحساب الكتلة والصلابة.
نطاق الانصهار	640–655 °C	نطاق الانصهار قريب من الألمنيوم النقي؛ يعتمد على المكونات الثانوية.
التوصيل الحراري	120–160 W/m·K	موصل حراري جيد؛ أقل من الألمنيوم عالي النقاء ولكنه مناسب لموزعي الحرارة.
التوصيل الكهربائي	~30–40 % IACS	أقل من الألمنيوم النقي؛ ينخفض التوصيل مع العمل البارد والسبائكية.
الحرارة النوعية	~0.90 kJ/kg·K (900 J/kg·K)	حرارة نوعية نموذجية تستخدم للحسابات الحرارية المؤقتة.
التوسع الحراري	23–24 µm/m·K (20–100 °C)	معامل التمدد الحراري نموذجي لسبائك الألمنيوم؛ مهم للوصلات ثنائية المعدن.

تجعل مجموعة الخصائص الفيزيائية من EN AW-3103 مادة خفيفة الوزن ذات توصيل حراري ملائم وتمدد حراري متوقع، مما يجعلها مناسبة للمكونات التي تتطلب نشر حرارة واستقرار أبعاد خلال نطاقات حرارة معتدلة. التوصيل الكهربائي كافٍ للتطبيقات غير الحرجة ولكن عادة ما يكون أدنى من الدرجات النقية المستخدمة في الموصلات الكهربائية.

يجب على المصممين الأخذ في الاعتبار التوسع الحراري عند توصيف EN AW-3103 للتزاوج مع مواد مختلفة وللتوصيل عند تحديده لإدارة الحرارة؛ لا تغير المعالجات السطحية والطلاءات المستخدمة عادة في التطبيقات المعمارية الخصائص الحرارية الجذرية بشكل كبير لكنها قد تؤثر على الانبعاث الحراري ونقل الحرارة.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المعالجات الحرارية الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6.0 مم	تزداد القوة مع التدحرج البارد/المعالجة	O, H11, H14, H16, H18	الشكل الأكثر شيوعاً؛ يستخدم في الواجهات، التشطيبات، الواجهات الخارجية
صفائح	6–25 مم	محدودة؛ عادة ما تُزوّد بطرق معالجة أملس	O, H111	أقل شيوعاً بسبب الاستخدام الرئيسي كألواح رقيقة
بروفيلات بعملية السحب (Extrusion)	مقاطع عرضية متغيرة	البروفيلات من 3103 غير شائعة؛ تختلف قابلية التشغيل	H111	ممكنة للبروفيلات البسيطة لكن بروفيلات سلسة 3xxx أقل نمطية
أنابيب	قطر Ø 6–120 مم	العمل البارد أثناء تصنيع الأنبوب يزيد من القوة	O, H14	تستخدم لأنابيب زخرفية وعناصر هيكلية خفيفة
قضبان/أعمدة	قطر Ø 5–50 مم	القضبان متوفرة؛ القوة تتحقق عن طريق التقسية عن طريق العمل	H11, H14	تستخدم في السحابات، التشطيبات، والمكونات المشكّلة

إنتاج الألواح هو المسار الأساسي لمعالجة EN AW‑3103 مع اختيار عمليات التدحرج والتمهيد لإنتاج جودة سطح موحدة وخواص ميكانيكية مضبوطة. البروفيلات والأقسام الأثقل أقل تكراراً لأن سلاسل أخرى (6xxx للبروفيلات، 5xxx للألواح البحرية) عادةً توفر قوة وأداء أفضل لتلك الفئات.

تشمل عمليات التصنيع السائدة التشكيل البارد مثل الثني، التشكيل بالختم، والسحب؛ ويتم اختيار المعالجة لتحقيق توازن بين ارتداد الخط المفاجئ (springback)، قابلية السحب، والقوة النهائية أثناء الخدمة. للمكونات المعمارية التي تتطلب جودة السطح والتأكسيد الكهربي، يتم تحسين ممارسات التدحرج والتمهيد لتقليل العيوب السطحية والحفاظ على كيمياء السبيكة الموحدة.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	3103	الولايات المتحدة الأمريكية	غالبًا ما يُشار إليه في أدبيات جمعية الألمنيوم الأمريكية باسم AA 3103.
EN AW	3103	أوروبا	EN AW‑3103 هو التسمية الأوروبية الشائعة ضمن معايير EN.
JIS	A3103 (تقريبًا)	اليابان	قد تشير المواصفات اليابانية إلى سبائك Al-Mn المماثلة بتسميات محلية.
GB/T	3103 (تقريبًا)	الصين	تتضمن المعايير الصينية مكافئات لعائلة 3xxx؛ وقد تختلف التركيبات الدقيقة قليلاً.

التسميات المكافئة للدرجات عبر المناطق هي قابلة للتبادل إلى حد كبير للعديد من التطبيقات التجارية، لكن على المهندسين التحقق من حدود التركيبات والجداول الخاصة بالخواص الميكانيكية عند الطلب. قد توجد اختلافات طفيفة في حدود الشوائب، التسامحات المسموحة، وتصنيفات المعالجات بين مواصفات AA, EN, JIS و GB/T؛ والتي قد تؤثر على قابلية التشكيل، جودة السطح، واعتماد الطلاءات أو الموافقات الهيكلية.

مقاومة التآكل

يُظهر EN AW-3103 مقاومة جيدة لتآكل الغلاف الجوي مشابهة لسبائك Al‑Mn الأخرى، حيث يشكل طبقة أكسيد مستقرة تحد من التآكل العام في البيئات الريفية والحضرية. محتوى المنغنيز لا يقلل بشكل كبير من مقاومة التآكل العامة وتؤدي السبيكة أداء جيدًا للمكونات المعمارية الخارجية والتشطيبات حيث يتم تطبيق الصيانة الدورية أو الطلاءات.

في البيئات البحرية، تظهر السبيكة مقاومة معقولة لرذاذ الملح والتعرض المتوسط للكلوريد، لكن الغمر المطول أو مناطق الرش التي تتعرض لهجمات كلوريد مكثفة ستسرع من التآكل النخري وتدهور السطح مقارنة مع السبائك الأكثر مقاومة مثل سلسلة 5xxx (Al‑Mg). للتطبيقات البحرية المستمرة، غالباً ما يحدد المصممون الطلاءات المؤكسدة كهربائيًا أو يختارون سبائك أعلى من Mg حسب متطلبات الهيكل والتعرض.

يمتلك EN AW‑3103 قابلية منخفضة للتشقق الناتج عن التآكل الميكانيكي لأن السبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية ولا تكون ترسيبات ضارة؛ لكن يجب تقييم المناطق الملحومة أو المعالجة باردة التي تحمل إجهادات شد متبقية سلوك التآكل الموضعي بها. التفاعل الجلفاني مع المعادن الأكثر نبالة (الفولاذ المقاوم للصدأ، النحاس) يمكن أن يسرع تآكل EN AW‑3103؛ لذلك يُنصح باستخدام طبقات عازلة أو مواد ختم أو أنودات تضحيات عندما تكون الوصلات بين المعادن مختلفة لا مفر منها.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

الدرجات EN AW‑3103 تلحم بسهولة بعمليات TIG وMIG وفقًا لممارسات الألمنيوم القياسية، مع ميل منخفض للتشقق الحار بسبب كيمياء السبيكة البسيطة. تشمل المواد الحشو النموذجية أسلاك وقضبان متوافقة مع Al‑Mn (مثل درجات Al‑5xx6 أو Al‑4xxx حسب متطلبات الوصلات) مختارة لموازنة الخواص الميكانيكية، مقاومة التآكل، وتوفر المواد الحشو. ستنتج اللحامات تليين موضعي لمنطقة التأثير الحراري في المعالجات بالعمل البارد لأن السبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية؛ ويمكن استخدام معالجة ميكانيكية لاحقة للحام أو مواد حشو ذات أداء أعلى لاستعادة الأداء.

قابلية التشغيل

تشغيل EN AW‑3103 عمومًا سهل ولكنه ليس استثنائي؛ مؤشرات قابلية التشغيل أقل من سبائك الألمنيوم سهلة التشغيل التي تحتوي على الرصاص أو البزموت. تنتج أدوات الكربيد أو الفولاذ عالي السرعة المطلية ذات زاوية القطع الإيجابية وسرعات التغذية العالية أفضل تحكم بالرقائق، ويساعد المبرد على تجنب التراكم الحواف وتحسين جودة السطح. عند التصميم للتشغيل، يفضل المهندسون عادة الأقسام الأثخن والمعالجات المناسبة لزيادة الصلابة وتقليل الاهتزاز.

قابلية التشكيل

تعد EN AW‑3103 واحدة من السبائك المحتوية على المنغنيز الأكثر قابلية للتشكيل، خصوصاً في المعالجة O حيث السحب العميق والتشكيل بالشد ممتازان. تعتمد أدنى أنصاف أقطار الانحناء الموصى بها على المعالجة والسماكة لكنها تكون عادة صغيرة في O—مما يسمح بانحناءات ضيقة—ويجب زيادتها لمعالجات H لمنع التشقق. يزيد التقسية الناتجة عن العمل البارد من مقاومة الخضوع ويقلل من الاستطالة، لذا تعد جداول التشكيل التدريجية والتمهيد المتوسط من الاستراتيجيات الشائعة للإنتاج لأجزاء معقدة.

سلوك المعالجة الحرارية

كسبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، لا تستجيب EN AW‑3103 لعلاجات التسخين والشيخوخة الاصطناعية للتقوية؛ حيث لا تنتج عمليات ترسيب التقسية التي تُرى في سلسلة 6xxx أو 7xxx. المسار الميكروتركيبي الأساسي للتحكم هو العمل البارد (التدحرج، السحب، الثني) الذي يزيد من كثافة الانزلاقات ويمنح مقاومة خضوع وقوة شد أعلى.

يتم إجراء التمهيد (العودة إلى حالة O) لاستعادة الليونة وتقليل الضغوط المتبقية؛ وتُختار درجات حرارة التمهيد لإعادة التبلور بدون التسبب بمشاكل طبقة الأكسيد السطحية—وتُراقب دورات التمهيد الصناعية بدقة في الأفران التجارية. للتطبيقات التي تتطلب تعديلًا محليًا للخواص، تُستخدم مجموعات من العمل البارد، تخفيف الإجهاد، وتشطيب السطح بدلًا من تسلسلات المعالجة الحرارية الكلاسيكية.

الأداء عند درجات الحرارة المرتفعة

تظهر EN AW‑3103 فقدانًا تدريجيًا في القوة مع زيادة درجة الحرارة، مع تقليل ملحوظ فوق ~100–150 °C وتليين سريع مع اقتراب درجات الحرارة من نطاق إعادة التبلور. قد يؤدي التعرض طويل الأمد لدرجات حرارة مرتفعة إلى الاستعادة وإعادة التبلور، مما يقلل من قوة التقسية الناتجة عن العمل ويؤثر على الاستقرار البعدي؛ لذلك عادة ما تُحدد درجات حرارة الخدمة أقل بكثير من 200 °C للتطبيقات الحاملة للأحمال.

الأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة ضئيلة مقارنة بالصلب؛ يشكل الألمنيوم طبقة أكسيد واقية لكن التعرض الحراري العالي يمكن أن يغير مظهر السطح ويؤثر على الطلاءات أو اللواصق. يمكن أن تتعرض الوصلات الملحومة ومناطق التأثير الحراري لتقليل القوة تحت دورات الحرارة؛ ويجب على المصممين مراعاة إمكانية تمهيد العمل البارد والتغيرات المحتملة في أداء التعب إذا اقتربت درجات التشغيل من حدود معالجة المعالجة.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام EN AW-3103
السيارات	ألواح التشطيب الداخلية، التشكيلات الزخرفية	قابلية تشكيل جيدة وجودة سطح عند قوة معتدلة
المعمار / البناء	تكسية الواجهات، السقائف، المزاريب	مقاومة التآكل وجودة التأكسد للأجزاء الظاهرة
لوحات الإعلانات والإضاءة	حاويات العاكس، واجهات اللوحات	قابلية التشكيل للصفائح، جودة السطح، وثبات الأبعاد
الأجهزة المنزلية	تشطيبات أدوات الطهي، واجهات الخزائن	سهولة التشكيل، قابلية اللحام وتوافر اقتصادي
أنظمة التبريد والتهوية/قنوات الهواء	ألواح خفيفة الوزن للقنوات	قابلية تشكيل جيدة ومقاومة التآكل في البيئات الداخلية

يُفضل EN AW‑3103 للمكونات التي تتطلب توازناً بين قابلية التشكيل، أداء ميكانيكي مقبول، وجودة سطح عالية خصوصاً حيث تكون عمليات التأكسد أو الطلاء جزءًا من المواصفة. كما تجعل خصائصه المتوازنة السبيكة اقتصادية للتطبيقات المعمارية والاستهلاكية متوسطة الشدة حيث لا يلزم وجود قوة قصوى.

نصائح للاختيار

للمهندسين المختارين EN AW‑3103، اعط الأولوية له عندما تحتاج إلى قابلية تشكّل فائقة وجودة سطح مع قوة معتدلة ومقاومة جيدة للتآكل بتكلفة اقتصادية. إذا كان التصميم يتطلب السحب العميق وأنصاف أقطار ضيقة مع عمليات لحام أو لحام خفيف لاحق، غالباً ما يوفر EN AW‑3103 في المعالجة O أفضل توازن بين سهولة التصنيع وأداء الخدمة.

بالمقارنة مع الألومنيوم النقي تجاريًا (مثل 1100)، يضحي EN AW‑3103 بقليل من الموصلية الكهربائية والحرارية لكسب مقاومة خضوع وقوة شد أعلى، مما يجعله مفضلًا حيث تُطلب السلامة الهيكلية وقابلية التشكيل. بالمقارنة مع السبائك المشغولة بالتقوية عن طريق الشغل البارد (مثل 3003، 5052)، يتموضع 3103 قريبًا من 3003 في الخصائص، ويوفر عادة قوة مماثلة مع مقاومة تآكل مشابهة؛ وفي الحالات البحرية أو التحميلات العالية، قد يُختار سبائك ذات محتوى مغنيسيوم مثل 5052 بدلاً منه.

مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية (مثل 6061/6063)، لا يصل EN AW‑3103 إلى نفس أقصى مستويات القوة، لكنه يُفضل غالبًا بسبب قابليته الفائقة للتشكيل، سهولة التصنيع، وجودة السطح الأفضل للأجزاء المعمارية أو الزخرفية حيث لا تكون القوة القصوى هي المتطلب الأساسي.

الملخص الختامي

يظل EN AW‑3103 سبائك ألومنيوم ذات صلة وواسعة الاستخدام لأنه يجمع بين تقوية موثوقة تعتمد على المنغنيز مع قابلية تشكيل ممتازة، ومقاومة جيدة للتآكل، وتصنيع سهل في الألواح والأشكال الرفيعة. إن توازن خصائصه وجودة سطحه وكفاءة تكلفته تجعله خيارًا عمليًا لتطبيقات الألواح المعدنية المعمارية والزخرفية والعامة في الهندسة الحديثة.