ألمنيوم 2014: التركيب، الخواص، دليل التصلب، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
السبائك 2014 هي عضو في سلسلة 2xxx من سبائك الألمنيوم المصبوب التي أساسها النحاس، حيث يعتبر النحاس العنصر الرئيسي المضاف لزيادة القوة عبر تقسية الترسيب. هي سبائك قابلة للمعالجة الحرارية وتستجيب بقوة للمعالجة بالذوبان والتبريد السريع والشيخوخة الاصطناعية لتطوير قوة عالية مقارنة بالعديد من عائلات الألمنيوم الأخرى.
العناصر الرئيسية للسبائك هي النحاس (عادة ~3.9–5.0 وزن%)، مع إضافات أقل من المنغنيز والماغنسيوم والكروم للتحكم في بنية الحبيبات والقوة. تحقق السبائك أدائها الميكانيكي عبر تشكيل ترسيبات دقيقة من Al2Cu (θ) أثناء الشيخوخة، جنبًا إلى جنب مع العمل البارد عند الاقتضاء، مما ينتج قوة شد وخضوع عالية على حساب بعض اللدونة ومقاومة التآكل.
الصفات الرئيسية تشمل قوة عالية جدًا بالنسبة لسبائك الألمنيوم المصبوب، مقاومة تآكل معتدلة إلى ضعيفة في البيئات العدوانية، قابلية لحام محدودة دون إجراءات خاصة، وقابلية تشكل معتدلة في الحالات ذات الليونة الأعلى. تستخدم هذه السبائك عادة في مجالات الطيران لتجهيزات هيكلية ومكابس التشكيل، والدفاع ومعدات عسكرية، ومكونات ذات قوة عالية في النقل، وتطبيقات التصنيع المتخصصة حيث تكون نسبة القوة إلى الوزن حرجة.
يفضل المصممون استخدام 2014 عندما تكون القوة ومقاومة التعب (في حالة معالجة حرارية) ذات أولوية على سهولة التشكيل والتوصيلية الأصلية، أو حينما تكون هناك حاجة إلى مزيج من قوة ثابتة عالية وقابلية التشغيل. ومن تبعات ذلك مقاومة تآكل أقل بشكل عام وأداء لحام أقل مقارنة بسبائك السلسلتين 5xxx و6xxx، مما يجعل الاختيار مرهونًا بالسياق التطبيقي.
أنواع المعالجات الحرارية (Temper)
| المعاملة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | عالية | ممتازة | ممتازة | مخمّر بالكامل؛ الأسهل في التشكيل والربط، وأدنى قوة |
| H14 | متوسطة | معتدلة | جيدة (محدودة) | تحديّة | تم تقويته بالإجهاد؛ قوة متوسطة عبر العمل البارد |
| T5 | متوسطة إلى عالية | معتدلة إلى منخفضة | متوسطة | ضعيفة إلى متوسطة | مبردة من العمل الساخن وتمت معالجتها بالشيخوخة الاصطناعية؛ ثبات أبعاد جيد |
| T6 | عالية | منخفضة | محدودة | ضعيفة | معالجة حرارية بالذوبان والشيخوخة الاصطناعية؛ القوة القصوى |
| T651 | عالية | منخفضة | محدودة | ضعيفة | T6 مع تخفيف الإجهاد عبر التمدد؛ شائع لمكابس الطيران |
للمعاملة الحرارية تأثير كبير على سلوك 2014 الميكانيكي وقابلية التصنيع: المادة المخمرة (O) تكون مرنة وسهلة التشكيل بينما ظروف T6/T651 تعظّم القوة على حساب الاستطالة وقابلية التشكيل. لحام وإجراءات الربط بدرجات حرارة عالية عادة ما تخلق مناطق رخوة وتغييرات في البنية الدقيقة في المعالجات ذات الشيخوخة القصوى، لذا يجب تخطيط التصميم والمعالجة بعد اللحام وفقًا لذلك.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق النسبة المئوية | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.5 | شائبة بسيطة؛ تقليل Si يحافظ على المتانة |
| Fe | ≤ 0.7 | شائبة شائعة؛ زيادة Fe تسبب تكوين مركبات بينية تقلل اللدونة |
| Mn | 0.4–1.2 | يحسن بنية الحبيبات ويزيد القوة والمتانة |
| Mg | 0.2–0.8 | يسهم في تقسية الشيخوخة بالتعاون مع النحاس |
| Cu | 3.9–5.0 | العنصر الرئيسي لزيادة القوة (يشكل ترسيبات Al2Cu) |
| Zn | ≤ 0.25 | نسبة ضئيلة؛ التركيز المرتفع غير نمطي لسلسلة 2xxx |
| Cr | 0.1–0.4 | يتحكم في إعادة التبلور ونمو الحبيبات أثناء المعالجة الحرارية |
| Ti | ≤ 0.15 | مكرر حبيبات للمنتجات المصبوبة والمصقولة |
| عناصر أخرى | ≤ 0.15 (لكل منها) | عناصر أثر وبقايا؛ التوازن ألمنيوم |
يعتبر النحاس العنصر الحاسم في تحفيز تقسية الشيخوخة عبر تشكيل ترسيبات Al2Cu الدقيقة الموزعة. يعمل المنغنيز والكروم كمضافات دقيقة للتحكم في بنية الحبيبات والتقليل من التليين أثناء التعرض للحرارة. يوفر مزيج هذه العناصر توازنًا بين بنية ميكروية قابلة للتقسية وقابلية التشغيل مع تقليل بعض مقاومة التآكل المرتبطة بسبائك الألمنيوم الأنقى.
الخصائص الميكانيكية
في سلوك الشد يظهر تأثير قوي للمعاملة الحرارية: 2014 المخمرة (O) تظهر انحناءات شد مرنة مع قوة شد نهائية معتدلة، بينما T6/T651 تظهر قوة شد نهائية عالية وقوى خضوع واضحة. تنخفض الاستطالة حتى الفشل بشكل كبير في حالات الشيخوخة القصوى، عادة تنتقل من نسب مئوية في العشرات في O إلى أرقام أحادية في T6. يؤثر سمك الجزء والمعالجة السابقة (بثق، لف، تزوير) بشكل إضافي على سلوك التقوية بالعمل وتدرجات القوة المتبقية في المقطع العرضي.
تتبع الصلادة نفس اتجاه خصائص الشد، حيث تكون قراءات صلادة برينل أو روكويل أعلى بكثير في T6/T651 مقارنة بـ O أو حالات H. أداء التعب ل2014 في حالة T6 جيد بشكل عام بالنسبة لسبائك الألمنيوم عند تشطيب الأسطح بشكل جيد ووجود إجهادات متبقية ضاغطة؛ ومع ذلك قد تحد مقاومة التعب للتآكل وتشقق الإجهاد الناتج عن التآكل من عمر التعب في بيئات الخدمة. يمكن للقطاعات الأكثر سمكًا الاحتفاظ بقوة متبقية أعلى في الخدمة، لكن تراكم الإجهادات المتبقية وعدم تجانس البنية الدقيقة يمكن أن يؤثر أيضًا على صلابة الكسر وسلوك انتشار الشقوق.
| الخاصية | O/مخمّر | المعاملة الرئيسية (T6/T651) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد النهائية (UTS) | 180–260 MPa | 420–480 MPa | تزداد قوة الشد بشكل كبير بعد المعالجة الحرارية والشيخوخة |
| قوة الخضوع (انحراف 0.2%) | 70–150 MPa | 340–410 MPa | قوة الخضوع في T6 تقارب منتصف إلى أعلى مئات MPa |
| الاستطالة (A%) | 20–30% | 4–10% | اللّدونة تقل لصالح القوة في المعالجات الحرارية |
| الصلادة (HB) | 40–70 HB | 120–150 HB | الصلادة مرتبطة بكثافة الترسيبات والمعاملة الحرارية |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.78 جم/سم³ | نمطية لسبائك الألمنيوم - النحاس المصقولة |
| نطاق الانصهار | الصلبة ~500–515 °C؛ السائلة ~635–645 °C | السبائك تخفض نقطة الصلبة مقارنة بالألمنيوم الخالص |
| التوصيل الحراري | ~120–150 واط/م·ك | أقل من الألمنيوم الخالص بسبب السبائكية؛ تعتمد على المعاملة الحرارية وحالة الحبيبات |
| التوصيل الكهربائي | ~30–40% من معيار النحاس القياسي (IACS) | ينخفض بسبب النحاس والمذابين الآخرين مقارنة بالألمنيوم الخالص |
| السعة الحرارية النوعية | ~880 جول/كجم·ك (0.88 جول/جم·ك) | سعة حرارية نوعية نمطية للألمنيوم |
| التمدّد الحراري | ~23.5–24.0 ميكرومتر/م·ك | معامل مشابه لسبائك الألمنيوم الأخرى؛ يتطلب التصميم الأخذ بالحسبان التمدد المختلف |
تعكس الخصائص الفيزيائية التوازن الناتج عن السبائكية لزيادة القوة. كل من التوصيل الحراري والكهربائي تقل بشكل ملحوظ مقارنة بالألمنيوم الخالص، لذا لا يُختار 2014 عادة للأدوار الرئيسية في التوصيل الكهربائي أو المشتتات الحرارية ذات الأداء الأعلى إلا إذا كانت القوة الميكانيكية هي الاعتبار الأساسي. الكثافة تظل منخفضة مقارنة بالصلب، مما يمنحها قوة نوعية عالية ذات قيمة في تطبيقات الطيران والنقل.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | المعالجات الحرارية الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.3–6.0 mm | يمكن للطرح إنتاج خواص قوية وموحدة | O, H14, T3, T6 | الألواح الرقيقة تستخدم حيث يلي التشكيل عمليات تشغيل |
| صفائح | 6–100+ mm | الأقسام السميكة حساسة لمعدل التبريد والشدود المتبقية | T6, T651 | الصفائح السميكة تتطلب معالجة محلول دقيقة والتحكم في التبريد |
| بثق | المقاطع العرضية حتى عدة مئات mm² | تدفق البثق يؤثر على توزيع الترسيبات | O, T5, T6 (بعد المعالجة الحرارية) | ملفات معقدة ممكنة لكن معالجة البثق السميك حرارياً معقدة |
| أنابيب | قطر خارجي حتى بضع مئات mm | جودة اللحام والدرز مهمة لتطبيقات الضغط | O, T6 | أنابيب مسحوبة أو ملحومة؛ القوة تختلف حسب سماكة الجدار |
| قضبان/أعمدة | أقطار 5–200 mm | توازن بين القابلية للتشغيل والقوة للبراغي/المكائن | O, T6, T651 | شائع للمكونات المشغلة وتركيبات التشغّل |
الشكل يؤثر على الخواص الممكن تحقيقها: المنتجات الرقيقة تبرد أسرع أثناء التبريد بالتبريد السريع مما يمكن من الاحتفاظ الكامل للمذاب الزائد وبالتالي استجابة أعلى للشيخوخة الاصطناعية. الصفائح والمكائن الثقيلة أكثر حساسية لحجم القسم ومعدلات التبريد، وغالباً ما تتطلب T651 (مشدودة ومشيخة) لإدارة الشدود المتبقية. الأشكال المسحوبة والمبثوقة يمكن تجهيزها بالقرب من الهندسة النهائية قبل المعالجة الحرارية للتحكم في التشوه أثناء دورات التبريد والشيخوخة.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 2014 | الولايات المتحدة الأمريكية | تسمية الجمعية الأمريكية للألمنيوم المستخدمة شائعاً في المواصفات |
| EN AW | 2014 | أوروبا | EN AW-2014 يقابل AA2014 بتركيبة ومعالجات حرارية مماثلة |
| JIS | A2014 | اليابان | تسمية يابانية A2014 تتماشى مع معايير AA2014 |
| GB/T | 2A14 | الصين | المعيار الصيني 2A14 يقارب الحدود الكيميائية والميكانيكية لـ AA2014 |
التكافؤ عبر المعايير عادة قريب في المواصفات الكيميائية وتسميات المعالجة، ولكن يمكن أن تختلف التفاوتات المسموحة وإجراءات الاختبار وحدود الخواص الميكانيكية قليلاً. على المشترين التحقق من معالجة المعالجة (مثل فروق طفيفة في قبول T6 مقابل T651) وفحوصات القبول بين المعايير عند الشراء دولياً لتجنب عدم التوافق في توقعات الخواص.
مقاومة التآكل
في الخدمة الجوية، يُظهر 2014 مقاومة تآكل معتدلة؛ إذ يعمل بشكل مرض في البيئات المحمية والمعتدلة التآكل لكنه أقل من سبائك Al-Mg مثل سلسلة 5xxx وسلسلة Al-Mg-Si 6xxx. المحتوى العالي من النحاس يزيد النشاط الكهروكيميائي وتكوّن الخلايا المحلية، مما يجعل الطلاء أو التكسية بالصفائح أمراً مستحسناً للتعرض المطول في الهواء الطلق. المعالجات السطحية، التكسية (مثل Alclad)، والطلاءات المثبطة شائعة للحد من التآكل العام.
في البيئات البحرية أو الغنية بالكلوريد، السبائك 2014 أكثر عرضة لتآكل النقاط والتآكل في الفجوات مقارنة بسلسلة 5xxx و 6xxx. الشروخ بالتآكل تحت الإجهاد (SCC) تمثل قلقاً لسبائك سلسلة 2xxx التي تحتوي على النحاس تحت الإجهاد الشد وتعرض الوسائط المسببة للتآكل؛ المعالجات العمرية الذروية (T6/T651) خاصة عرضة وتتطلب تصميماً دقيقاً وفحصاً في البيئات العدوانية. التصميم الحامي، اختيار المواد، والاعتبارات الكاثودية/الأنودية ضرورية عند تحديد 2014 للأجهزة المجاورة للبيئات البحرية.
يجب النظر في التفاعلات الجلفانية لأن 2014 (بقوة كهربائية مفتوحة أعلى بسبب النحاس) يميل لأن يكون كاثودياً للعديد من سبائك الألمنيوم النقية وأنودياً للصلب المقاوم للصدأ حسب الإلكتروليت. عند الاقتران مع معادن مختلفة، استخدام مواد عازلة وسحابات متوافقة أو طلاءات حماية يقلل المخاطر. مقارنة بسلسلة 7xxx عالية القوة، 2014 عمومًا يتمتع بصلابة أفضل لكنه يملك سلوك تآكل مماثل أو قليل الأسوأ، لذلك الاختيار يعتمد عادة على مزيج الخواص من القوة، مقاومة التآكل ومتطلبات التصنيع.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
لحام 2014 تحدي بسبب محتواه العالي من النحاس وبنية مجهرية مقواة بالترسيب؛ اللحام بالاندماج (MIG/TIG) عادة ينتج تليين في المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) وقد يسبب تشقق حراري في ظروف تحكم ضعيف. الممارسة الموصى بها للتجميعات الملحومة غالباً ما تفضل التثبيت الميكانيكي أو اللصق؛ وعند الحاجة للحام، تُستخدم سبائك حشو متخصصة ومعالجات حرارية قبلية وبعدية لإعادة الخواص. اللحام المقاوم والتلحيم طرق انضمام بديلة لكنها تتطلب تأهيل لأداء SCC والتآكل.
قابلية التشغيل
سبائك 2014 تعتبر من الأسهل تشغيلاً ضمن سبائك الألمنيوم عالية القوة؛ في معالجات T6 و T651 يتم التشغيل بنظافة مع ملمس سطحي جيد وتحكم أبعادي محكم. تُستخدم عادة فولاذ الأدوات مثل الكربيد أو الكربيد المغطى بسرعات قطع معتدلة وزوايا قطع إيجابية لإدارة تدفق الرقائق وتجنب الحواف المتراكمة. صلابة العمل المنخفضة نسبياً وثبات الرقائق تعزز الإنتاجية، لكن التبريد وإزالة الرقائق مهمة للحفاظ على عمر الأدوات وسلامة السطح.
القابلية للتشكيل
القابلية الأفضل للتشكيل تكون في المعالجات اللينة O وH؛ المعالجات العمرية الذروية لديها قدرة انحناء محدودة وتتطلب أنصاف أقطار أكبر لتجنب التشقق. أنصاف قطر الانحناء الداخلي الموصى بها عادة للألواح في T6 تتراوح بين 3–6× السماكة حسب الاتجاه والأدوات، في حين يمكن للمعالجة O الوصول إلى 1–3× السماكة في كثير من الحالات. التشكيل الدافئ وتقنيات التشكيل التدريجي يمكن أن تحسن النتائج، لكن يُفضل إجراء التشكيل قبل المعالجة الحرارية النهائية عند الحاجة لقوة عالية.
سلوك المعالجة الحرارية
بوصفه سبيكة قابلة للمعالجة الحرارية، يُعالَج 2014 بمعالجة محلول، تبريد سريع وشيخوخة اصطناعية لتطوير أقصى قوة. درجات حرارة المعالجة النموذجية نحو 495–505°C (تعتمد على حجم القسم) حيث تذوب الفازات الحاملة للنحاس في محلول صلب مشبع؛ التبريد السريع إلى درجة حرارة الغرفة ضروري للاحتفاظ بالمذاب في المحلول قبل الشيخوخة. معدلات التبريد غير المناسبة في الأقسام السميكة قد تسبّب خواص غير متجانسة بسبب الترسيب الجزئي أثناء التبريد.
الشيخوخة الاصطناعية (T6) تتم عادة بين 160–190°C لعدة ساعات لترسيب Al2Cu والفازات المرتبطة إلى توزيع ناعم يعزز القوة. المعالجة T5 (مبردة من العمل الحراري ومشيخة اصطناعياً) توفر استقرار أبعادي جيد بدون معالجة محلول كاملة. T651 تعني معالجة محلول حراري، تخفيف اجهادات بواسطة شد ثم شيخوخة اصطناعية لتحسين الاستقامة وتقليل الإجهاد المتبقي؛ وهذا شائع في أجزاء الطيران والقطع المشغلة بدقة.
الشيخوخة المفرطة تقلل القوة لكنها قد تحسن المتانة ومقاومة التآكل؛ أحياناً يحدد المصممون معالجات فرعية أو مفرطة عند وجود قلق من شروخ التآكل الإجهادي أو استرخاء الإجهاد. بما أن المنطقة المتأثرة بالحرارة في مناطق اللحام تليّن بفعل تفاعلات المعالجة والتحريض، غالباً ما يتطلب إعادة معالجة حرارية بعد اللحام أو إصلاح ميكانيكي لاستعادة الأداء الميكانيكي الأصلي.
الأداء عند درجات الحرارة العالية
يفقد 2014 تدريجياً مقاومة الشد ومقاومة الخضوع مع زيادة الحرارة نتيجة تداخل الترسيبات وتليين المحلول الصلب؛ تنخفض القوة المفيدة بشكل ملحوظ فوق حوالي 150–200°C حسب المعالجة والمدة عند الحرارة. التعرض الطويل للأداء الحراري المرتفع يمكن أن يسبب شيخوخة مفرطة كبيرة وفقدان السلامة الميكانيكية، ما يحدد حد درجة حرارة الخدمة المستمرة للنطاقات المعتدلة للتطبيقات الإنشائية.
تأكسد سبائك الألمنيوم في درجات الحرارة العالية أخف مقارنة بالصلب، لكن الأفلام المؤكسدة الواقية قد تتضرر بعناصر السبائك والدورات الحرارية. المنطقة المتأثرة بالحرارة بجانب اللحامات تتعرض لتغييرات مجهرية خلال التقلبات الحرارية مما يزيد احتمال بدء التشقق تحت تحميلات دورية أو ميكانيكية. للتطبيقات الإنشائية عالية الحرارة، تُختار سبائك متخصصة ذات احتفاظ أفضل بالخواص على درجات الحرارة المرتفعة عوضاً عن 2014.
التطبيقات
| الصناعة | المكون النموذجي | سبب استخدام 2014 |
|---|---|---|
| الفضاء الجوي | وصلات، أجزاء مطروقة، أضلاع الأجنحة | نسبة عالية بين القوة والوزن وأداء ممتاز لمقاومة الإجهاد في حالات T6/T651 |
| السيارات | حوامل متينة مُشغّلة، مكونات هيكلية | يوفر القوة وقابلية التشغيل لمكونات حرجة تتطلب السلامة |
| الدفاع | وصلات الدروع، قواعد الأسلحة | مقاومة ثابتة عالية ومتانة تحت الأحمال |
| الإلكترونيات | هياكل هيكلية وأغلفة عالية القوة | استقرار أبعاد وقابلية تشغيل للأجزاء الدقيقة |
لا يزال 2014 ذا قيمة عالية حيث يُطلب ألومنيوم مسحوب عالي القوة وذو تشطيب مشغّل، مع أهمية أكبر للاستقرار الأبعادي ومقاومة التعب مقارنة بالمقاومة العالية للتآكل. يجمع بين القدرة على التقسية بالعمر الجاف وقابلية تشغيل جيدة مما يجعله خيارًا أساسيًا للمكونات الهيكلية الدقيقة، خاصة في قطاعات الفضاء الجوي والدفاع.
نصائح للاختيار
يفضل استخدام 2014 عندما يكون التصميم يركز على مقاومة خضوع ومقاومة شد عالية مع قابلية تشغيل جيدة، وعندما يكون قبول المعالجة الحرارية بعد التشكيل أو التحكم الدقيق في الأبعاد ممكنًا. يُحدد توجهات O أو H فقط إذا كان التشكيل الكبير مطلوبًا قبل التقسية النهائية أو التشغيل.
مقارنة بالألمنيوم النقي تجاريًا (مثل 1100): يتخلى 2014 عن التوصيل الكهربائي والحراري وسهولة التشكيل مقابل قوة أعلى ومقاومة أفضل للتعب. مقارنة بالسبائك المقواة ميكانيكيًا الشائعة (مثل 3003 / 5052): يوفر 2014 مقاومة ذروة أعلى بكثير لكنه يملك مقاومة تآكل أقل وتشكل أصعب قليلاً. مقارنة بالسبائك التي يمكن معالجتها حراريًا الشائعة (مثل 6061 / 6063): غالبًا ما يمنح 2014 قوة أعلى في T6/T651 لتطبيقات محددة، لكن ذلك يصاحب تقليل قابلية اللحام ومقاومة التآكل؛ اختر 2014 عندما تكون القوة وقابلية التشغيل أهم من هذه الاعتبارات.
اعتبارات اختيار عملية: قَيّم بيئة التشغيل (مخاطر التآكل والتشقق بسبب الإجهاد)، وطرق الربط/التصنيع المطلوبة (لحام مقابل التثبيت الميكانيكي)، وما إذا كان من الممكن إجراء المعالجة الحرارية أو التكسية بعد التصنيع. عند الشراء من مصادر عالمية، تأكد من توافق الحالة والمعايير لضمان أن المادة الموردة تلبي الأداء الميكانيكي ومقاومة التآكل المطلوبة.
ملخص ختامي
يظل سبيكة 2014 خيارًا عالي القيمة في التطبيقات التي تتطلب مزيجًا من القوة العالية وقابلية التشغيل الجيدة وثبات الخصائص بعد التقسية، خصوصًا في معدات الفضاء والدفاع. تمنح التقسية بالتساقط الناتجة عن النحاس أداء هيكليًا يتفوق على العديد من السبائك العامة، لكن يجب على المصممين إدارة حماية التآكل، وإجراءات اللحام، والمعالجة الحرارية بعناية لتحقيق عمر خدمة مثالي.