الألومنيوم 3102: التركيب، الخواص، دليل المعالجة والحالات، والتطبيقات

نظرة شاملة

سبائك 3102 هي عضو في سلسلة 3xxx من سبائك الألومنيوم-المنغنيز، وتقع ضمن مجموعة السبائك المعالجة بدون حرارة من نوع Al-Mn المصنعة. وتعتمد فلسفة السبائك على المنغنيز كعنصر رئيسي في تعزيز القوة والعمل على تقسية المادة، مع إضافات منخفضة من السيليكون والحديد وعناصر أثرية تتحكم في سلوك السبائك دون الانتقال إلى مجال السبائك المعالجة حرارياً.

يتم تحقيق التقوية في 3102 بشكل رئيسي من خلال تأثيرات محلول صلب وتقسية الإجهاد (العمل البارد)، بدلاً من المعالجة الحرارية المرتبطة بالترسيب. من السمات النموذجية لها القوة المعتدلة التي تفوق الألومنيوم النقي تجارياً، وخصائص تشكيل جيدة جداً في الحالات الطرية، ومقاومة مناسبة للتآكل في العديد من البيئات الجوية وقليلة العدوانية.

غالباً ما يستخدم 3102 في المنتجات المدلفنة وألواح السيارات والبناء حيث تُطلب قابلية تشكيل ومقاومة للتآكل مع قوة معتدلة. يختار المصممون 3102 عندما يكون التوازن بين اللدونة، اللمسة السطحية، ونسبة قوة إلى وزن معقولة مرغوباً فيها، وحيث تفوق بساطة وتكلفة سبائك Mn غير المعالجة حرارياً على القوة القصوى الأعلى للسبائك المعالجة حرارياً.

عند المقارنة مع السبائك المجاورة، يتم اختيار 3102 على السبائك الأكثر نقاءً لضمان قوة محسنة مع الحفاظ على معظم قابلية التشكيل، ويفضل على بعض السبائك الأقوى المعالجة بالعمل البارد عند الحاجة إلى جودة سطحية أفضل، استجابة حرارة أكثر استواءً، أو خاصيات معالجة معينة.

أنواع الحالتين الحرارية (التمبر)

التمبر	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	حالة مطبوخة بالكامل لأقصى درجة من اللدونة
H12	متوسطة-منخفضة	متوسطة	جيدة جداً	جيدة جداً	تصلب جزئي، كمية صغيرة من العمل البارد
H14	متوسطة	متوسطة-منخفضة	جيدة	جيدة جداً	تمبر تجاري شائع لتشكيل الألواح
H16	متوسطة-عالية	منخفضة-متوسطة	مقبولة	جيدة جداً	مزيد من العمل البارد لزيادة القوة
H18	عالية	منخفضة	محدودة	جيدة جداً	تقريباً أقصى قوة عمل بارد لسلسلة 3xxx
H111	متغيرة	متغيرة	جيدة	جيدة جداً	خصائص مُتحكم بها بشكل طفيف، نموذجية للسبائك المسحوبة

يحدد رقم التمبر في 3102 مباشرة التوازن بين القوة واللدونة لأن السبيكة غير معالجة حرارياً. زيادة رقم H تعني زيادة العمل البارد مما يرفع مقاومة الخضوع وقوة الشد مع تقليل الاستطالة وقابلية التشكيل، مما يؤثر على الانعكاس المرن ونصف قطر الثني الأدنى.

في التصنيع، يختار المهندسون التمبر O أو منخفض H للإنشاءات العميقة والطباعات المعقدة، بينما يتم اختيار H16–H18 لتحقيق صلابة هيكلية معتدلة ومقاومة محسنة للتجاعيد حيث لا تكون قابلية التشكيل حرجة.

التركيب الكيميائي

العنصر	النسبة المئوية	ملاحظات
Si	0.10–0.50	تحكم في الشوائب؛ يحسن السيولة في عمليات الصب لكنه منخفض في السبائك المصنعة
Fe	0.40–1.00	شائبة شائعة قد تشكل مركبات بينية، تؤثر على بنية الحبوب
Mn	0.60–1.50	العنصر الرئيسي للتقوية وحصر الحبوب من خلال محلول صلب
Mg	0.00–0.10	عادة منخفض جداً؛ إذا وُجد يمكن أن يزيد القوة قليلاً
Cu	0.00–0.20	محفوظ منخفضاً للحفاظ على مقاومة التآكل ومنع التقسية المفرطة
Zn	0.00–0.25	صغير؛ المستويات الأعلى مخصصة لسلاسل 7xxx/6xxx
Cr	0.00–0.10	عناصر أثرية؛ تساعد في التحكم في إعادة التبلور ونمو الحبوب
Ti	0.00–0.15	مكرر للحبوب في بعض عمليات المعالجة
أخرى	تكملة (Al)	بقايا وشوائب مقيدة عمداً مثل Ni, Pb, Bi

يمثل جدول التركيب النطاقات التجارية المعتادة المستخدمة لسبائك 3xxx المصنعة؛ قد تختلف مواصفات المطاحن الفعلية وتكون الضوابط أكثر تشدداً للمنتجات الحرجة للسطح. المنغنيز هو العنصر الحاسم للتقوية والتحكم في إعادة التبلور، بينما الحديد والسيليكون هما عناصر الشوائب الرئيسية التي تؤثر على جزيئات المركبات البينية واللاتماثل.

تُستخدم عناصر مثل التيتانيوم أو الكروم بكميات أثرية لتكرير الحبوب وتثبيت البنية الدقيقة أثناء الدرفلة والتمديدات اللاحقة، في حين يحافظ النحاس والمغنيسيوم على مستويات منخفضة لضمان مقاومة التآكل واستجابة متوقعة للعمل البارد.

الخواص الميكانيكية

يعرض سلوك الشد لسبائك 3102 استجابة إجهاد-انفعال متساوية نسبياً في التمبيرات الطرية مع استطالة متجانسة عالية، ويتحول إلى وجود هضبة خضوع أكثر وضوحاً وقوى إثبات أعلى مع زيادة العمل البارد. تزداد مقاومة الخضوع والقوة القصوى مع ارتفاع رقم التمبر H ولكن على حساب الاستطالة الكلية وقابلية الثني. الصلادة ترتبط ارتباطاً وثيقاً بقوة الشد والعمل البارد: منخفضة في حالة O وترتفع تدريجياً عبر التمبرات H12–H18.

سلوك الإجهاد المتكرر (التعب) في 3102 نموذجية لسبائك Al-Mn الطرية: حدود التحمل ليست محددة بدقة ولكنها تتأثر بقوة بملمس السطح، الإجهادات المتبقية من التشكيل، والسمك. الألواح الأرفع تظهر قوى ظاهرة أعلى بعد العمل البارد نتيجة تقسية الإجهاد أثناء الدرفلة وتأثيرات التركيب البلوري، بينما تحتفظ الأقسام الأثخن بمزيد من اللدونة في الحالات المطبوخة.

يجب أن تأخذ عمليات التشكيل والالتحام في الاعتبار سلوك التمبر المحدد: الألواح المطبوخة تسهل عمليات الرسم العميق، في حين يتطلب H16/H18 استخدام أدوات أكثر دقة وزيادة في نصف قطر الثني. عادة لا يسبب اللحام تشققات، لكن يحدث تليين موضعي في منطقة التأثير الحراري ويجب أخذه في الاعتبار في التصميم.

الخاصية	حالة O/مطبوخة	تمبر رئيسي (مثلاً H14/H18)	ملاحظات
قوة الشد (UTS)	80–140 MPa	140–250 MPa	النطاق يعتمد على العمل البارد؛ O في الحد الأدنى، H18 في الحد الأعلى
مقاومة الخضوع (إنزياح 0.2%)	30–80 MPa	90–180 MPa	قوة الإثبات تزداد بشكل كبير مع زيادة رقم H
الاستطالة (%)	25–45%	5–20%	لدونة عالية في حالة O؛ تقل بشكل كبير في تمبرات H العالية
الصلادة (HB أو HRB)	20–40 HB / 40–65 HRB	40–80 HB / 60–90 HRB	الصلادة تتناسب مع العمل البارد والخصائص الشدية

القيم أعلاه تمثل نطاقات تقريبية نموذجية للسبائك المصنعة من نوع 3xxx المحتوية على المنغنيز وينبغي التحقق منها من شهادات المطاحن للمشاريع التي تتطلب دقة في التصميم.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.70 جم/سم³	نموذجية لسبائك الألومنيوم؛ مفيدة لحساب الكتلة
نطاق الانصهار	~630–655 °C	فترة الصلب-السائل تختلف قليلاً حسب محتوى السيليكون والحديد
التوصيل الحراري	~120–160 W/m·K	أقل من الألمنيوم النقي بسبب السبائكية وتبعثر الذرات المذابة
التوصيل الكهربائي	~30–45 % من IACS	منخفض نسبياً مقارنة بألومنيوم النقاء التجاري؛ يختلف حسب التمبر
السعة الحرارية النوعية	~900 J/kg·K	قيمة نموذجية قرب درجات الحرارة المحيطة
معامل التمدد الحراري	23–24 µm/m·K (20–100 °C)	معامل تمدد خطي شائع للحسابات التصميمية

يتمتع 3102 بكثافة منخفضة مفضلة وتوصيل حراري عالي نسبيًا للألومنيوم، مما يجعله جذاباً حيث تكون الوزن وتبديد الحرارة مهمين. التوصيل والخصائص الحرارية تعتمد على التمبر لكنها لا تتغير بشكل كبير كما في الخواص الميكانيكية بين التمبرات.

يجب أخذ التمدد الحراري في الحسبان في التركيبات متعددة المواد؛ معدل التمدد نموذجي لسبائك الألومنيوم ويتطلب تصميم وصلات مناسب لتجنب تراكم الإجهادات أثناء دورات درجات الحرارة.

أشكال المنتجات

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	التمبورات الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.2–3.0 mm	ثابتة؛ السماكة تؤثر على قوة ما بعد التشكيل	O, H12, H14, H16	منتج على نطاق واسع للألواح، التكسية، والطرق
صفائح	3.0–12 mm	المواد السميكة تحتفظ بمعظم خصائص التليين	O, H111	أقل شيوعًا؛ تُستخدم للاحتياجات الإنشائية للصفائح
بروفيلات البثق	ملامح حتى مقاطع كبيرة	تختلف القوة حسب عدد مرور البروفيل والتقادم (إن وجد)	H111, H14	تُستخدم سبائك المنغنيز في البثق المعماري
أنابيب	جدران رقيقة إلى إنشائية	العمل البارد أثناء الرسم يزيد القوة	O, H12, H14	تُستخدم في أنظمة التكييف، الديكور، والأنابيب الإنشائية الخفيفة
قضبان وعصي	أقطار حتى 50 mm	سلوك مشابه للصفائح؛ محدود بسبب تطبيقات السبيكة	O, H111	تُستخدم للمكونات الميكانيكية والبراغي في أدوار غير حرجة

تخضع أشكال المنتجات المختلفة لعمليات معالجة متميزة تؤثر على البنية المجهرية واللاتماثل. تظهر المنتجات الرقيقة أو الألواح ذات السماكات المنخفضة نسيجًا أقوى وفروقًا أكثر وضوحًا بين الخصائص الطولية والعرضية، بينما تُجرى عمليات البثق ورسم الأنابيب للتحكم في تدفق الحبوب والقوة الاتجاهية.

يجب أن يأخذ اختيار الشكل والتمبور في الاعتبار العمليات التالية: الطرق والسحب العميق تفضل تمبورات O أو H12، في حين أن الاستخدامات الملفوفة والمثبتة والإنشائية تستخدم غالبًا تمبورات H عالية لتعزيز الصلابة ومقاومة الخدوش.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	3102	الولايات المتحدة الأمريكية	معترف بها في بعض كتالوجات المصانع كسبائك متداولة من سلسلة 3xxx
EN AW	3102	أوروبا	غالبًا ما يُشار إليها تحت رمز EN AW في المشتريات
JIS	A3102 (أو ما يشابهها)	اليابان	قد تدرج المعايير المحلية تراكيب مشابهة لألمنيوم-منغنيز
GB/T	3102	الصين	المعايير الصينية قد توفر درجة تجارية مماثلة مباشرة

تختلف قوائم الدرجات المكافئة لـ 3102 حسب جهة المعيار وممارسات المصنع؛ تستخدم بعض المناطق نفس التسمية الرقمية تحت أنظمة EN، JIS، أو GB، بينما تحدد مناطق أخرى سبائك 3xxx الحاملة للمنغنيز المشابهة فقط. تنشأ الفروق البسيطة من الحدود المسموح بها للعناصر النزرة (Cu, Fe, Si) ومن اختلاف متطلبات التشكيل والتمبور.

عند تحديد درجات معادلة عبر مناطق مختلفة، ينبغي على المهندسين طلب شهادات كيميائية وميكانيكية كاملة والتأكد من قابلية التشكيل وفئات جودة السطح لضمان التبادل في التطبيقات الحرجة.

مقاومة التآكل

تعرض 3102 مقاومة جيدة للتآكل الجوي العام المميزة لسبائك Al-Mn، مستفيدة من طبقة أكسيد الألمنيوم الواقية التي تتجدد سريعًا بعد أي اضطراب ميكانيكي. في الأجواء الريفية والحضرية تؤدي السبيكة أداءً جيدًا؛ تظهر مشاكل كهروكيميائية (مساهمة غالڤانية) عند اقترانها مع معادن أكثر نبالة دون عزل.

في البيئات البحرية توفر 3102 أداء مقبولًا لتطبيقات فوق خط الماء والمحمية، لكن التعرض المطول لمنطقة الرش وحلول كلوريد المركزة يسرّع من الحفر والهجوم السطحي مقارنة بالسبائك البحرية ذات التكوين الأعلى. يُوصى بالعلاجات السطحية والطلاءات المناسبة للخدمة البحرية طويلة الأمد.

حساسية السبيكة لتشقق التآكل الإجهادي منخفضة مقارنة ببعض السبائك عالية القوة والخاضعة للمعالجة الحرارية، لكن يمكن أن يحدث تكسُّر موضعي إذا اجتمعت الضغوط الباقية والظروف التآكلية. في الأزواج الغالڤانية، تتآكل 3102 بشكل تفضيلي مقارنة بالعديد من الفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النحاس عند الاتصال المباشر في وسط إلكتروليتي؛ لذا يُستخدم عادة مواد عازلة أو طبقات واقية.

مقارنة مع سبائك 5xxx الحاملة للمغنيسيوم، عادة ما تظهر 3102 مقاومة أفضل لتشقق التآكل الإجهادي ولكن قد تكون مقاومة الحفر أقل قليلاً في البيئات الغنية بالكلوريدات حسب التركيب الكيماوي والتمبور.

خصائص التصنيع

القابلية للحام

تُلحَم 3102 بسهولة بالطرق الانصهارية الشائعة مثل TIG وMIG مع ميل منخفض للتشققات الساخنة، بسبب احتوائها على مستويات منخفضة من العناصر التي تعزز الانصهار الجزئي. المواد المالئة الموصى بها هي سبائك عامة من Al-Mg-Si أو Al-Mn حيث يكون مطابقة اللون، مقاومة التآكل، وتوازن الخصائص الميكانيكية مرغوبًا؛ يستخدم ER4043 أو ER4047 عادة للأسطح الجمالية، بينما تحافظ مواد الحشو Al-Mn على التوافق مع المعدن الأساسي. يحدث تطرية في منطقة تأثير الحرارة ويجب توقع انخفاض قوة محلية بالقرب من اللحامات في تمبورات H العالية.

قابلية التشغيل

المنطقة 3102 سهلة التشغيل متوسطًا بسبب الدكتيلية وقوة منخفضة نسبيًا في التمبورات الشائعة، لكن عدم وجود إضافات للسهولة في التجويف تجعل التحكم في رقائق القطع صعبًا في التمبورات اللينة. يُوصى بأدوات كربيد مزودة بزوايا موجبة وتوفير تبريد كافٍ لزيادة الإنتاجية؛ يجب اختيار سرعات القطع بعناية لتجنب تراكم الحافة على الأدوات. لأفضل جودة سطح، يُفضل إجراء عمليات شبه تشطيب مع التحكم في معدلات التغذية لتقليل التقسية المسبقة لمواجهة القطع.

قابلية التشكيل

تتمتع 3102 بقابلية تشكيل ممتازة في تمبورات O وتمبورات H المنخفضة، مما يتيح عمليات السحب العميق والطباعة المعقدة مع ارتداد منخفض. تعتمِد أقل أنصاف أقطار الانحناء على التمبور والسماكة؛ يمثل قاعدة إبهام الحفاظ على نسب R/t أكبر من 1–2 للتمبور O وترتفع إلى 3–4 للتمبورات H16–H18 لتجنب التشقق. يزيد العمل البارد القوة لكنه يقلل القابلية للتشكيل، لذلك يُستخدم التشكيل المرحلي مع تلدين مرحلي منهج شائع للأشكال المعقدة.

سلوك المعالجة الحرارية

كسبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، لا تستجيب 3102 للعلاج بالتحليل الحراري أو التقادم الاصطناعي لتطوير تقسية ترسيبية. تحاول المعالجات الحرارية تعزيز القوة يكون لها تأثير أساسي في التلدين وتطرية التمبور بدلاً من التقوية بالترسيب.

التقسية بالعمل هي السبيل الرئيسي لزيادة القوة: يزيد التدرج في كثافة الانزلاقات وقوة الخضوع بواسطة الدرفلة الباردة، السحب، والطباعة. تُستخدم عمليات التلدين الصناعية القياسية (الاسترداد وإعادة التبلور) لإعادة المادة إلى ظروف قريبة من O؛ تجرى عمليات إعادة التبلور النموذجية لسبائك Al-Mn في نطاق درجات حرارة 300–400 °C مع أوقات تعتمد على السماكة والعمل البارد السابق.

تُستخدم عمليات التلدين الجزئي المسيطر عليها وتثبيت التمبور (مثل التعديل H111) لضبط مزيج القوة والقابلية للتشكيل للعمليات التالية. بالنسبة للمكونات الحرجة للسطح، يمكن لعمليات التلدين اللامع أو التلدين المستمر أن تساعد في الحفاظ على جودة السطح مع تعديل الخصائص الميكانيكية.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تحافظ 3102 على قوة متواضعة عند درجات الحرارة المرتفعة لكنها تتعرض لتدهور سريع في القوة فوق حوالي 150–200 °C بسبب الاسترداد وبدء التبلور في ظروف العمل البارد الشديد. يسبب التعرض الطويل فوق حوالي 250 °C تليين دائم وفقدان قدرة التحميل، لذا تُقيد درجات حرارة الخدمة عمليًا ضمن هذا النطاق للتطبيقات الإنشائية.

أكسدة الألمنيوم محدودة ذاتيًا بسبب تكوين طبقة ألمنيوم ذاتية الحماية، لكن التعرض المطول للحرارة العالية قد يغير مظهر السطح، يجعل القطع الدقيقة هشة، ويسرع نمو الحبوب. في التركيبات الملحومة، قد تتعرض منطقة تأثير الحرارة لتغييرات مجهرية موضعية تقلل القوة المحلية، خصوصًا إذا لم يُطبق التلدين بعد اللحام.

مقاومة الزحف محدودة مقارنة بالسبائك عالية الحرارة؛ لا يُنصح باستخدام 3102 لتحميل مستمر عند درجات حرارة مرتفعة. يجب على المهندسين النظر في أنظمة سبائكية بديلة للتطبيقات الحرارية المستمرة أو توفير تبريد وإدارة حرارية للحد من درجات حرارة الخدمة القصوى.

التطبيقات

الصناعة	مكون المثال	لماذا تُستخدم 3102
السيارات	الألواح الخارجية، الألواح الداخلية	قابلية تشكيل ممتازة، جودة سطح، ومقاومة تآكل
البحرية	أغلفة خفيفة، التركيبات الداخلية	مقاومة جيدة للتآكل الجوي، سهولة التصنيع
الفضاء	التركيبات الثانوية، الأغطية	نسبة قوة إلى وزن مناسبة للهياكل غير الرئيسية
الإلكترونيات	الهياكل والأغلفة	موصلية حرارية وسهولة تشكيل للأغلفة

تحظى 3102 بشعبية لتطبيقات الألواح الملفوفة والمشكلة حيث تُطلب أشكال معقدة، مقاومة للخدش (في التمبورات المتوسطة H)، وقابلية للطلاء بتكلفة معقولة. توازن خصائصها يجعلها سبيكة مفضلة للألواح المعمارية، مكونات HVAC، والصناعات العامة حيث لا تكون السبائك المعالجة حراريًا ضرورية.

نصائح الاختيار

3102 خيار قوي عندما يحتاج المهندسون إلى سبيكة ألمنيوم لينة مقاومة للتآكل يسهل تشكيلها ولحامها، مع توفير قوة أعلى من الألمنيوم النقي تجاريًا. تتنازل عن بعض الناقلية الكهربائية والحرارية مقارنة بـ 1100 مقابل تحسين الأداء الميكانيكي مع الحفاظ على قابلية تشكيل ممتازة.

بالمقارنة مع السبائك المقسية بالتشغيل مثل 3003 و5052، تقع سبائك 3102 عادة في منتصف النطاق من حيث القوة ومقاومة التآكل؛ فهي تقدم تشطيب سطح أفضل واستجابة لمعالجة التصلب مقارنة ببعض السبائك عالية المغنيسيوم، لكنها عادة لا تصل إلى نفس مستوى مقاومة التآكل الناتج عن التآكل في مياه البحر كالدرجات المحسنة من سلسلة 5xxx. وبالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، تمتلك 3102 قوة قصوى أقل لكنها تتميز بقابلية تشكيل أفضل ومعالجة أبسط، مما يجعلها مفضلة للأجزاء المطبوعة بكميات كبيرة حيث تكون تكلفة المعالجة الحرارية أو التشوهات الناتجة عنها مصدر قلق.

اختر 3102 عندما تكون الأولوية في التصميم هي جودة التشكيل، قابلية اللحام، واستمرارية حالة السطح عند قوة متوسطة، وحين لا تتطلب التطبيقات أعلى نسبة قوة إلى وزن ممكنة أو قدرة طويلة الأمد على تحمل درجات الحرارة المرتفعة.

الملخص الختامي

تظل الألمنيوم 3102 ذات صلة كسبائك من الألمنيوم والمنغنيز المشغولة بشكل عملي التي توفر مزيجًا عمليًا من قابلية التشكيل ومقاومة التآكل والقوة الممكن تحقيقها من خلال التشغيل بالتبريد. تجعل صلاحيته للتصنيع وسلوكه المتوقع عبر أشكال المنتجات الشائعة منه اختيارًا متينًا للعديد من التطبيقات في السيارات والمعمار والتصنيع العام حيث تُقدَّر البساطة والموثوقية.