ألمنيوم 3105: التركيب، الخواص، دليل الحالة الحرارية، والتطبيقات

نظرة شاملة

3105 هو من أعضاء سلسلة 3xxx من سبائك الألومنيوم المشغولة، ويرتكز بشكل أساسي على المنغنيز وكميات معتدلة من المغنيسيوم. كسبائك من سلسلة 3xxx، فهو مادة غير قابلة للمعالجة الحرارية وقابلة للتصلب بالتشويه، يكتسب متانته بشكل رئيسي من العمل البارد بدلاً من التقسية بالترسيب.

الإضافات الرئيسية للسبائك هي المنغنيز (Mn) وكميات صغيرة ومضبوطة من المغنيسيوم (Mg)، مع وجود السيليكون والحديد وعناصر أثرية بنسب منخفضة. ترفع هذه العناصر من قوة السبيكة مقارنة بالألومنيوم النقي تجارياً مع الحفاظ على مقاومة جيدة للتآكل وقابلية تشكيل ممتازة.

السمات الرئيسية لـ 3105 تشمل قوة معتدلة، مقاومة جيدة للتآكل الجوي، لدونة عالية في الحالة المعالجة حرارياً (المخمّدة)، وقابلية لحام جيدة لأغراض عامة. الصناعات والتطبيقات النموذجية تشمل التكسية المعمارية والأسقف، الأعمال العامة للصفائح المعدنية، ألواح الأجهزة المنزلية، وبعض الألواح الجانبية لأجسام الشاحنات والمقطورات حيث يكون مطلوباً توازن بين قابلية التشكيل ومقاومة التآكل.

يختار المهندسون 3105 عندما يحتاجون لأداء ميكانيكي أفضل من سبائك سلسلة 1000 لكنهم لا يحتاجون للخصائص ذات القوة الأعلى أو السلوك القابل للمعالجة الحرارية لسلسلة 6xxx أو 2xxx. غالبًا ما يتم تحديد هذه السبيكة حيث تسود عمليات التشكيل وحيث تكون المتانة الناتجة عن التعب خلال العمل البارد مقبولة وفعالة من حيث التكلفة.

أنواع المعالجة الحرارية (Temper)

المعالجة	مستوى الشدة	الاستطالة	قابلية التشكيل	القابلية للحام	ملاحظات
O	منخفض	عالي (≥30%)	ممتاز	ممتاز	مخمّد بالكامل لأقصى درجة من اللدونة والتشكيل العميق بالسحب
H12	منخفض-متوسط	متوسط (≈15–25%)	جيد جداً	ممتاز	تصلب جزئي بواسطة إجهاد انضغاطي أو شد، يحتفظ بقابلية تشكيل جيدة
H14	متوسط	متوسط (≈10–18%)	جيد	ممتاز	معالجة تجارية شائعة لقوة معتدلة وقابلية تشكيل جيدة
H16	متوسط	أقل من H14 (≈8–15%)	جيد-مقبول	ممتاز	تصلب أكبر لزيادة مقاومة الخضوع ومقاومة الشد
H18	متوسط-عالي	منخفض-متوسط (≈6–12%)	مقبول	ممتاز	عمل بارد أثقل لقوة ثابتة أعلى
H24	متوسط	متوسط (≈12–20%)	جيد	ممتاز	معالجة محلول+إجهاد جزئي متكرر؛ يحسن الاستقرار لبعض عمليات التشكيل

تغيّر المعالجة الحرارية بشكل كبير التوازن بين اللدونة والقوة لسبيكة 3105. توفر الحالة المخمّدة O أكبر قابلية تشكيل للعمليات المعقدة مثل الطبع والسحب العميق، بينما توفر معالجات H زيادات تدريجية في القوة عبر العمل البارد والتصلب المتحكم فيه بالإجهاد.

اختيار المعالجة الحرارية هو قرار تصنيع يعتمد على تسلسل التشكيل، القوة النهائية المطلوبة، والاستقرار الأبعاد. بالنسبة للتجميعات الملحومة، فإن الحالات المخمّدة أو المعالجة عمل بارد خفيفاً تقلل مخاطر التشقق وتجعل التحكم في التشوه أسهل.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة %	ملاحظات
Si	≤ 0.6	السيليكون محدود لتقليل تكون الفلزات البينية الهشة والحفاظ على القابلية للتشكيل
Fe	≤ 0.7	حديد متبقي؛ يتم التحكم به للحد من جسيمات الفلزات البينية الخشنة التي تقلل اللدونة
Mn	0.7 – 1.3	العنصر الرئيسي للسبائك، يوفر تقوية الحل الصلب وتثبيت الحبيبات
Mg	0.2 – 0.7	إضافات صغيرة من المغنيسيوم تزيد القوة وتحسن استجابة التصلب بالإجهاد
Cu	≤ 0.25	نحاس محدود؛ كميات صغيرة تحسّن القوة لكنها قد تقلل مقاومة التآكل
Zn	≤ 0.2	يتم الحفاظ على نسبة منخفضة لتجنب الترسيبات غير الخاضعة للتحكم والحفاظ على مقاومة التآكل
Cr	≤ 0.1	مستويات أثرية؛ قد تستخدم للتحكم في بنية الحبيبات في بعض دفعات المصنع
Ti	≤ 0.15	مزيلة للأكسجين / منشّط للحبيبات في بعض عمليات التصنيع
عناصر أخرى	كل منها ≤ 0.05، المجموع ≤ 0.15	شوائب صغيرة / متبقيات؛ محددة بدقة لضمان خصائص متسقة

تم ضبط التركيب الكيميائي لـ 3105 لتحقيق توازن بين تصلب العمل البارد ومقاومة التآكل. المنغنيز هو العنصر المقوي الرئيسي الذي يوفر تقوية حدود الحبيبات دون الحاجة للمعالجة الحرارية. تعزز مستويات المغنيسيوم المعتدلة الاستجابة للعمل البارد والقوة النهائية بعد التشكيل، في حين تحافظ الكميات المنخفضة من النحاس والزنك على المقاومة للتآكل العام والتحلل الكهروكيميائي.

الخصائص الميكانيكية

في سلوك الشد، يتبع 3105 الأنماط النموذجية لسلسلة 3xxx: منخفض مقاومة الخضوع في الحالة المخمّدة مع استجابة تصلب مستمرة عند العمل البارد. تتغير مقاومة الشد ومقاومة الخضوع مع المعالجة الحرارية والسماكة؛ يتميز الصفيح الرقيق عادة بقوة ظاهرة أعلى نتيجة للتصلب خلال الدرفلة واللف. الأداء في مقاومة التعب مقبول للمكونات غير الحرجة ذات دورات منخفضة، لكنه يتأثر بشدة بتشطيب السطح والضغوط المتبقية من التشكيل واللحام.

مقاومة الخضوع في حالة O منخفضة ولديه لدونة عالية، مما يجعله مثالياً للتشكيل؛ مستويات المعالجة H14 وH16 توفر مقاومة خضوع ومقاومة شد متوسطة مع الاحتفاظ باستطالة معقولة للعمليات المتوسطة في التشكيل. الصلادة تتعلق بالعمل البارد؛ مواد المعالجة H تظهر قيم برينل أو فيكرز أعلى من حالة O، ويمكن أن يحدث تصلب موضعي في منطقة تأثير الحرارة أثناء اللحام. تؤثر سماكة المادة بشكل ملحوظ: الألواح السميكة تظهر لدونة أقل قليلاً وقد يكون لها مقاومة أقل قليلاً لكل وحدة مقطع بسبب اختلافات في معالجة المصنع.

الخاصة	O/مخمّدة	معالجة رئيسية (H14)	ملاحظات
مقاومة الشد	~90 – 140 MPa	~160 – 210 MPa	النطاقات الأوسع تعتمد على السماكة والمعالجة بالمصنع؛ زيادة الشد في حالة H حوالي 40–80 MPa مقارنة مع O
مقاومة الخضوع	~25 – 60 MPa	~90 – 140 MPa	يزداد الخضوع بسرعة مع التصلب بسبب الإجهاد؛ تعتمد المقاومة الدقيقة على نسبة العمل البارد
الاستطالة	≥30% (لسماكات رقيقة)	~10–18%	تتناقص الاستطالة مع زيادة المعالجة؛ السماكات الأكبر تظهر عادة استطالة أقل
الصلادة	HB 20–40	HB 40–70	تزداد الصلادة مع مستوى المعالجة والعمل البارد؛ القيم تقريبية وتعتمد على طريقة الاختبار

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	≈ 2.70 g/cm³	مألوفة لسبائك الألومنيوم مع المنغنيز؛ مهمة لحساب نسبة القوة إلى الوزن
نطاق الانصهار	≈ 630 – 650 °C	عنصر السبيكة يخفض درجة الانصهار قليلاً عن الألومنيوم النقي (660 °C)؛ لا ينطبق نطاق الانصهار على الأشكال المشغولة مثل المصبوبات
التوصيل الحراري	≈ 130 – 170 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي، لكنه جيد لتبديد الحرارة
التوصيل الكهربائي	≈ 30 – 45 % IACS	أقل من الألومنيوم النقي بسبب إحتوائه على سبائك؛ يؤثر على تصميم الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي والموصلات
السعة الحرارية النوعية	≈ 900 J/kg·K	تقريبية، مفيدة لحسابات الكتلة الحرارية والتسخين المؤقت
تمدد حراري خطي	≈ 23 – 24 µm/m·K	مماثل لسبائك الألومنيوم الأخرى؛ مهم للدورات الحرارية والربط مع المعادن غير الحديدية

تحافظ 3105 على العديد من الخصائص الفيزيائية المفضلة للألومنيوم: كثافة منخفضة، توصيل حراري جيد، وسعة حرارية نوعية مرتفعة نسبياً. هذه الخصائص تجعلها مفيدة حيث يكون تقليل الوزن والنقل الحراري المعتدل مطلوبين، على الرغم من أن التوصيل منخفض بشكل ملحوظ مقارنة بسبائك الألومنيوم النقية تقريباً.

يجب على المصممين مراعاة التمدد الحراري الأعلى مقارنة بالفولاذ وبعض السبائك غير الحديدية الأخرى، خاصة في التركيبات التي تجمع مع مواد مختلفة حيث يمكن أن يتسبب التمدد التفريقي في إجهادات أو تشوهات خلال فترات تغير درجات الحرارة.

أشكال المنتج

الشكل	السُمك/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المقاسات النموذجية	ملاحظات
ألواح	0.2 – 6.0 mm	القوة تزداد مع المقاسات H	O, H12, H14, H16	الشكل الأكثر شيوعًا للألواح المعمارية وألواح الأجهزة
ألواح سميكة	>6.0 mm	انخفاض طفيف في الليونة مقارنة بالألواح الرقيقة	O, H14, H18	أقل شيوعًا؛ تستخدم حيث تكون القطاعات السميكة مطلوبة
بثق	مقاطع معقدة حتى الملفات الكبيرة	يمكن للعمل البارد بعد البثق رفع القوة	O ثم معتقة/معالجة باردة إلى حالة H	سبائك المنغنيز قابلة للبثق لكن 3xxx ليست شائعة مثل 6xxx للبثقات الإنشائية
أنابيب	قطر من صغير إلى كبير، سمك الجدار متغير	يعتمد على التصنيع (مسحوبة أو ملحومة)	O, H14	تُستخدم لأنابيب حيث مطلوب مقاومة التآكل وقابلية التشكيل
قضبان/أعمدة	قضبان دائرية/مفلطحة لأجزاء هيكلية خفيفة	قوة معتدلة؛ تزداد مع العمل البارد	H14, H16	أقل شيوعًا من الألواح؛ تُستخدم لمكونات مشكّلة أو مثبتات في حالات محدودة

الألواح واللفائف هي أشكال المنتجات التجارية السائدة لـ 3105، مما يعكس فائدة السبائك في الألواح الخارجية والتكسية والأسقف وألواح الأجهزة. تتوفر الألواح السميكة والبثق لكنهما أقل شيوعًا ويُختاران حيث تتطلب المواصفات سمكًا أو ملفًا معينًا يفوق فوائد السبائك البديلة.

تختلف عمليات التصنيع بين الأشكال: الألواح المدلفنة تتعرض لانخفاض بارد كبير ولفائف يؤثر على الإجهادات المتبقية واستجابة المقاس. البثق والأنابيب لها خواصها كما بعد البثق وقد تتطلب معالجة لاحقة (تشيخ أو عمل بارد) لتلبية المواصفات الأبعاد والقوة.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	3105	الولايات المتحدة	UNS A93105؛ تسمية شائعة في أمريكا الشمالية
EN AW	3105	أوروبا	غالبًا ما تُدرج تحت EN AW-3105؛ الكيمياء والتحملات متوافقة مع معايير الألمنيوم المشغول الدولية
JIS	A3105 (الشكل الشائع)	اليابان	قد تدرج المعايير المحلية A3105 أو تركيبة مكافئة من Al-Mn-Mg
GB/T	3105	الصين	معايير الصلب/الألمنيوم الصينية عادة تستخدم نفس التسمية الرقمية لسلسلة الألمنيوم المشغول

تُستخدم تسمية 3105 على نطاق واسع في المعايير العالمية وعادة ما تكون متسقة عبر المناطق من حيث التركيب الكيميائي وهدف التطبيق. قد تظهر اختلافات صغيرة بسبب نطاقات التحمل المحلية، ومستويات الشوائب المسموح بها، وممارسات شهادات المصنع. يجب على المشترين طلب مراجع معايير محددة وشهادات المصنع لضمان التوافق التركيب والميكانيكي للمشاريع الحساسة.

مقاومة التآكل

يُظهر 3105 مقاومة جيدة لتآكل الغلاف الجوي العام ويؤدي أداءً جيدًا في البيئات الحضرية والريفية النموذجية. توفر المحتويات المضبوطة من المنغنيز وكمية النحاس المنخفضة استقرارًا متوازنًا للسطح وتقلل من القابلية للتآكل الموحد؛ يعزز الطلاء أو التشطيب الحياتي للأغراض المعمارية.

في البيئات البحرية، يمكن استخدام 3105 في التطبيقات فوق السطح أو المحمية لكنه ليس قويًا مثل السبائك الغنية بالمغنيسيوم من سلسلة 5xxx للخدمة المغمورة أو مناطق الرش. يعد التآكل الناتج عن الكلوريد أكثر وضوحًا في مياه البحر مقارنة بالأجواء القلوية، لذا يُنصح بحماية إضافية (طلاءات، تأكسد كهربائي، أو أنودات ذبائح) للتعرض البحري الطويل.

مخاطر تشقق التآكل بالإجهاد ل3105 منخفضة في الظروف الطبيعية لأنه ليس سبائك معالجة بالترسيب؛ لكن قد تحدث تآكلات موضعية وتكسر هيدروجيني في بيئات كاثودية شديدة. عند اقترانه جلفانيًا مع معادن أكثر نبلاً مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو النحاس، يعمل 3105 كأنود ويتآكل تفضيليًا ما لم يكن معزولًا كهربائيًا أو محميًا. ينبغي للمصممين تخطيط مواد الوصلات والطلاءات للسيطرة على التيارات الجلفانية.

مقارنةً بعائلات السبائك الأخرى، عادةً ما يتفوق 3105 على سلسلة 1xxx في القوة مع مستويات تآكل مماثلة، بينما يتخلف عن سبائك المغنيسيوم الغنية من 5xxx في البيئات البحرية العدائية أو المحتوية على كلوريد. مقابل سبائك 6xxx، يقدم 3105 قابلية أفضل للتشكيل لكنه أقل قوة هيكلية ومظهر تأكسد كهربائي مختلف.

خواص التصنيع

القابلية للحام

3105 يُلحم بسهولة بعمليات الاندماج الشائعة مثل TIG (GTAW) وMIG (GMAW). أسلاك الحشو الموصى بها تشمل 4043 (Al-Si) لتدفق جيد وتقليل ميل التشقق الساخن، أو 5356 (Al-Mg) عندما تكون قوة الوصلة أعلى مطلوبة؛ يعتمد اختيار الحشو على حالة المعدن الأساسي والمقاومة المطلوبة للتآكل. خطر التشقق الساخن في سبائك 3xxx منخفض مقارنة ببعض سبائك Al-Si المصبوبة، لكن يجب الانتباه لتوافق المفصل ومدخل الحرارة لتقليل التشوه وتخفيف منطقة تأثير الحرارة.

قابلية التشغيل

قابلية التشغيل ل3105 متوسطة إلى ضعيفة مقارنة بسبائك الألمنيوم سهلة التشغيل وبعض درجات 6xxx. مؤشرات التشغيل النموذجية أقل من السبائك المشغولة 6xxx؛ يُنصح باستخدام أدوات كربيد حادة، زاوية ميل موجبة عالية، وإزالة رقائق فعالة. يجب ضبط سرعات القطع أقل من توصيات 6xxx، وقد تحتاج إلى تزييت أو نفخ هوائي للسيطرة المستمرة على الرقائق في القطاعات ذات الجدران الرقيقة.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل في الحالة المخمدة O ممتازة، مما يسمح بالسحب العميق، التشكيل بالشد، وثني معقد. يمكن أن تكون أنصاف أقطار الثني الداخلية الدنيا للحالة O منخفضة جدًا تصل إلى 0.5–1.0× السماكة للثنيات البسيطة، في حين تتطلب حالات H عادة 1–3× السماكة لتجنب التشقق. عودة الربيع معتدلة ويمكن التنبؤ بها، ويمكن استخدام التهيئة المسبقة للشد أو المعالجات المتوسطة لتحقيق أشكال معقدة مع الحفاظ على السيطرة الأبعادية.

سلوك المعالجة الحرارية

3105 غير قابل للمعالجة الحرارية؛ يتم تطوير القوة بشكل رئيسي عن طريق العمل البارد (تقسية بالتشوه). لا توجد معالجة مذابة ومعالجة شيخوخة فعالة تُنتج تقسية ترسيبية كما في سبائك 6xxx أو 2xxx.

يُستخدم التخمير لاستعادة الليونة وتخفيف الإجهادات المتبقية. تتراوح درجات التخمير الصناعية النموذجية لسبائك 3xxx بين 300–415 °C مع فترة تثبيت مناسبة لسماكة القطعة؛ لا يتطلب تبريد سريع. حالات T (التشيخ الصناعي) ليست مناسبة لإنتاج قوة إضافية ملحوظة في 3105، مع أن بعض الممارسات التجارية تجمع بين التخمير المذاب مع إعادة تشويه ميكانيكي لتثبيت المقاس (مثل معالجة نمط H24).

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تضعف القوة الميكانيكية لـ 3105 تدريجياً مع ارتفاع درجة الحرارة؛ تنخفض القوة الهيكلية المفيدة بشكل كبير فوق ~100–150 °C. تتحمل التعرضات القصيرة لدرجات حرارة مرتفعة (للتشكيل، اللحام النحاسي أو اللحام)، لكن الخدمة المستمرة عند درجات حرارة عالية ستقلل من مقاومة الخضوع والشد. يؤكسد الألمنيوم بطبقة أكسيد رقيقة واقية تحد من التفاعل؛ مع ذلك، تزداد معدلات الأكسدة وتكوين القشرة في درجات الحرارة المرتفعة ويجب أخذ ذلك بالاعتبار لاستخدام طويل الأمد.

تُظهر مناطق تأثير حرارة اللحام تليين موضعياً بسبب تأثير التخمير الحراري لدورة اللحام، لكن عدم وجود تقسية ترسيبية يمنع الانزياحات إلى حالات أضعف كما في بعض السبائك المعالجة حراريًا. بالنسبة للتجمعات ذات الخدمة الحرارية العالية، يجب للمهندسين تقييم الزحف والإجهاد عند درجات حرارة العمل والنظر في سبائك أعلى حرارة إذا لزم الأمر.

التطبيقات

الصناعة	مكون نموذجي	سبب استخدام 3105
السيارات	ألواح الهيكل الخارجية، التشطيبات	قابلية تشكيل جيدة للألواح المطبوع؛ قوة معتدلة بعد التقسية بالعمل
البحرية	الهياكل المحمية، التركيبات الداخلية	مقاومة عامة للتآكل وسهولة التشكيل لمكونات البحرية المعمارية
الفضاء	التجهيزات غير الهيكلية، الأغطية	كثافة منخفضة وقابلية التشكيل للأجزاء غير الهيكلية الأساسية
الإلكترونيات	ألواح الغلاف الرقيقة، حواجز حرارية	توازن بين التوصيل الحراري وقابلية التصنيع للأغلفة
العمارة	التكسية، الأسقف، المزاريب	مقاومة الطقس، قابلية الطلاء، وثبات المظهر طويل الأمد

3105 ذو قيمة خاصة حيث تتنافس تعقيدات التشكيل، مقاومة التآكل والتكلفة مع متطلبات الأداء الميكانيكي المعتدل. مزيج السمات يجعله خيارًا موثوقًا للعديد من التطبيقات التي تغلب عليها صفائح المعادن حيث لا تكون السبائك القوية المعالجة حراريًا ضرورية.

نصائح الاختيار

3105 خيار عملي عندما يحتاج المصممون لقوة أعلى من الألمنيوم التجاري النقي (مثل 1100) مع الحفاظ على قابلية التشكيل الممتازة ومقاومة التآكل. مقارنة بـ 1100، يتنازل 3105 عن تخفيض معتدل في التوصيل الكهربائي والحراري مقابل قوة خضوع ومتانة شد أعلى واستقرار ميكانيكي محسّن أثناء التشكيل.

مقارنةً بالسبائك الشائعة المتصلبة بالعمل مثل 3003 أو 5052، عادةً ما يكون سبيكة 3105 بينهما من حيث القوة والمقاومة للتآكل: فهي أقوى من 3003 في العديد من الحالات الحرارية بفضل محتوى Mn/Mg المحسّن، لكنها عادةً أقل مقاومة للتآكل في البيئات الحاوية على الكلوريد القاسية مقارنةً بالسبائك الغنية بالمغنيسيوم من فئة 5xxx. بالمقارنة مع المواد القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، يُختار 3105 عندما يكون تكوين الشكل وسهولة التشكيل النهائي من الأولويات، وعندما تكون التكلفة المنخفضة والتصنيع الأبسط (دون دورات المعالجة الحرارية للحل أو التشيّخ) ميزة هامة على الرغم من انخفاض المقاومة القصوى.

اختر 3105 عندما تكون متطلبات المشروع تركز على السحب العميق أو الختم المعقد، ومقاومة جيدة للتآكل الجوي، وسهولة اللحام، وتوفر اقتصادي للألواح. تجنب استخدامه عندما تكون القوة الإنشائية القصوى، أو الاستقرار في درجات الحرارة العالية، أو الأداء الممتاز عند الغمر البحري من المتطلبات الضرورية؛ في هذه الحالات ينبغي النظر في السبائك من الفئة 6xxx أو 5xxx على الترتيب.

الملخص الختامي

تظل سبيكة 3105 ذات فئة 3xxx ذات صلة كسبيكة ألومنيوم متعددة الاستخدامات توازن بين القابلية للتشكيل، وسهولة اللحام، والمقاومة للتآكل مع قوة معتدلة يمكن تحقيقها من خلال العمل البارد. يُعد أداؤها المستقر في الألواح واللفائف، وتوافرها الواسع، وسهولة تصنيعها من المواصفات العملية للتطبيقات المعمارية والأجهزة والنقل والهندسة العامة حيث تلعب الاعتبارات مثل الوزن، وقابلية التصنيع، وتكلفة دورة الحياة دورًا رئيسًا.