ألمنيوم 5051: التركيب، الخصائص، دليل الحالة الحرارية والتطبيقات

نظرة شاملة

5051 هو من سلسلة سبائك الألومنيوم 5xxx، وهي سبائك مدعمة بالمغنيسيوم وغير قابلة للمعالجة بالحرارة. العنصر الأساسي في السبيكة هو المغنيسيوم، عادة ضمن النطاق المنخفض إلى المتوسط بالنسبة المئوية، مع مستويات ضئيلة من المنغنيز والكروم لتحسين بنية الحبيبات وزيادة مقاومة التآكل. يتم تحقيق التقوية بشكل رئيسي عبر تقوية محلول صلب وتصلب تشوه، بدلاً من المعالجة بالحرارة للتصلب الناشئ، مما يصنف 5051 ضمن نفس فئة المعالجة كباقي سبائك 5xxx.

الخصائص الرئيسية لـ 5051 تشمل توازنًا جيدًا بين القوة المعتدلة، مقاومة تآكل جيدة (خاصة في البيئات البحرية والمحتوية على الكلوريدات)، وقابلية لحام ممتازة. قابلية التشكيل في الحالات اللينة جيدة إلى ممتازة، وتستجيب السبيكة بشكل متوقع للتشغيل البارد لزيادة القوة تدريجياً. تُستخدم هذه السبيكة في صناعات مثل البناء البحري، النقل (هياكل المقطورات والسيارات الصغيرة)، أوعية الضغط، وبعض التطبيقات المعمارية التي تعطي أولوية لمقاومة التآكل والقوة المعتدلة.

يختار المهندسون 5051 على فرض أنواع أخرى من السبائك عند الحاجة إلى قوة محسنة مقارنة بالألومنيوم النقي تجاريًا، مع الحفاظ على مقاومة أفضل للتآكل البحري مقارنة بالكثير من سبائك 3xxx المقواة بالتشغيل البارد. يتم اختيارها حيث تكون عملية اللحام والأداء بعد اللحام ذات أهمية، وحيث تكون المعالجة الحرارية غير عملية أو غير ضرورية. كما يُعد السعر وتوفر المادة من العوامل المحركة؛ إذ غالبًا ما يوفر 5051 موقعاً جذاباً من حيث التكلفة والأداء للألواح الهيكلية، البثق، والتجميعات الملحومة.

أنواع التصلب (Temper)

التصلب	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	عالية (20–35%)	ممتازة	ممتازة	مخمّر بالكامل، أقصى دكتيلية وقابلية للتشكيل
H12	معتدلة	معتدلة (12–20%)	جيدة	ممتازة	تصلب جزئي، تشكيل محدود بعد التصلب
H14	معتدلة إلى عالية	معتدلة (8–15%)	جيدة	ممتازة	تصلب ربع، شائع لتشكيل الألواح والقوة المعتدلة
H18	عالية	منخفضة (6–12%)	محدودة	ممتازة	تصلب كامل، مستخدم حيث يتطلب عائد أعلى دون تخمير
H22	معتدلة (مستقرة)	معتدلة	جيدة	ممتازة	تخفيف إجهاد بعد التصلب الجزئي لتحقيق استقرار في التصنيع
H32	معتدلة إلى عالية	معتدلة	جيدة	ممتازة	تصلب بالتشوه واستقرار، شائع للهياكل الملحومة
H111	معتدلة	معتدلة	جيدة	ممتازة	حالة تصلب مؤقتة محدودة للتشكيل

اختيار حالة التصلب لـ 5051 يتحكم في الموازنة بين القوة والدكتيلية؛ الحالات الأبرد تعطي قوة خضوع وقوة شد أعلى مع تناقص في الاستطالة وقابلية التشكيل. وبما أن 5051 غير قابلة للمعالجة الحرارية، فإن سلسلة H (التصلب بالتشغيل البارد وتخفيف الإجهاد) هي آلية يستخدمها المصنعون لضبط الأداء الميكانيكي لأجزاء وإجراءات تصنيع محددة.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق المئوي	ملاحظات
Si	≤ 0.25	سيليكون منخفض محكوم لتجنب الهشاشة والحفاظ على قابلية اللحام
Fe	≤ 0.40	عنصر شائبة نموذجي؛ زيادة Fe تقلل القابلية للتشكيل
Mn	≤ 0.20	إضافات صغيرة تحسن القوة ومقاومة التآكل الحبيبي
Mg	2.2–2.8	العنصر الأساسي للتقوية؛ يحكم أداء التآكل واستجابة التصلب بالتشوه
Cu	≤ 0.10	منخفض للحفاظ على مقاومة التآكل وقابلية اللحام
Zn	≤ 0.25	قليل؛ زيادة Zn تعزز القوة ولكن قد تروج لمشاكل كهروكيميائية
Cr	0.05–0.25	مضاف دقيق لتحكم في بنية الحبيبات وتحسين مقاومة تقادم التصلب بالتشوه
Ti	≤ 0.15	مكرر حبيبات يستخدم في بعض المنتجات المصبوبة أو المشغولة
عناصر أخرى	≤ 0.15 إجمالاً	تشمل V، Zr، وغيرها، تبقى منخفضة للحفاظ على اتساق الخواص

تركيبة السبيكة تركز على المغنيسيوم للتقوية بالمحلول الصلب مع الحفاظ على النحاس والزنك منخفضين للحفاظ على مقاومة التآكل وسلوك اللحام. تساعد كميات صغيرة من الكروم والمنغنيز في التحكم في إعادة التبلور ونمو الحبيبات أثناء المعالجة، مما يحسن المتانة والمقاومة للتآكل بين الحبيبات في الأجزاء المصنعة.

الخواص الميكانيكية

سلوك الشد لـ 5051 نموذجي لسبائك 5xxx متوسطة القوة: الحالة المخمرة (O) تُظهر قوة شد وقوة خضوع متواضعة مع استطالة نسبية عالية، في حين أن الحالات H الناتجة عن التشغيل البارد تعزز القوة بشكل كبير على حساب الدكتيلية. سلوك الخضوع يزداد تدريجياً مع زيادة التشغيل البارد والتصلب؛ H12/H14 ينتجان زيادات ملحوظة في الق yield، بينما H18 أو H32 تقدم أقصى قوة يمكن تحقيقها بالتشغيل بدون معالجة حرارية. الصلادة تتبع اتجاهات القوة والصلادة تُقاس عادةً لمراقبة جودة العمليات في الطي والتشكيل.

أداء التحمل (الاجهاد المتكرر) حساس لحالة السطح، المعالجة، وبيئة العمل؛ 5051 المصقولة والمحمولة جيداً باللحام تظهر عمر اجهاد عالي لدورات التحميل في التطبيقات الهيكلية، لكن شقوق التحمل تبدأ عادةً في وصلات اللحام ومناطق التركيز الإجهادي. تأثير السماكة مهم: السماكات الرقيقة أسهل للتشغيل البارد لتحقيق مستويات قوة أعلى، بينما تحتفظ الألواح والبثق السميك بدكتيلية متبقية أعلى في حالات التصلب اللينة وقد يصعب تحقيق قوة منتظمة عبر السماكة بدون عمليات إزعاج.

الخاصية	O / مخمرة	حالة تصلب رئيسية (مثل H14/H32)	ملاحظات
قوة الشد	110–145 MPa	210–275 MPa	القيم تعتمد على السماكة ودرجة التشغيل البارد
قوة الخضوع	40–75 MPa	150–240 MPa	الحالات H تزيد قوة الخضوع بشكل كبير عبر تصلب التشوه
الاستطالة	20–35%	6–15%	الدكتيلية تقل مع زيادة التصلب والصلادة
الصلادة	25–35 HB	55–85 HB	الصلادة مرتبطة بالتصلب بالتشوه وتستخدم لمراقبة جودة الأجزاء المصنعة

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.68 جم/سم³	نموذجية لسبائك الألومنيوم المشغولة؛ نسبة قوة إلى وزن مناسبة
نطاق الانصهار	~605–655 °C	سبائكي يوسع نطاق الانصهار قليلاً أدنى من نقطة انصهار الألومنيوم النقي (660 °C)
التوصيل الحراري	~130 W/m·K	توصيل حراري جيد، أقل قليلاً من الألومنيوم النقي
التوصيل الكهربائي	~34–44 % IACS	منخفض نسبياً مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب المغنيسيوم في المحلول الصلب
الحرارة النوعية	~900 J/kg·K	حرارة نوعية نموذجية لسبائك الألومنيوم في درجات الحرارة المحيطة
التوسع الحراري	23.0–24.5 µm/m·K	معامل توسع معتدل؛ مهم للتجميعات متعددة المواد

يحافظ 5051 على العديد من الخصائص الفيزيائية الجذابة للألومنيوم: خفة الوزن والتوصيل الحراري العالي مقارنة بالصلب، مما يجعله مفيدًا لإدارة الحرارة والهياكل الخفيفة. يجمع بين الكثافة والخواص الميكانيكية لتحقيق قوة نوعية جيدة، لكن المصممين يجب أن يأخذوا في الاعتبار التمدد الحراري عند دمج 5051 مع معادن مختلفة أو في بيئات دورات حرارية متغيرة.

أشكال المنتجات

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	أنواع التصلب الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.4–6 mm	سهل التشغيل البارد؛ السماكات الرقيقة تحقق قوى تصلب أعلى	O, H14, H18, H32	يستخدم على نطاق واسع للألواح، الكسوة، والأغطية
لوح سميك (Plate)	6–50 mm	قابلية تشغيل بارد أقل؛ غالبًا ما يُورد في حالات ناعمة للتشغيل	O, H112, H32	ألواح هيكلية ومكونات مصنعة سميكة
بثق (Extrusion)	بروفيلات معقدة	تعتمد القوة على التشغيل البارد بعد البثق؛ يمكن تثبيتها حراريًا	O, H32	شائع للإطارات، القضبان، والأجزاء البحرية
أنابيب	جدار 1–12 mm	مماثل للألواح؛ تتأثر الخصائص باللحام أو الشكل السلس	H14, H32	تستخدم في الأنابيب الهيكلية والتطبيقات المعرضة للتآكل
قضبان/أسياخ	قطر Ø3–100 mm	تصلب بالسحب يزيد من القوة؛ السبيكة للتشغيل غالبًا ما تكون أطرى	O, H18, H22	تركيبات، دبابيس، ومكونات مخددة

تأثير عملية التصنيع (اللف، البثق، السحب) يشمل إعادة التبلور واللاإنتمائية في الخواص الميكانيكية؛ الألواح والسماكات الرقيقة هي الأشكال الاقتصادية الأسهل للتشغيل البارد حتى الحصول على حالات تصلب H الأعلى قوة. يتم اختيار البثق والألواح عند الحاجة إلى ميزات مقطع عرضي معقدة أو سماكة أكبر، لكن قد تتطلب عمليات تخفيف إجهاد إضافية أو تبريدًا مسيطرًا عليه لتجنب التشوه في التجميعات الملحومة.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	5051	الولايات المتحدة الأمريكية	تعيين Aluminum Association للسبائك المشغولة من سلسلة 5xxx المغنيسيوم
EN AW	5051	أوروبا	EN AW-5051 مستخدمة على نطاق واسع؛ الحدود الكيميائية والميكانيكية مماثلة لـ AA
JIS	A5051	اليابان	النسخ المتوافقة مع JIS تطابق التركيب الكيميائي لكن قد تحدد شروط اختبار ميكانيكية مختلفة
GB/T	5051	الصين	درجة معيار صيني بتركيب مشابه؛ قد تختلف تسامحات المعالجة

تختلف المعايير عادةً في نطاقات التسامح المحددة، طرق اختبار الخواص الميكانيكية المطلوبة، وحدود الشوائب المسموح بها، بدلاً من التركيب الكيميائي الأساسي. يجب على المهندسين التحقق من شهادات المطحنة للتطبيقات الحيوية لضمان توافقها مع المعايير المحلية في الخصائص، الشروط (tempering)، وطرق المعالجة.

مقاومة التآكل

تُظهر 5051 مقاومة جيدة جداً لتآكل الغلاف الجوي المميزة لسلسلة 5xxx بسبب محتواها من المغنيسيوم ومستوى النحاس المنخفض. تشكل السبائك طبقة أكسيد واقية توفر مقاومة للتآكل النخري في العديد من البيئات الخارجية والبيئات المعتدلة العدوانية. في التعرض البحري والأجواء الغنية بالكلوريدات، تؤدي 5051 أداءً جيداً مقارنة بالعديد من سبائك 3xxx و6xxx، رغم أن الغمر الطويل والمياه المالحة الراكدة قد تؤدي إلى هجوم موضعي في حال فشل الطلاءات السطحية.

حساسية التشقق الإجهادي الكيميائي (SCC) في 5051 أقل من سبائك 5xxx عالية المغنيسيوم (أكثر من 3.5% Mg)، ولكن لا يمكن استبعاد SCC كلياً للأعضاء المتعرضة لإجهادات عالية في بيئات عدوانية. تزيد الإجهادات المتبقية من التشكيل أو اللحام من خطر SCC، لذا يعتبر التصميم الصحيح، تخفيف الإجهاد بعد اللحام، واختيار المادة أموراً مهمة في المكونات الهيكلية الحساسة. يجب إدارة التفاعلات الجلفانية عند اقتران 5051 بمواد أكثر نبلاً مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو النحاس؛ ويُستخدم العزل المناسب أو الأنودات القربانية كإجراءات شائعة للتقليل من ذلك في التطبيقات البحرية والمعمارية.

بالمقارنة مع عائلات السبائك الأخرى، توفر 5051 مقاومة تآكل بحرية متفوقة مقارنةً بالعديد من السبائك المعالجة حرارياً (مثل سلسلة 6xxx) التي تحتوي على النحاس أو مستويات عالية من الزنك، بينما تحقق قوة قصوى أقل قليلاً من سبائك 6xxx المعالجة بالسن. غالباً ما يختار المصممون 5051 عندما يكون المتانة في البيئات الكلوريدية وقابلية اللحام أهم من الحد الأقصى للقوة.

خواص التصنيع

قابلية اللحام

تُلحَم 5051 بسهولة باستخدام طرق الاندماج الشائعة مثل TIG (GTAW) وMIG (GMAW). عادةً ما تظهر اللحامات في 5051 سلاسة جيدة للحوض وقابلية منخفضة للتشقق الحراري بسبب خلو التركيبة من النحاس القوي واحتوائها على كمية معتدلة من المغنيسيوم. المعادن المالئة الموصى بها هي عادة 5356 (Al-Mg) للقوة الأعلى ومقاومة التآكل الجيدة، أو 4043 (Al-Si) لتحسين قابلية اللحام في بعض الحالات؛ يعتمد الاختيار على القوة المطلوبة بعد اللحام وسلوك الأكسدة. يجب الانتباه إلى تليين منطقة تأثير الحرارة (HAZ) إذا كان المعدن الأساسي في حالة تقوية بالتشكيل، واتباع ممارسات التثبيت بعد اللحام أو المعالجة الحرارية الموضعية عند الحاجة.

سهولة التشغيل

سهولة تشغيل 5051 متوسطة؛ تُشغل بسهولة أكثر من السبائك عالية القوة ولكن أقل من الألومنيوم النقي تجارياً. يُنصح باستخدام أدوات ذات رؤوس كربيد وزوايا قطع إيجابية للتحكم في تكسير الرقائق وتجنب تراكم الحواف؛ تعمل المبردات أو المزلقات على تحسين جودة السطح وعمر الأدوات. سرعات القطع متوسطة ويجب تحسين التغذية لمنع تقوية السطح مما يؤثر على عمليات التشطيب. في عمليات التشغيل بالحجم الكبير للقطع أو الطحن، تقلل الطلاءات على الأدوات والتثبيت الصارم من الارتعاش وتُطيل عمر الأدوات.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل ممتازة في الحالة المخبوزة (O) وتظل جيدة جداً في حالات التصلب الخفيف H12 وH14، مما يجعل 5051 مناسبة للسحب العميق، الثني، والتشكيل بالتمدد. يجب الرجوع إلى سماكة المادة وحالتها لتحديد أقل أنصاف أقطار للثني، ولكن الممارسة العامة لتشكيل الألواح هي استخدام نصف قطر ثني من 1–3 أضعاف سماكة المادة في الأحوال اللينة؛ تتطلب أنصاف أقطار أصغر التخمير المسبق أو استخدام حالات ألين أطرى. يزيد التشكيل البارد بشكل ملحوظ من القوة ويخفض اللدونة، لذا يجب ترتيب عمليات التشكيل المتدرجة لتجنب التشقق وقد يتطلب الأمر تعتيقاً مرحلياً للأشكال المعقدة.

سلوك المعالجة الحرارية

5051 هي سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية وبالتالي لا تستجيب للعلاج بالتحليل (solution treatment) والتعتيق الصناعي لزيادة القوة؛ تتغير خواصها الميكانيكية من خلال التشكيل البارد والتحكم في الشروط Temper. الدورات الحرارية القياسية المستخدمة للسبائك القابلة للمعالجة الحرارية (التحليل والتمرير بالتبريد يليه التعتيق) غير فعالة لإنتاج حالة مقواة بقيح (precipitate-hardened) في 5051، لذا لا ينبغي الاعتماد على مكاسب T-temper لهذه الدرجة.

يستخدم التخمير لاستعادة اللدونة بعد تشكل بارد مكثف؛ يتم تنفيذ التخمير الكامل عادة في نطاق 350–415 °C مع تبريد محكم لتحقيق الحالة O. تشمل معالجات التثبيت (مثل H22 أو H32) خطوات تسخين بدرجات حرارة منخفضة أو تخفيف إجهاد لتقليل تأثير الشيخوخة الناتجة عن الشد وتوفير استقرار أبعاد متوقع أثناء التصنيع واللحام. تشمل عمليات التصلب وجدولة الشروط جزءاً من طرق المعالجة في المطحنة لتوصيل مادة ذات حدود خضوع وقوة شد مناسبة للتشكيل أو الاستخدام الهيكلي.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

عند درجات الحرارة المرتفعة، تفقد 5051 قوتها تدريجياً مع انخفاض تأثير تقوية المحلول وتسارع عمليات الاسترداد؛ درجات الحرارة العملية للاستخدام المستمر من الناحية الهيكلية محدودة عادة أقل من حوالي 100 °C للتطبيقات التي تتطلب قوة مصنفة. مقاومة الزحف عند درجات حرارة معتدلة محدودة مقارنة بالسبائك الخاصة المقاومة للحرارة العالية، وتحميلات مستمرة في درجات الحرارة المرتفعة ستسبب تشوهات ملحوظة مع الوقت. الأكسدة في الهواء قليلة بسبب تكوين أكسيد مستقر للألمنيوم، لكن التعرض للحرارة العالية يمكن أن يغير مظهر السطح ويؤثر على المعالجات السطحية أو الطلاءات اللاحقة.

يمكن أن تظهر مناطق تلين موضعي في منطقة تأثير الحرارة (HAZ) بسبب التعرض الحراري في اللحامات؛ يجب على المصممين أخذ ذلك بعين الاعتبار لدرجات الحرارة التشغيلية العالية لأن HAZ يمكن أن تصبح المنطقة المحددة للاحتفاظ بالقوة. للتطبيقات التي تتطلب قدرة حرارية أعلى، يجب النظر في استخدام سبائك بديلة أو حسابات تصميمية مناسبة.

التطبيقات

الصناعة	مكون نموذجي	سبب استخدام 5051
السيارات	ألواح الهيكل، خزانات الوقود	قابلية تشكيل جيدة، قابلية لحام، ومقاومة تآكل جيدة
البحرية	ألواح الهيكل، هياكل السطح	مقاومة نخريات الكلوريد متفوقة وقابلية لحام ممتازة
الفضاء	التوصيلات، الغلاف الخارجي (غير حرج)	نسبة قوة إلى وزن مناسبة وأداء جيد في مقاومة التآكل
الكهرباء وإدارة الحرارة	مشعاعات الحرارة، الأغلفة	موصلية حرارية جيدة وسهولة تصنيع
الهندسة المعمارية	التكسية، الواجهات	مقاومة الطقس وقدرة جمالية على التأكسد

تُستخدم 5051 على نطاق واسع حيث يتطلب الأمر مزيجاً من مقاومة التآكل، قابلية اللحام، والقوة المعقولة دون الحاجة للمعالجات الحرارية. يدعم توازن خواصها تطبيقات متنوعة من الهياكل البحرية إلى التجميعات الخفيفة حيث تؤثر بيئة الخدمة وطريقة التصنيع على اختيار السبيكة.

نصائح للاختيار

اختر 5051 عندما تحتاج إلى سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية بقوة أعلى من الألمنيوم النقي تجارياً ومقاومة تآكل متفوقة في البيئات الغنية بالكلوريد. تكون هذه السبيكة جذابة بشكل خاص عند الحاجة إلى عمليات اللحام والتشكيل، وعندما يفضل المصممون سلوكاً متوقعاً يعتمد على تقوية الشد بدلاً من تقوية الشيخوخة.

مقارنةً بـ 1100 (الألمنيوم النقي تجارياً)، تتنازل 5051 قليلاً في الموصلية الكهربائية وقابلية التشكيل النهائي مقابل قوة أعلى بكثير وأداء بحرية محسّن. مقارنة بسلسلة 3xxx (مثلاً 3003 أو 5052)، توفر 5051 قوة مماثلة أو أعلى قليلاً مع مقاومة تآكل متشابهة، مما يجعلها خياراً وسطاً بين القوة واللدونة. مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061/6063، توفر 5051 لحاماً أسهل ومقاومة تآكل كلوريد أفضل رغم عدم قدرتها على الوصول إلى القوة القصوى لسبائك 6xxx المعالجة بالشيخوخة؛ استخدم 5051 عندما تكون مقاومة التآكل أثناء الخدمة وسلامة اللحام أهم من أقصى قوة ممكنة.

• فضل 5051 للهياكل البحرية الملحومة والأجزاء المصنعة المعرضة للتآكل.
• فضل 6061 إذا كانت القوة الهيكلية القصوى وسهولة التشغيل حرجة، ومقاومة التآكل تحت السيطرة.
• فضل 1100/3003 لأفضل قابلية تشكيل أو موصلية كهربائية حيث لا تكون القوة العالية مطلوبة.

الملخص النهائي

تظل 5051 سبيكة ألومنيوم عملية ومتوازنة جيداً للتطبيقات التي تتطلب توازناً قوياً بين مقاومة التآكل، القابلية للّحام، والقوة المعتدلة دون الاعتماد على المعالجات الحرارية. سلوكها المتوقع تحت التشكيل البارد وتوفرها الواسع في أشكال المنتج الشائعة يجعلها خيارًا من حيث التكلفة لمهام التصنيع الهيكلي والنقل والبحرية التي تتطلب متانة طويلة الأمد في البيئات العدوانية.