ألمنيوم 5086: التركيب، الخواص، دليل التصلب، والتطبيقات

نظرة شاملة

5086 هي جزء من سلسلة 5xxx من سبائك الألومنيوم–المغنيسيوم المصبوبة، التي يُصنف فيها المغنيسيوم كعنصر سبيكي رئيسي. هذه السلسلة غير قابلة للمعالجة الحرارية وتستمد قوتها بشكل أساسي من تقوية الذوبان في المحلول والعمل البارد بدلاً من التقوية بالترسيب.

المحتوى السبيكي الرئيسي في 5086 يشمل المغنيسيوم بنسبة عدة بالمئة وزناً بالإضافة إلى إضافات صغيرة من الكروم وعناصر أثرية تتحكم في بنية الحبوب وسلوك التآكل. السبائك تُقوى عن طريق العمل البارد (تقسية الإجهاد) وعن طريق تركيبة سبائكية مضبوطة بعناية توازن القوة مع مقاومة التآكل في بيئات الكلوريد.

الصفات الرئيسية للسبائك 5086 هي: قوة نسبية عالية لألواح الألومنيوم، مقاومة ممتازة لتآكل المياه البحرية، قابلية لحام جيدة، وقابلية تشكيل معقولة في الصلادات الأكثر ليونة. هذه الخصائص تجعلها خياراً شائعاً لهياكل السفن، أواني الضغط، خزانات التبريد، والمكونات الهيكلية التي تتطلب مزيجاً من الصلابة، مقاومة التآكل، وقابلية اللحام.

يختار المهندسون 5086 على سبائك أخرى عندما تتطلب البيئات البحرية أو المحتوية على الكلوريد مقاومة فائقة للنقر والتشقق بالتآكل الإجهادي مع الحفاظ على نسبة قوة إلى وزن مناسبة. يتم اختيارها بدلاً من السبائك القابلة للمعالجة الحرارية عندما تكون خصائص ما بعد اللحام ومقاومة التآكل المحلي ذات أولوية على القوة القصوى المطلقة.

أنواع الصلادة (Temper Variants)

الصلادة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	مطلينة بالكامل؛ أقصى ليونة للتشكيل
H111	منخفضة–متوسطة	عالية	جيدة جداً	ممتازة	مصلدة قليلاً بالعمل؛ صلادة للأغراض العامة
H32	متوسطة	جيدة	جيدة	جيدة جداً	مصلدة بالإجهاد ومستقرة؛ توازن بين القوة وقابلية التشكيل
H34	متوسطة–عالية	متوسطة	متوسطة–جيدة	جيدة جداً	مصلدة بجهد أكثر من H32 لقوة مرتفعة
H116	متوسطة–عالية	متوسطة	متوسطة	جيدة جداً	مستقرة لأداء بحري متفوق، عادة ما تُورد للهياكل البحرية الملحومة

تتحقق الصلادات لسبائك 5086 عن طريق العمل البارد المتحكم به والاستقرار بدلاً من المعالجة الحرارية للذوبان والترسيب. الانتقال من حالة O إلى الصلادات H الأعلى تدريجياً يزيد القوة ويقلل الليونة؛ مما يغير استراتيجيات التشكيل ويحد من أقل أنصاف أقطار للانحناء.

تم تصميم الصلادات المختارة مثل H116 لتقليل شيخوخة الإجهاد والحفاظ على مقاومة التآكل بعد اللحام والتعرض للبيئات البحرية. يجب أن تأخذ التصميمات والتصنيع في الاعتبار انخفاضات قابلية التشكيل في الصلادات H واحتمالية ارتداد الزنبرك والخصائص غير المتناظرة في المواد شديدة العمل.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق %	ملاحظات
Si	≤ 0.40	شائبة؛ يتم التحكم بها لتجنب المركبات بين المعدنية التي تقلل المتانة
Fe	≤ 0.50	شائبة؛ كمية زائدة من Fe يمكن أن تشكل مركبات هشة
Mn	0.05–0.50	إضافات صغيرة تعزز القوة وتتحكم في هيكل الحبوب
Mg	3.5–4.9	العنصر الرئيسي للتقوية؛ يحسن مقاومة التآكل
Cu	≤ 0.10	يتم تقليله للحفاظ على مقاومة التآكل
Zn	≤ 0.25	منخفض لتجنب القساوة والقصور في مقاومة التآكل
Cr	0.05–0.25	يتحكم في هيكل الحبوب، يحسن مقاومة إعادة التبلور
Ti	≤ 0.15	مُعدّل الحبوب في بعض ممارسات الصب/السبك
عناصر أخرى (لكل منها)	≤ 0.05	آثار وبقايا؛ التوازن ألومنيوم

محتوى Mg في 5086 هو العامل المسيطر على القوة ومقاومة التآكل: زيادة Mg ترفع القوة ومقاومة النقر لكنها قد تزيد من القابلية للتشققات بالإجهاد والتآكل إذا لم يتم التوازن بشكل صحيح. الكروم موجود بشكل متعمد بنسب منخفضة للتحكم في نمو الحبوب خصوصاً أثناء دورات الحرارة مثل اللحام، مما يحسن المتانة ويقلل التقشير. مستويات النحاس والزنك المنخفضة تحافظ على مقاومة التآكل الموضعي في مياه البحر.

الخواص الميكانيكية

تُظهر 5086 سلوك شد نموذجي لسبائك الألومنيوم–مغنيسيوم غير المعالجة حرارياً: فشل شد ليّن مع بلاستيكية كبيرة في الصلادات المطلينة وقوة خضوع متزايدة تدريجياً مع التقسية بالإجهاد. تظهر السبائك متانة جيدة حول النتوء وتحافظ على قدرة امتصاص الطاقة عند درجات حرارة منخفضة، ولذلك تُستخدم غالباً في أواني التبريد القياسي (Cryogenic).

قوة الخضوع وقوة الشد تعتمد بقوة على الصلادة والعمل البارد؛ الأجزاء السميكة ومناطق التأثر الحراري للحام قد تظهر مناطق معتدلة القوة بسبب التعرض الحراري. أداء الإجهاد الدوري جيد عموماً في عيّنات مصقولة ومحمية من التآكل، لكن الثقوب التآكلية وعيوب اللحام تقلل بشكل كبير من عمر الإجهاد.

الصلادة مرتبطة بالقوة؛ الصلادات النموذجية برينل أو فيكرز تزداد مع الصلادات H. يجب على المصممين مراعاة تأثير السماكة: الصفائح الرقيقة أسهل في العمل البارد للوصول إلى مستويات قوة عالية، في حين تكون الألواح السميكة أكثر محدودية في العمل البارد الممكن تحقيقه دون تشقق.

الخاصية	O/مطلينة	صلادة رئيسية (مثل H116/H32)	ملاحظات
قوة الشد	200–260 MPa (29–38 ksi)	300–370 MPa (44–54 ksi)	القيم تختلف حسب السماكة والمورد والصلادة الدقيقة؛ صلادات H تعطي مقاومة شد أعلى بكثير
قوة الخضوع	85–150 MPa (12–22 ksi)	210–260 MPa (30–38 ksi)	قوة الخضوع تزداد بشكل ملحوظ مع العمل البارد والاستقرار
الاستطالة	12–25%	6–16%	مطلينة تتمتع بكبير ليونة؛ صلادات H تضحي بالليونة مقابل القوة
الصلادة	~35–65 HB	~80–95 HB	الصلادة تزداد مع تقسية الإجهاد وترتبط بقوى الشد والخضوع

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.66 g/cm³	كثافة نموذجية لسبائك الألومنيوم–مغنيسيوم المصبوبة؛ نسبة ممتازة بين القوة والوزن
نطاق الانصهار	صلب ~565–600 °C، سائل ~635–650 °C	نطاقات انصهار تعتمد على المكونات الثانوية والتشريح
التوصيل الحراري	~120–140 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي ولكنه لا يزال مرتفعاً؛ مفيد لإدارة الحرارة
التوصيل الكهربائي	~28–36 %IACS	منخفض نسبياً مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب السبائكية؛ جيد للكثير من التطبيقات الكهربائية
السعة الحرارية النوعية	~0.90 J/g·K	شبيهة بغيرها من سبائك الألومنيوم؛ مفيدة لحسابات الكتلة الحرارية
التوسع الحراري	~23–24 ×10⁻⁶ /K (20–100 °C)	توسع نموذجي للألومنيوم؛ مهم للوصلات متعددة المواد

تساهم كثافة السبيكة وخصائصها الحرارية في اختيارها الشائع للهياكل خفيفة الوزن حيث تكون التوصيلية الحرارية وتبديد الحرارة مطلوبة، مثل الطوابق، المبادلات الحرارية، وخزانات التبريد القياسية. يتطلب التوسع الحراري اعتبارات تصميمية عند الاقتران مع مواد مختلفة مثل الفولاذ أو المركبات لتجنب الإجهادات الحرارية التفاضلية.

التوصيلية الكهربائية والحرارية تتأثر بمحتوى Mg والعناصر الأثرية لكنها تبقى مرتفعة بما يكفي للعديد من التطبيقات التوصيلية. نطاق الانصهار وسلوك الصلب والسائل مهمان لمعلمات اللحام ولتحديد دورات الحرارة التي قد تسبب الشيخوخة المفرطة أو التليين في مواد الصلادات H.

أشكال المنتجات

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	الصلادات الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.5–6.0 mm	سلوك موحد للقسم الرقيق؛ سهل العمل البارد	O, H111, H32	مستخدمة على نطاق واسع لصفيح الهياكل، الألواح
ألواح سميكة (Plate)	6–150+ mm	الأقسام السميكة أقل قابلية للعمل البارد؛ تتطلب معالجة قبل وبعد	O, H116, H34	الأعضاء الهيكلية، ألواح أواني الضغط
بروفيلات بعملية السحب (Extrusion)	مقاطع بأقطار كبيرة	الخواص الميكانيكية تتأثر بالسحب والعمل البارد اللاحق	O, H32	بروفيلات معقدة للإطارات والمرابط الهيكلية
أنابيب	أقطار جدران رقيقة إلى سميكة	الأداء يعتمد على طريقة التشكيل/اللحام	O, H32	أنابيب بحرية وأنابيب هيكلية
قضبان/قضبان مستديرة	أقطار حتى مقاطع كبيرة	القضبان توفر قابلية تشغيل واستقرار ميكانيكي	O, H32	وصلات، مكونات مشغولة

تؤثر اختلافات المعالجة على الخواص النهائية: الألواح والصفائح الرقيقة يمكن عملها حتى مستويات عالية من العمل البارد للوصول إلى صلادات H، بينما الألواح السميكة محدودة وقد تُورد بصلادات أكثر ليونة أو تتطلب طرق تشكيل ميكانيكية. تتطلب البروفيلات والمسحوبات والأنابيب تحكماً دقيقاً في التبريد والاستقرار للحفاظ على الأداء الميكانيكي ومقاومة التآكل المطلوبة.

تختلف التطبيقات حسب شكل المنتج: تهيمن الألواح والصفائح على بناء هياكل السفن البحرية، وتمكن عمليات البثق من تشكيل أشكال هيكلية معقدة وسكك حديدية، وتُستخدم الأشكال الأنبوبية والقضبان عادةً في التركيبات والتجمعات الملحومة. غالبًا ما يقدم الموردون حالات معالجة ما قبل التثبيت للهياكل الملحومة لتحسين أداء منطقة التأثر الحراري (HAZ).

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	5086	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية جمعية الألومنيوم؛ مرجع تجاري شائع
EN AW	5086	أوروبا	EN AW-5086 تطابق تركيب AA والحالات الحرارية مع تفاوتات التصنيع الإقليمية
JIS	A5086	اليابان	كيمياء مماثلة؛ يغطي JIS حالات الحرارة النموذجية وممارسات التصنيع
GB/T	AlMg4.5Mn (أو 5086)	الصين	التسمية المحلية قد تشير إلى محتوى المغنيسيوم (مثل AlMg4.5) مع خيارات حالات حرارة مماثلة

تتوافق المواصفات في المناطق المختلفة على التركيب الكيميائي الأساسي والأداء المقصود لكنها قد تختلف في حدود الشوائب المسموح بها، والاختبارات الميكانيكية المطلوبة، وتعريفات الحالات الحرارية. يجب على المشترين التحقق من شهادات الصفائح/الألواح ورموز الحالات عند الشراء دوليًا لضمان تلبية توقعات منطقة التأثر الحراري (HAZ)، مقاومة التآكل، والخواص الميكانيكية.

تتبع أصل المنتج إلى معيار معترف به (AA, EN, JIS, GB/T) هو أمر مهم خصوصًا للتطبيقات ذات الأمان الحرج مثل الألواح الهيكلية البحرية وأوعية الضغط، حيث يمكن لأنصاف الاختلافات في التركيب أو الحالة الحرارية أن تؤثر على سلوك التآكل أو الكسر طويل الأمد.

مقاومة التآكل

تتمتع 5086 بمقاومة ممتازة لتآكل الجو وتقع ضمن السبائك المصنوعة المفضلة للتعرض لمياه البحر بسبب محتواها العالي من المغنيسيوم ومحتوى النحاس/الزنك المنخفض. تقاوم السبيكة التآكل العام وتظهر مقاومة جيدة للتآكل النخري مقارنة بالعديد من سبائك الألمنيوم الأخرى في البيئات البحرية.

في حالات التعرض الطويل المدى للغمر والمناطق المتقطعة الرش، تؤدي 5086 أداء جيدًا بشرط أن تتجنب التصاميم وجود تجاويف راكدة، وصلات تصريفها ضعيفة، والتلامس مع معادن مختلفة التي يمكن أن تؤدي إلى تشكيل خلايا كهروكيميائية. السبيكة أقل عرضة للتقشير مقارنة ببعض السبائك عالية القوة من سلسلة 7xxx، لكن التفاصيل الدقيقة للتركيب والطلاءات الواقية تمد من عمر الخدمة.

عرضة لتكسير التآكل الإجهادي (SCC) أقل من سبائك المغنيسيوم الأعلى أو بعض السبائك القابلة للمعالجة حرارياً، إلا أن SCC يمكن أن يحدث تحت إجهادات شد، ودرجات حرارة مرتفعة، أو في بيئات كلوريد عالية إذا كانت الظروف الميكروهيكلية غير مناسبة. التفاعلات الكهروكيميائية مع المواد الكاثودية (مثل النحاس، الفولاذ المقاوم للصدأ ككاثود) يمكن أن تسرع الهجوم الموضعي؛ يوصى بالعزل أو تصميم الأنود الضحي.

مقارنةً بسسبائك سلسلة 3xxx و1xxx، توفر 5086 قوة أعلى ومقاومة تآكل معادلة أو أفضل في مياه البحر. ومقارنةً بسلاسل 6xxx و7xxx، تضحي 5086 ببعض القوة القصوى لكنها تكسب بشكل ملحوظ في أداء التآكل البحري وقابلية اللحام.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

تلحم 5086 بسهولة باستخدام طرق الانصهار الشائعة (GMAW/MIG، GTAW/TIG، واللحام المقاوم) وتظهر مظهر خرزة جيدة وانصهار عند التحكم في توافق الوصلات والمعايير. يوصى باستخدام سبائك حشو مطابقة أو ذات قوة أعلى قليلاً (مثل 5183، 5356)؛ اختيار الحشو يوازن بين قوة اللحام، اللدونة، وأداء مقاومة التآكل.

قد تظهر مناطق التأثير الحراري للحام تليينًا إذا كانت السبيكة الأساسية في حالة معالجة حرارية مرتفعة H؛ تُحدد الحالات المثبتة مثل H116 للحد من الحساسية بعد اللحام. خطر التشقق الحراري منخفض مقارنة ببعض سبائك الألومنيوم عالية القوة، لكن السيطرة على الشوائب ونظافة الأسطح ضرورية للحفاظ على جودة اللحام.

قابلية التشغيل

تمتاز 5086 بقابلية تشغيل متوسطة مقارنة بالسبائك المصنوعة الأخرى؛ تشغل بشكل أفضل من العديد من السبائك المصبوبة عالية المغنيسيوم لكنها أقل من سبائك سلسلة 6xxx التي تحوي السيليكون للتحكم في الرقائق. استخدم أدوات من كربيد حاد، تركيبات ثابتة، وسرعات تغذية متوسطة إلى عالية لتجنب احتكاك الأدوات وتصلب المادة.

يجب ضبط سرعات القطع والتغذية وفقًا لسماكة المقطع والحالة الحرارية؛ تزيد حالات الحرارة H من ميل المادة للتصلب وتنتج رقائق مستمرة أطول. يُوصى باستخدام مبرد لإزالة الرقائق وتقليل تراكم الحرارة؛ يتحسن تشطيب السطح بالمراحل النهائية الدقيقة وبالتحكم في هندسة الأدوات.

قابلية التشكيل

تُعتبر قابلية التشكيل ممتازة في حالات O وH111 وتضعف كلما زاد تصلب السبيكة إلى حالات H32/H34/H116. تعتمد أقل أنصاف أقطار الانحناء على الحالة الحرارية والسماكة؛ يمكن للصفائح المعالجة أون أن تتحمل أنصاف أقطار ضيقة (≈1–2× السماكة)، بينما تتطلب حالات الحرارة H عادةً أنصاف أقطار أكبر وتسلسلات تشكيل متعددة الخطوات.

التشكيل البارد والانحناء التتابعي شائعان؛ للأشكال المعقدة يُفضل التشكيل الدافئ أو دورات إعادة التلدين السابقة لتقليل التراجع والشرخ. تستجيب السبيكة بشكل متوقع للتشكيل بالشد المنضبط لكن قد يحدث ترقيق موضعي في الرسوم العميقة إذا لم تكن ضغوط حاملي القطع والتشحيم محسنة.

سلوك المعالجة الحرارية

كعضو في سلسلة 5xxx، ليست 5086 قابلة للمعالجة الحرارية بمعنى تقسية الترسيب؛ لا تؤدي المعالجة بالحلول وشيخوخة صناعية إلى زيادة قوة كبيرة. تؤثر محاولات الشيخوخة الحرارية بشكل رئيسي على الاسترداد وإعادة التبلور أكثر من إنتاج ترسيبات تقوية هامة.

الوسيلة الرئيسية لزيادة القوة هي التقسية بالعمل عن طريق التشوه البارد يليها علاجات تثبيت (مثل H116) لتقليل الشيخوخة بالإجهاد والتغيرات الميكروهيكلية أثناء الخدمة. يعمل التلدين (O) على إعادة المادة إلى حالة قوة منخفضة وليونة عالية ويُستخدم لاستعادة قابلية التشكيل بعد العمل المكثف.

قد يؤدي التعرض الحراري الناتج عن اللحام إلى تلدين المناطق المشغولة باردًا محليًا ويقلل مقاومة الخضوع والصلادة في حالات H؛ المعالجة الميكانيكية بعد اللحام أو اختيار حالات حرارة مثبتة هو المسار المعتاد لتخفيف هذه الآثار. تُستخدم أحيانًا دورات خبز محكومة لتخفيف الإجهادات المتبقية لكنها لا تحقق تقسية ترسيب قصوى كما في سبائك 6xxx/7xxx.

الأداء في درجات الحرارة العالية

تفقد 5086 قوتها تدريجيًا مع زيادة درجة الحرارة؛ عادةً ما يُحدد التصميم قوة الاستخدام للظروف من درجة حرارة المحيط حتى درجات معتدلة مرتفعة (~100 °C). للخدمة المستمرة فوق ~100–150 °C، تنخفض القوة ومقاومة الزحف، وينبغي للمصممين الرجوع إلى بيانات خاصة بدرجات الحرارة العالية للتطبيق.

التمويه الأكسيدي يقتصر على طبقة أكسيد الألومنيوم المستقرة، لذا فإن تدهور السطح عند درجات الحرارة العالية في الهواء أقل مقارنة بالسبائك الحديدية. مع ذلك، يمكن أن يغير التعرض الحراري التركيب الميكروهيكلي في حالات H، ويقلل الإجهادات المتبقية، ويزيد الحساسية بالتآكل الموضعي في البيئات العنيفة.

قد تشهد مناطق التأثر الحراري للحام المعرضة لدورات حرارية متكررة تمويها ميكروهيكليا وتليينا؛ تتطلب التطبيقات الهيكلية المعرضة لأحمال حرارية عالية أو تقلبات حرارية متكررة تأهيلًا دقيقًا وأحيانًا اختيار سبائك بديلة.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 5086
بحري	صفائح الهيكل، الهيكل الفوقي	مقاومة ممتازة لتآكل مياه البحر وقابلية لحام جيدة
سيارات	حواجز الحماية، خزانات الوقود	قوة نوعية جيدة ومقاومة للثني والصدمات
فضاء جوي	تركيبات غير حرجة، أغطية هيكلية	صلابة عالية ومقاومة تآكل حيث لا تتطلب قوة قصوى
طاقة / تبريد	خزانات LNG، أوعية تبريد منخفض الحرارة	صّلابة عند درجات حرارة منخفضة وقابلية لحام
صناعي / أوعية ضغط	خزانات كيميائية، أوعية تخزين	مقاومة تآكل لمواد كيميائية متعددة وقابلية تشكيل مناسبة

تعتبر 5086 سبيكة أداء متعددة الاستخدام حيث يحتاج المصممون لتوازن بين قابلية اللحام، مقاومة التآكل، والقوة المتوسطة إلى العالية دون الاعتماد على تقسية الترسيب. تُعتبر قيّمة خصوصًا حيث تتعرض الوصلات الملحومة للبيئات البحرية أو حيث تكون الخواص الميكانيكية بعد اللحام حرجة.

رؤى للاختيار

اختر 5086 عندما تكون مقاومة التآكل البحري وقابلية اللحام أولوية فوق القوة القصوى المطلقة؛ هي خيار عملي للأعمدة، الخزانات، والهياكل الملحومة. غالبًا ما تُحدد الحالة الحرارية المثبتة H116 حيثما تُطلب مقاومة تآكل ما بعد اللحام وثبات الأبعاد.

مقارنةً بالألومنيوم النقي تجاريًا (1100)، تقدم 5086 قوة أعلى وأداء أفضل في مياه البحر مقابل موصلية كهربائية منخفضة قليلاً وقابلية تشكّل أقل هامشًا. مقارنةً بالسبائك المتصلبة بالعمل مثل 3003 أو 5052، توفر 5086 قوة أعلى ومقاومة تآكل كلوريد معادلة أو أفضل، مما يجعلها مفضلة في البيئات البحرية العدائية.

مقارنةً بالسبائك القابلة للمعالجة حرارياً مثل 6061 أو 6063، تقدم 5086 سلوك مقاومة تآكل وقابلية لحام أفضل على الرغم من قوة قصوى أقل؛ اختر 5086 عندما تكون مقاومة التآكل وأداء ما بعد اللحام أهم من تعظيم خصائص الشد/الخضوع. للتصاميم التي تحتاج قوة أعلى، يُنظر في الخيارات الهيكلية التي