ألمنيوم 5154: التركيب، الخواص، دليل التصلب والتطبيقات

نظرة شاملة

يُعد 5154 من سلسلة سبائك الألمنيوم-المغنيسيوم 5xxx، وتتميز بكون المغنيسيوم هو العنصر الأساسي المُسبِّب للتقوية وبسلوك تقوية غير قابل للمعالجة الحرارية. ينتمي إلى عائلة Al–Mg التي توازن بين القوة المتوسطة إلى العالية ومقاومة التآكل الممتازة وقابلية اللحام الجيدة، مما يجعله مناسبًا حيث يتطلب الجمع بين قابلية التشكيل، القوة، ومتانة عالية في البيئات البحرية.

المكونات الرئيسية النموذجية من السبائك هي المغنيسيوم (العنصر الأساسي)، مع إضافات محكمة من المنغنيز وكسور من الكروم والحديد والسيليكون وعناصر أخرى للتحكم في بنية الحبيبات واستجابة العمل بالشد. تُطوَّر القوة بشكل أساسي من خلال تقوية بالمحلول الصلب الناتجة عن المغنيسيوم ومن خلال التقسية بالشد (العمل البارد)؛ ولا يستجيب للمعالجة الحرارية بالتذويب والشيخوخة كما هو الحال في سبائك سلسلتي 6xxx أو 7xxx.

تشمل الصفات الرئيسية لـ 5154 قوته الأعلى مقارنة بالألمنيوم النقي تجارياً والعديد من سبائك 3xxx، ومقاومته الجيدة جداً لتآكل مياه البحر والأجواء، وقابلية لحامه الممتازة باستخدام سبائك الحشو المناسبة، وقابلية تشكيل جيدة في درجات التخمير المطبوخة (annealed). الصناعات النموذجية تشمل مكونات هياكل السيارات، وصناعة السفن والبحرية، أوعية الضغط والأنابيب، تصنيع الصفائح المعدنية العامة وبعض الهياكل الثانوية في الطيران.

يختار المهندسون 5154 بدلاً من البدائل عندما تتطلب المواصفة مادة مقاومة للتآكل، قابلة للتشكيل وتحافظ على قوة عملية بعد اللحام وبعض العمل البارد. يُختار هذا السبائك حيث يكون من المفيد توافر سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية تتجنب دورات التشيخوخة بعد اللحام وتوفر أداءً مستقرًا للألواح والصفائح.

أنواع التخمير (التمبير)

التمبير	مستوى القوة	الإطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	عالية	ممتازة	ممتازة	حالة مطبوخة بالكامل لأقصى قابلية تشكيل
H111	متوسطة	معتدلة	جيدة	ممتازة	تقسية خفيفة بالشد، تحكم من خطوة واحدة بالخصائص
H14	متوسطة - عالية	منخفضة - معتدلة	متوسطة	ممتازة	حالة ربع مقسية من العمل البارد
H16	عالية	منخفضة	ضعيفة - معتدلة	ممتازة	حالة نصف مقسية بالشد
H32	متوسطة - عالية	معتدلة	جيدة	ممتازة	مقسية بالشد ومثبتة بمعالجة حرارية طفيفة
H34 / H36	عالية	منخفضة	محدودة	ممتازة	مستويات أعلى من العمل البارد، تستخدم حيثما يتطلب الأمر قوة أعلى

يتم تحقيق التخمير لسبائك 5154 بواسطة العمل البارد (درجات H) أو بالتخمير المطبوخ (O) بدلاً من التقسية بالتسريع الناتج عن ترسيب المواد. يحدد التخمير المختار التوازن بين القوة، القابلية للتمدد، وقابلية التشكيل؛ حيث يوفر التخمير المطبوخ O أقصى إطالة للتشكيل، بينما درجات H تمنح قوة أعلى مقابل انخفاض قابلية الانحناء.

التغيرات في التخمير عادةً ما يتم التحكم بها عن طريق الدرفلة والتبريد المنظم، أو عن طريق تثبيت حراري خفيف لمنع تأثيرات التشيخوخة الطبيعية؛ حيث يمكن لحرارة اللحام إرجاع درجات H جزئياً إلى تليين بمستوى O محلي في منطقة تأثر الحرارة (HAZ)، لذا يجب الأخذ بعين الاعتبار مرحلة اللحام والتصنيع لاحقًا عند اختيار التخمير.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق %	ملاحظات
Si	≤ 0.40	مزيل أكسدة وشوائب؛ يُحفظ منخفضًا للحفاظ على القابلية للتمدد
Fe	≤ 0.40	عنصر شوائب؛ يشكل مركبات بين معدنية تؤثر على بنية الحبيبات
Mn	0.20–0.80	التحكم في بنية الحبيبات، يحسن القوة ومقاومة التآكل
Mg	3.1–4.3	العنصر الرئيسي للتقوية؛ يوفر تقوية بالمحلول الصلب
Cu	≤ 0.10	محتوى منخفض للحد من فقدان مقاومة التآكل
Zn	≤ 0.25	صغير؛ يتحكم به للحد من فقدان القوة بسبب تكوين مركبات بين معدنية
Cr	≤ 0.30	يضاف بكميات صغيرة للتحكم في نمو الحبيبات وإعادة التبلور
Ti	≤ 0.15	مكرر حبيبات؛ يوجد بكميات ضئيلة
عناصر أخرى (لكل منها)	≤ 0.05–0.15	عناصر أثرية وبقايا؛ يتم تقييد مجموعها

المغنيسيوم هو المحرك الأساسي لأداء 5154: زيادة محتوى Mg تعزز مقاومة الخضوع ومقاومة الشد من خلال تقوية المحلول الصلب لكن تزيد من خطر التحسس المرتبط بالمغنيسيوم إذا تم لحامه بشكل غير صحيح أو تعرض لدورات حرارية معينة. يُستخدم المنغنيز والكروم لتثبيت البنية المجهرية ضد إعادة التبلور وتنقية حجم الحبيبات؛ الحديد والسيليكون هما شوائب خاضعة للسيطرة تؤثر على جزيئات المركبات بين المعدنية وتوزيع الطور الثانوي مما يؤثر على المتانة ومقاومة التعب.

الخواص الميكانيكية

يعرض 5154 طيفًا واسعًا من سلوك الشد اعتماداً على التخمير والسمك، مع حالات التخمير المطبوخة التي تمنح قابلية تمدد عالية ودرجات العمل البارد التي تظهر مقاومات خضوع وشد نهائية أعلى بكثير. تكون مقاومة الخضوع في الألواح المطبوخة متواضعة، مما يسمح بعمليات تشكيل كبيرة، بينما درجات H تزيد من مقاومة الخضوع بعشرات ميغاباسكال نتيجة تراكم الانزلاقات. عادةً ما تتجاوز الإطالة في درجة O 20–30% في الصفائح الرقيقة، في حين تقل الإطالة في شروط العمل البارد الشديدة إلى نسب أحادية الرقم.

الصلادة ترتبط غالبًا مع التخمير والعمل البارد؛ حيث تزداد قيم صلادة فيكرز أو برينل مع درجات H والعمل بالتبريد. يتأثر أداء مقاومة التعب بلمسة السطح والسمك والجهود المتبقية الناتجة عن التشكيل أو اللحام؛ وكالعديد من سبائك Al–Mg، تؤدي الأسطح المُعدة بشكل صحيح والتصميم بعد اللحام إلى تقليل تأثيرات تركيز الإجهاد. تُعتبر تأثيرات السماكة ملحوظة: حيث تميل السماكات الأرق إلى إظهار قوة شد مقاسة أعلى لدرجة تخمير معينة بسبب زيادة العمل البارد والانفعال المتدرج الذي يُعطى أثناء المعالجة.

الخاصية	O/مطبوخ	درجة رئيسية (H14 / H111)	ملاحظات
قوة الشد (MPa)	190–240 MPa	250–330 MPa	تختلف القيم حسب السماكة والمعالجة؛ درجات H تزيد من القوة القصوى
قوة الخضوع (0.2% انزياح، MPa)	70–140 MPa	150–260 MPa	تضاعف أو أكثر مقاومة الخضوع مقارنة بالمطبوخة في درجات H
الإطالة (%)	20–35%	6–18%	الإطالة تنخفض مع زيادة الصلادة/القوة
الصلادة (HV)	40–60 HV	70–110 HV	الصلادة تزداد مع العمل البارد؛ الصلادة المقاسة ترتبط بالقوة

ينبغي للمصممين استخدام شهادات المورد وشرائح الاختبار للحصول على قيم دقيقة للقوة والإطالة بالنسبة للدرجة والسماكة المحددة، لأن جداول الدرفلة، والتعرض للحرارة، والمعالجة اللاحقة تغير الخصائص الميكانيكية بشكل كبير.

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.66 g/cm³	نموذجية لسبائك Al–Mg؛ تُستخدم لحساب الكتلة والصلابة
نطاق درجة الانصهار	~570–650 °C	نطاق السائل/الصلب للسبائك منخفض قليلاً عن الألمنيوم النقي (660 °C)
التوصيل الحراري	~120–150 W/m·K	أقل من الألمنيوم النقي؛ كاف للعديد من استخدامات نشر الحرارة
التوصيل الكهربائي	~30–45 %IACS	مخفض بسبب السبائك؛ أقل من الألمنيوم النقي أو سلاسل السبائك منخفضة المحتوى
السعة الحرارية النوعية	~900 J/kg·K	نموذجية لسبائك الألمنيوم؛ مفيدة لتحليل انتقال الحرارة
التمدد الحراري	~23–24 µm/m·K	معامل خطي مماثل لسبائك الألمنيوم الأخرى؛ ذو أهمية لإجهادات الحرارة

الخواص الفيزيائية لـ 5154 نموذجية لسبائك الألمنيوم متوسطة القوة: توفر التوصيلية الحرارية الجيدة والكثافة المنخفضة جاذبية حيث تكون الأوزان والأداء الحراري ذات أهمية. تقل التوصيلية الحرارية والكهربائية مقارنة بالألمنيوم النقي بسبب المغنيسيوم والإضافات الأخرى، لكنها تظل مناسبة للعديد من التطبيقات الهيكلية والتبديد الحراري حيث تتطلب القوة الميكانيكية مع التوصيل.

يجب على المصممين مراعاة معامل التمدد الحراري للسبائك عند ربطها بمواد مختلفة؛ حيث إن التمدد التفاضلي والفروق في الجهد الغلفاني تؤثر على اختيار المثبتات واشتراطات العزل في بيئات الخدمة.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	التمبالات الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6.0 mm	تختلف القوة حسب التمبل والتمرير	O, H111, H14	الشكل الأكثر شيوعًا لألواح الهيكل، أوعية الضغط، والتصنيع العام
صفائح	6–150 mm	انخفاض الليونة في القطاعات السميكة؛ تحديد التمبل بالتمرير	O, H32, H34	تُستخدم للأعضاء الإنشائية والأجزاء المصنعة السميكة
بثق	سماكة الجدار 1–25 mm، المقاطع متغيرة	تتأثر القوة بالتثبيت T4 والتمدد البارد	H112, H32	مقاطع معقدة للأطارات الإنشائية والمكونات البحرية
أنابيب	القطر الخارجي 6–200 mm	السلوك يعتمد على عمليات السحب والدورات المعالجة حراريًا	O, H32	أنابيب ملحومة ولا ملحومة لأنظمة السوائل والهياكل
قضبان/أعمدة	Ø 3–100 mm	عادةً قوة أعلى في الحالة المشغولة	H14, H16	تُستخدم للمكونات والمواسير المكنية

الألواح والسمكات الرقيقة هي الأشكال الأكثر استخدامًا وتُنتج بجدوال تمرير محكمة لتوفير التمبل المطلوب. الصفائح والبثائق تتطلب تاريخًا حراريًا مختلفًا وقد يكون من الصعب تشكيلها باردة؛ القطاعات الأثقل غالبًا ما تحتاج إلى معالجة حرارية بالحل أو التحكم بإعادة التبلور أثناء التصنيع.

يجب أن يأخذ اختيار شكل المنتج بعين الاعتبار خطوات التصنيع مثل السحب، الختم، الثني، أو اللحام حيث يفرض كل شكل تركيبات حبيبية أولية وحالة إجهادات متبقية مختلفة تؤثر على أداء الجزء النهائي والمعالجة اللاحقة المطلوبة.

الدرجات المعادلة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	5154	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية جمعية الألمنيوم الأميركية القياسية
EN AW	5154	أوروبا	يُشار إليها عادة كـ EN AW-5154 في المعايير الأوروبية
JIS	A5154	اليابان	عادةً ما تتبع JIS تركيبًا واستخدامًا مشابهًا
GB/T	5154	الصين	التسمية القياسية الصينية متوافقة مع السلسلة الدولية

تُحافظ تسمية 5154 عبر المعايير مع اختلافات طفيفة في حدود الشوائب ومتطلبات الشهادات. قد تضع المعايير الأوروبية والآسيوية حدودًا مختلفة قليلاً على العناصر النزرة أو تحدد نظام تمبل وتقييمات اختبار مختلفة، لذا فإن تحديد المعيار والتمبل في مستندات الشراء يزيل الغموض.

الاختلافات الإقليمية الصغيرة قد تؤثر على التطبيقات الحساسة للتآكل بين الحبيبات أو التي تحتاج إلى خصائص ميكانيكية محددة؛ يجب على مهندسي الشراء طلب شهادات المصنع وتوضيح المعايير المعمول بها.

مقاومة التآكل

يتمتع 5154 بمقاومة جيدة جدًا للتآكل الجوي العام ويُستخدم على نطاق واسع في البيئات البحرية والساحلية بسبب محتواه العالي من المغنسيوم مع عناصر ثانوية مضبوطة. يقاوم التآكل المنتظم في مياه البحر والمياه المالحة أفضل من العديد من السبائك القابلة للمعالجة حراريًا والسبائك المحتوية على النحاس، بشرط تصميم وحماية مناطق اللحام ومفاصل التثبيت بشكل مناسب.

في البيئات الحاوية على الكلوريد، قد يحدث نخر موضعي في مواقع محددة مثل الحواف والخدوش أو التآكل الجلفاني؛ يمكن تقليل النخر من خلال إعداد جيد للسطح، الطلاءات، والحماية الكاثودية. التشبع (ترسيب طور β على حدود الحبيبات) يمثل قلقًا لسبائك Al–Mg ذات المحتوى الأعلى من المغنسيوم عند التعرض لدرجات حرارة تقارب 65–180 °C لفترات ممتدة؛ قد يؤدي هذا التشبع إلى زيادة القابلية للتآكل بين الحبيبات، خصوصًا بالقرب من مناطق تسخين اللحام HAZ.

يتمتع 5154 بمقاومة أفضل لتشقق الإجهاد والتآكل مقارنة بالعديد من سبائك سلسلتي 2xxx و7xxx، لكنه ليس منيعًا تمامًا: تحت إجهاد شد مستمر في بيئات كلوريدية متآكلة، يوجد خطر تشقق إجهادي تآكلي رغم أنه منخفض نسبيًا مقارنة بالسبائك عالية القوة القابلة للمعالجة حراريًا. عند الاتصالات مع مواد أكثر نبلاً، يعتبر التآكل الجلفاني عامل تصميم هام؛ تساعد الطبقات العازلة والاختيار الحذر لمثبتات التثبيت في تقليل احتمالية الهجوم المتسارع.

خصائص التصنيع

القابلية للحام

يسهل لحام 5154 باستخدام عمليات الانصهار الشائعة مثل GTAW (TIG) وGMAW (MIG)، وينتج وصلات جيدة عند استخدام معادن حشو مناسبة وإتباع إجراءات قبل وبعد اللحام صحيحة. السبائك الحشوية الموصى بها هي أنواع Al–Mg مثل 5356 أو 5183 لمطابقة القوة وأداء التآكل وتقليل التشقق الحراري؛ يجب اختيار الحشو بناءً على متطلبات الخدمة وأنظمة اللحام النبضي أو التقليدي. خطر التشقق الحراري منخفض مقارنة ببعض السبائك العالية القوة، لكن تليين منطقة تسخين اللحام واحتمالية التشبع عند مستويات أعلى من المغنسيوم تتطلب الانتباه لإدخال الحرارة وحماية ما بعد اللحام.

القابلية للتشغيل

القابلية لتشغيل الآلة في 5154 متوسطة وعادة أقل من سبائك سلسلة 6xxx التي تُجهز حراريًا لتسهيل القطع. يُفضّل استخدام أدوات كربيد أو كربيد مطلي ذات زاوية سلبّة وشكل حافة قوي، ويُحسن تطبيق التبريد إخلاء الرقائق وجودة السطح. السرعات عادة تكون متحفظة مقارنة بالسبائك الحُرة القطع؛ يجب تحسين السرعة وعمق القطع لتجنب تكوين حافة متراكمة وضبط تكوين الحواف الزائدة.

القابلية للتشكيل

تتميز القابلية للتشكيل بأنها ممتازة في حالة التمبل المخملي O وتظل عملية في التمبلات الخفيفة H؛ يمكن أن تكون أنصاف أقطار الثني في التمبل O ضيقة تتراوح بين 1–2T للعديد من المقاطع حسب السماكة والأدوات. يزيد العمل البارد من مقاومة الخضوع ويقلل من القابلية للتشكيل، لذا تُفضل العمليات المعقدة مثل الختم العميق والسحب العميق التمبل O أو التمبلات ذات الصلابة المنخفضة. الارتداد المرن شائع في سبائك الألمنيوم ويجب تعويضه في تصميم الأدوات، خاصة في التمبلات H حيث يرفع ارتفاع مقاومة الخضوع من الانتعاش المرن.

سلوك المعالجة الحرارية

كسبيكة من سلسلة 5xxx، 5154 غير قابلة للمعالجة حراريًا بالترسيب؛ تتحقق القوة من تقوية محلول صلب ومن العمل البارد. لا توجد دورة تعتيق ترسيبي مفيدة مشابهة لسبائك 6xxx. لذلك تتركز المعالجات الحرارية على التخمير والتثبيت بدلاً من متتاليات الحل/التعتيق.

التخمير الكامل (O) يعيد الليونة بالسماح بإعادة التبلور ويمكن إجراؤه عند درجات حرارة ضمن النطاق المستخدم عادةً لسبائك Al–Mg (عادةً 350–420 °C لأوقات مناسبة)، يتبعها تبريد محكم. يُستخدم العمل البارد للحصول على تمبلات H؛ يمكن استخدام معالجات التثبيت (تسخين خفيف) لتقليل تأثيرات التعتيق الطبيعي وضبط التمبل المطلوب. هياكل اللحام قد تُعالج حراريًا فقط للتخمير أو تخفيف الضغوط؛ هذه العمليات تقلل القوة المكتسبة من العمل البارد السابق.

الأداء عند درجات حرارة عالية

يحافظ 5154 على خصائص ميكانيكية صالحة عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة، لكن تنخفض القوة بزيادة الحرارة حيث تقل فعالية تقوية المحلول الصلب وتزداد حركة الانزلاقات. عادةً ما يُوصى بدرجات حرارة تشغيل مستمرة أقل من حوالي 100–150 °C لتجنب فقدان القوة الملحوظ ومنع تأثيرات التشبع المحتملة عند التعرض لنوافذ زمنية/حرارية معينة.

الأكسدة ضئيلة بسبب طبقة أكسيد الألومنيوم الحامية، ولا يحدث تقشر سريع عند درجات الحرارة العالية كما هو الحال في السبائك الحديدية. ومع ذلك، يمكن أن تخلق الدورات الحرارية واللحام مناطق HAZ موضعية بخصائص مهدئة وأداء تآكل معدل. للتطبيقات الحاملة للأحمال عند درجات حرارة مرتفعة، عادةً ما يختار المصممون سبائك مقاومة للحرارة أو يقللون من الإجهادات المسموح بها لـ5154.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 5154
السيارات	ألواح الهيكل، الأعضاء الإنشائية الداخلية	قابلية تشكيل جيدة، مقاومة للتآكل، قوة مقبولة للأجزاء غير الإنشائية الأساسية
البحرية	ألواح الهيكل، الهيكل الفوقي، الأنابيب	مقاومة ممتازة لتآكل مياه البحر وقابلية لحام لتصنيع السفن
الفضاء	التجهيزات الثانوية، الغلاف الجوي	نسبة قوة إلى وزن عالية للأعضاء غير الإنشائية وخصائص تصنيع جيدة
الإلكترونيات	الأغطية، ناشرات الحرارة	كثافة منخفضة وموصلية حرارية جيدة للأغطية خفيفة الوزن
أوعية الضغط / الخزانات	التخزين، مكونات LPG	مقاومة التآكل وقابلية اللحام مع قوة كافية للأشكال المشكلة

يُختار 5154 في هذه التطبيقات حيث يوفر مجموعة متوازنة من الخواص الميكانيكية، المقاومة للتآكل، ومرونة التصنيع التي تقلل من تكاليف دورة الحياة وتبسط التصنيع. طبيعته غير القابلة للمعالجة حراريًا تبسط العمليات مع توفير قوة أعلى من العديد من البدائل منخفضة السبائك.

نصائح الاختيار

5154 خيار عملي عند الحاجة لألمنيوم مقاوم للتآكل بقوة أعلى من الألمنيوم التجاري النقي مع الحفاظ على قابلية تشكيل جيدة وقابلية لحام. مقارنةً بـ1100 (نقي تجاريًا)، تتنازل 5154 عن بعض الموصلية الكهربائية والحرارية وبعض القابلية للتشكيل النهائي مقابل مقاومة انYield وقوة شد أعلى بشكل ملحوظ، مما يجعلها مفضلة للألواح الهيكلية والأجزاء البحرية.

مقارنة بالسبائك الشائعة التي تتصلب بفعل العمل مثل 3003 أو 5052، يقدم 5154 عمومًا قوة أعلى مع الحفاظ على مقاومة تآكل مماثلة أو محسنة قليلاً؛ اختر 5154 عندما يتطلب التصميم تلك القوة الإضافية مع البقاء ضمن عائلة Al–Mg. مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، يوفر 5154 سلوكًا أفضل لمقاومة التآكل بعد اللحام ويتجنب تعقيدات المعالجة الحرارية؛ اختر 5154 عندما تكون قابلية اللحام ومقاومة التآكل المستمرة أهم من القوى القصوى الأعلى المتاحة في السبائك القابلة للمعالجة الحرارية.

بالنسبة للشراء،وازن بين التكلفة والتوافر مع متطلبات الشدة والسماكة، وتحقق من شهادات المصنع لمحتوى Mg واختبارات الخواص الميكانيكية خاصة عندما تكون عوامل التعب أو اللحام أو التعرض البحري من عوامل التصميم الحاسمة.

الملخص الختامي

يظل 5154 سبيكة Al–Mg واسعة الاستخدام لأنه يجمع بشكل فريد بين الأداء الميكانيكي المقوى بالتمدد في المحلول الصلب مع مقاومة ممتازة للتآكل وتعددية التصنيع؛ سهولة لحامه، وقابليته الجيدة للتشكيل في الحالة المخببة، وسلوكه الموثوق عبر العديد من أشكال المنتجات تجعله مناسبًا لتطبيقات السيارات والبحرية والهندسة الإنشائية العامة.