الألومنيوم 5457: التركيب، الخصائص، دليل التصلب والتطبيقات

نظرة شاملة

5457 هي سبيكة ضمن سلسة سبائك الألومنيوم 5xxx، وتصنف ضمن عائلة Al–Mg حيث المغنيسيوم هو العنصر الأساسي المضاف للسبيكة. كعضو في عائلة 5xxx، فهي غير قابلة للمعالجة بالحرارة؛ حيث يتحقق التقوية أساسًا من خلال المغنيسيوم في الحالة الصلبة ومن خلال التقسية بالإجهاد أثناء عمليات التشكيل.

العناصر الرئيسية المضافة في 5457 هي المغنيسيوم بمستويات مرتفعة نسبيًا (عادة حوالي 4–5 وزن %) مع إضافات مضبوطة من المنغنيز وكميات أثرية من الكروم والتيتانيوم لتحسين هيكل الحبيبات والتحكم في إعادة التبلور. تتيح هذه الخيارات التركيبية مزيجًا من القوة المرتفعة لألواح الألومنيوم المشغولة مع مقاومة محسنة للتآكل العام مقارنة بالسبائك من سلسلتي 1xxx–3xxx.

الصفات الرئيسية لسبيكة 5457 تشمل قوة متوسطة إلى عالية لسبيكة غير قابلة للمعالجة بالحرارة، وقابلية جيدة للحام مع المعادن المالئة المناسبة، وقابلية تشكيل معقولة في الحالات اللينة، ومقاومة جيدة للتآكل الجوي والبحري عند التشطيب السليم. تستخدم عادة في الصناعات مثل هيكل السيارات الخارجي والأبواب، والمقطورات وواجهات النقل، والمكونات الإنشائية العامة، وبعض التطبيقات البحرية والمعمارية التي تتطلب مزيجًا مناسبًا من نسبة القوة إلى الوزن ومقاومة التآكل.

يختار المهندسون سبيكة 5457 عند الحاجة إلى توازن بين مقاومة الخضوع ومقاومة الشد الأعلى مقارنة بالسبائك المصلدة عمليًا الأكثر شيوعًا (درجة منخفضة من المغنيسيوم في سلسلتي 3000/5000) دون اللجوء إلى سبائك 6xxx أو 7xxx القابلة للمعالجة بالحرارة التي تزيد تعقيد عمليات التشكيل واللحام. يتم اختيارها عندما تكون القوة المدفوعة بزيادة محتوى المغنيسيوم مطلوبة مع الحفاظ على مقاومة ممتازة للتآكل وقابلية طلاء جيدة للتطبيقات الخارجية.

الدرجات الحرارية (التمبر)

التمبر	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	عالي	ممتاز	ممتاز	مخمّر بالكامل، أقصى لوداعة للتشكيل
H111	متوسط - عالي	متوسط	جيد	جيد جدًا	مصلد بإجهاد من اتجاه واحد، شائع لتشكيل الألواح
H14	متوسط	متوسط - عالي	جيد جدًا	جيد جدًا	تمبر نصف صلب للتشكيل المعتدل مع قوة أعلى
H18	عالي	منخفض	محدود	جيد	صلب كامل للتطبيقات التي تحتاج إلى أعلى قوة بعد التدوير
H32	متوسط - عالي	متوسط	جيد	جيد جدًا	مصلد بالإجهاد ومستقر؛ يستخدم للحد من ارتداد الزنبرك
H116 / H321	متوسط - عالي	متوسط	جيد	جيد جدًا	تمبرات مستقرة لتحسين مقاومة التآكل الإجهادي ودورات طلاء الخبز

يستخدم التمبر في 5457 لموازنة سهولة التصنيع والقوة الناتجة؛ حيث تستخدم التمبرات اللينة (O، H14) في الرسم العميق والتشكيل المعقد بينما توفر التمبرات الأكثر صلابة (H18، H32) قيم مقاومة خضوع وشد أولية أعلى. يتم اختيار النسخ المستقرة مثل H116 أو H321 للتطبيقات البحرية أو المطلية لأنها تحد من تغيرات الترسيب أثناء التعرض للحرارة وتقلل من القابلية لظواهر التآكل الإجهادي.

وبما أن 5457 غير قابلة للمعالجة بالحرارة، فإن التغيرات في الخواص الميكانيكية تهيمن عليها عمليات الشغل البارد وشيخوخة الإجهاد والتثبيت الحراري بدلاً من العلاجات بالمعالجة والشيخوخة كما هو شائع في عائلات 6xxx أو 7xxx.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة المئوية	ملاحظات
Si	≤ 0.25	شائبة نموذجية؛ تظل منخفضة للحفاظ على اللدونة والمقاومة للتآكل
Fe	≤ 0.40	شائبة يمكن أن تكوّن مركبات بينية تؤثر على المتانة والتشطيب السطحي
Mn	0.20–0.80	يسيطر على هيكل الحبيبات ويُحسن القوة والمتانة
Mg	4.0–5.0	العنصر الرئيسي للتقوية عبر تشكيل محلول صلب
Cu	≤ 0.10	تحفظ منخفضة للحفاظ على المقاومة للتآكل؛ زيادة النحاس تعزز القوة لكنها تقلل المقاومة للتآكل
Zn	≤ 0.25	كمية ضئيلة؛ ارتفاعها قد يحفز النشاط الجلفاني
Cr	0.05–0.25	مضافة للتحكم في إعادة التبلور وتحسين مقاومة تآكل حدود الحبيبات
Ti	≤ 0.15	مكرر الحبيبات يضاف بكميات صغيرة أثناء الصب/تحضير السبيكة
عناصر أخرى (لكل منها)	≤ 0.05–0.15	تشمل العناصر الأثرية؛ الباقي هو الألومنيوم

يمثل المحتوى العالي من المغنيسيوم المحرك الرئيسي للقوة المرتفعة لسبيكة 5457 مقارنة بسبائك 5xxx ذات المغنيسيوم الأقل. يعمل المنغنيز على تنقيح حجم الحبيبات وزيادة القوة دون خسارة كبيرة في مقاومة التآكل. تُضاف كميات صغيرة من الكروم والتيتانيوم كتعديلات دقيقة لاستقرار الهيكل والتحكم في نمو الحبيبات أثناء المعالجة الحرارية الميكانيكية، مما يساعد في الحفاظ على قابلية التشكيل ويحد من تليين السبيكة الناتج عن إعادة التبلور.

الخصائص الميكانيكية

يعتمد سلوك الشد لسبيكة 5457 بشكل كبير على التمبر وسمك الألواح: حيث تقدم التمبرات اللينة استطالة عالية وقوة خضوع منخفضة، بينما ترتفع مقاومات الخضوع والشد في التمبرات المصلدة بالإجهاد مع انخفاض في الاستطالة. درجات مقاومة الخضوع في التمبرات المصلدة بالإجهاد مرتفعة نسبيًا لسبيكة غير قابلة للمعالجة بالحرارة، مما يتيح هوامش تصميم مفيدة في الألواح الهيكلية الرقيقة.

تقاس الصلادة بما يتناسب مع مقاومة الشد وتزداد مع الشغل البارد؛ تحقق حالات مثل H18 أعلى قيم صلادة برينيل أو فيكرز لهذه السبيكة، في حين تسجل حالة O صلادة أقل بكثير مع توافق ممتاز لصالح قابلية التشكيل. أداء التعب جيد عمومًا للتطبيقات النقلية بشروط تشطيب السطح وحماية التآكل المناسبة؛ حياة التعب حساسة للحام والنتوءات والخدوش السطحية.

تؤثر سماكة المنتج بشكل ملحوظ: حيث تحقق السماكات الرقيقة عادةً قيمة ظاهرة أعلى لمقاومة الخضوع والشد بعد التدوير والشغل البارد بسبب زيادة التقسية، بينما الألواح السميكة أو قضبان السحب قد تكون ألطف وتظهر استطالة أقل. لذلك يجب على مهندسي التصميم الاعتماد على الخصائص المرتبطة بالتمبر وشكل المنتج وسماكته المحددة بدلاً من قيمة موحدة عامة.

الخاصية	O/مخمّر	التمبر الرئيسي (H111/H32 نموذجي)	ملاحظات
قوة الشد (MPa)	200–260	320–380	القيم تختلف حسب السماكة ودرجة التقسية بالإجهاد؛ النطاقات المذكورة نموذجي للألواح
قوة الخضوع (MPa)	80–150	200–310	تزداد قوة الخضوع بشكل حاد مع الشغل البارد؛ يجب الإشارة إلى التمبر والسماكة في المواصفات
الاستطالة (%)	18–30	8–18	تنخفض اللدونة مع زيادة القوة؛ يجب تقييم قابلية التشكيل حسب التمبر المطلوب
الصلادة (HB)	35–60	80–110	تتوافق الصلادة مع مقاومة الشد ومستوى العمل البارد؛ مفيدة لفحص الجودة

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.69 جم/سم³	أقل قليلاً من بعض منتجات الألومنيوم عالية السبيكة؛ نسبة جيدة بين القوة والوزن
درجة الانصهار (الصلبة/السائلة)	~605–650 °C	توسع نطاق الانصهار مقارنة بالألومنيوم النقي نتيجة الإضافات السبائكية
التوصيل الحراري	~120–140 W/m·K (25 °C)	أقل من الألومنيوم النقي؛ مقبول للإدارة الحرارية العامة لكنه أقل من سبائك 1xxx النقية
التوصيل الكهربائي	~28–36 % IACS	انخفض بسبب إضافات Mg وMn؛ مهم للتطبيقات الكهربائية واعتبارات التوصيل واللحام
السعة الحرارية النوعية	~880–920 J/kg·K	نموذجية لسبائك الألومنيوم عند درجات الحرارة المحيطة
معامل التمدد الحراري	~23–24 µm/m·K	نموذجي لسبائك الألومنيوم؛ يجب مراعاة التمدد التفاضلي مع الفولاذ أو المواد المركبة

تجعل الخصائص الفيزيائية لسبيكة 5457 منها خيارًا جذابًا حيث الحاجة إلى وزن منخفض وأداء حراري معقول، ولكنها ليست الخيار الأول عندما تكون التوصيلات الحرارية أو الكهربائية القصوى مطلوبة. التمدد الحراري نمطي للألومنيوم ويجب أخذه في الاعتبار في التركيبات التي تجمع مواد مختلفة لتجنب تراكم الإجهادات أثناء دورات الحرارة.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	القصور الشائعة	ملاحظات
لوح	0.5–4.0 مم	تزداد القوة مع التشكيل البارد والتصلب بالإجهاد	O, H14, H111, H32	الشكل الأكثر استخدامًا في ألواح السيارات والتكسية المعمارية
لوح سميك	>4.0 مم	تصلب أقل مقارنة باللوح الرقيق؛ للقطع الميكانيكية أو الاستخدامات الهيكلية الملحومة	O, H112	يُستخدم حيث يكون الصلابة وقابلية اللحام والثقب ضرورية
بثق	مقاطع مقطعية	تعتمد القوة على نسبة البثق والعمل البارد اللاحق	O, H22, H32	يُستخدم في إطارات الهيكل والمقويات حيث تكون القوة وخفة الوزن مطلوبة
أنبوب	Ø صغير إلى كبير	تتحكم سماكة الجدار والقصور في القوة	H14, H32	يُستخدم في هياكل خفيفة الوزن، الدرابزين، وإطارات النقل
قضيب/عارضة	أقطار مختلفة	عادة أكثر ليونة إلا إذا كان مسحبًا باردًا	O, H12	يُستخدم في المثبتات، التركيبات الميكانيكية والأجزاء المصنعة

تؤثر الاختلافات في المعالجة على الاستجابة الميكانيكية والتطبيقات المقصودة: يُلفّ اللوح في الغالب باردًا ويتم تصلبه بالإجهاد لألواح الهيكل، بينما يُزود البثق واللوح السميك غالبًا بالقصور اللينة ليسمح بالتشكيل أو التشغيل لاحقًا. تختلف استراتيجيات اللحام والتوصيل حسب الشكل؛ على سبيل المثال، عادةً ما يتطلب لحام الأنابيب والبثق معادن حشو ومعالجات قبل أو بعد اللحام للتحكم في تلين منطقة تأثير اللحام (HAZ).

الدرجات المعادلة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	5457	الولايات المتحدة	تسمية مستخدمة في المعايير الكندية وشركات التوريد
EN AW	5457	أوروبا	تسمية EN تتطابق رقمياً مع AA؛ حدود الكيمياء والخواص الميكانيكية قد تختلف قليلاً حسب المعيار
JIS	—	اليابان	لا توجد درجة مماثلة بالضبط؛ خواص مماثلة لسلسلة سبائك الألمنيوم-المغنيسيوم عالية المغنيسيوم ولكن يجب مراجعة المواصفات المحلية
GB/T	5457	الصين	قد تدرج المعايير الصينية 5457 بتركيب مشابه ولكن مع تحديدات مختلفة للمتطلبات والتصلبات

عادة ما يكون هناك تطابق رقمي قريب (EN AW-5457) في المواصفات الأوروبية، لكن الفروق الطفيفة المسموح بها في حدود الشوائب، وتعيينات التصلب، وبروتوكولات الاختبار تعني أن المهندسين يجب أن يقارنوا شهادات التحليل بدلاً من افتراض التبادل الكامل. بالنسبة لـ JIS وبعض المعايير الوطنية قد لا يوجد نظير دقيق؛ في مثل هذه الحالات يعتمد الاختيار على تطابق التركيب وخواص الميكانيكية بدلاً من تسمية الدرجة فقط.

مقاومة التآكل

تُظهر 5457 مقاومة جيدة عامة للتآكل الجوي والصناعي بفضل طبقة أكسيد الألمنيوم الواقية والكيمياء النظيفة نسبيًا للسبائك. يحتوي على نسبة مغنيسيوم كبيرة تزيد من مقاومة التآكل بالمقارنة مع العديد من سبائك 1xxx و 3xxx ولكنه قد يزيد من الحساسية لأنواع معينة من التآكل الموضعي إذا كانت الشوائب (Fe, Si) مرتفعة. تؤدي التشطيبات السطحية المناسبة والطلاءات والأكسدة إلى تحسين المتانة على المدى الطويل في التطبيقات المعمارية والنقل المكشوفة.

في البيئات البحرية، تؤدي 5457 أداءً جيدًا في العديد من التطبيقات الهيكلية، لكن الحساسية للتشققات الناتجة عن التآكل بالتوتر (SCC) تزداد مع ارتفاع محتوى المغنيسيوم ومستويات الإجهاد الشدي. تُستخدم التصلبات المثبتة (H116/H321) أو المعالجات بعد اللحام بشكل شائع لتقليل مخاطر SCC في الخدمة في الغلاف الجوي الذي يحتوي على الكلوريدات. تتطلب التفاعلات الكهروكيميائية مع المعادن أكثر نبلاً (مثل النحاس، الفولاذ المقاوم للصدأ) اهتمامًا خاصًا؛ حيث تمنع العزل المناسب واختيار المثبتات مهاجمة محلية متسارعة.

مقارنةً بالسبائك المعالجة حراريًا من سلسلة 6xxx، تكون 5457 عمومًا متفوقة في مقاومة التآكل الطويلة الأمد في العديد من بيئات الكلوريد، بينما قد تظهر سبائك 6xxx قوة ذروة أعلى ولكن مقاومة تآكل منخفضة جوهريًا دون التدابير الوقائية. وبالمقارنة مع سبائك 3xxx منخفضة المغنيسيوم أو سبائك 1xxx النقية، تقدم 5457 قوة أفضل بدون تأثير كبير على مقاومة التآكل، مما يجعلها مناسبة للألواح الهيكلية الخارجية والهياكل البحرية الفوقية.

خصائص التشغيل

قابلية اللحام

5457 سهلة اللحام بعمليات الاندماج الشائعة (TIG, MIG/GMAW) وأداء جيد مع سبائك حشو الألمنيوم-المغنيسيوم المناسبة مثل ER5356 وER5183، والتي توفر دكتيلية جيدة ومقاومة تآكل في معدن اللحام. خطر التشقق الحراري منخفض نسبيًا مقارنة ببعض السبائك عالية النحاس، لكن يتطلب تصميم الوصلات والتحكم في كمية حرارة اللحام الحذر لتقليل تلين منطقة تأثير اللحام (HAZ) والتشوهات. تقل الخصائص الميكانيكية بعد اللحام في HAZ مقارنةً بالمعدن الأصلي المعالج باردًا، لذا يجب مراعاة تصميم الوصلات والمعالجات الميكانيكية لاحقًا في التطبيقات ذات الإجهاد العالي.

قابلية التشغيل على الماكينة

قابلية التشغيل للماكينة لـ 5457 متوسطة مقارنة بالصلب سهل القطع أو سبائك 6xxx؛ يمكن أن يحدث التلاصق إذا لم تُحسن معلمات القطع. ينصح باستخدام أدوات كربيد بزوايا قطع موجبة مناسبة، وتثبيت صلب للقطع، وتبريد طوفاني عند القص والطحن للوح والمقاطع المبثوقة. استخدم سرعات قطع معتدلة ومعدلات تغذية عالية لكسر الرقائق؛ تستفيد القطع المتقطعة من كربيدات ذات صلابة أعلى أو طلاءات تقاوم تشقق الحافة.

قابلية التشكيل

يعتمد أداء التشكيل على القصور والسماكة: تتيح التصلبات المسترخية بالكامل (O) والمعتدلة من التصلب بالإجهاد سحبًا عميقًا وختمًا معقدًا؛ تقلل التصلبات الأقوى من أنصاف أقطار الانحناء المسموح بها وتزيد ارتداد الزنبرك. أنصاف الأقطار النموذجية لتطبيقات السماكة اللوحية تكون على شكل 2–4× السماكة في التصلبات اللينة، وتزداد للتصلبات الصلبة؛ يُنصح دائمًا بالتحقق من خلال اختبارات التشكيل للهياكل المعقدة. يمكن أن يوسع التشكيل الدافئ وتصميم الأدوات بعناية من قدرة التشكيل للتصلبات الأعلى قوة مع تقليل الانقسام وتشقق الحواف.

سلوك المعالجة الحرارية

بصفته من عائلة 5xxx غير المعالجة حراريًا، لا تستجيب 5457 للمعالجة بالتميؤ والشيخوخة الصناعية لزيادة القوة. الآليات الأساسية المتوفرة هي العمل البارد والاستقرار الحراري. لن تؤدي عمليات المعالجة بالذوبان والدعك/الشيخوخة على 5457 إلى التصلب الناتج عن الترسيب كما هو الحال في سبائك 6xxx؛ لذا يعتمد المصممون على التدحرج والتصلب بالإجهاد لتحديد خواص الخدمة.

يزيل التلدين (تصلب O) العمل البارد السابق ويستعيد الدكتيلية لعمليات التشكيل؛ ينتج العمل البارد المتحكم فيه لاحقًا توازنًا بين القوة والتمدد أثناء الخدمة. تُحقّق التصلبات المثبتة (مثل H116, H321) بتعرضات حرارية منخفضة أو شيخوخة مضبوطة لتقليل الحساسية لشيخوخة الإجهاد والتشققات بالتآكل الإجهادي دون تخفيض كبير في القوة.

أداء درجات الحرارة العالية

تحافظ 5457 على قوة قابلة للاستخدام عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة لكنها تعاني من فقد تدريجي لقوة الخضوع والشد مع ارتفاع درجة الحرارة فوق ~100 °م. يجب على المصممين التحقق من الاحتفاظ بالخصائص الميكانيكية للخدمة المستمرة فوق 100–150 °م حيث يمكن أن تسبب التعرض الطويل الاسترداد والتلدين الجزئي للهياكل المجهرية المعالجة باردًا. معدل التأكسد معتدل ونموذجي لسبائك الألمنيوم؛ تحسن الطلاءات الواقية والأكسدة الاستقرار السطحي عند درجات الحرارة العالية.

يمكن أن تُظهر مناطق تأثير حرارة اللحام تلينًا موضعيًا يتفاقم مع ارتفاع درجات حرارة الخدمة، لذا يكون الانتباه لتصميم الوصلات وإدارة الحرارة أمرًا حاسمًا عندما يتعرض التجميع لكل من اللحام والتغير الحراري الدوري. يجب فحص التمدد الحراري والصلابة النسبية للمواد المجاورة في التطبيقات الحرارية العالية لمنع التعب أو تجمعات الإجهاد.

التطبيقات

الصناعة	مكون نموذجي	سبب استخدام 5457
السيارات	ألواح الهيكل الخارجية، ألواح التعزيز الداخلية	يوفر قوة أعلى من السبائك المصلدة بالإجهاد الشائعة مع الحفاظ على قابلية جيدة للتشكيل والطلاء
البحرية	ألواح الهيكل الفوقي، مكونات السطح	مقاومة جيدة للتآكل في الأجواء البحرية وقابلية لحام مناسبة للتصنيعات
الفضاء / الطائرات بدون طيار	مكونات هيكلية ثانوية، أغطية	نسبة قوة إلى وزن جيدة للأجزاء الهيكلية غير الأساسية وتشطيب سطحي جيد لأغلفة ديناميكية هوائية
النقل	ألواح المقطورات، جدران الحاويات	تركيبة من الصلابة، والمتانة، ومقاومة التآكل للأغلفة الهيكلية المكشوفة
الإلكترونيات / إدارة الحرارة	حوامل خفيفة الوزن، دعامات ميكانيكية	موصلية حرارية مناسبة وكثافة منخفضة للدعامات خفيفة الوزن؛ ليست الخيار الأساسي لمبادلات الحرارة عالية الأداء

يتم اختيار 5457 غالبًا حيثما تكون القوة المتوسطة إلى العالية، ومقاومة التآكل الجيدة، وتعددية التصنيع مطلوبة دون تعقيد المعالجات الحرارية. وهي مناسبة بشكل خاص لألواح السيارات الخارجية وأغلفة النقل حيث تعد عمليات التشكيل واللحام المتكررة جزءًا من الإنتاج.

أفكار للاختيار

عند اختيار 5457، يجب إعطاء الأولوية للتطبيقات التي تتطلب قوة خضوع وشد أعلى من الألمنيوم النقي التجاري (مثل 1100) مع الحاجة في الوقت نفسه إلى مقاومة جيدة للتآكل وقابلية للتشكيل. مقارنة بـ 1100، تضحّي 5457 بالتوصيلية الكهربائية والحرارية واللدونة النهائية مقابل قوة هيكلية أعلى بكثير.

مقارنةً بسبائك العمل المقسى الشائعة مثل 3003 أو 5052، تقع 5457 في مرتبة أعلى على مقياس القوة مع الاحتفاظ بمقاومة عامة للتآكل مماثلة أو أفضل؛ اختر 5457 عندما يكون القوة الإضافية مبررة رغم التكلفة المحتملة الأعلى وقابلية التشكيل المنخفضة قليلاً. بالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، لن تصل 5457 إلى القوة القصوى لتلك السبائك بعد التشيخ ولكنها غالبًا ما تقدم قابلية لحام ومقاومة للتآكل متفوقة دون تعقيد المعالجة الحرارية، لذا يُفضل 5457 حيث تفوق بساطة التصنيع وأداء مقاومة التآكل على الحاجة للقوة القصوى المطلقة.

• استخدم 5457 للأغلفة الهيكلية الخارجية، والتجميعات الملحومة، وحيث يمكن التحكم في مخاطر الإجهاد-تآكل بالتثبيت الحراري.
• تجنب تحديد 5457 إذا كانت الحاجة الأساسية هي أعلى توصيل كهربائي، أو شكلية فائقة للتشكيل العميق المعقد، أو أقصى قوة بعد المعالجة الحرارية.

ملخص ختامي

تظل 5457 سبيكة هندسية ذات صلة حيث يتطلب الأمر مزيجاً قوياً من قوة مدفوعة بالمغنيسيوم، مقاومة للتآكل، وقدرة تصنيع متعددة الاستخدامات دون تعقيد المعالجة الحرارية. يجعل توازنها بين الخواص الميكانيكية ومقاومة التآكل منها خيارًا عمليًا للتطبيقات في السيارات، والبحرية، والنقل التي تتطلب مواد هيكلية خفيفة الوزن، قابلة للّحام والتشكيل.