الألمنيوم 5754: التركيب الكيميائي، الخواص، دليل التصلب، والتطبيقات

نظرة شاملة

درجة 5754 هي أحد أعضاء سلسلة سبائك الألومنيوم 5xxx، وهي من عائلة Al‑Mg التي يتميز فيها المغنيسيوم كمكون سبائكي رئيسي. تُورَّد عادةً في أشكال منتجات مشغولة وتصنف تحت مسميات EN AW‑5754 وAA‑5754؛ حيث أن محتوى المغنيسيوم فيها (~2.6–3.6 وزن %) يضعها ضمن السبائك التجارية المغنيسيوم ذات القوة المرتفعة وغير القابلة للمعالجة الحرارية.

يتم تحقيق تقوية 5754 بشكل أساسي من خلال تقوية محلول صلب وتقسية بالتشويه بدلاً من المعالجة الحرارية للترسيب. وبما أنها سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، فإن خصائصها يتم تعديلها عن طريق العمل البارد والمعالجة الحرارية الميكانيكية بدلاً من دورات المحلول والتقادم.

أهم خصائص 5754 تشمل قوتها المرتفعة مقارنةً بالألومنيوم النقي تجاريًا والعديد من سبائك السلسلتين 3xxx و1xxx، مقاومتها الجيدة إلى الممتازة للتآكل في البيئات الجوية والبحرية، قابليتها الجيدة للحام باستخدام معدنيات ملء Al‑Mg، وسهولة تشكيلها خصوصًا في الحالة المعتمدة (annealed). تستخدم هذه السبيكة بشكل شائع في صناعات الهياكل وأجزاء الهيكل الخارجي للسيارات، التصنيع البحري والحقول البحرية، أوعية الضغط، وتطبيقات الألواح والألواح حيث تُطلب القوة، مقاومة التعب، وأداء جيد في مواجهة التآكل.

يختار المهندسون درجة 5754 على غيرها من السبائك عندما يكون المطلوب مزيج من القوة المتوسطة إلى العالية، مقاومة موثوقة للتآكل، وقابلية جيدة للتشكيل البارد دون تكاليف أو قيود عمليات المعالجة الحرارية. وغالبًا ما تُفضّل حيث تتكرر عمليات اللحام ويقدم المحتوى المرتفع من المغنيسيوم قوة محسّنة دون التأثير سلبًا على متانة السبيكة في البيئات البحرية.

الدرجات الحرارية (Temper Variants)

الدرجة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية (20–30%)	ممتازة	ممتازة	مخمرة بالكامل، أقصى ليونة للتشكيل المعقد
H111	متوسطة	متوسطة (12–20%)	جيدة	جيدة جدًا	مشقوقة قليلاً بعملية تشويه، تُورد عادة للاستخدام العام
H22	متوسطة-عالية	أخفض (8–15%)	مقبولة-جيدة	جيدة جدًا	حالة صلبة نسبياً، توازن بين القوة وقابلية التشكيل
H24	عالية	منخفضة-متوسطة (6–12%)	مقبولة	جيدة	مشدودة ومثبتة جزئياً لزيادة القوة
H34	عالية	منخفضة (4–10%)	محدودة	جيدة	تصلب أعلى للتطبيقات التي تحتاج مقاومة خضوع أعلى

تُعدل الدرجات الحرارية في 5754 بشكل رئيسي عن طريق زيادة كثافة الانزلاقات عبر التشويه البارد (درجات H) أو عن طريق إزالة تصلب العمل في الدرجة O. توفر درجة O المختمرة أفضل قابلية للسحب والشد للتشكيلات العميقة والانحناءات المعقدة.

مع زيادة تشويه العمل، ترتفع مقاومة الخضوع ومقاومة الشد في حين تنخفض استطالة المادة وقابلية الانحناء؛ وتتراوح قابلية اللحام بشكل جيد عمومًا عبر الدرجات الحرارية لكن يجب أخذ تصميم الوصلات بعين الاعتبار لتقليل ليونة الوصل في الدرجات الصلبة.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق %	ملاحظات
Si	0.40 كحد أقصى	شائبة؛ السيليكون المنخفض يحافظ على الليونة
Fe	0.40 كحد أقصى	شائبة نموذجية؛ قد تتكون مركبات بين فلزية تؤثر على قابلية التشكيل
Mn	0.50 كحد أقصى	التحكم في بنية الحبيبات، تحسين القوة ومقاومة إعادة التبلور
Mg	2.6–3.6	العنصر الأساسي في التقوية، يحسن مقاومة التآكل وقابلية التقسية بالتشويه
Cu	0.10 كحد أقصى	محتوى منخفض لتجنب تقليل مقاومة التآكل
Zn	0.20 كحد أقصى	شائبة بسيطة؛ تزيد زنك مرتفعة قد تقلل الليونة
Cr	0.30 كحد أقصى	سبيكة دقيقة للتحكم في حجم الحبيبات وتحديد نموها
Ti	0.15 كحد أقصى	مكيف حجم الحبيبات أثناء الصهر والممارسة الصهيرية
عناصر أخرى (لكل منها)	0.05 كحد أقصى	حدود للعناصر النزرة الأخرى لضمان استقرار الأداء

المغنيسيوم هو العنصر الحاسم في أداء 5754؛ تركيزه يتحكم في القوة الأساسية، استجابة تصلب العمل، ومقاومة الثقوب في البيئات المحتوية على الكلوريد. يوجد المنغنيز والكروم بمستويات منخفضة لضبط حجم الحبيبات وتثبيت السبيكة خلال المعالجة الحرارية الميكانيكية.

حدود منخفضة من النحاس والحديد تحافظ على مقاومة التآكل وليونة السبيكة، في حين تدعم مستويات مضبوطة من السيليكون والتيتانيوم استقرار الأداء أثناء عمليات الدرفلة والبثق.

الخصائص الميكانيكية

في سلوك الشد، تُظهر 5754 نمط كسر ليّن مع استطالة موحدة جيدة في الدرجات المختمرة وتنخفض الاستطالة تدريجياً مع زيادة تشويه العمل. مقاومة الخضوع ومقاومة الشد النهائي ترتبط بالدرجة الحرارية: حيث تعطي حالة O أولوية للاستطالة وقابلية التشكيل، بينما تزيد درجات H بشكل ملحوظ مقاومة الخضوع للتطبيقات الإنشائية. الصلادة تتناسب مع كثافة الانزلاقات التي تنشأ من العمل البارد؛ فتصل صلادة برينل إلى زيادة ملحوظة من O إلى H34 في حين تستفيد مقاومة التعب من القوة الأساسية الأعلى لكن قد تكون حساسة لحالة السطح والسماكة.

أداء التعب في 5754 جيد مقارنة بسبائك Al-Mg منخفضة القوة النقاء التجاري، وذلك بسبب تقوية المحلول الصلب المعتدلة التي تحسن عتبة بداية الشقوق. تؤثر السماكة بشكل كبير: حيث يظهر الصفائح الرقيقة قوة ظاهرة أعلى بسبب الدرفلة الباردة، وتتغير حدود الانحناء والتشكيل مع السماكة والدرجة الحرارية. يؤثر التشطيب السطحي والإجهادات المتبقية الناتجة عن التشكيل أو اللحام بشكل ملموس على عمر التعب.

الخاصية	O / مختمرة	الدرجة الرئيسية (H111/H22)	ملاحظات
قوة الشد (UTS)	115–155 MPa	220–265 MPa	تزداد بشكل ملحوظ مع تصلب التشويه؛ القيم تختلف حسب السماكة ومواصفات المورد
مقاومة الخضوع (0.2% تعويض)	35–65 MPa	125–170 MPa	تزداد المقاومة فجأة في درجات H؛ يجب استخدام بيانات درجة معتمدة لعوامل الأمان
الاستطالة (A50mm)	20–30%	8–18%	تنخفض الليونة مع التصلب؛ الحد الأدنى للاستطالة يعتمد على السماكة والمعالجة
الصلادة (HB)	25–35 HB	60–85 HB	صلادة برينل تتبع القوة وتصلب العمل

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.66 g/cm³	نموذجية لسبائك Al-Mg المشغولة؛ مهمة لحسابات الوزن والصلابة
نطاق الانصهار	~605–650 °C (من الصلب إلى السائل)	نطاق الصهر للسبائك؛ يحكم سلوك الصب والتصلب حسب العناصر الثانوية
التوصيل الحراري	~120–160 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي لكنها لا تزال عالية، مفيدة لتطبيقات إدارة الحرارة
التوصيل الكهربائي	~28–36 % IACS	منخفضة مقارنة مع الألومنيوم النقي بسبب المغنيسيوم؛ يؤثر على تصميم الموصلات والاعتبارات الكهرومغناطيسية
السعة الحرارية النوعية	~900 J/kg·K	مماثلة تقريبا للسبائك الأخرى؛ مفيدة لتحليل التحولات الحرارية
معدل التمدد الحراري	~23.5 ×10⁻⁶ /K	معامل تمدد خطي نموذجي للتصميمات الإنشائية في دورات الحرارة

تحافظ 5754 على العديد من الخصائص الحرارية والكهربائية المرغوبة في الألومنيوم مع تنازلات طفيفة في التوصيل وثباته بسبب السبائكة. تعتبر الكثافة وأرقام التمدد الحراري مهمة للربط بين مواد مختلفة وللتجميعات الدقيقة حيث يمكن للحركة الحرارية التفاضلية أن تسبب إجهادات.

يرشد نطاق الانصهار / الصلب عمليات التصنيع مثل اللحام عالي الحرارة وممارسات الصهر؛ وتتطلب السيطرة الحرارية الدقيقة لتجنب بدء الذوبان في المراحل الثانوية وضمان بنية دقيقة مناسبة للمعالجة المشغولة.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	الدرجات الحرارية الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6.0 mm	تختلف القوة حسب الدرجة وتقليل الدرفلة	O, H111, H22, H24	مستخدمة على نطاق واسع في الألواح الهيكلية للسيارات وسطح السفن البحرية
صفائح سميكة	6–30 mm	ليونة أقل، يمكن توريدها بدرجات H لتصلب أعلى	H24, H34	صفائح إنشائية لأوعية الضغط والهياكل
بثق	مقاطع عرضية متنوعة	تعتمد القوة على التصلب بعد البثق؛ تُستخدم عملية تصلب بالتشويه	O, H111	بروفيلات للدرابزين، السيور الناقلة، والأقسام الإنشائية
أنابيب	جدار 0.5–10 mm	سلوك مشابه للألواح؛ سماكة الجدار حرجة لأحمال الضغط	H111, H22	أنابيب مبادلات حرارية وخطوط سائلة تتطلب مقاومة التآكل
قضبان/أعمدة	قطر 5–100 mm	يمكن درفلتها/سحبها باردة لزيادة القوة	H111, H34	مكونات مشغولة، وصلات وسحابات في بيئات حساسة للتآكل

الألواح الرقيقة والخفيفة هي أشكال المنتج الأكثر شيوعاً ومُحسّنة للسحب العميق، والطوي، والتشكيل الهيدروليكي في درجات O وH الخفيفة. وتُستخدم الصفائح السميكة والبُرَامِج عند الحاجة إلى مقاطع أقوى؛ يمكن توريد البروفيلات البثق في الحالة O للتشكيل أو في درجات مشدودة بالتشويه للاستخدام النهائي.

تؤثر اختلافات عمليات التصنيع (اللف مقابل البثق مقابل السحب) على اتجاهية الحبيبات واللاتماثلية؛ لذا يجب على المصممين مراعاة الخصائص الاتجاهية للانحناء، والتمدد، والاتجاهات الحرجة للإجهاد المتكرر.

درجات مكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	5754	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية جمعية الألومنيوم الأمريكية للسبائك المشغولة
EN AW	5754	أوروبا	تسمية EN؛ غالبًا ما يُشار إليها باسم AlMg3.5 في معايير المواد الأوروبية
JIS	A5754	اليابان	المعيار الصناعي الياباني يستخدم تسمية A5754 لتكوين مشابه
GB/T	AlMg3.5	الصين	المعيار الصيني غالبًا ما يدرج السبيكة بحسب محتوى المغنيسيوم الاسمي كـ AlMg3.5

المعادلة بين المعايير وظيفية وليست مطلقة؛ حيث يمكن أن تختلف نطاقات التكوين الاسمية والشوائب المسموح بها قليلاً بين شهادات المورد والمعايير الإقليمية. تؤثر هذه الاختلافات الصغيرة على حدود التشكيل، وجودة السطح لعمليات الأكسدة الكهربية، والخصائص الميكانيكية المعتمدة، لذا يجب مراجعة مكالمات المواصفات وشهادات المواد للأجزاء الحرجة.

عند الشراء من مصادر عالمية، يُنصح المهندسون بطلب تقارير تحليل كيميائي وميكانيكي تفصيلية والانتباه لتعريفات حالة التسليح (مثل H111 قد تُفسر هندسياً وبشكل إجهادي بشكل مختلف بين مصانع المناطق).

مقاومة التآكل

تتمتع سبيكة 5754 بمقاومة جيدة جداً للتآكل الجوي وتؤدي أداءً جيدًا في البيئات البحرية وذات المحتوى عالي الكلوريد مقارنة بالعديد من عائلات الألومنيوم. المحتوى العالي نسبيًا من المغنيسيوم يزيد من القابلية للعيوب التآكلية النقطية إذا تضرر السطح ميكانيكيًا أو في وجود أنيونات عدوانية بدون طبقات واقية؛ ومع ذلك، عند الحماية بالطلاءات أو الأغشية المؤكسدة، يظهر 5754 عمر خدمة طويل في التعرض لمياه البحر.

تكسير التآكل تحت الإجهاد (SCC) عمومًا منخفض في 5754 مقارنة ببعض سبائك الألومنيوم عالية القوة، لكن الحساسية لـ SCC تزداد بارتفاع محتوى المغنيسيوم وبوجود إجهادات شد متبقية من التشكيل أو اللحام. ينبغي للمصممين تقليل خطر SCC من خلال التحكم في تركيز الإجهاد، ومعالجات ما بعد اللحام، واستخدام حالات التسليح المناسبة.

تعد الاعتبارات الجلفانية مهمة: حيث يكون 5754 قطبًا كاثوديًا للصلب والمعادن الأكثر نبلاً وقطبًا أنوديًا للألومنيوم النقي في بعض الظروف؛ لذا يتطلب العزل المناسب، الأنودات القربانية أو الطلاءات في التركيبات متعددة المواد. بالمقارنة مع سلسلة 6xxx (Al-Mg-Si)، يوفر 5754 مقاومة تآكل موضعية أفضل لكنه يقلل من التصاق الطلاء بعد الأكسدة؛ وبالمقارنة مع سلسلة 3xxx (Al-Mn) فإنه يقدم قوة أعلى ومقاومة للأملاح الكلورية مماثلة أو محسنّة قليلاً.

خصائص التصنيع

القابلية للحام

يُلحَم 5754 بسهولة بواسطة TIG، MIG/GMAW، واللحام المقاوم باستخدام المواد الاستهلاكية والمعايير المناسبة. السبائك الموصى بها للحشو في الوصلات الشائعة هي 5356 أو 5183 (سبائك Al-Mg) لمطابقة قوة المعدن الأساسي وتقليل المشكلات الجلفانية والتآكلية؛ يُنصح بتجنب الحشوات عالية السيليكون إلا إذا كانت مطلوبة لعمليات لحام محددة. خطر التشقق الساخن منخفض نسبيًا لهذه العائلة، لكن قد تظهر اللحامات انخفاضًا في الليونة وتلينًا موضعيًا في منطقة التأثير الحراري؛ قد تكون عمليات التشطيب الميكانيكي وتخفيف الإجهاد بعد اللحام مطلوبة لأجزاء حرجة للإجهاد المتكرر.

قابلية التشغيل

تتراوح سهولة تشغيل 5754 من متوسطة إلى صعبة مقارنة بسلسلة 6xxx بسبب زيادة الليونة وميول التصلب بالعمل. يُنصح باستخدام أدوات كربيد بزاوية قطع إيجابية وزوايا قص عالية وكاسرات رقائق جيدة؛ يجب ضبط سرعات القطع لتجنب نشوء حواف متراكمة والتحكم بدرجات حرارة الأدوات. يمكن التحكم في جودة السطح وتكون الحواف الزائدة من خلال أدوات حادة وتبريد كافٍ ومعدل تغذية منخفض لكل سن؛ القضبان الممددة والألواح الثقيلة قد تتطلب تخفيف إجهاد مسبق لتحقيق أفضل ثبات أبعاد.

قابلية التشكيل

تعد قابلية التشكيل ممتازة في الحالة الملدنة بالكامل O، مما يسمح بنصف قطر انحناء ضيق وعمليات سحب عميقة مع ارتداد محدود. معدلات نصف قطر الانحناء الداخلية النموذجية للألواح في حالة O قد تكون 1–2× سماكة المادة للانحناءات البسيطة، بينما تتطلب حالات H عادة 3–6× السماكة لتجنب التشقق. يزيد التصلب البارد من القوة لكنه يقلل من الاستطالة؛ لعمليات التشكيل المعقدة يُفضل تخطيط تسلسل التشكيل للاستفادة من حالة O للسحوبات الرئيسية واستخدام تصلب إجهاد خفيف للشكل النهائي.

سلوك المعالجة الحرارية

كسبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية، لا يستجيب 5754 لمعالجات المحلول والهطول لزيادة القوة؛ تتحكم الخصائص الميكانيكية بالعمل البارد والتمدد الحراري. يتم التلدين (التليين الكامل) عند التسخين إلى مدى تحدث فيه إعادة التبلور، عادةً بين 300–415 °C اعتمادًا على الوقت والعمل البارد السابق، يليه تبريد بطيء؛ مما يعيد الليونة لكنه يقلل القوة.

يزيد التصلب بالعمل البارد من مقاومة الخضوع ومقاومة الشد عن طريق زيادة كثافة الانزلاقات؛ حيث تتناسب درجة التقوية الممكنة مع مقدار التشويه البلاستيكي. تُحقق درجات التسليح المستقرة أو التلدين الجزئي (مثل H24) عبر عمليات حرارية محكومة تخفف من بعض إجهادات الانقباض دون تلين كامل للمادة.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تسرّع درجات الحرارة المرتفعة عمليات الاسترجاع وإعادة التبلور في 5754، مما يؤدي إلى فقدان ملحوظ في مقاومة الخضوع والشد عند درجات حرارة معتدلة نسبيًا. الاستخدام المستمر عند درجات حرارة فوق ~100 °C يقلل تدريجيًا من مقاومة الخضوع، والتعرضات فوق ~150–200 °C تسبب تليينًا كبيرًا وتغيرات مجهرية تؤثر سلبًا على الأداء الميكانيكي.

الأكسدة في درجات الحرارة الجوية نموذجية تكون ضئيلة بفضل طبقة أكسيد الألومنيوم الواقية، لكن التعرض المطول لدرجات حرارة عالية يزيد من التقشر ويغير كيمياء السطح المهمة للطلاءات والالتصاق. في المناطق الملحومة أو المتأثرة حراريًا قد تسبب الدورات الحرارية تليينًا موضعيًا ونمو الحبيبات؛ ينبغي أن يحد التصميم من التعرض طويل الأمد للحرارة العالية أو يستخدم تثبيت حراري ما بعد اللحام عند الإمكان.

التطبيقات

الصناعة	مكون نموذجي	لماذا يُستخدم 5754
السيارات	ألواح الهيكل، الهياكل الداخلية	توازن بين قابلية التشكيل والقوة ومقاومة التآكل للأجزاء الظاهرة والإنشائية
البحرية	أسطح السفن، تجهيزات الهيكل، الألواح الهيكلية	مقاومة تآكل كلوريد فائقة وقابلية للحام لخدمة المياه المالحة
الفضاء	تجهيزات ثانوية، ألواح داخلية	قوة إلى وزن جيدة ومقاومة للإجهاد المتكرر للهياكل غير الأساسية
الإلكترونيات	موزعات حرارة، حاويات	توصيل حراري ومقاومة التآكل مع قابلية التشكيل
أوعية الضغط	خزانات وأنابيب منخفضة الضغط	مقاومة التآكل وسهولة التصنيع للأوعية خفيفة الوزن

يُحدد 5754 غالبًا حيث يُطلب توازن بين قوة اللوح المتجانسة، مقاومة التآكل المتينة، والتصنيع الاقتصادي. وقدرته على اللحام باستخدام حشوات شائعة من Al-Mg وتحمله للبيئات البحرية تجعله خيارًا مفضلاً لمجموعة واسعة من المكونات الهيكلية والطلائية.

نظرة عامة على الاختيار

يُعد 5754 خيارًا عمليًا عندما يحتاج المصممون إلى قوة أعلى من الألومنيوم النقي التجاري (1100) مع الاحتفاظ بمعظم قابلية التشكيل ومقاومة التآكل. مقارنةً بـ 1100، يضحي 5754 بنظرياته الكهربائية والحرارية لكنه يكتسب قوة خضوع وشد كبيرة للاستخدامات الهيكلية.

مقارنة مع السبائك الشائعة ذات التصلب بالعمل مثل 3003 و5052، عادةً ما يكون 5754 أقوى ويقدم مقاومة تآكل كلوريد مساوية أو أفضل؛ يُختار عندما تُحتاج إلى صفيحة أقوى دون اللجوء إلى أنظمة قابلة للمعالجة الحرارية. مقابل السبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061، لا يصل 5754 إلى نفس الذروات في القوة لكنه غالبًا ما يُفضل للحام المكثف وللتطبيقات التي تتطلب مقاومة تآكل مستمرة أو ليونة أفضل؛ كما يتجنب التشوه والحساسية الحرارية المرتبطة بمعالجات المحلول والشيخوخة.

اختر 5754 عندما يتطلب التصميم توازنًا بين القوة، وسهولة التشكيل، والمتانة البحرية، وعندما يكون اللحام والتشكيل البارد عمليات متكررة؛ تحقق من تأثيرات الحالة والسماكة على مقاومة التعب ومتطلبات التشكيل.

الخلاصة

يظل 5754 سبيكة ألومنيوم-مغنيسيوم مستخدمة على نطاق واسع لأنها تجمع بين قوة المحلول الصلبة، ومقاومة التآكل الموثوقة، وخصائص التصنيع الممتازة في شكل مشغول اقتصادي. طبيعته غير القابلة للمعالجة الحرارية تبسط التصنيع وتجعلها مناسبة بشكل خاص للتطبيقات الملحومة والمشكلة باردًا والبحرية حيث تتطلب متانة طويلة الأمد وأداء ميكانيكي متوقع.