ألومنيوم A2014: التركيب، الخواص، دليل المعالجة، والتطبيقات

نظرة شاملة

سبيكة A2014 هي سبيكة ألومنيوم-نحاس من السلسلة 2xxx (Al-Cu(-Mg/-Mn)) تم سباكها بشكل أساسي بالنحاس والمنغنيز. وهي جزء من عائلة سبيكات الألومنيوم عالية القوة والقابلة للمعالجة الحرارية والمطورة للمكونات الإنشائية حيث تعد مقاومة الشد ومقاومة الخضوع من العوامل الأساسية في التصميم.

يتم تحقيق التقوية في A2014 بشكل أساسي من خلال المعالجة الحرارية بالإنحلال الحلولي متبوعة بالتبريد السريع والشيخوخة الاصطناعية، مما ينتج ترسيبات دقيقه غير مستقرة من Al-Cu (بالدرجة الأولى θ′ و θ) التي ترفع مقاومة الخضوع والشد. تحتفظ السبائك بقابلية جيدة للتشكيل بعد عملية الشيخوخة، لكنها تمتلك مقاومة محدودة للتآكل وقابلية تشكيل أقل مقارنة بسلاسل 5xxx و6xxx، لذلك تعد الطلاءات الواقية واحتساب التصميم لعمليات التشكيل أمورًا شائعة.

تشمل الصناعات النموذجية لاستخدام A2014 قطع التوصيل والهياكل في الطيران، المكونات عالية الأداء في السيارات، والمعدات الميكانيكية المشغلة للقطاعات السككية والدفاعية. يختار المهندسون A2014 حيث يكون نسبة القوة إلى الوزن عالية، ومقاومة التعب جيدة، وحيث تفوق فوائد القوة الناتجة عن المعالجة الحرارية عيوب الحساسية للتآكل وقابلية التشكيل.

مُعَدَّلات الحالة الحرارية

المُعَدّل	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية (18–30%)	ممتازة	ممتازة (حسب التصميم)	حالة أنيلية كاملة للتشكيل وتخفيف الإجهاد
H14	منخفضة إلى متوسطة	متوسطة (10–18%)	جيدة	ضعيفة إلى مقبولة	مُقوى بالتصلب بالتشوه، قابلية تشكيل باردة محدودة، غير معالجة حرارياً
T5	متوسطة إلى عالية	متوسطة (8–14%)	مقبولة	ضعيفة	مبردة من درجة حرارة مرتفعة ومُشيخة صناعياً
T6	عالية	منخفضة إلى متوسطة (6–12%)	محدودة	ضعيفة	معالجة حرارية بالإنحلال الحلولي وشيخوخة اصطناعية للقوة القصوى
T651	عالية	منخفضة إلى متوسطة (6–12%)	محدودة	ضعيفة	معالجة حرارية بالإنحلال الحلولي، خفض إجهاد بواسطة الشد، تليها شيخوخة اصطناعية

تتحكم الحالات الحرارية في التوازن بين القوة والليونة في A2014. تُستخدم حالات O وH عند الحاجة إلى التشكيل أو العمل البارد، في حين تعظم حالات الشيخوخة الاصطناعية (T5/T6/T651) القوة على حساب الاستطالة وقابلية التشكيل.

كما يؤثر اختيار الحالة الحرارية بشكل صحيح على المعالجة اللاحقة: تمنح حالات T6/T651 أفضل قوة ثابتة ومقاومة للتعب للأجزاء الهيكلية، في حين تُفضل حالات O أو سلسلة H لعمليات ثني أو تشكيل واسعة النطاق قبل المعالجة الحرارية النهائية.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة المئوية	ملاحظات
Si	0.5 كحد أقصى	السيليكون المنخفض يقلل من تكوين المركبات بين الفلزية الصلبة والهشة؛ يتحكم بسلوك الصب
Fe	0.7 كحد أقصى	شائبة شائعة؛ زيادة الحديد تقلل المتانة وقابلية التشغيل
Mn	0.4–1.0	يتحكم في بنية الحبيبات ويحسن القوة ومقاومة الانكسار
Mg	0.2–0.8	يساهم في تقسية الشيخوخة والمتانة عند دمجه مع النحاس
Cu	3.9–5.0	العنصر الرئيسي في التقوية؛ أساسي لتقسية الترسيب
Zn	0.25 كحد أقصى	نسبي منخفض لتجنب الحساسية المفرطة لتآكل الإجهاد
Cr	0.10 كحد أقصى	متحكم في التركيب الدقيق؛ يقلل من إعادة التبلور ويحسن الاستقرار
Ti	0.15 كحد أقصى	مكرر للحبيبات أثناء الصب والمعالجة الأولية
عناصر أخرى	باقي Al وبقايا	عناصر أثرية محكومة للحفاظ على اتساق الشيخوخة وقابلية الليونة

النحاس هو العنصر السائد في السبائك ويمثل الكيمياء المسؤولة عن ترسيبات القوة. يضاف المنغنيز والكروم بنسب معتدلة لتحسين بنية الحبيبات، وزيادة الاستقرار عند درجات الحرارة العالية، وتحسين خصائص الكسر، في حين يكمل المغنيسيوم أداء النحاس في تعزيز كيمياء تقسية الشيخوخة.

تعد حدود الشوائب في الحديد والسيليكون مهمة للحفاظ على المتانة وقابلية التشغيل، ولتجنب التكوين المفرط للمركبات بين الفلزية الخشنة التي يمكن أن تكون نقاط بداية لشقوق التعب.

الخصائص الميكانيكية

تعرض A2014 مقاومات عالية للشد والخضوع في حالة الشيخوخة القصوى، مع وجود مقايضات ملحوظة في الليونة ومقاومة التآكل. في حالات T6/T651 تصل مقاومة الشد النموذجية إلى عدة مئات من ميغاباسكال، بينما توفر الحالات الأنيلية قوة متواضعة إلا أنها تتميز باستطالة أعلى مناسبة لعمليات التشكيل. مقاومة التعب للسبائك المشيخة غالبًا ما تتفوق على العديد من سبائك سلسلة 5xxx عند التصميم والتشغيل الجيد، لكن حالة السطح وبيئة التآكل تؤثران بشكل كبير على عمر التعب.

قيم مقاومة الخضوع والشد حساسة لسماكة المقطع، الحالة الحرارية، وجودة المعالجة الحرارية؛ حيث قد يصعب معاملة المقطاعات السميكة بشكل موحد ما يؤدي إلى انخفاض قوة الشيخوخة القصوى وزيادة تشتت الخواص. الصلادة تتناسب جيدًا مع خواص الشد؛ إذ يمكن للانتقال من حالة O إلى T6 أن يزيد صلادة برينيل بمقدار مرتين إلى ثلاث مرات حسب المادة الأصلية وبرنامج الشيخوخة.

سوف تهيمن بنية الحبيبات، المسامية المتبقية، والأضرار السطحية الناتجة عن التشغيل على بداية شقوق التعب في المكونات عالية القوة؛ لذا فإن التشطيب المناسب والحماية من التآكل ضروريان لتحقيق أداء ميكانيكي متوقع.

الخاصية	حالة O/أنيلية	الحالة الحرارية الأساسية (T6/T651)	ملاحظات
مقاومة الشد (UTS)	200–260 MPa	420–460 MPa	قيم T6 نموذجية للمقاطع الرقيقة؛ قد تكون أقل للسمك الأكبر
مقاومة الخضوع (0.2% PS)	90–140 MPa	350–410 MPa	تزداد مقاومة الخضوع بشكل كبير مع الشيخوخة
الاستطالة	18–30%	6–12%	تقل الليونة مع زيادة القوة في الحالات الحرارية
الصلادة (HB)	50–75 HB	120–155 HB	تتبع الصلادة برنامج الشيخوخة؛ تدل على كثافة الترسيبات

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.78 g/cm³	أعلى قليلاً من بعض سبائك سلسلة 6xxx بسبب احتواء النحاس
نطاق الانصهار	~500–645 °C	نطاق السائلة-الصلبة يعتمد على التسبوك المحلي والتكوين
الموصلية الحرارية	~110–130 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي؛ يقلل النحاس الموصلية مقارنة بسلسلة 1xxx
الموصلية الكهربائية	~25–40 % IACS	تقل بفعل السبائك؛ تعتمد على الحالة الحرارية والعمل البارد
السعة الحرارية النوعية	~880 J/kg·K (0.88 J/g·K)	نموذجية لسبائك الألومنيوم المشغولة في الظروف المحيطة
المعامِل الحراري للتوسع	~23.5–24.5 µm/m·K	مماثل للسبائك الأخرى من الألومنيوم، مهم للتجميعات المُلصقة

تؤدي وجودات النحاس وباقي العناصر المُسبوكة إلى تقليل الموصلية الحرارية والكهربائية مقارنة بالألومنيوم التجاري النقي، وهو أمر مهم للمصممين الذين يضعون في اعتبارهم مسارات الحرارة أو التطبيقات الكهربائية. الكثافة والتوسع الحراري قريبة من سبائك الألومنيوم الإنشائية الشائعة، مما يسهل التكامل في التجميعات المختلطة.

نطاقات الانصهار وصلابة السائلة مهمة في عمليات اللحام والبَرشمة؛ حيث يمكن أن يؤدي التسخين المحلي الزائد أثناء اللحام إلى تكوين ترسيبات خشنة وتليين مناطق التأثر الحراري، لذلك يعتبر التحكم الحراري أساسياً.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	الحالات الحرارية الشائعة	ملاحظات
الألواح (Sheets)	0.5–8 mm	تستجيب السماكات الرقيقة جيدًا لـ T6؛ الألواح السميكة أصعب في المعالجة بالإنحلال الحلولي	O, H14, T5, T6, T651	تستخدم للألواح المشغولة وطبقات الهيكل حيث القوة العالية مطلوبة
الألواح السميكة (Plate)	8–200 mm	تقل القدرة على التقسية مع زيادة السماكة؛ تحتاج معالجة إنحلالية مسيطرة	O, T6, T651 (غالبًا بسماكة محدودة)	الأجزاء الثقيلة تتطلب معالجة حرارية متخصصة وتحكم دقيق في التبريد
البروفيلات المُسحَبة (Extrusion)	مقاطع إلى مقاطع متوسطة الحجم	الأقسام المسحوبة غالبًا ما تحتاج إلى شيخوخة لتحقيق القوة	T5, T6 (بعد السحب)	محدودة مقارنة بسلسلة 6xxx؛ تستخدم للبروفيلات عالية القوة
الأنابيب (Tube)	Ø متنوع	الأنابيب الرفيعة الجدار تتصلب جيدًا؛ الأنابيب ذات القطر الكبير قد تُعالج أنيليًا	O, T6	تستخدم في الأعضاء الهيكلية وتركيبات هيدروليكية
الأعمدة/القضبان (Bar/Rod)	أقطار حتى 150 mm	يمكن للقضبان الصلبة تحقيق قوة T6 عالية إذا عولجت بشكل صحيح	O, T6, T651	شائعة للأجزاء المشغولة مثل التجهيزات، الدبابيس، والمحاور

يؤثر نوع الشكل والحجم بشدة على الخواص الممكن تحقيقها لأن المعالجة الحرارية بالإنحلال الحلولي ومعدلات التبريد تحدد توزيع الترسيبات. تصل المقطاعات الرقيقة والمقاطع الصغيرة إلى قوة قريبة من القصوى بعد الشيخوخة القياسية T6، بينما غالبًا ما تتطلب المقطاعات الكبيرة دورات معالجة حرارية معدلة وتحكمًا صارمًا في العملية لتجنب تكون نواة غير مكتملة الشيخوخة.

تختلف طرق المعالجة: الإنتاج باللف للألواح/الألواح يؤدي إلى تشكيل هياكل ميكروية موجهة تؤثر على اللاتماثل؛ بينما تتطلب عمليات السحب والتشكيل تكريرًا وتشيخًا لاحقًا للوصول إلى الأهداف الميكانيكية المصممة ولتقليل الحساسية للتبريد.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	A2014	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية سبائك مشغولة نموذجية في مواصفات المواد ASME/ASTM
EN AW	2014	أوروبا	تتوافق تسميات EN بشكل كبير لكنها قد تختلف قليلاً في متطلبات الاختبارات الميكانيكية
JIS	A2014	اليابان	تعادل تركيبي عام مع فوارق محتملة في التسامحات الإقليمية
GB/T	2A14 / 2014	الصين	تسمية صينية شائعة؛ قد تختلف التسامحات الميكانيكية والكيميائية قليلاً

التسميات المكافئة عبر المعايير متشابهة إلى حد كبير من حيث التركيب، لكن فروق التسامحات والمواصفات، واختبارات التأهيل، والشوائب المسموح بها تختلف حسب الهيئة المصدقة. تؤثر هذه الفروق على شهادات الاستخدام في الطيران أو معدات الضغط وقد تتطلب توثيقًا من المورد لتأكيد الالتزام بمعيار المشتري.

عند الاستبدال بين المعايير، يجب التحقق من مواصفات المادة بالنسبة لنطاقات السماكة المسموح بها، وتعريفات الحالة الحرارية (مثل T651 مقابل T6)، والحد الأدنى للخواص الميكانيكية المطلوبة لتجنب فشل القطع في الموقع أو مشاكل التأهيل.

مقاومة التآكل

يمتلك A2014 مقاومة تآكل عامة محدودة مقارنة بسلسلة 5xxx و 6xxx بسبب زيادة النحاس للنشاط الكاثودي مما قد يعزز التآكل الموضعي. في الأجواء الجوية قد يؤدي أداءً مقبولاً إذا تم طلاؤه أو أنوده، لكن التعرض غير المحمي، وخاصة في البيئات البحرية أو المحتوية على كلوريدات، يسرع من تكوين الحفر والهجوم بين الحبيبات.

انحلال التشقق بالتآكل الإجهادي (SCC) هو مصدر قلق مهم لسلسلة 2xxx، خصوصًا تحت إجهادات الشد ودرجات الحرارة المرتفعة؛ حيث أن الحالات الحرارية المزودة بأقصى تقسية (T6) وبعض مناطق تأثر اللحام عرضة جداً. التصميم ضد SCC يشمل استخدام حالات حرارية منخفضة القوة في المناطق الحرجة، وتطبيق الطلاءات الكاثودية أو العازلة، وتجنب الأزواج الجلفانية مع المعادن النبيلة بدون عزل.

بالمقارنة مع سبائك 6xxx، يتنازل A2014 عن مقاومة التآكل لصالح قوة أعلى؛ وبالمقارنة مع سبائك 1xxx، يقدم A2014 قوة أعلى بكثير لكنه أقل توصيلًا وأداءً في التآكل. تُستخدم طرق المعالجة السطحية (طبقات تحويلية، طلاء، أنودة) والتغليف بالألمنيوم النقي كإجراءات شائعة للحد من هذه المشكلات في البيئات العدائية.

خصائص التشغيل

قابلية اللحام

لحام الاندماج لـ A2014 يمثل تحديًا بسبب محتواه العالي من النحاس وحساسيته الشديدة للتشقق الحراري وتليين منطقة تأثير اللحام (HAZ). يمكن استخدام لحام القوس التنغستيني (TIG) والقوس المعدني الغازي (MIG) مع استراتيجيات ما قبل وما بعد اللحام، لكن منطقة اللحام عادةً ما تكون أضعف من المعدن الأساسي T6 وغالبًا ما تتطلب معالجة حرارية موضعية ما بعد اللحام وإعادة تقسية. تُستخدم سبائك الحشو ذات محتوى أعلى من السيليكون والمغنيسيوم أو أقل نحاسًا (مثل 4043، 5356) لتقليل مخاطر التشقق لكنها تخلق مناطق ميتالورجية مختلفة وتتطلب أخذ تفاوت الخواص بعين الاعتبار.

سهولة التشغيل

يُعتبر A2014 جيدًا نسبيًا من حيث التشغيل بين سبائك الألمنيوم عالية القوة، بسبب محتوى النحاس الذي يساعد في كسر الرقائق وتحسين القوة للاستقرار الأبعادي. يُفضل استخدام أدوات قطع من كربيد أو كربيد مطلي؛ وسرعات قطع متوسطة إلى عالية مع تجهيزات صلبة وزوايا دوران إيجابية لتقليل تكدس الحواف. يجب التركيز على معدلات التغذية واستراتيجيات التبريد لإزالة رقائق صغيرة ومجزأة وتجنب الاحتكاك المفرط بين الأداة والقطعة والذي يؤدي إلى تشويه السطح.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل الباردة للحالات المزودة بأقصى تقسية محدودة؛ يُفضل تنفيذ عمليات الثني والسحب العميق في الحالات O أو H قبل المعالجة الحرارية النهائية والشيخوخة. يجب اختيار أقل نصف قطر للثني بأمان للألواح T6 (مثلاً عدة أضعاف السماكة حسب الأدوات المستخدمة) ويجب توقع ارتداد الزنبرك. عندما تكون الأشكال معقدة، تستخدم العمليات شبه النهائية أو المعالجات الحرارية بعد التشكيل لتحقيق الخواص النهائية.

سلوك المعالجة الحرارية

يخضع A2014 للمعالجة الحرارية وفق تسلسل تقسية بالترسيب التقليدي: معالجة محلول، تبريد سريع، وشيخوخة صناعية. درجات حرارة المعالجة النموذجية تتراوح بين 495–530 °C مع تبريد سريع (بالماء أو البوليمر) للاحتفاظ بحل صلب مشبع؛ معدلات التبريد غير المناسبة تؤدي إلى ترسيبات خشنة وتراجع في القوة القصوى. تستخدم برامج التشيخ الصناعي (مثلاً T6) تعتيق عند ~160–190 °C لعدة ساعات لتكوين بنية ترسيب θ′ وتحقيق قوة تقترب من الحد الأقصى.

تشمل انتقالات الحالة الحرارية T5 (تبريد من درجة حرارة مرتفعة وشيخوخة صناعية)، T6 (معالجة محلول وشيخوخة صناعية)، وT651 (إزالة إجهاد بالتطويل ثم شيخوخة صناعية). التحكم في شدة التبريد، ودرجة حرارة/مدة التشيخ، وظروف ما قبل التشيخ ضرورية لتقليل حساسية التبريد، تقليل التشوهات، وزيادة أداء الإجهاد المتكرر.

الأداء عند درجات الحرارة المرتفعة

مثل سبائك Al-Cu الأخرى، يعاني A2014 من انخفاض ملحوظ في القوة عند درجات حرارة مرتفعة؛ فوق 120–150 °C تقل القوة على المدى الطويل ومقاومة الزحف مع تكثف وترسيب وتحلل الترسيبات. التعرض القصير لدرجات حرارة عالية أثناء المعالجة (مثل اللحام) قد يؤدي إلى تقسية مفرطة أو ذوبان الترسيبات المقوية، مما ينتج تليين منطقة تأثير اللحام وانخفاض الخواص الميكانيكية الموضعية. الأكسدة محدودة (تشكل طبقة أكسيد سلبية) لكن القشرة الناتجة عند درجات حرارة عالية جدًا لا تحمي من فقدان الخواص الميكانيكية.

لتطبيقات درجات الحرارة المرتفعة المستمرة، لا يُنصح عمومًا باستخدام A2014؛ حيث يختار المصممون عادة سبائك ذات استقرار حراري أعلى أو يضيفون تدابير حماية وتنقيصات عند حدوث ارتفاعات حرارية عابرة. عند استخدامه بالقرب من درجات حرارة الخدمة المرتفعة، يُنصح بالفحص الدوري للزحف، الاسترخاء الإجهادي، وانحلال التشقق بالتآكل الإجهادي.

التطبيقات

الصناعة	مكون نموذجي	سبب استخدام A2014
الفضاء الجوي	وصلات، وصلات كليفيز، قطع تزوير	نسبة قوة إلى وزن عالية ومقاومة إجهاد ممتازة في قطع مدمجة
السيارات	حوامل مشغولة عالية القوة ومكونات التوجيه	قوة لأجزاء تتحمل الأحمال مع توفير في تكلفة التشغيل
الدفاع / السكك الحديدية	وصلات هيكلية ومكونات الأسلحة	سهولة التشغيل مع قوة ثابتة عالية ومتانة
الآلات الصناعية	أغطية تروس وأجسام صمامات	القدرة على تشكيل أشكال معقدة بقوة عالية

يفضل A2014 للأجزاء الهيكلية صغيرة إلى متوسطة الحجم حيث تكون القوة القصوى وقابلية التشغيل مهمة ويتم التحكم في التعرض للتآكل. يظل دوره مهمًا في معدات الفضاء الجوي وصناعة السيارات عالية الأداء حيث يكون خفض الوزن والسلامة الهيكلية أولوية.

نصائح الاختيار

يُختار A2014 عندما تكون القوة العالية القابلة للمعالجة حراريًا وقابلية التشغيل الجيدة أكثر أهمية من مقاومة التآكل وقابلية التشكيل. بالمقارنة مع الألمنيوم التجاري النقي (مثل 1100)، يتنازل A2014 عن التوصيل الكهربائي وقابلية التشكيل لصالح قوة خضوع وقوة شد أعلى بكثير، ما يجعله أفضل للأجزاء الإنشائية المشغولة وأقل ملاءمة للعناصر التي تحتاج توصيلًا أو تشكيلًا واسعًا.

بالمقارنة مع السبائك المشغولة مثل 3003 أو 5052، يوفر A2014 قوة ثابتة أعلى بكثير وأداء إجهاد أفضل لكنه أقل مقاومة للتآكل وأقل مناسبة للعمليات التشكيلية القاسية. وبالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة حراريًا في سلسلة 6xxx (مثل 6061 أو 6063)، يقدم A2014 غالبًا قوة مماثلة أو أعلى في حالات محددة وقابلية تشغيل أفضل، لكنه عادةً أقل مقاومة للتآكل وأقل توصيلًا حراريًا/كهربائيًا؛ يفضل استخدامه عندما تكون القوة القصوى ومقاومة الإجهاد أهم من هذه العيوب.

• اعتبر استخدام A2014 عندما يتطلب التصميم قوة ثابتة وقوة إجهاد مرتفعة مع دقة تشغيل عالية وعندما تكون الطلاءات الواقية أو التغليف قادرة على معالجة مخاطر التآكل. هذه التوازنات تفضل A2014 في وصلات الفضاء الجوي والمكونات المشغولة عالية الإجهاد.
• تجنب A2014 للألواح الكبيرة الرقيقة التي تتطلب تشكيلًا مكثفًا، ولأعضاء الهيكل البحرية غير المطلية ما لم تكن مغلفة، وللتطبيقات التي يتطلب فيها التوصيل الكهربائي أو الحراري أهمية أولى.
• إذا كانت قابلية اللحام ضرورية مع الحد الأدنى من المعالجة بعد اللحام، اختر السبائك البديلة (مثل سلسلة 6xxx أو 5xxx) واحتفظ بـ A2014 للأجزاء المشغولة أو المزورة مع طرق الربط المسيطر عليها.

الملخص الختامي

يبقى A2014 سبائك ألومنيوم عالية القوة وقابلة للمعالجة حراريًا مناسبة للتطبيقات التي تتطلب توازنًا محسوبًا بين القوة وقابلية التشغيل وأداء الإجهاد. يكون استخدامه أكثر فاعلية عندما يأخذ المصممون بعين الاعتبار حساسية التآكل وقابلية التشكيل المحدودة من خلال اختيار المادة، والعلاجات الوقائية، والحالات الحرارية المناسبة والمعالجة اللاحقة.