الألمنيوم A5083: التركيب، الخواص، دليل المعالجات، والتطبيقات

Table Of Content

Table Of Content

نظرة شاملة

الدرجة A5083 هي سبيكة ألومنيوم-مغنيسيوم من سلسلة 5xxx، ويشار إليها عادةً بـ AA5083. تنتمي هذه السبيكة إلى فئة السبائك غير القابلة للمعالجة الحرارية حيث يهيمن تقوية محلول صلب نتيجة المغنيسيوم مع تقوية الإجهاد والتحكم الدقيق في السبائك على السلوك الميكانيكي. الإضافات الأساسية للسبائك هي المغنيسيوم (العنصر المقوّي الرئيسي، عادةً بنسبة حوالي 4–5 wt%)، بالإضافة إلى الكروم وكميات صغيرة من المنغنيز والسيليكون والحديد وعناصر أثرية تتحكم في بنية الحبوب وسلوك التآكل.

تشمل السمات الرئيسية لـ A5083 القوة العالية بين سبائك الألومنيوم غير القابلة للمعالجة الحرارية، مقاومة ممتازة للتآكل البحري والجوي، قابلية جيدة للحام، وقابلية تشكيل معقولة في الحالات المريحة (annealed) ودرجات H الخفيفة. تُستخدم هذه السبائك على نطاق واسع في الهياكل البحرية، أوعية الضغط، خزانات التبريد (كرايوجينيك)، عربات السكك الحديدية، ومكونات النقل حيث يتطلب توازن بين القوة، المتانة، ومقاومة التآكل. يختار المهندسون A5083 بدلاً من سبائك نقاء تجاري أقل قوة أو سلسلة 3xxx عندما تكون هناك حاجة لقوة خضوع/شد محسنة ومقاومة معززة لماء البحر دون تعقيد عمليات المعالجة الحرارية.

تفضّل A5083 على العديد من سبائك سلسلة 6xxx القابلة للمعالجة الحرارية في التطبيقات التي تتطلب مقاومة تآكل متفوقة وأداء ممتاز في مكونات ملحومة ذات مقاطع كبيرة. يتم اختيارها بدلاً من سبائك 5xxx ذات محتوى المغنيسيوم الأقل عند الحاجة إلى قوة أعلى، وتفضّل أيضاً على الفولاذ المقاوم للصدأ عندما يوفر تخفيض الوزن إلى جانب مقاومة جيدة للتآكل مزايا على مستوى النظام. تتيح قدرة السبائك على اللحام بعمليات الانصهار الشائعة دون هشاشة كبيرة إمكانية استخدامها العملي في الهياكل الكبيرة والتصنيع الميداني.

الدرجات الحرارية (Temper)

الدرجة الحرارية مستوى القوة الاستطالة قابلية التشكيل قابلية اللحام ملاحظات
O منخفضة عالية (20–35%) ممتازة ممتازة حالة مريحة بالكامل؛ الأسهل في التشكيل
H111 متوسطة منخفضة متوسطة (12–25%) جيدة جداً ممتازة مقوّاة جزئياً، تُستخدم غالباً للألواح
H112 متوسطة متوسطة (10–20%) جيدة ممتازة متانة معززة مع خصائص قابلة للتكرار
H32 متوسطة عالية متوسطة (8–15%) جيدة ممتازة مقوّاة ومثبتة لقوة معتدلة
H116 متوسطة عالية متوسطة (8–15%) جيدة جيدة جداً درجة بحرية مع مقاومة محسنة للتآكل
H321 متوسطة متوسطة (10–20%) جيدة ممتازة مثبتة بواسطة العمل البارد والمعالجات الحرارية
H34 / H38 عالية أدنى (6–12%) مقبولة جيدة درجات مقواة بشدة لأقصى قوة

للمستوى الحراري تأثير قوي على كل من قوة الخضوع/الشد والليونة في A5083. يمنح المادة المريحة (O) أفضل قابلية للتشكيل للعمليات التشكيلية المعقدة والسحب العميق، بينما تزيد درجات H القوة تدريجياً على حساب الاستطالة وقابلية الانحناء.

عند اللحام أو إجراء عمليات ما بعد التشكيل، فإن اختيار الدرجة الحرارية المناسبة يعكس التوازن بين الاحتفاظ بالقوة وسهولة التصنيع. غالباً ما يتم تحديد الدرجات الحرارية المثبتة أو البحرية (H116، H321) لتقليل الحساسية لتآكل التقشير ولضمان أداء مستقر في البيئة العدوانية.

التركيب الكيميائي

العنصر النطاق % ملاحظات
Si 0.40 كحد أقصى شوائب نموذجية؛ يُتحكم بها للحد من التفاعلات البينية الهشة
Fe 0.40 كحد أقصى عنصر شوائب؛ زيادة الحديد قد تقلل الليونة
Mn 0.40 كحد أقصى متحكم في بنية الحبوب ومعدل القوة
Mg 4.0 – 4.9 العنصر المقوي الرئيسي؛ حاسم لمقاومة التآكل
Cu 0.10 كحد أقصى يُحافظ على محتوى منخفض لتحسين مقاومة التآكل وقابلية اللحام
Zn 0.25 كحد أقصى منخفض؛ زيادته قد تخفض مقاومة التآكل
Cr 0.05 – 0.25 سبائك دقيقة للتحكم في نمو الحبوب ومقاومة الحساسية
Ti 0.15 كحد أقصى منعم حبيبات عند إضافته بكميات مضبوطة
عناصر أخرى الباقي / أثرية عناصر أخرى (كل منها محدودة) لتلبية معايير المواصفات

يؤدي ارتفاع محتوى المغنيسيوم إلى تقوية عن طريق المحلول الصلب ويرفع مقاومة الخضوع والشد مقارنة بالألومنيوم النقي. يُضاف الكروم بكميات مضبوطة لتحقيق استقرار البنية الدقيقة ضد نمو الحبوب أثناء المعالجة ولتقليل الحساسية لتآكل التقشير. مستويات النحاس والزنك المنخفضة ضرورية للحفاظ على أداء مقاومة التآكل الممتاز لماء البحر وللحفاظ على قابلية اللحام.

الخصائص الميكانيكية

تعتمد سلوك الشد للـ A5083 بشكل كبير على الدرجة الحرارية وسمك الصفيحة، حيث يظهر المقطع المريح (أو annealed) ليونة عالية وقوة متوسطة، في حين تظهر درجات H قوة خضوع وشد أعلى تدريجياً. ترتفع مقاومة الخضوع في الدرجات المقواة نتيجة تقوية التشوه، ولكن ظواهر استطالة نقطة الخضوع وشيخوخة التشوه تكون معتدلة لأن السبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية. تنخفض الاستطالة مع زيادة القوة ويجب موازنة الليونة مع عمليات التشكيل المطلوبة.

تتزامن الصلادة مع تقوية العمل والدرجة الحرارية؛ حيث تتوافق قراءات HB/برينل أو فيكرز مع زيادة مقاومة الشد ولكنها حساسة للسمك ومدخلات الحرارة من اللحام. أداء التعب جيد بشكل عام، مع تأثر القدرة على التحمل بسطح التشطيب والضغوط المتبقية الناتجة عن التشكيل أو اللحام، والتعرض لبيئات تآكل قد تسرع من بدء الشقوق. تظهر تأثيرات السمك بوضوح: حيث يمكن أن تكون الألواح الرقيقة أقوى في اتجاهات الدرفلة بسبب المعالجة، وقد تعرض الصفائح السميكة ليونة أقل قليلاً وسلوك متانة متغير اعتماداً على تاريخ الدرفلة والحرارة.

تختلف بيانات الخصائص الميكانيكية بحسب المواصفات والسمك، لكن النطاقات النموذجية موضحة أدناه كإرشاد هندسي. ينبغي للمصممين الرجوع إلى شهادات المصنع والمعايير المطبقة للحصول على القيم الدنيا المضمونة للدرجات الحرارية والسمكات المعينة.

الخاصية O/المريح درجة حرارية رئيسية (مثلاً H116) ملاحظات
قوة الشد 200–260 MPa (29–38 ksi) 300–360 MPa (44–52 ksi) نطاق واسع يعتمد على الدرجة الحرارية والسمك؛ تمثل H116 درجة قوة أعلى نموذجية
قوة الخضوع 55–120 MPa (8–17 ksi) 150–300 MPa (22–44 ksi) زيادة القوة بسبب تقوية التشوه؛ القيم تعتمد على رقم H والقطاع
الاستطالة 20–35% 8–18% تنخفض الليونة مع زيادة تقوية التشوه؛ مقاسة في اختبارات الشد القياسية
الصلادة 35–60 HB 70–110 HB الصلادة مرتبطة بقوة الشد والدرجة الحرارية؛ تُعرض كنطاقات نموذجية برينل

الخصائص الفيزيائية

الخاصية القيمة ملاحظات
الكثافة 2.66 جم/سم³ نموذجية لسبائك الألومنيوم؛ مفيدة لحساب الكتلة/الوزن
نطاق الانصهار ~605–650 °C فترة الصلبة-السائلة تتأثر بالإضافةات السبائكية
التوصيل الحراري ~115–135 واط/م·ك أقل من الألومنيوم النقي ولكن لا تزال جيدة لإدارة الحرارة
التوصيل الكهربائي ~29–34 %IACS منخفض مقارنةً بالألومنيوم النقي بسبب الإضافات؛ مهم للتطبيقات الكهربائية
السعة الحرارية النوعية ~0.90 جول/جم·ك تقريبياً مماثلة لسبائك الألومنيوم الشائعة عند درجة حرارة الغرفة
التمدد الحراري ~23.5–24.5 µm/m·ك معامل نموذجي يستخدم في حساب الإجهادات الحرارية

تحافظ A5083 على العديد من الخصائص الفيزيائية المفضلة للألومنيوم مثل الكثافة المنخفضة والتوصيل الحراري الجيد، مما يجعلها مثالية للهياكل التي تتطلب إدارة حرارية ووزناً منخفضاً. الخصائص الحرارية مرتفعة بما يكفي لأدوار تبديد الحرارة لكن التوصيل الكهربائي يتناقص قليلاً بسبب إضافات المغنيسيوم، مما يجعل هذه السبائك أقل مناسبة للأسلاك الكهربائية عالية الأداء مقارنة بالألومنيوم التجاري النقي (1100).

التمدد الحراري مشابه لسبائك الألومنيوم الأخرى، ويجب على المصممين مراعاة التمدد المختلف عند الربط مع مواد مختلفة. تؤثر خصائص الانصهار والتصلب على إجراءات اللحام واختيار المعادن الحشو، خصوصاً للمقاطع الكبيرة أو التصنيع الثقيل.

أشكال المنتجات

الشكل السماكة/الحجم النموذجي سلوك القوّة الأقسام الشائعة ملاحظات
ألواح 0.5–6 mm سلوك شد متجانس؛ يتأثر باتجاه التدحرج O, H111, H116, H32 يُستخدم على نطاق واسع للأغطية، اللوحات، والمكونات المشكّلة
صفائح 6–160 mm ليونة أقل قليلاً في السماكات الثقيلة؛ متانة جيدة H32, H116, H38 تُستخدم في أوعية الضغط، الأعضاء الإنشائية والتصنيع الثقيل
بثق مقاطع عرضية حتى الأحجام الكبيرة القوة تعتمد على المقطع ونسبة البثق H111, H32 جيد للمقاطع المعقدة؛ مقيد بإمكانية تشكيل السبيكة
أنابيب Ø10 mm–أقطار كبيرة قوة مشابهة لألواح/صفائح بنفس درجة المعالجة O, H111, H116 تُستخدم في الأنابيب، أنابيب البناء والتوصيلات
قضبان/عصي أقطار ومسطحات الخصائص الميكانيكية تتبع درجة المعالجة والعمل البارد H111, H114 تُستخدم للأجزاء المشغولة، الأعمدة والبراغي عندما تكون مقاومة التآكل مطلوبة

تؤثر الاختلافات في عمليات التصنيع بين الألواح، الصفائح وأشكال البثق على الميكروهيكل النهائي واللا تماثل الميكانيكي. عادةً ما تكون الألواح والصفائح الرقيقة مدحرجة وقد تُورد بدرجات معالجة محكمة للتشكيل، بينما غالباً ما تخضع الصفائح الثقيلة لدورات حرارية/ميكانيكية متعددة تؤثر على المتانة والقوة. يتطلب البثق تصميم قالب دقيق لتجنب تشقق السطح والتحكم في معدلات التبريد التي تؤثر على درجات T4/H للسبائك الأخرى لكنها تؤثر بشكل أساسي على الإجهادات المتبقية في A5083.

يتم اختيار شكل المنتج بناءً على هندسة التطبيق، الخصائص الميكانيكية المطلوبة، ومسار التصنيع. يجب مراعاة أداء اللحام والتحكم في التشوه مبكراً في التصميم، خاصة في التركيبات الملحومة الكبيرة والمكونات ذات السماكة الكبيرة.

الدرجات المكافئة

المعيار الدرجة المنطقة ملاحظات
AA A5083 الولايات المتحدة الأمريكية تسمية شائعة في معايير رابطة الألمنيوم الأمريكية
EN AW 5083 أوروبا تسمية EN مكافئة؛ تكتب أحياناً EN AW-5083
JIS A5083 اليابان تستخدم معايير الصناعة اليابانية تسمية مماثلة (A5083)
GB/T 5083 الصين معيار وطني صيني مكافئ؛ القيود الكيميائية والميكانيكية متوافقة لكنها قد تختلف في نطاقات السماكة

تتوافق المعايير عبر المناطق بشكل عام في حدود الكيمياء وضمانات الخصائص الميكانيكية، لكن قد تظهر اختلافات طفيفة في مستويات الشوائب المسموح بها، تعريفات درجات المعالجة، الحدود الدنيا الميكانيكية حسب السماكة، ومتطلبات تشطيب السطح. يجب مراجعة شهادات المصنع ونسخة المعيار الدقيقة عند استبدال المواد بين المناطق لضمان الامتثال لمعايير القبول والاختبار المحلية.

مقاومة التآكل

يتمتع A5083 بمقاومة ممتازة للتآكل الجوي والبحري بفضل محتوى المغنيسيوم العالي ونسبة النحاس المنخفضة التي تقلل من القابلية للتآكل الموضعي. في مياه البحر ومناطق الرش، تُكوّن السبيكة طبقة مستقرة من الأوكسيد والهيدروكسيد تنمو ببطء وتؤخر الهجوم الإضافي، مما يجعلها مادة مفضلة لهياكل السفن، المنصات البحرية، وخزانات الشحن. قد يحدث تآكل موضعي على شكل حُفر تحت تعرض مستمر للكلوريدات إذا تضررت الطبقات الواقية ميكانيكياً أو إذا تسببت الترسبات في ظروف فجوية.

يُعتبر تشقق التآكل الإجهادي (SCC) مصدر قلق معروف للسبائك عالية المغنيسيوم تحت إجهاد شد في بيئات معينة؛ يكون A5083 عموماً أكثر مقاومة من سبائك 5xxx ذات محتوى المغنيسيوم الأعلى لكنه قد يكون عرضة إذا تعرض لعمل بارد ثقيل وبيئات تحتوي على كلوريدات دافئة. التفاعلات الجلفانية حرجة في التركيبات متعددة المواد: عند توصيله كهربائياً بمواد أكثر نبالة (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، النحاس)، يعمل A5083 كأنود ويتآكل تفضيلياً ما لم يتم عزله أو حمايته بطبقات طلاء وأنودات فدية.

مقارنة مع سبائك 6xxx المعالجة حرارياً، يقدم A5083 مقاومة تآكل بحرية فائقة لكنه أقل في أقصى قوة. مقارنة مع عائلات سبائك 3xxx و1xxx، يتنازل A5083 قليلاً في قابلية التشكيل والتوصيل لكنه يوفر قوة ومتانة أعلى بكثير في البيئات العدوانية.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

يُعتبر A5083 عالي القابلية للحام باستخدام عمليات الانصهار الشائعة مثل TIG (GTAW) وMIG (GMAW)، وغالباً ما يُلحم في الحقل لأعمال بناء السفن والتطبيقات الإنشائية. تشمل سبائك الحشو الموصى بها ER5183 وER5356، يتم اختيارها لموازنة القوة، مقاومة التآكل، والليونة في معدن اللحام؛ غالباً ما يُختار ER5183 عند الأولوية لمقاومة التآكل والمتانة. خطر التشقق الحراري في A5083 منخفض، لكن منطقة التأثير الحراري (HAZ) القريبة من اللحامات قد تُظهر بعض التليين في الدرجات المعالجة بالشد الثقيل؛ من المهم تأهيل إجراءات اللحام بشكل صحيح والتحكم في درجة حرارة الفاصل لتقليل التشوه وفقدان الخصائص.

قابلية التشغيـل

يعتبر التشغيل الآلي لـ A5083 متوسط إلى ضعيف نسبيًا مقارنة بسبائك الألمنيوم سهلة التشغيل؛ تتطلب اللدونة العالية ورقائق القطع اللزجة اختيار أدوات حذرة ومعايير قطع مناسبة. يُوصى باستخدام أدوات كربيد ذات أخاديد مصقولة، هندسة قص إيجابية، واستراتيجيات فعالة للتحكم في الرقائق لتجنب تكوّن الحواف المُتراكمة والاحتكاك مع الأداة. تساعد سرعات القطع المعتدلة، معدلات التغذية العالية نسبياً، والتشحيم الفيضاني في إدارة الحرارة وإنتاج تشطيب سطحي مقبول؛ مؤشرات قابلية التشغيل لـ A5083 عادة ما تكون أقل من 6xxx ومعظم 2xxx لكنها أفضل من العديد من سبائك الألمنيوم-مغنيسيوم-سيليكون عالية القوة خالية من السيليكون.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل ممتازة في درجة التليين O ولا تزال جيدة في درجات H المعالجة خفيفًا، لكن الانحناءات الحادة والشدود العميقة تتطلب درجات O أو H خفيفة لتقليل المخاطر على الخدش. يعتمد الحد الأدنى لنصف قطر الانحناء على الدرجة، السماكة والهندسة؛ كقاعدة عامة، يمكن تشكيل انحناءات 90° في درجة O بنصف قطر داخلي قريب من 1–2× السماكة، في حين قد تتطلب درجات H32/H116 نصف قطر 2–4× السماكة لتفادي التشقق. يزيد العمل البارد من القوة عبر تقسية الشد، وتُطبق عمليات التلدين الوسيطة عند الحاجة لتسلسل تشكيل شديد لاستعادة اللدونة.

سلوك المعالجة الحرارية

يُعتبر A5083 سبيكة غير قابلة للمعالجة الحرارية ولا تستجيب لعلاجات المحلول والشيخوخة التقليدية المستخدمة في سلسلتي 2xxx و6xxx. يتم تعديل القوة تقريبًا بالكامل من خلال العمل البارد (التقسية) وتسميات الدرجات H التي تحدد درجة التشويه الميكانيكي و/أو الاستقرار الطبيعي للشيخوخة.

يُستخدم التلدين لتليين السبيكة واستعادة اللدونة؛ عادةً ما يتم في نطاق 300–415 °C مع تبريد محكم لتحقيق درجة O. قد تُطبق إجراءات التثبيت وتخفيف الإجهاد بعد التشكيل أو اللحام لضبط الدرجة وتقليل التشوه، رغم أن هذه الدورات الحرارية تؤثر أيضًا على القوة ويجب التخطيط لها لتجنب فقدان الخصائص غير المقصود. بما أن السبيكة لا يمكن تقسيها بالترسيب، يعتمد تحسين الأداء على تسلسلات المعالجة الميكانيكية والسيطرة على عناصر الشوائب.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

عند درجات الحرارة المرتفعة، يواجه A5083 فقدًا تدريجيًا في مقاومة الخضوع والشد، مع بدء تدهور ملحوظ فوق 100 °C تحت تحميل ثابت. للخدمات الإنشائية المستمرة، يحد المصممون عادة الاستخدام المستمر لدرجات حرارة أقل من حوالي 100–120 °C؛ وقد يُسمح بالتعرض العرضي لدرجات أعلى لكن مع مخاطرة تسريع التدهور البيئي وفقدان السلامة الميكانيكية. لا يكون الأكسدة شديدة مقارنة بالصلب، لكن التعرض الطويل بدرجات حرارة عالية في بيئات مؤكسدة والدورات الحرارية يمكن أن تغير الطبقات السطحية وتعزز التآكل الموضعي.

قد تتصرف مناطق التأثير الحراري للحام كتعرضات محلية عالية الحرارة وقد تُنتج مناطق مَنقّعة، انخفاض القوة، واحتمالية تعرّض لتشققات التآكل الإجهادي إذا تواجدت إجهادات شد متبقية وبيئات مسببة للتآكل. للخدمات عند درجات حرارة عالية أو درجات حرارة منخفضة جداً، يجب فحص بيانات الخصائص الخاصة بدرجة الحرارة والتصميم والسماكة؛ يحافظ A5083 على متانته الجيدة عند درجات الحرارة المنخفضة، وهو السبب في استخدامه لخزانات درجات الحرارة المنخفضة في بعض التركيبات.

التطبيقات

الصناعة المكون النموذجي سبب استخدام A5083
البحرية هياكل السفن، الهياكل العلوية، الحواجز مقاومة ممتازة لتآكل مياه البحر وقوة جيدة مقارنة بالوزن
السيارات / النقل أسرة المقطورات، الخزانات، ألواح عربات السكك الحديدية قوة عالية، قابلية جيدة للحام، ومقاومة متعبة جيدة للألواح الهيكلية
الفضاء / الدفاع تجهيزات هيكلية، أرضيات، حوامل مزيج من خفة الوزن، المتانة، والأداء المقاوم للتآكل
أوعية الضغط خزانات حفظ التبريد، حاويات LPG مقاومة متانة جيدة عند درجات حرارة منخفضة وقابلية للحام للخزانات الكبيرة
الإلكترونيات / إدارة الحرارة موزعات حرارة متوسطة الاستخدام موصلية حرارية كافية مع هيكل خفيف الوزن

يجمع A5083 بين مقاومة التآكل، قابلية اللحام، وسلوك غير هش في الكسر مما يجعله مادة مفضلة في التطبيقات البحرية، النقل، وبعض أوعية الضغط. يستغل المصممون عادةً قوته العالية المعتمدة على المغنيسيوم في التجميعات الملحومة حيث تكون المعالجات الحرارية بعد اللحام غير عملية.

نصائح الاختيار

عند اختيار A5083، فضل استخدامه في التطبيقات التي تتطلب مقاومة تآكل لمياه البحر أو البيئة الجوية العدائية مع قابلية جيدة للحام وقوة متوسطة إلى عالية. اختر الأطوار الملدنة (O) لتشكيل واسع، وأطوار H (H116/H32/H111) عندما تحتاج إلى قوة أعلى ومستقرة في الخدمة التآكلية. ضع في اعتبارك السماكة وتأثيرات اللحام مبكرًا، حيث يمكن أن تؤثر تليين منطقة تأثير الحرار (HAZ) والحدود المرتبطة بالسماكة على الإجهادات المسموح بها في التصميم.

مقارنة بالألومنيوم التجاري النقي (مثل 1100)، يتنازل A5083 عن الموصلية الكهربائية وقابلية التشكيل النهائية لصالح قوة مقاومة الخضوع وقوة الشد الأعلى بشكل كبير، مما يجعله مفضلًا حيث الأداء الهيكلي مطلوب. مقارنة بسبائك العمل المشقوق من فئة 3xxx/5052، يوفر A5083 عادة قوة أعلى ومقاومة تآكل مماثلة أو أفضل، مع زيادة معقولة في تكلفة المادة. مقابل السبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061، يوفر A5083 مقاومة تآكل بحرية أفضل وقابلية لحام أفضل لكنه أقل في القوة القصوى؛ اختر A5083 على سبائك 6xxx عندما تكون مقاومة التآكل وقوة الهيكل الملحوم أهم من الحاجة إلى أعلى قدرة تحمل.

الملخص الختامي

يبقى A5083 من الألومنيوم الهندسي واسع الاستخدام بسبب مزيجه العملي من تقوية محلول صلب، مقاومة ممتازة لتآكل مياه البحر، وقابلية لحام موثوقة عبر أشكال منتجات متعددة. تضمن ملاءمته للهياكل الملحومة، أوعية الضغط، والتطبيقات البحرية استمراريته حيث يتطلب التوازن بين القوة، المتانة، ومقاومة التآكل دون الاعتماد على دورات المعالجة الحرارية.

العودة إلى المدونة