Алюминий 2017: состав, свойства, руководство по состояниям и области применения

Общий обзор

Сплав 2017 относится к серии алюминиевых сплавов 2xxx, которые содержат медь и поддаются термообработке, оптимизированной для повышения прочности и жёсткости. Химический состав доминируется медью как основным легирующим элементом, с умеренным содержанием марганца, магния и микроэлементов, улучшающих микроструктуру и технологические свойства.

Укрепление сплава 2017 преимущественно достигается методом упрочнения осадками (старение после растворяющей термообработки и закалки), иногда в сочетании с упрочнением при холодной деформации; данный сплав обладает значительно более высокими пределом текучести и временным сопротивлением разрыву по сравнению с большинством неупрочняемых коммерческих сплавов. Основные характеристики 2017: высокая прочность, приемлемая обрабатываемость резанием, умеренная коррозионная стойкость по сравнению с другими алюминиевыми сплавами и ограниченная свариваемость, а также ограниченная пластичность в состоянии максимального старения; свариваемость сложнее, чем у семейств 5xxx и 6xxx, требует тщательного контроля для предотвращения размягчения термообработанной зоны и горячих трещин.

Типичные области применения 2017 включают авиакосмическую промышленность (фитинги, поковки и конструкционные элементы), оборону, транспорт, прецизионные механические детали и некоторые высокопрочные потребительские изделия, где необходим баланс между обрабатываемостью и повышенной прочностью. Инженеры выбирают 2017, когда требуется высокое отношение прочности к массе и хорошая обработка резанием, а конструкция допускает интенсивную защиту от коррозии или локальное упрочнение с помощью термообработки.

По сравнению с другими сериями алюминиевых сплавов, 2017 предпочитают вместо более мягких и пластичных сплавов, когда приоритетом являются прочность и усталостная прочность, а также выбирают вместо более прочных, но менее пластичных сплавов, если важны обрабатываемость и предсказуемость поведения при старении.

Варианты состояния (темпера)

Темпера	Уровень прочности	Относительное удлинение	Свариваемость	Формуемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полностью отожжённое состояние; максимальная пластичность для формовки
T4	Средне-высокий	Умеренное	Плохая - умеренная	Средняя	Растворяющая термообработка и естественное старение; сбалансировано для обработки резанием
T6	Высокий	Низкое - умеренное	Плохая	Ограниченная	Растворяющая термообработка и искусственное старение для максимальной прочности
T651	Высокий	Низкое - умеренное	Плохая	Ограниченная	T6 с релаксацией напряжений растяжением; применяется для стабильности при механической обработке
H14	Средний	Низкое - умеренное	Плохая - умеренная	Ограниченная	Холодное упрочнение до полутвёрдого состояния; используется при необходимости умеренного увеличения прочности
H18	Средне-высокий	Низкое	Плохая - умеренная	Ограниченная	Полное упрочнение холодной деформацией; применяется для специализированных листовых изделий

Темпера существенно регулирует компромисс между прочностью и пластичностью у 2017. Отожжённое состояние (O) обеспечивает наилучшую пластичность и предпочтительно для глубокой вытяжки и сложной холодной формовки, тогда как состояния T6/T651 обеспечивают практически максимальную прочность за счёт снижения удлинения и способности к гибке.

Состояние T4 часто выбирается как обрабатываемое резанием, поскольку оно даёт более высокую прочность по сравнению с O, избегая чрезмерной твердости и сниженной вязкости T6; температуры серии H обеспечивают поэтапное упрочнение холодной деформацией, полезное для листов и полос, но в целом менее однородны, чем термообработанные состояния.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	≤ 0.12	Низкий уровень необходим для избегания хрупких интерметаллидов; снижает влияние текучести расплава
Fe	≤ 0.30	Примесь; чрезмерное содержание приводит к образованию твёрдых интерметаллидов, снижающих пластичность
Cu	3.5 – 4.5	Основной элемент упрочнения; образует осадки Al2Cu при старении
Mn	0.3 – 0.9	Уточнение зерна и повышение вязкости; уменьшает анизотропию
Mg	0.2 – 0.8	Участвует в синергическом упрочнении с медью, улучшает прочность
Zn	≤ 0.25	Минимальное количество; высокое содержание может повысить восприимчивость к межкристаллитной коррозии
Cr	0.10 – 0.25	Регулирует рекристаллизацию и структуру зерна при термомеханической обработке
Ti	≤ 0.15	Модификатор зерна, применяемый в процессе литья и первичной обработки
Прочие	≤ 0.05 каждый, ≤ 0.15 суммарно	Включает микроэлементы и остатки; основная масса — алюминий

Высокое содержание меди является определяющей химической характеристикой 2017 и отвечает за возможность термического упрочнения и высокий потенциал упрочнения осадками. Марганец и хром целенаправленно регулируются для уточнения зеренной структуры и стабилизации прочности и вязкости, а магний влияет на кинетику упрочнения при старении и повышает общую прочность.

Механические свойства

В растяжении сплав 2017 демонстрирует высокие значения временного сопротивления и соответствующий высокий предел текучести в состояниях T6 и T651 за счёт плотного распределения осадков Al–Cu. Относительное удлинение существенно снижается в пиковом состоянии старения, поэтому конструкции, чувствительные к пластичности, часто используют состояния T4 или O либо применяют релаксацию напряжений и растяжение для восстановления некоторой вязкости.

Твёрдость у 2017 зависит от состояния: отожжённый материал относительно мягкий, тогда как Т6 обеспечивает высокие значения по шкале Бринелля/Викерса, сопоставимые с углеродистыми сталями средней прочности в определённых условиях эксплуатации. Усталостные характеристики выигрывают от высокой статической прочности, но могут ухудшаться за счёт поверхностных дефектов, крупных интерметаллидов и коррозионных ямок; контроль технологических режимов и дробеструйная обработка значительно увеличивают ресурс усталости.

Толщина и форма изделия влияют на механические свойства через скорость охлаждения и размер зерна; более тонкие сечения обеспечивают более равномерные скорости закалки и согласованный отклик при старении, тогда как крупные поковки и плиты требуют специализированных режимов термообработки для предотвращения сохранения мягких внутренних зон.

Свойство	O/Отожжённое	Основная температура (T6/T651)	Примечания
Временное сопротивление разрыву (MPa)	~200 – 250	~420 – 490	Типичные значения для прокатных температур; зависит от толщины и цикла старения
Предел текучести (MPa)	~60 – 120	~330 – 370	Значительное повышение после термообработки; в толстых сечениях может снижаться из-за мягких сердец
Относительное удлинение (%)	~18 – 25	~6 – 12	Отожжённое состояние характеризуется высокой пластичностью; у T6 удлинение снижено, но приемлемо для многих механических деталей
Твёрдость (HB)	~30 – 60	~110 – 140	Диапазоны твёрдости зависят от обработки и конкретных режимов старения

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	~2.78 г/см³	Типично для высокопрочных алюминиево-медных сплавов; несколько выше, чем у чистого алюминия из-за легирования
Температура плавления	~500 – 650 °C	Начало плавления понижено медью и другими легирующими элементами; не имеет чёткой точки плавления
Теплопроводность	~120 – 150 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия, но достаточная для многих тепловых приложений
Электропроводность	~28 – 35 % IACS	Понижена относительно чистого алюминия из-за присутствия меди и растворённых элементов
Удельная теплоёмкость	~0.90 кДж/кг·К (≈900 Дж/кг·К)	Типично для алюминиевых сплавов при комнатной температуре
Тепловое расширение	~23 – 24 µm/м·К	Коэффициент теплового расширения сопоставим с другими алюминиевыми сплавами; важен для проектирования композитных материалов

Тепловая и электрическая проводимость снижаются по сравнению с чистым алюминием вследствие рассеяния электронов и фононов содержащимися в растворе и осадками; тем не менее, 2017 сохраняет достаточную проводимость для некоторых конструкционных применений с необходимостью передачи тока. Диапазон плавления и коэффициент теплового расширения необходимо учитывать при сварке и термообработке, так как различия в расширении и остаточные фазы могут влиять на деформации и остаточные напряжения.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение по прочности	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0.3 – 6 мм	Хорошая однородность в тонких сечениях	O, H14, T4, T6	Широко применяется для штампованных и механически обработанных деталей; важны свойства в поперечном направлении
Плита	6 – 150 мм	Градиенты толщины влияют на закалку и отпуск	T4, T6, T651	Толстые сечения требуют длительного растворения и специально подобранной закалки для предотвращения мягких зон в центре
Экструзия	Размеры сечений варьируются	Механическая анизотропия зависит от отношения экструзии	T4, T6	Ограничено по сравнению с 6xxx сплавами, но применяется для высокопрочных профилей
Труба	Внешний диаметр 6 мм – 300 мм	Прочность сопоставима с листом для тонкостенных труб	T4, T6	Часто используется в конструкциях и гидравлических системах, где требуется хорошая обрабатываемость
Пруток/штанга	Диаметр 3 – 200 мм	Отличная обрабатываемость в состоянии T4; максимальная прочность в T6	T4, T6, O	Применяется для крепёжных элементов, фитингов и прецизионных токарных деталей

Форма и размеры изделия существенно влияют на конечные свойства; тонкие изделия охлаждаются быстрее и, как правило, достигают требуемой прочности более надёжно, в то время как толстые плиты и экструзии требуют тщательного контроля параметров термообработки. Выбор формы продукции должен учитывать последующие операции, такие как механическая обработка, сварка и финишная отделка, чтобы избежать размягчения зоны термического влияния (ЗТВ) и сохранить размерные допуски.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	2017 / 2017A	США	Распространённые коммерческие обозначения; 2017A — вариант с более строгим контролем химического состава
EN AW	2017A	Европа	Спецификация EN согласовывает химию и механические свойства с AA 2017A
JIS	A2017	Япония	Японское обозначение, соответствующее практике алюминиево-медных деформируемых сплавов
GB/T	2A12 (приблизительно)	Китай	Часто используется как примерный китайский аналог; для точного соответствия консультируйтесь с заводскими сертификатами

Стандарты в разных регионах направлены на производство функционально эквивалентного материала, но отличаются допустимыми отклонениями по примесям, пределами механических свойств и правилами маркировки. Для критических применений всегда сравнивайте конкретные сертификаты материала и при необходимости проводите испытания квалификации. Суффикс A (2017A) обычно обозначает более строгий контроль химического состава, что повышает стабильность термообработки и усталостные характеристики.

Коррозионная стойкость

Атмосферная коррозионная стойкость 2017 умеренная и уступает сплавам серий 5xxx (с магнием) и 6xxx (с магнием и кремнием); медь в матрице повышает восприимчивость к локальной коррозии и снижает устойчивость в агрессивных средах без защиты. В промышленных и сельских условиях правильно окрашенные или анодированные детали из 2017 обеспечивают удовлетворительный срок службы, но при проектировании отделки и герметизации необходимо учитывать локальную щелевую и нитевидную коррозию.

В морских условиях 2017 уступает алюминиево-магниевым сплавам; хлорид-индуцированная щелевая и очаговая коррозия могут быть значительными без катодной защиты, покрытий или жертвенных анодов. Утрверждён риск коррозионного хрупкого растрескивания (SCC) для сплавов с высоким содержанием меди под растягивающим напряжением в тёплой солёной среде; для конструкций с требованием к устойчивости к SCC предпочтительны другие семейства сплавов или строгие меры противодействия коррозии.

Гальванические взаимодействия должны контролироваться: 2017 является анодным по отношению ко многим сталям, но катодным по сравнению с более благородными алюминиевыми сплавами с тяжёлыми анодными покрытиями; при сопряжении с углеродистой сталью требуются изоляция и защитные меры. В сравнении со сплавами серий 1xxx и 3xxx, 2017 жертвует коррозионной стойкостью ради большей прочности и должен подбираться с учётом обработки поверхности и эксплуатационной среды.

Свойства обработки

Свариваемость
Сварка 2017 сложнее по сравнению со сплавами серий 5xxx и 6xxx из-за содержания меди и склонности к горячим трещинам при сварке плавлением. TIG и MIG сварка возможны с подобранными параметрами и подходящими присадочными материалами (часто 4043 или 5356 для снижения риска трещин), но термически обработанная зона сварки (ЗТВ) обычно оказывается мягче, чем у стареющего основного металла, и может потребовать последующей термообработки или механического упрочнения.

Обрабатываемость
2017 считается одним из лучших по обрабатываемости высокопрочных алюминиевых сплавов, особенно в состояниях T4 и O; обеспечивает хорошую поверхность и предсказуемый ресурс инструмента при использовании твердосплавного режущего инструмента и высоких подачах. Рекомендуется инструментарий с положительным углом режущей кромки, жёсткая установка, подача охлаждающей жидкости или воздушного потока для отвода стружки и умеренная скорость резания, чтобы избежать наклёпов на поверхности; форма стружки как правило непрерывная, но при наличии марганец-содержащих интерметаллидов могут образовываться нити.

Обрабатываемость холодной деформацией
Холодная штамповка наиболее проста в состояниях O и T4, где достигается максимальная пластичность и гнущая способность; минимальные радиусы гиба зависят от состояния и толщины, обычно больше, чем у более мягких сплавов типа 1100. Для глубокой вытяжки и сложных формовок часто применяют отжиг перед формованием, а также проектировщики должны учитывать упругий отпуск (восстановление формы), который выше у высокопрочных состояний, таких как T6; технологии тёплого формования могут расширить область применимости без потери прочности.

Поведение при термообработке

Как алюминиево-медный сплав с упрочнением за счет старения, 2017 подчиняется классической последовательности выделений: растворение при температуре растворения насыщает твёрдый раствор медью, быстрая закалка сохраняет это состояние, а искусственное старение контролируемо формирует упрочняющие фазы Al2Cu и связанные с ними соединения. Типичные температуры растворения составляют около 495–535 °C в зависимости от толщины и способа изготовления, с немедленной закалкой до комнатной температуры, чтобы предотвратить рост крупных интерметаллидов.

Искусственное старение для достижения состояния T6 обычно проводится при температурах 160–190 °C в течение нескольких часов; состояние T4 достигается натуральным старением после закалки, однако процесс медленнее и обычно даёт меньшую максимальную прочность по сравнению с искусственным старением. Толщина, предшествующая холодная деформация и незначительные вариации легирования изменяют оптимальное время–температурное окно (T-T-T); перезакаливание снижает прочность, но улучшает пластичность и коррозионную стойкость в некоторых случаях.

Не упрочняемое термообработкой наклёпное состояние (H) предоставляет промежуточные уровни прочности без полного цикла растворения и старения; отжиг (O) восстанавливает пластичность и применяется перед формовкой. После сварки или локального ремонта часто требуется местная термообработка растворением и старением или проектное согласование с мягчением ЗТВ.

Работа при повышенных температурах

Рабочие температуры для 2017 обычно ограничены значениями значительно ниже типичных температур старения; длительный прогрев вызывает рост твёрдых фаз и постепенную потерю прочности. Длительное воздействие при температурах выше ~150 °C снижает свойства при пиковом старении и может стабилизировать сплав в перезакаленном состоянии с пониженными пределами текучести и временного сопротивления разрыву; это должно учитываться в конструкциях, эксплуатируемых при повышенных температурах окружающей среды или технологических процессах.

Окисление не является основной причиной отказа 2017 при нормальной атмосферной эксплуатации благодаря защитной плёнке оксида алюминия, но при высоких температурах возможно образование окалины и ускоренное диффузионное изменение легирующих элементов на поверхности и в приповерхностных слоях. В сварных узлах мягчение ЗТВ и потеря прочности под термическими нагрузками могут быть критичнее, чем поверхностное окисление, что требует контроля теплового режима или выбора других сплавов для длительной работы при высоких температурах.

Применение

Отрасль	Пример детали	Причина выбора 2017
Аэрокосмическая	Фитинги, кронштейны, поковки	Высокое соотношение прочности к массе и хороший баланс усталостных и обрабатываемых свойств
Оборонная	Конструктивные крепления, корпуса	Обрабатываемый высокопрочный сплав для прецизионных деталей
Автомобильная	Высокопрочные механически обработанные компоненты	Обеспечивает эффективность обработки и снижение массы для мелких деталей
Электроника	Конструктивные рамы, разъёмы	Достаточная теплопроводность и жёсткость для корпусов
Коммерческая	Крепёж, заклёпки, муфты	Прочность и размерная стабильность после термообработки

2017 находит применение там, где для механически обработанных деталей требуются высокая статическая и усталостная прочность в сочетании с хорошей обрабатываемостью и размерной стабильностью после термообработки. Особенно ценен для средних и мелких структурных элементов, где альтернативы с высокой прочностью слишком хрупкие или слишком дорогие в обработке.

Рекомендации по выбору

Выбирайте 2017, когда дизайн требует более высокой прочности и лучшей обрабатываемости, чем у коммерчески чистого алюминия, и когда последующая поверхностная защита или анодирование способны компенсировать умеренную склонность сплава к коррозии. Сплав выгоден для прецизионных механически обработанных фитингов, аэрокосмических кронштейнов и конструктивных элементов, где термообработка может быть использована для настройки рабочих характеристик.

По сравнению с промышленно чистым алюминием (1100), 2017 жертвует электрической и тепловой проводимостью, а также легкостью формообработки, взамен обеспечивая значительно более высокую прочность и улучшенную усталостную стойкость; выбирайте 1100, когда главным приоритетом являются проводимость и максимальная формуемость. По сравнению с упрочненными пластической деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 2017 обладает большей прочностью и лучшей обрабатываемостью резанием, но уступает им по коррозионной стойкости и требует более сложных методов соединения.

В сравнении с распространёнными термообрабатываемыми сплавами типа 6061 или 6063, 2017 может быть предпочтительным для применений, где приоритетом являются максимальная обрабатываемость резанием и специфическая реакция на упрочнение при старении, а не более широкая коррозионная стойкость и свариваемость сплавов серии 6xxx; выбирайте 2017, когда важны упрочнение за счёт выпадения фазы на основе меди и связанные с этим механические свойства, при условии гарантированной защиты поверхности.

Заключение

Сплав 2017 сохраняет свою актуальность благодаря сочетанию высокого упрочнения за счёт выпадения фаз, предсказуемой реакции старения и отличной обрабатываемости резанием, что важно для высоконагруженных конструкционных и прецизионных деталей. При использовании с соответствующей защитой от коррозии и тщательно контролируемой термообработкой 2017 предлагает конструкторам экономичный путь к повышению соотношения прочность/масса в аэрокосмической, оборонной и высокопрочной коммерческой сферах.