Алюминий 2124: состав, свойства, руководство по состояниям и области применения

Обзор материала

2124 — это алюминиево-медный сплав серии 2xxx, в котором медь является основным легирующим элементом, а магний и марганец играют важную роль в качестве второстепенных компонентов. Это сплав, поддающийся термообработке, который достигает высокой прочности в основном за счёт растворно-учуговой термообработки, закалки и искусственного старения, с дополнительным упрочнением при контролируемой холодной деформации в тех случаях, когда это требуется по заданным водоемкостям.

Сплав демонстрирует высокую статическую прочность и хорошую ударную вязкость для алюминиевого сплава с содержанием меди, однако уступает по общей коррозионной стойкости и свариванию по сравнению с семействами 5xxx и 6xxx. Пластичность в отожженном состоянии удовлетворительная, тогда как твердые водоемкости значительно снижают пластичность; обрабатываемость на станках вогнутых профилей, широко используемых в аэрокосмической отрасли, обычно хорошая.

Типичными областями применения 2124 являются конструкции первичного и вторичного назначения в авиационно-космической отрасли, высокопрочные крепежные элементы и отдельные компоненты для оборонной промышленности, где важны высокое отношение прочности к массе и усталостная прочность. Инженеры выбирают 2124 по сравнению с другими сплавами, когда необходимы сочетание высокой прочности, стойкости к повреждениям и предсказуемая реакция на старение, а также когда возможность покрытия или защитных мер может компенсировать повышенную чувствительность к коррозии.

Варианты водоемкости

Водоемкость	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полностью отожжённый, максимальная пластичность для формования
H14	Средний	Низкое — среднее	Средняя	Низкая	Упрочнение деформацией с ограниченной пластичностью
T3	Средне — высокий	Среднее	Средняя	Низкая	Растворно термообработанный, холодно деформированный, естественно старенный
T4	Средний	Среднее	Средняя	Низкая	Растворно термообработанный и естественно старенный
T6	Высокий	Низкое	Ограниченная	Низкая	Растворно термообработанный и искусственно старенный для максимальной прочности
T8	Высокий	Низкое	Ограниченная	Низкая	Растворно термообработанный, холодно деформированный и искусственно старенный
T351	Средне — высокий	Среднее	Средняя	Низкая	Растворно термообработанный, снятие внутренних напряжений методом растяжения
T851	Высокий	Низкое — среднее	Ограниченная	Низкая	Растворно термообработанный, снятие внутренних напряжений (растяжением) и искусственно старенный; распространённая водоемкость в аэрокосмической отрасли

Водоемкость значительно определяет компромисс между прочностью, пластичностью и усталостной стойкостью 2124. Материал в отожженном состоянии (O) используется там, где приоритетом является формуемость, тогда как водоемкости T6 и T851 выбираются для достижения максимальной статической прочности и стабильного сохранения свойств при комнатной температуре.

Уровни холодной деформации и последующего искусственного старения (например, T8) применяются для настройки баланса между пределом текучести и вязкостью, однако существенно снижают формуемость и делают сварку непрактичной ввиду размягчения зон термического влияния и склонности к горячим трещинам.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	≤ 0.50	Примесь; контролируется для снижения дефектов при литье и поддержания пластичности
Fe	≤ 0.50	Примесь; в избытке снижает коррозионную стойкость и может образовывать интерметаллиды
Cu	3.8 – 4.9	Основной элемент упрочнения, способствующий осаждению фаз
Mn	0.20 – 0.50	Контролирует зеренную структуру и рекристаллизацию; улучшает вязкость
Mg	1.2 – 1.8	Синергетический эффект с медью для повышения упрочнения и закаливаемости
Zn	≤ 0.25	Мелкий элемент; обычно низкое содержание и малая роль в упрочнении
Cr	≤ 0.10	Контроль зеренной структуры и ограничение рекристаллизации
Ti	≤ 0.15	Зерноизолятор при обработке слитков и литье
Другие	≤ 0.15 суммарно	Следовые и остаточные элементы; поддерживаются на низком уровне для предсказуемого старения

Медь и магний — ключевые элементы, обеспечивающие осажденческое упрочнение 2124; медь образует фазы CuAl₂ и связанные с ней, которые осаждаются при старении. Марганец, небольшое содержание хрома и титана обеспечивают тонкое зернообразование и стабилизируют свойства, в то время как кремний и железо контролируются для предотвращения хрупких интерметаллических фаз, ухудшающих вязкость и коррозионную стойкость.

Механические свойства

Механическое поведение на растяжение 2124 сильно зависит от водоёмкости с заметным увеличением предела текучести и временного сопротивления разрыву в состояниях, подвергнутых осажденческому старению. Пиковые состояния, такие как T6 или T851, обладают высоким отношением предела текучести к временному сопротивлению и относительно низким равномерным удлинением; эти водоемкости также повышают твёрдость и уменьшают ударную вязкость по сравнению с отожжённым материалом. Усталостная прочность, как правило, хорошая для высокопрочных алюминиево-медных сплавов при условии контроля качества поверхности, остаточных напряжений и мер по защите от коррозии (покрытия или клэддинг).

Толщина и форма изделия влияют на механические показатели из-за различий в скорости охлаждения по толщине при закалке и возможного дифференциального старения; тонкие сечения быстрее достигают однородной пиковый прочности, чем толстые плиты. Относительное удлинение снижается с ростом прочности и также уменьшается в сильно деформированных состояниях; проектирование на пластичность требует учёта доступных водоемкостей и операций формования. Твёрдость коррелирует с механическими свойствами, однако локальное размягчение в сварных швах или ЗТИ может значительно ухудшить эксплуатационные характеристики, если это не учтено.

Параметр	О/Отожженный	Основная водоемкость (T851/T6)	Примечания
Временное сопротивление разрыву (UTS)	~200–300 MPa	~470–520 MPa	Значения зависят от толщины сечения и обработки; аэроспейсные материалы часто ближе к верхней границе
Предел текучести (0.2% смещение)	~80–220 MPa	~350–470 MPa	Предел текучести значительно повышается при старении; T851 обычно обеспечивает более высокий предел по сравнению с T6 для некоторых условий обработки
Относительное удлинение (на 50 мм)	~18–26%	~6–12%	Удлинение снижается с ростом старения и степени холодной обработки
Твёрдость по Бринеллю (HB)	~30–60 HB	~120–160 HB	Твёрдость соответствует прочностным свойствам и состоянию старения; поверхностные обработки влияют на эксплуатационную твёрдость

Физические свойства

Параметр	Значение	Примечания
Плотность	2.78 г/см³	Типичная для высокопрочных алюминиевых сплавов, способствует высокому отношению прочности к массе
Температура плавления	~500–640 °C	Диапазон температур ликвидус/солидус зависит от содержания меди и других элементов
Теплопроводность	~120 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия, но достаточно высокая для многих теплотехнических применений
Электропроводность	~30–40 %IACS	Снижена легирующими добавками; не используется там, где требуется высокая проводимость
Удельная теплоёмкость	~0.90 Дж/г·К (900 Дж/кг·К)	Типично для алюминиевых сплавов при комнатной температуре
Коэффициент термического расширения	~23–24 µм/м·К	Похож на коэффициенты других алюминиевых сплавов

Плотность и тепловые характеристики делают 2124 привлекательным для применения, где необходимы низкая масса и разумная теплопроводность наряду с прочностными требованиями. Электропроводность значительно снижается за счёт меди, поэтому 2124 не заменяет алюминии для электротехнических применений и там, где критична высокая проводимость.

Формы выпуска

Форма	Типичная толщина/размер	Прочностное поведение	Распространённые водоемкости	Примечания
Лист	0.5 – 6 мм	Хорошая однородность в тонких сечениях	O, T3, T6, T851	Типичные толщины для авиационных обшивок и панелей; возможно применение клэддинга
Плита	6 – 200 мм	Возможны градиенты свойств по толщине	O, T6, T851	Толстые плиты требуют контролируемой закалки для предотвращения размягчения сердцевины
Экструзия	Профили различных сечений	Зависит от скорости охлаждения сечения	T6 (возрастной упрочняемый) после растворно упрочняющей термообработки	Менее распространён, чем лист и плита; подходит для сложных усилителей
Труба	Внешний диаметр и толщина стенки варьируются	Механические свойства ограничиваются толщиной стенки	T3, T6	Используется в фитингах и конструкционных трубах в аэрокосмической отрасли
Пруток/круг	Диаметр до 200 мм	Однородный в меньших диаметрах	O, T6	Применяется для механообрабатываемых фитингов и поковок

Отличия в способах обработки материала приводят к различным свойствам: листы и тонкие экструзии быстро охлаждаются и достигают более однородного старения, тогда как толстые плиты требуют специальных режимов закалки и могут нуждаться в дополнительном цикле старения. При выборе формы выпуска следует учитывать требования к послетехнологической термообработке, возможность нанесения клэддинга, а также необходимость механической обработки или сварки компонентов.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	2124	США	Основное обозначение по Aluminum Association
EN AW	2124	Европа	Часто обозначается как EN AW-2124 в европейских стандартах с аналогичным химическим составом
JIS	A2618/A?	Япония	Точного прямого эквивалента по JIS нет; существуют похожие высокопрочные Al-Cu марки
GB/T	AlCu4Mg1 / аналог 2124	Китай	В китайских стандартах составы могут указываться под описательными названиями, а не идентичными номерами сплавов

2124 в первую очередь нормируется по стандартам AA/ASTM и признается в немецкой системе как AW-2124; однако в некоторых регионах применяются близкие сплавы с небольшими отличиями по пределам содержания примесей и состояниям закалки. Небольшие различия в допустимом содержании следовых элементов или процедур приемки партий могут приводить к немного разным механическим характеристикам, поэтому при замене материалов между регионами важно сверять технические характеристики и сертификаты партий.

Коррозионная стойкость

В атмосферных условиях 2124 менее стойка к коррозии, чем сплавы серий 5xxx и 6xxx, из-за наличия осадков, содержащих медь, которые могут способствовать локальному возникновению коррозии. При воздействии влажной или слабоагрессивной атмосферы 2124 выигрывает от защитных покрытий или хроматированных преобразующих слоев, которые широко применяются в авиационной промышленности. Часто для наружных обшивок применяется клёпаный слой (alclad) из чистого алюминия в качестве жертвенной пассивирующей преграды, что улучшает стойкость к питтингу и отслаиванию.

В морских условиях сплав подвержен питтинговой и межкристаллитной коррозии без защиты покрытиями, клёпаным слоем или катодной защитой; постоянное воздействие солевого аэрозоля ускоряет коррозионное разрушение областей с медьсодержащими осадками. Термическое коррозионное растрескивание (SCC) возможно в хлоридосодержащих средах и под напряжениями растяжения, особенно в максимозакаленном состоянии и при наличии остаточных напряжений после формовки или механической обработки.

Гальванические взаимодействия значительны, если 2124 контактирует с более благородными металлами, такими как нержавеющая сталь или медь; в этом случае алюминий становится анодом и корродирует преимущественно, если не обеспечить электрическую изоляцию или защиту. В сравнении со сплавами серии 6xxx (Al-Mg-Si) 2124 жертвует частью коррозионной стойкости ради более высокой прочности, а по сравнению с серией 5xxx его устойчивость к морскому воздействию хлоридов значительно ниже.

Технологичность

Свариваемость

Сварка 2124 сложна и в целом не рекомендуется для конструкций, требующих сохранения полной прочности, из-за склонности к горячим трещинам и размягчению зоны термического влияния. При необходимости сварки обычно применяются технологии TIG или MIG с подачей присадочного материала, соответствующего Al-Cu сплавам (например, 2319 или специально разработанные варианты 4047/5356), чтобы снизить трещинообразование и повысить пластичность шва. После сварки термообработка не способна полностью восстановить исходные максимальные свойства, поэтому проектировщики стараются избегать сварки ответственных элементов с высокими нагрузками.

Механическая обработка

2124 считается достаточно хорошо обрабатываемым металлом по сравнению со многими высокопрочными алюминиевыми сплавами; он хорошо поддается резке быстрорежущими и твердосплавными инструментами при соблюдении правильных скоростей и подач. Стружка в основном пластичная и непрерывная; использование СОЖ и жёсткая фиксация заготовки улучшают качество поверхности и точность размеров. Срок службы инструментов может быть выше, чем у некоторых медьсодержащих сплавов без меди, благодаря благоприятной морфологии стружки, однако высокое сопротивление резанию требует соответствующей мощности и крепежных средств.

Формуемость

Формование оптимально проводится в отожженном состоянии (O) или при незначительной предварительной обработке; твердые состояния закалки, такие как T6/T851, характеризуются низкой пластичностью и затрудняются при формовке без трещинообразования. Рекомендуемые минимальные радиусы гибов и глубины вытяжки должны выдерживаться с запасом для упрочнённых состояний, возможно использование горячей формовки или решения с последующим старением для получения сложных конфигураций. При упрочненных состояниях компенсирование упругой отдачи (springback) существенно и должно учитываться при проектировании инструментов.

Особенности термообработки

Решающее отжиг для 2124 проводится при температуре обычно в диапазоне 495–505 °C с целью растворения фаз, содержащих медь и магний, в пересыщенный твердый раствор. Быстрое охлаждение, обычно водяное, необходимо для сохранения пересыщения и дальнейшего выделения дисперсных осадков при искусственном старении. Режимы искусственного старения для условий типа T6 используют температуры около 160–190 °C в течение нескольких часов, чтобы достичь оптимального баланса прочности и вязкости с воспроизводимой последовательностью осаждения фаз.

Состояния T851 и подобные авиаклассы включают контролируемое растяжение (снятие напряжений) после закалки и перед старением для уменьшения остаточных напряжений и повышения размерной стабильности. Перезакаливание возможно применить намеренно для повышения устойчивости к коррозионному растрескиванию ценой снижения максимальной прочности. Контролируемое повторное старение или восстановление свойств после термических воздействий также применяются после ограниченных тепловых воздействий. Поведение сплава нельзя отнести к не термообрабатываемым, так как основное упрочнение достигается за счет осаждения, а не только деформирования.

Работа при повышенных температурах

2124 постепенно теряет прочность с повышением температуры, снижая прочностные характеристики заметно выше 100–150 °C и значительно размягчаясь при достижении типичных температур искусственного старения. Длительное воздействие повышенной температуры приводит к перезакаливанию и коарсению упрочняющих осадков, уменьшая предел текучести и усталостную стойкость. Окисление алюминия при этих температурах на воздухе сухого типа незначительно, однако потеря механических свойств является основным ограничением для эксплуатации при высокотемпературных режимах.

Зоны термического влияния сварки испытывают локальное размягчение и микроструктурные изменения, снижающие несущую способность, особенно при температурах, ускоряющих коарсение осадков. Для циклических или чувствительных к ползучести применений проектировщики обычно ограничивают температуру эксплуатации ниже начала активного коарсения осадков и предусматривают защитные покрытия для ограничения воздействия окружающей среды.

Области применения

Отрасль	Пример компонента	Причины использования 2124
Авиация	Крепежи крыла, соединительные пластины, сильнонагруженные конструкционные кронштейны	Высокое отношение прочности к массе и хорошая усталостная/трещиностойкость
Судостроение	Высокопрочные конструктивные элементы (защищённые или с клёпаным слоем)	Прочность и вязкость при контролируемой коррозии
Оборона	Элементы брони, корпуса ракет, конструкционные ковки	Высокая статическая прочность при относительно низкой массе
Электроника	Конструкционные крепления, корпуса шасси	Жесткость и теплопроводность при высокой прочности

2124 чаще всего применяется там, где требуется высокая удельная прочность и предсказуемое старение, а также где внедрены защитные меры для снижения коррозионных рисков. Этот сплав остаётся материалом выбора для авиационных конструкций, где экономия массы и способность к сопротивлению повреждениям обеспечивают системные преимущества.

Рекомендации по выбору

Используйте 2124, когда основными требованиями являются высокий предел текучести и временное сопротивление при сохранении хороших усталостных и трещиностойких характеристик, и при наличии защитных покрытий, клёпаного слоя или контролируемых условий эксплуатации, снижающих коррозионный риск. Для авиационных применений рекомендуются состояния T851 или аналогичные с растяжением и старением для обеспечения размерной стабильности и повышенного предела текучести; для операций формовки перед окончательной термообработкой выбирайте отожжённые или минимально упрочнённые состояния.

В сравнении с коммерчески чистым алюминием (1100) 2124 жертвует электрической и теплопроводностью и лучшей формуемостью ради более высокой прочности и лучшей усталостной прочности. По сравнению с обычными закалёнными сплавами, такими как 3003 или 5052, 2124 обеспечивает значительно большую прочность, но при этом обладает более низкой общей коррозионной стойкостью и худшей свариваемостью. По сравнению с широко применяемыми термообрабатываемыми сплавами, такими как 6061 или 6063, 2124 часто имеет более высокий предел текучести и лучшую трещиностойкость для ответственных конструкций, но уступает по коррозионной стойкости и простоте сварки/ремонта; выбирайте 2124, когда прочность и усталостная эффективность важнее этих компромиссов.

Заключение

2124 остаётся актуальным высокопрочным алюминиевым сплавом в современной инженерии, где требуются высокая удельная прочность и надёжный отклик на осадочно-упрочняющую термообработку, особенно в авиационной и оборонной отраслях. Его применение должно сопровождаться надлежащей защитой от коррозии, контролем состояния и планированием технологического процесса для полного использования его механических преимуществ.