Алюминий 3A21: состав, свойства, руководство по состояниям и области применения

Общий обзор

3A21 — это сплав из серии 3xxx алюминиевых сплавов, семейства Al–Mn, в котором марганец является основным легирующим элементом. Он относится к нелегируемым термической обработкой сплавам с упрочнением деформацией, где усиление достигается холодной обработкой (наклепом), а не термической обработкой раствором и старением.

Типичный состав включает марганец в диапазоне, способствующем упрочнению твердого раствора и образованию дисперсных включений (дисперсоидов), с небольшими добавками Fe, Si и следовых элементов, которые тонко влияют на формуемость и коррозионное поведение. Сплав обеспечивает баланс между умеренной прочностью, хорошей коррозионной стойкостью и отличной формуемостью и свариваемостью, что делает его привлекательным для листов и штампованных компонентов.

Отрасли, где обычно применяют 3A21, включают общую металлообработку, автомобильные элементы отделки, системы ОВК, бытовую технику и легкие морские конструкции, где требуются умеренная прочность и хорошая формуемость. Инженеры выбирают 3A21, когда сочетаются способность к холодной деформации, разумные показатели прочности, низкая стоимость и хорошая атмосферная коррозионная стойкость, что ценится выше, чем более высокие максимальные прочностные характеристики термоупрочняемых сплавов.

Варианты термического состояния (темпера)

Темпера	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое (20–40%)	Отличная	Отличная	Полностью отожженное состояние, максимальная пластичность для сложной штамповки
H12	Низко–средний	Умеренное (10–25%)	Очень хорошая	Отличная	Слабый наклеп, сохраняет хорошую формуемость
H14	Средний	Умеренное (8–18%)	Хорошая	Отличная	Распространённое коммерческое состояние для средней прочности и формуемости
H16	Средне–высокий	Ниже (6–14%)	Удовлетворительная–хорошая	Отличная	Более выраженный наклеп, повышенный предел текучести для штампованных деталей
H18	Высокий	Низкое (3–10%)	Сниженная	Отличная	Почти максимальное коммерческое упрочнение холодной обработкой
H111	Низко–средний	Переменное	Хорошая	Отличная	Слегка деформированное состояние; используется там, где требуется умеренное упрочнение с сохранением хорошей формуемости
H112	Средний	Умеренное	Хорошая	Отличная	Альтернативное коммерческое состояние с наклепом

Упрочнение в сплавах серии 3xxx достигается контролем степени холодной деформации; значительного упрочнения за счет осадительного твердения при стандартных термических обработках T6/T651 не происходит. Переход от состояния O к состояниям H повышает предел текучести и временное сопротивление разрыву, снижая при этом равномерное и общее удлинение, поэтому проектировщикам необходимо балансировать между требованиями к формовке и эксплуатационным нагрузкам.

Свариваемость остаётся отличной во всех состояниях, поскольку сплав не поддаётся термической обработке; однако в зонах сварного шва после холодной обработки могут возникать локальное размягчение, а формуемость после сварки зависит от выбора последующей холодной деформации или отжига.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	0.1–0.6	Контроль содержания; повышение Si улучшает литейные свойства, но может снижать пластичность
Fe	0.2–0.7	Распространенный примесный элемент; образует интерметаллиды, снижающие пластичность и качество поверхности
Mn	0.6–1.5	Основной упрочняющий элемент; повышает стойкость к рекристаллизации и коррозии
Mg	0.05–0.20	Минорный элемент; слегка увеличивает прочность, но ограничен для сохранения свариваемости
Cu	0.05–0.3	Низкие уровни могут увеличить прочность, но снижают коррозионную стойкость
Zn	0.05–0.25	Типично низкое содержание; повышение Zn приближает поведение сплава к семейству 7xxx
Cr	0.05–0.20	Микролегирование для контроля зерен и повышения вязкости
Ti	0.01–0.10	Обезвоживатель, средство для измельчения зерен в некоторых изделиях
Прочие	Остальное Al, остатки ≤0.15	Низкое содержание следов и примесей для управления свойствами

Содержание марганца определяет микроструктурное поведение, образуя дисперсоиды и ограничивая рекристаллизацию при термических циклах, что сохраняет прочность после формования и умеренного теплового воздействия. Контролируемые количества железа и кремния неизбежны и влияют на окончательную поверхность и свойства формуемости, в то время как следы хрома и титана полезны для контроля зернистости при литье и горячей обработке.

Механические свойства

Поведение при растяжении у 3A21 характерно для нелегируемых термообработкой алюминиево-марганцевых сплавов: пластичный в состоянии отжига, с относительно низким пределом текучести и нарастанием прочности по мере деформации холодной обработкой. Явление пика текучести выражено слабее, чем у термоупрочняемых сплавов, а кривые напряжение-деформация демонстрируют значительное равномерное удлинение в состоянии O и постепенное снижение пластичности с ростом степени наклепа в состояниях H. Усталостная прочность, как правило, хорошая для компонентов с гладкой поверхностью, однако наличие интерметаллических включений и шероховатость поверхности могут снижать пределы выносливости.

Твердость увеличивается с наклепом; в отожженном состоянии твердость низкая и предсказуемо растёт с повышением коммерческих состояний H. Толщина имеет заметное влияние: тонкие листы равномернее подвергаются упрочнению и могут достигать более высоких кажущихся прочностных характеристик после деформации, тогда как более толстые участки показывают меньшую степень упрочнения и сниженную формуемость. Сплав обычно обладает умеренной чувствительностью к концентраторам напряжений и выигрывает от правильной обработки поверхности для деталей, ответственных за усталость.

Свойство	O/Отожженное	Ключевой темперамент (например, H14/H16)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	~80–140 MPa	~140–210 MPa	Значения зависят от степени холодной обработки и толщины; H16/H18 достигают верхней границы
Предел текучести	~30–70 MPa	~80–160 MPa	Предел текучести сильно увеличивается с наклепом; проектируйте под конкретное состояние
Относительное удлинение	~25–40%	~5–18%	Пластичность уменьшается с ростом степени наклепа
Твердость (HB)	~20–40 HB	~40–90 HB	Твердость по Бринеллю или Виккерсу увеличивается с номером темпера и степенью упрочнения

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.70–2.73 г/см³	Немного легирован по сравнению с чистым алюминием (2.70 г/см³)
Температура плавления	~630–655 °C	Диапазон ликвидус–солидус зависит от примесей
Теплопроводность	~120–150 Вт/м·К	Чуть ниже, чем у чистого алюминия; подходит для теплового распределения
Электропроводность	~28–38 % IACS	Ниже, чем у чистого алюминия и некоторых сплавов серии 1xxx за счёт Mn и примесей
Удельная теплоёмкость	~880–910 Дж/кг·К	Сопоставима с другими алюминиевыми сплавами общего назначения
Тепловое расширение	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Типичное для алюминия тепловое расширение; учитывать при проектировании многоматериальных конструкций

Сочетание относительно высокой теплопроводности и низкой плотности делает 3A21 полезным для применения, требующего легковесного теплового управления, но без необходимости в максимальной теплопроводности. Электропроводность снижается из-за легирования и наклепа, поэтому если необходимы высокие электросвойства, предпочтительнее сплавы серии 1xxx с более высоким содержанием чистого алюминия. Тепловое расширение следует учитывать при проектировании узлов с различными материалами.

Формы выпуска продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение по механической прочности	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0.2–6.0 мм	Поставляется в отожженном (O) или упрочнённом (H) состояниях, прочность увеличивается с уровнем упрочнения	O, H14, H16, H18	Широкое применение в штампованных деталях и панелях
Плита	6–25 мм	Меньший эффект холодной пластической деформации, крупнозернистая структура без дополнительной обработки	O, H111	Используется для конструкционных или обработанных деталей при необходимости больших сечений
Экструзия	Диаметры до нескольких сотен мм	Прочность зависит от охлаждения после экструзии и степени холодного упрочнения	O, H112	Ограниченная формуемость сложных тонкостенных профилей по сравнению со сплавами серии 6xxx
Труба	Толщина стенки 0.5–6.0 мм	Поведение аналогично листу при тонких стенках	O, H14	Широко применяется для вентиляционных систем HVAC и лёгких конструкций
Пруток/Круг	Ø6–150 мм	Холодная деформация увеличивает прочность для протяжённых прутков	H12–H18	Используется для лёгких конструкционных фитингов и комплектующих

Отличия технологических процессов значительны: листы и тонкостенные изделия легко поддаются упрочнению холодной деформацией до требуемых свойств, тогда как плиты и толстые экструзии имеют меньшую величину упрочнения и могут требовать последующей механической или термической обработки для обеспечения однородных свойств. Поэтому выбор формы выпуска должен учитывать достижимое состояние упрочнения и требуемые эксплуатационные прочность и пластичность.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	3003 (приблизительно)	США	Ближайший эквивалент по составу и поведению по данным Aluminum Association
EN AW	3.0517 / AW-3003	Европа	Аналогичная марка Al–Mn для общего назначения, в листах
JIS	A3003	Япония	Схожий марочный состав с основой на марганце
GB/T	3A21	Китай	Национальное обозначение; соответствует характеристикам алюминиевых сплавов серии 3xxx на основе марганца

Незначительные различия между спецификациями обычно обусловлены более строгим контролем примесей, допустимым содержанием меди или пределами для микроэлементов, влияющих на формуемость и качество поверхности. При международных поставках инженерам рекомендуется запрашивать сертификаты химического и механического состава для подтверждения точного состава и состояния упрочнения, а не полагаться только на кросс-референсы по маркам.

Коррозионная стойкость

3A21 обладает хорошей общей атмосферной коррозионной стойкостью, характерной для алюминиевых сплавов серии 3xxx. Формируется стабильная оксидная плёнка, обеспечивающая защиту от слабоагрессивных промышленных и сельских условий; в прибрежных и хлоридсодержащих атмосферных условиях сплав демонстрирует хорошую работу, но требует учёта конструкции для предотвращения щелевой коррозии и задержки солей.

Сплав показывает хорошую стойкость к равномерной коррозии и ограниченную склонность к питтинговой коррозии при воздействии агрессивной морской среды по сравнению с высокопрочными алюминиево-цинковыми сплавами. Межкристаллитная коррозия и коррозионное растрескивание напряжённой коррозией не характерны для сплавов серии 3xxx; основная коррозионная проблема — локализованное повреждение в загрязнённых или сильно хлорсодержащих средах.

Следует учитывать гальванические взаимодействия с разнородными металлами: при контакте со сплавами с более благородным электрохимическим потенциалом (например, медь, нержавеющая сталь) в влажной среде 3A21 выступает анодом и может интенсивно корродировать при отсутствии изоляции. В паре с более активными металлами он играет роль катода и защищается; типичные меры защиты включают покрытия, преграды и использование жертвенных анодов.

Свойства обработки

Свариваемость

Сварные свойства 3A21 отличные при традиционных методах дуговой сварки такими способами, как TIG и MIG. Рекомендуемые присадочные материалы — алюминиево-кремниевые (например, 4043) и алюминиево-магниевые (например, 5356), выбор зависит от желаемой пластичности и коррозионной стойкости сварного металла; 4043 часто применяется для минимизации риска трещин и обеспечения хорошего смачивания. Чувствительность к горячим трещинам низкая по сравнению с термообрабатываемыми сплавами, однако важны точная подгонка соединений и чистота для предотвращения пористости и включений.

Обрабатываемость

Обрабатываемость 3A21 средняя; сплав, как правило, более вязкий, чем легированные алюминиевые сплавы с улучшенной резьбоспособностью, поэтому рекомендуется использование острых карбидных инструментов и охлаждения. Обычно уступает по обрабатываемости алюминиево-медным сплавам серии 2xxx и алюминиево-кремниевым литейным сплавам серии 3xx. Скорости подачи и вращения нужно подбирать, чтобы избежать образования приращённого слоя и контролировать форму стружки. Ресурс инструмента приемлем при использовании инструментов с покрытием и при высокоскоростной обработке с образованием непрерывной стружки и эффективным отводом.

Формуемость

Формуемость — один из сильных аспектов 3A21 в отожженном состоянии (O), что позволяет выполнять глубокую вытяжку и сложные операции вырубки. Минимальные радиусы изгиба зависят от толщины листа и состояния упрочнения, но состояние O обычно допускает очень малые радиусы (например, R ≤ 0.5t во многих случаях), тогда как упрочнённые состояния H требуют больших радиусов для предотвращения трещин. Холодное упрочнение увеличивает прочность, но снижает пластичность, поэтому технологические процессы часто предусматривают зачистку (отжиг) или контролируемое предварительное деформирование для достижения заданной геометрии и характеристик.

Поведение при термообработке

Являясь не термообрабатываемым сплавом, 3A21 не реагирует на закалку и старение с заметным увеличением прочности. Попытки повысить прочность термической обработкой скорее влияют на структуру зерна, отжиг или снятие внутренних напряжений, чем на упрочнение осадками. Растворение с последующим охлаждением даёт минимальный положительный эффект и может привести к росту зерна или нежелательному размягчению.

Основным способом повышения прочности является упрочнение холодной пластической деформацией; этот процесс стабильный и предсказуемый, что позволяет проектировщикам выбирать состояния упрочнения H для достижения нужного предела текучести. Переводные отжиги (полный отжиг до состояния O) применяются для восстановления пластичности между формовочными операциями или для снятия остаточных напряжений после сварки и обработки.

Работа при повышенных температурах

При высоких температурах 3A21 демонстрирует постепенное снижение прочности, начиная значительно ниже диапазона плавления; заметное размягчение происходит свыше примерно 150–200 °C. Ползучесть ограничена по сравнению с жаропрочными алюминиевыми сплавами и сталями, поэтому длительная работа под нагрузкой при повышенной температуре не рекомендована. Окисление минимально в воздухе при обычных рабочих температурах благодаря защитной алюминиевой оксидной плёнке, однако длительное воздействие высоких температур может изменить состояние поверхности и механические свойства.

Зоны термического влияния сварных соединений не подвергаются упрочнению осадками, но могут испытывать локальный отжиг и рост зерна при воздействии высоких тепловых циклов, что снижает местную прочность. Для высокотемпературных применений следует рассматривать другие алюминиевые сплавы с термостойкостью или материалы, не содержащие алюминий.

Области применения

Промышленность	Пример детали	Причины использования 3A21
Автомобильная	Отделка, каналы, внутренние панели	Хорошая формуемость, приемлемая прочность, экономичность
Судостроение	Лёгкие конструкционные кронштейны, воздуховоды	Достаточная коррозионная стойкость и простота обработки
Авиастроение	Некритичные крепежи, обтекатели	Оптимальное соотношение прочности и массы для второстепенных конструкций
Электроника	Корпуса, рассеивающие тепло элементы	Хорошая теплопроводность и простота обработки
Бытовая техника	Посуда, панели	Формуемость и коррозионная стойкость для контакта с пищей и внешних панелей

3A21 часто выбирают для применений, требующих сочетания формовки, сварки, умеренной прочности и коррозионной стойкости без сложности и стоимости термообрабатываемых сплавов. Баланс свойств обеспечивает эффективное производство и надёжную эксплуатацию для многих массовых и полу-конструкционных изделий.

Рекомендации по выбору

Используйте 3A21, когда нужна надёжная, недорогая алюминиево-марганцевая марка с отличной формуемостью и свариваемостью, и когда пиковая прочность термообрабатываемых сплавов не требуется. Особенно подходит для штампованных и вытянутых листовых деталей, лёгких конструкционных элементов и применений в атмосферных условиях.

По сравнению с коммерчески чистым алюминием (например, 1100) 3A21 обладает немного сниженной электрической и теплопроводностью, но значительно увеличенной прочностью и улучшенной стойкостью к механической деформации в эксплуатации. По сравнению с другими упрочняемыми холодной деформацией сплавами, такими как 3003/5052, 3A21 находится в той же общей категории, но может предпочитаться при требованиях к определённым свойствам, контролируемым содержанием марганца, или специфическим состояниям упрочнения; 5052 обладает большей прочностью и лучшей морской коррозионной стойкостью за счёт магния, но худшей формуемостью по сравнению с полностью отожжённым 3A21.

В сравнении с распространёнными термообрабатываемыми сплавами (например, 6061) 3A21 обеспечивает лучшую формуемость и более лёгкое соединение, при более низкой стоимости, хотя не достигает максимальных значений прочности сплавов серии 6xxx; выбирайте 3A21 для сложных операций формования и когда приоритетом являются свариваемость и коррозионная стойкость, а не максимальная прочность.

Заключение

3A21 остаётся практичным и широко используемым алюминиево-марганцовым сплавом для современной инженерии, где требуется надежное сочетание пластичности, свариваемости, коррозионной стойкости и экономической эффективности; его предсказуемая работа на упрочнение и хорошие технологические свойства сохраняют актуальность для массового производства и полуструктурных компонентов.