Алюминий 3B21: состав, свойства, руководство по состоянию и области применения

Общий обзор

3B21 — это алюминиевый сплав серии 3xxx, основным легирующим элементом которого является марганец, и который относится к группе не подвергаемых термообработке сплавов. Он разработан для усиления за счёт упрочнения твёрдым раствором марганца и в некоторых вариантах с небольшим содержанием магния; упрочнение достигается преимущественно холодной деформацией, а не осадочным старением.

Основные характеристики 3B21 включают умеренно высокий уровень прочности по сравнению с чистым алюминием, отличную штампуемость в отожженном состоянии, хорошую устойчивость к общей атмосферной коррозии и простоту сварки стандартными методами сварки алюминия. Типичные отрасли применения 3B21 — транспорт, автомобильные внешние панели, потребительские изделия и некоторые второстепенные морские конструкции, где требуется баланс между пластичностью и коррозионной стойкостью.

Инженеры выбирают 3B21, когда необходима комбинация пластичности для формовочных операций и улучшенные механические свойства по сравнению с коммерчески чистым алюминием без усложнения цикла термообработки. Его конкурентные преимущества — низкая плотность, предсказуемый отклик на холодную обработку и относительно низкая стоимость производства и изготовления.

Чаще всего 3B21 предпочитают более прочным термообрабатываемым сплавам, когда требуется сложная формовка и хороший внешний вид поверхности, а также вместо чистого алюминия или более мягких сплавов, если нужны повышенная конструкционная прочность и устойчивость к вмятинам.

Варианты состояния (темпер)

Темпер	Уровень прочности	Относительное удлинение	Штампуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое (30–45%)	Отличная	Отличная	Полностью отожжённое состояние, лучше всего подходит для глубокого вытягивания и формовки
H12	Низко-средний	Средне-высокое (20–30%)	Очень хорошая	Очень хорошая	Лёгкое упрочнение холодной деформацией после частичной обработки
H14	Средний	Среднее (10–20%)	Хорошая	Очень хорошая	Распространённый коммерческий вариант упрочнения холодной обработкой для листа; повышенный предел текучести
H16	Средне-высокий	Среднее (8–15%)	Снижена	Хорошая	Увеличенная степень упрочнения для повышения жёсткости
H18	Высокий	Низко-среднее (6–12%)	Ограничена	Хорошая	Сильная холодная деформация, повышенная прочность для конструкционных панелей
H24	Средне-высокий	Среднее (10–18%)	Хорошая	Очень хорошая	Упрочнён и стабилизирован термически; сохраняет некоторую пластичность
T3 (где применяется)	Н/Д	Н/Д	Н/Д	Н/Д	Не является основным состоянием — сплавы серии 3xxx не подвергаются термообработке; маркировка T иногда используется для стабилизации после раствора в некоторых спецификациях

Практика обозначения темперов для 3B21 соответствует обычному подходу серии 3xxx: мягкое состояние O для максимальной пластичности и ряд вариантов H для постепенного повышения прочности за счёт упрочнения холодной деформацией. Выбор темпера — это баланс между сложностью формования, контролем упругого отскока и требуемой жёсткостью в эксплуатации; ремонт сваркой и последующее соединение после формовки должны учитывать возможное локальное размягчение в сварных участках в H-темперах.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	≤ 0.6	Типичная примесь; избыток снижает пластичность и способствует образованию интерметаллидов
Fe	≤ 0.7	Распространённая примесь; влияет на структуру зерна и может образовывать хрупкие фазы
Mn	0.8–1.5	Основной легирующий элемент серии 3xxx; повышает прочность и тормозит рекристаллизацию
Mg	0.1–0.6	Небольшое добавление в некоторых вариантах; увеличивает упрочнение твёрдым раствором и улучшает способность к упрочнению холодной деформацией
Cu	≤ 0.2	Может присутствовать в низких концентрациях; немного повышает прочность, но снижает коррозионную стойкость
Zn	≤ 0.25	Обычно низкое содержание; повышенные уровни не характерны для серии 3xxx
Cr	≤ 0.10	Может присутствовать в следах для контроля структуры зерна и улучшения стабильности темпера
Ti	≤ 0.15	Небольшие добавки для очистки и измельчения зерна при литье и обработке давлением
Другие (каждый)	≤ 0.05–0.15	Другие примеси (Ni, Pb, Sn) ограничены низкими уровнями, чтобы избежать хрупкости или образования вредных фаз

Химический состав 3B21 ориентирован на баланс с преобладанием марганца, который обеспечивает стабильное упрочнение при холодной обработке и хорошую пластичность. Марганец снижает рекристаллизацию и формирует мелкодисперсные включения, стабилизирующие зерно при формовке и умеренных тепловых воздействиях. Магний, присутствующий в умеренных количествах, усиливает прочность благодаря упрочнению твёрдым раствором и улучшает способность к упрочнению холодной деформацией, но его содержание должно быть ограничено, чтобы избежать характеристик повышенной склонности к коррозии, характерных для более богатых магнием сплавов серии 5xxx.

Механические свойства

Поведение на растяжение 3B21 соответствует классическим закономерностям серии 3xxx: отожжённое состояние (O) характеризуется относительно низкими пределом текучести и временным сопротивлением разрыву, но высокой равномерной пластичностью, что позволяет выполнять сложную формовку. Холодная обработка (темпера H) значительно повышает предел текучести и прочность, но снижает пластичность и способность к изгибу; при этом упругий отскок увеличивается с ростом степени упрочнения. Толщина и история обработки сильно влияют на измеряемые свойства; у более тонких листов может наблюдаться более высокая кажущаяся прочность из-за дополнительного упрочнения холодной прокаткой при производстве.

Твёрдость тесно связана с температурным состоянием: твёрдость по Роквеллу или Бринеллю предсказуемо растёт с увеличением номера H. Усталостные характеристики 3B21 находятся на среднем уровне — лучше, чем у чистого алюминия благодаря более высокой базовой прочности, но уступают некоторым термообрабатываемым сплавам; на срок службы существенно влияют качество поверхности, остаточные напряжения от формовки и наличие концентраторов напряжений. Отношение предела текучести к временной прочности умеренное; локальный тепловой ввод (например, сварка) может вызывать размягчение в зоне термического влияния, особенно в сильно упрочнённых состояниях.

Пределы холодной формовки зависят от состояния и размера зерна; состояние O допускает небольшие радиусы гиба с допусками, критичными для панелей, тогда как H18 требует больших радиусов изгиба и поэтапных операций формовки. Типичные значения приведены в таблице ниже для стандартных толщин листа и распространённых состояний.

Свойство	O/Отожженное	Основной темпер (например, H14)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	90–130 MPa	150–220 MPa	Значения варьируются в зависимости от толщины и партии сплава; H14 типичен для умеренно нагруженных конструкционных панелей
Предел текучести	30–70 MPa	100–160 MPa	Предел текучести заметно растёт при холодной обработке; в состоянии O небольшой прирост
Относительное удлинение	30–45%	8–20%	Зависит от температуры и характера деформации при формовке
Твёрдость (HB)	25–45 HB	50–85 HB	Твёрдость растёт с повышением номера H; перевод в HRC/HRB варьируется

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	~2.70 г/см³	Типично для деформируемых алюминиевых сплавов; выгодно с точки зрения соотношения прочность/масса
Температура плавления	~640–655 °C	Легирование немного снижает температурный порог по сравнению с чистым алюминием (660 °C)
Теплопроводность	~120–150 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия, но остаётся высокой для приложений теплового рассеивания
Электропроводность	~28–40% IACS	Снижена относительно серии 1xxx из-за легирования; зависит от содержания Mn и Mg
Удельная теплоёмкость	~0.88–0.91 Дж/г·К	Типично для алюминиевых сплавов при комнатной температуре
Коэффициент теплового расширения	~23–24 ×10⁻⁶ 1/К (20–100 °C)	Сопоставим с другими алюминиевыми сплавами; важен при проектировании конструкций с термическими циклами

3B21 сохраняет тепловые и электрические преимущества алюминия, принимая при этом умеренное снижение из-за легирования. Теплопроводность достаточно высока для теплоотводящих компонентов и элементов систем управления температурой потребительских изделий. Коэффициент теплового расширения схож с другими алюминиевыми сплавами и требует учёта в узлах из разных материалов для контроля термических напряжений.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение прочности	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0.2–6.0 мм	Прочность варьируется в зависимости от состояния; тонкие прокаты часто немного тверже	O, H14, H24	Широко используется для панелей, корпусов и штампованных деталей
Плита	>6 мм до 25 мм	В меньшей степени упрочняется холодной деформацией в более толстой плите	O, H18	Применяется при необходимости больших сечений; учитывается обработка и формовка плит
Экструзия	Профили длиной до нескольких метров	Прочность зависит от охлаждения сечения; умеренная	O, H112	Экструдированные формы используют Mn для стабилизации зерна при экструзии
Труба	Диаметры от малых до больших	Толщина стенки и состояние определяют жёсткость	O, H16	Тянутые или экструдированные трубы для легких каркасов
Пруток/кругляк	Диаметры и плоские сечения	Типично мягче в отожженном состоянии; возможна холодная витая обработка	O, H12	Производство заготовок для механической обработки и крепежа при необходимости

Выбор формы зависит от методов формовки и обработки: прокат листа обеспечивает высококачественную поверхность и точный контроль толщины для видимых панелей, тогда как экструзия даёт сложные сечения, но требует учета эффектов старения и деформации. Плиты и более толстые сечения часто формуют методами поэтапной обработки или горячей формовки, чтобы получить аналогичные формы. В сварных сборках необходимо учитывать локальное размягчение зоны термического влияния и возможные деформации тонких деталей.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	3B21	США	Обозначение, используемое в некоторых каталогах поставщиков; не является универсально стандартизированным во всех списках AA
EN AW	3003 / семейство 3xxx	Европа	Ближайшие кованые европейские аналоги относятся к серии 3xxx AW; прямое соответствие требует проверки состава
JIS	A3003 / A3xxx	Япония	Японские марки серии 3xxx имеют похожий химический состав с основанием на Mn и схожие свойства
GB/T	3B21	Китай	Китайское обозначение 3B21 соответствует местной нумерации сплавов и контролю состава

Прямое сопоставление между стандартами должно проводиться на основе пределов состава и механических требований, а не только по названию. Незначительные различия в допустимом содержании примесей, Mg и технологии упрочнения могут влиять на свойства; поэтому для ответственных применений рекомендуется запрашивать сертификаты завода-изготовителя и проводить сравнительные испытания, а не полагаться исключительно на таблицы эквивалентности.

Коррозионная стойкость

3B21 обеспечивает хорошую общую атмосферную коррозионную стойкость, типичную для сплавов семейства 3xxx с содержанием Mn; быстро образуется оксидная пленка, защищающая матрицу в большинстве неагрессивных сред. В городских и промышленных условиях сплав демонстрирует достойную стойкость и часто выбирается вместо чистого алюминия, когда требуется небольшое повышение механической прочности без ухудшения коррозионной защиты.

В морской среде 3B21 обладает умеренной устойчивостью к равномерной коррозии, но более уязвим к локализованной (точечной) и отслаивающейся коррозии в условиях высокого содержания хлоридов по сравнению с некоторыми Al-Mg (5xxx) или специально защитными покрытиями сплавами. Поверхностная отделка, клэддинг и чистота сплава (сниженное содержание Fe и Cu) существенно влияют на долговременную коррозионную стойкость в морской атмосфере.

Подверженность стресс-коррозионному растрескиванию у сплавов семейства 3xxx с Mn обычно низкая по сравнению с Cu-содержащими или высоко-Mg сплавами; однако гальванические взаимодействия с более благородными металлами (нержавеющая сталь, медь) могут ускорять коррозию алюминия при контакте с электролитом. Проектировщикам следует учитывать использование жертвенной защиты и электрическую изоляцию для предотвращения гальванического разрушения в смешанных металлоконструкциях.

Свойства обработки

Свариваемость

Свариваемость 3B21 хорошая при применении распространённых методов, таких как TIG и MIG с аргоновой защитой и стандартной подготовкой кромок. Выбор присадочного материала обычно ориентирован на Al-Mn или Al-Si виды, чтобы обеспечить близкие механические свойства и минимизировать горячие трещины; часто используются 4043 (Al-Si) и 5356 (Al-Mg) в зависимости от требуемого баланса пластичности и прочности. Для сильно упрочнённых состояний наблюдается размягчение зоны термического влияния и возможное снижение локальных свойств; следует планировать механические условия до и после сварки.

Обрабатываемость

Обрабатываемость умеренная, хуже по сравнению с легкообрабатываемыми Cu-сплавами или сталями, но приемлема при правильном выборе инструментов. Использование твердосплавных резцов с позитивным передним углом, стратегий с высоким подачами и интенсивного охлаждения обеспечивает оптимальный баланс между ресурсом режущего инструмента и качеством поверхности. Стружка обычно сплошная и пластичная; на производстве рекомендуется контролировать образование задиров и применять геометрию для разрушения стружки.

Формуемость

Формуемость отличная в состоянии O и остаётся хорошей в лёгких упрочнённых состояниях для большинства стандартных операций штамповки и вытяжки. Минимальные радиусы изгиба в состоянии O могут составлять 0.5–1.0T для простых сгибов, но необходимо учитывать появление упругой памяти и истончение при глубокой вытяжке. Холоднообработанные состояния (H16–H18) требуют больших радиусов и многоступенчатого формоизменения для предотвращения трещин; отжиг может восстанавливать формуемость при необходимости.

Поведение при термообработке

3B21 является преимущественно не поддающимся упрочнению термообработкой сплавом, и не реагирует на растворяющее и старение для значительного повышения прочности. Попытки использовать классические циклы растворения и старения не дадут таких же результатов, как в семействе 6xxx/7xxx. Контроль механических свойств достигается путём холодной деформации (наклёпа) и контролируемого отжига.

Отжиг для восстановления пластичности проводится в типичных температурных диапазонах для алюминия, обычно в пределах ~300–420 °C в зависимости от толщины листа и требуемой структуры зерна с последующим контролируемым охлаждением. Переотжиг может привести к укрупнению зерна и снижению формуемости в некоторых операциях; методы термической стабилизации состояний H (например, H24) используют умеренное тепловое упрочнение или низкоуровневое снятие внутренних напряжений для минимизации изменения свойств со временем.

Для конструкций, требующих более высокой прочности, чем обеспечивается холодной деформацией, следует рассматривать сплавы, поддающиеся термической обработке; в противном случае стандартными практиками для 3B21 являются холодное формоизменение, прогрессивная штамповка и графики наклёпа.

Работа при повышенных температурах

3B21 сохраняет полезные свойства при умеренно повышенных температурах, но испытывает постепенное снижение прочности выше примерно 100–150 °C с существенным падением предела текучести и сопротивления ползучу при более высоких температурах. Для длительной эксплуатации при высоких температурах или при опасности ползучести предпочтительны жаропрочные сплавы или нержавеющие стали.

Окисление в воздухе для кратковременных воздействий не является ограничивающим фактором благодаря защитной оксидной пленке; однако длительное воздействие в агрессивных окислительных или хлоридных средах при повышенных температурах разрушает защитный слой и ускоряет коррозионное повреждение. Зоны термического влияния сварных соединений могут иметь пониженные механические характеристики и локальное размягчение, что необходимо учитывать при термощелевых режимах и нагружениях при высоких температурах.

Применения

Отрасль	Пример изделия	Причины выбора 3B21
Автомобильная	Внутренние и наружные панели кузова, декор	Хорошая формуемость для сложной штамповки и умеренная прочность для сопротивления вмятинам
Морская	Второстепенные конструкции, отделка	Достаточная коррозионная стойкость и простота изготовления; малый вес
Авиакосмическая	Несущие ненагруженные детали, обтекатели	Выгодное соотношение прочности и веса, хорошая формуемость для панелей сложной формы
Электроника	Корпуса, теплоотводы	Высокая теплопроводность и лёгкость поверхностной обработки

3B21 часто выбирают в случаях, где требуется баланс между формуемостью, коррозионной стойкостью и умеренными конструкционными свойствами при низкой стоимости. Универсальность сплава в форме листа и экструзии делает его практичным материалом для видимых панелей, формованных корпусов и второстепенных конструктивных элементов, когда приоритетами являются снижение веса и экономия на изготовлении.

Рекомендации по выбору

При выборе 3B21 отдавайте предпочтение применениям, требующим отличной формуемости и хорошей коррозионной защиты при умеренной прочности. Для глубокой вытяжки и сложных форм выбирайте состояние O; для деталей, нуждающихся в повышенной жёсткости или устойчивости к вмятинам, применяйте H-состояния без усложнения термообработки.

По сравнению с коммерчески чистым алюминием (1100), 3B21 жертвует несколько более низкой электрической и теплопроводностью ради значительно большей прочности и лучшей способности к наклёпу. В сравнении с широко распространёнными упрочнёнными сплавами, такими как 3003 или 5052, 3B21 занимает промежуточное положение: прочнее чистого алюминия, но с сопоставимой или слегка улучшенной коррозионной стойкостью по сравнению с более Mg-содержащими сплавами 5xxx. По сравнению с термообрабатываемыми сплавами вроде 6061 или 6063, 3B21 обеспечивает лучшую формуемость в отожженном состоянии и более лёгкую обработку, но имеет меньшую максимальную прочность; 3B21 предпочтителен, когда важнее формуемость и коррозионная стойкость, чем максимальная прочность.

Итог

3B21 остаётся практичным алюминиевым деформируемым сплавом на основе марганца, который сочетает в себе отличную обрабатываемость, надёжную коррозионную стойкость и предсказуемое упрочнение при холодной деформации для широкого спектра лёгких конструкционных и штампованных изделий. Его сбалансированные свойства и простота изготовления делают этот сплав экономически выгодным выбором в случаях, когда основными требованиями к конструкции являются умеренная прочность и высокая технологичность.