Алюминий 5050: состав, свойства, марки прочности и области применения

Общее описание

5050 относится к серии алюминиевых сплавов 5xxx, которые являются магниевыми деформируемыми сплавами с упрочнением за счёт работы без термической закалки. Сплав основан на алюминии с основным легирующим компонентом — магнием, дополненным контролируемыми добавками марганца, хрома и микроэлементов для регулировки прочности и коррозионной стойкости. Прочность 5050 формируется преимущественно за счёт упрочнения раствором и холодной деформации, а не за счёт упрочняющей термообработки, поэтому история отпуска и обработка являются основными способами контроля свойств. Типичные характеристики включают среднюю и более высокую прочность для не подвергающихся термообработке сплавов, очень хорошую атмосферную коррозионную стойкость, хорошую свариваемость и приемлемую штамповочную способность в зависимости от состояния и толщины.

Отрасли, часто использующие сплавы серии 5xxx, в том числе 5050, включают судостроение и морскую технику, транспорт и автокомпоненты, сосуды под давлением и трубопроводы, архитектурные панели и общую металлообработку, где приоритетом являются коррозионная стойкость и умеренная прочность. Конструкторы выбирают 5050, когда требуются баланс коррозионной стойкости, пластичности и свариваемости без сложностей, связанных с термическим упрочнением. Он предпочитается по сравнению с более мягкими, но более электропроводными сплавами, когда требуется улучшенная механическая прочность, и по сравнению с термообрабатываемыми сплавами, когда важнее сниженный искажающий эффект, лучшая свариваемость и коррозионная стойкость в эксплуатации, а не максимальная пиковая прочность.

Варианты термообработки

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Пластичность	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полностью отожжённое состояние для максимальной формуемости
H111	Низкий–Средний	Высокое	Очень хорошая	Отличная	Слабо упрочнённое холодной деформацией с минимальным повышением прочности
H14	Средний	Среднее	Хорошая	Отличная	Одноступенчатое упрочнение холодной деформацией, часто используется для сформованных деталей
H24	Средне–Высокий	Среднее	Удовлетворительная	Отличная	Упрочнённое и стабилизированное состояние; повышенная прочность, сниженная пластичность
H32	Высокий	Низкое	Ограниченная	Хорошая	Упрочнённое и частично отожжённое для сбалансированных свойств
H34	Высокий	Низкое	Ограниченная	Хорошая	Повышенный уровень упрочнения для максимальной прочности холоднодеформированных деталей
T5 / T6 / T651	Не применимо	Не применимо	Не применимо	Не применимо	Температуры упрочнения термической закалкой для серии 5xxx неэффективны

Состояние термообработки оказывает основное влияние на предел текучести и временное сопротивление разрыву за счёт накопленной пластической деформации и соответствующей плотности дислокаций. Отожжённое состояние (O) обеспечивает максимальную пластичность и формуемость, в то время как состояния типа H и Hx последовательно повышают прочность за счёт уменьшения удлинения и гибкости изгиба.

Выбор термообработки должен соответствовать методам формовки: глубокая вытяжка и сильный изгиб требуют отожжённого или H111 состояний, тогда как панели и конструкционные элементы с повышенными прочностными требованиями часто делают из сплавов в состояниях H32/H34.

Химический состав

Элемент	Диапазон содержания, %	Примечания
Si	≤ 0.25	Примесь; контролируется для ограничения хрупких интерметаллидных фаз
Fe	≤ 0.40	Распространённая примесь; избыток снижает пластичность и коррозионную стойкость
Mn	0.10–0.50	Повышает прочность и контролирует структуру зерна через образование дисперсных фаз
Mg	1.5–3.5	Основной легирующий элемент; улучшает коррозионную стойкость и способность к упрочнению холодной деформацией
Cu	≤ 0.10	Низкие уровни для сохранения коррозионной стойкости; более высокое содержание уменьшает стойкость к коррозионному растрескиванию
Zn	≤ 0.10	Малые количества для предотвращения горячих трещин и гальванических эффектов
Cr	0.05–0.25	Контроль структуры зерна, улучшение коррозионной стойкости и ограничение роста зерна
Ti	≤ 0.15	Зерноизмельчитель в литых изделиях и слитках
Другие	Остальное — Al	Микроэлементы (V, Zr) могут присутствовать в малых количествах в специальных вариантах

Магний является ключевым легирующим элементом для 5050, увеличивая прочность и коррозионную стойкость в морской воде за счёт упрочнения твёрдым раствором. Марганец и хром — легирующие микроэлементы, которые регулируют структуру зерна и способствуют образованию дисперсных фаз, повышая прочность и устойчивость к рекристаллизации при сохранении свойств не подвергающегося термообработке сплава. Железо и кремний — остаточные элементы, содержание которых контролируется для поддержания пластичности и предотвращения образования хрупких интерметаллидов при литье и термомеханической обработке.

Механические свойства

При растяжении 5050 демонстрирует характерные свойства не термообрабатываемого сплава: низкая прочность в отожжённом состоянии с выраженным повышением при холодной деформации. Предел текучести и временное сопротивление сильно зависят от состояния: для отожжённого состояния характерны умеренные показатели подходящие для формовки, а состояния H позволяют добиться двух- и трёхкратного повышения предела текучести за счёт упрочнения деформацией. Относительное удлинение уменьшается с переходом от состояния O к H32/H34 из-за увеличения плотности дислокаций и возможных текстурных эффектов в прокатанных изделиях.

Твёрдость следует трендам прочности и служит практическим показателем для оценки формуемости и поведения при изгибе во время изготовления. Усталостная прочность приемлема для многих конструкционных применений, но зависит от качества поверхности, толщины и окружающей среды; коррозионная усталость в хлоридных средах лучше, чем у многих медесодержащих сплавов, но уступает некоторым алюминиям серии 6xxx, применяемым в авиационной технике. Толщина оказывает заметное влияние на процесс формовки и сохранение прочности: более толстые сечения сложнее подвергаются холодной деформации и имеют более высокую прочность в исходном состоянии из-за неоднородности упрочнения по сечению.

Свойство	O / Отожжённое	Основное состояние (H32)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	95–140 MPa (14–20 ksi)	240–320 MPa (35–46 ksi)	Прочность существенно растёт при упрочнении; значения зависят от формы продукции и толщины
Предел текучести	35–70 MPa (5–10 ksi)	150–260 MPa (22–38 ksi)	Предел текучести сильно варьируется в зависимости от термообработки и истории деформации
Относительное удлинение	20–30%	6–15%	Удлинение уменьшается по мере увеличения прочности; толщина влияет на пластичность
Твёрдость (HV)	25–45	60–95	Твёрдость коррелирует с прочностью; используется для контроля качества в производстве

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.68 г/см³	Типично для алюминиевых сплавов; важно для расчётов прочности к массе
Температура плавления	~600–650 °C	Сплавной алюминий обладает промежутком между твердымусолидусом и жидусом; точный диапазон зависит от состава
Теплопроводность	~130–160 Вт/м·К	Меньше, чем у чистого алюминия, но достаточно высокая для многих теплопередающих применений
Электропроводность	~35–45% IACS	Снижена по сравнению с чистым алюминием из-за легирования; приемлема для некоторых проводников и шин
Удельная теплоёмкость	~900 Дж/кг·К	Обычное значение для расчётов тепловой массы и переходных тепловых процессов
Тепловое расширение	~23.5 мкм/м·К	Высокое по сравнению со сталями; важно учитывать при проектировании термошвов

Физические константы показывают, что 5050 является лёгким материалом с хорошей теплопроводностью и удельной теплоёмкостью по сравнению со сталями, что делает его привлекательным для транспортных и теплоотводных применений. Комбинация низкой плотности и умеренных тепловых и электрических проводимостей поддерживает использование в конструкциях, где важны управление теплом и снижение массы, однако конструкторам необходимо учитывать более высокий коэффициент теплового расширения и меньшую жёсткость по сравнению с ферросплавами.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение прочности	Распространённые состояния поставки	Примечания
Лист	0,3–6,0 мм	Хорошая поверхность; прочность варьируется в зависимости от состояния поставки	O, H111, H14, H32	Широко применяется для панелей, корпусов и формованных деталей
Плита	6–150+ мм	Прочность зависит от толщины; ограниченная возможность глубокого вытягивания	O, H111, H32	Используется для конструкционных элементов, обшивки корпусов и более толстых собранных деталей
Экструзия	Сечения длиной до нескольких метров	Прочность зависит от коэффициента вытяжки и последующей холодной обработки	O, H112, H34	Экструдированные профили позволяют создавать сложные сечения для конструкций и архитектурных элементов
Труба	Бесшовные/сварные, диаметр варьируется	Прочность определяется толщиной стенки и состоянием поставки	O, H32	Применяется в системах транспортировки жидкостей, лёгких рамах и конструкционных трубах
Круг/пруток	Диаметры до 150 мм	Холодная вытяжка для повышения прочности	H112, H14, H32	Поставка заготовок для обработки, крепежа и осей с востребованной коррозионной стойкостью

Лист и плита являются наиболее распространёнными формами для 5050, изготавливаемыми методом прокатки, которая формирует структуру зерна и остаточные напряжения до закалки или холодной обработки. Экструзии обеспечивают индивидуальные поперечные сечения и часто требуют специальных режимов гомогенизации и закалки слитка для получения однородных свойств. Ковка и холодная вытяжка прутков и кругляка увеличивают прочность за счёт упрочнения пластической деформацией, а сварные трубчатые детали могут поставляться в состояниях, сочетающих хорошую пластичность формообразования с сохранением прочности после сварки.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	5050	США	Обозначения Allied/Alcoa/AA широко применяются в закупках
EN AW	5050	Европа	Обозначение EN AW-5050 соответствует химическому составу и состояниям AA серии
JIS	A5050	Япония	Марка JIS часто соответствует составу AA с учётом региональных допусков
GB/T	5050	Китай	Китайские стандарты GB/T обеспечивают аналогичный состав, но могут иметь различия по механическим требованиям

Эквивалентность между стандартами в целом проста, так как 5050 — чётко определённый деформируемый магниевый сплав серии 5xxx, однако требуется осторожность: региональные стандарты могут различаться по разрешённым примесям, методам испытаний и системе обозначений состояний поставки. Покупателям следует указывать исходный стандарт и заданные механические/коррозионные характеристики, а не полагаться только на название марки, чтобы гарантировать соответствие требуемым свойствам.

Коррозионная стойкость

5050 обладает высокой атмосферостойкостью, типичной для магниевых сплавов серии 5xxx, образуя защитную оксидную плёнку, которая обеспечивает долгий срок службы в городских и слабо индустриальных условиях. Его стойкость к питтинговой и равномерной коррозии в хлорсодержащих средах (например, морская вода) хорошая по сравнению с медесодержащими и многими термообрабатываемыми сплавами, но при высокой концентрации хлоридов или застаивании морской воды возможно локальное анодное растворение. Чистота сплава, состояние поставки, качество поверхности и остаточные напряжения (в том числе после сварки) значительно влияют на срок службы в агрессивных средах.

Подверженность коррозионному напряженному растрескиванию (КНР) в сплавах серии 5xxx увеличивается с ростом содержания магния и при определённых состояниях поставки; сплавы с Mg > 3,5% более подвержены КНР при растягивающих напряжениях в солёной воде. 5050 с умеренным содержанием Mg и контролируемым уровнем примесей обычно демонстрирует низкий до умеренного риск КНР при правильных спецификациях и обработке, но проектировщикам следует избегать превышения пределов растягивающей нагрузки и рассматривать катодную защиту в морских конструкциях. Необходимо учитывать гальванические взаимодействия при соединении 5050 с более благородными металлами, такими как нержавеющая сталь или медь; правильная изоляция, выбор крепежа и методы покрытия помогут избежать ускоренной коррозии в зонах контакта.

По сравнению со сплавами серии 6xxx (Mg + Si), 5050 обеспечивает лучшую коррозионную стойкость в морской среде и свариваемость, но уступает по максимальной прочности, достигаемой термообработкой. По сравнению с 3xxx серией (Mn) 5050 предлагает более высокую прочность и зачастую лучшую стойкость к морской воде благодаря содержанию магния.

Свойства обработки

Свариваемость

5050 хорошо сваривается распространёнными процессами плавления, включая MIG (GMAW) и TIG (GTAW), с минимальной склонностью к горячей трещинообразованию по сравнению с некоторыми высокомедными сплавами. Рекомендуемые присадки — проволоки серий 5xxx или 4xxx, сохраняющие коррозионную стойкость; для морских сварных конструкций обычно используются низкомедные материалы (например, 5183, 5554, где применимо). Смягчение зоны термического воздействия (ЗТВ) ограничено, так как сплав не упрочняется выделениями; локальное перезакаливание в ЗТВ не характерно. Остаточные напряжения и деформации следует контролировать с помощью оснастки и, при необходимости, последующей механической коррекции состояния.

Обрабатываемость на станках

Обрабатываемость 5050 умеренная и сходна с другими сплавами серии 5xxx; он обрабатывается чище, чем более прочные сплавы, но уступает по лёгкости резания чистому алюминию. Рекомендуется инструмент с карбидными пластинами с положительным углом заострения и эффективным удалением стружки; режимы резания должны исключать нарастание режущего слоя и контролировать упрочнение поверхностного слоя. Типичная стружка от короткой до средней длины, в зависимости от геометрии резца и состояния поставки; применение охлаждающих жидкостей и масел обеспечивает точность геометрических размеров и качество поверхности.

Формуемость

Характеристики формования отличные в состояниях O и H111, где сплав демонстрирует высокое удлинение и способность к глубокому вытягиванию; минимальные радиусы гиба в листах могут быть небольшими в зависимости от толщины и оснастки. В состояниях H32/H34 формуемость снижается за счёт повышения предела текучести из-за упрочнения; проектировщикам следует учитывать остаточную упругость (отскок) и возможно применять отжиг перед серьёзным формованием. Лучшие результаты при изготовлении сложных форм достигаются при указании отожженного или слабо упрочнённого состояния с контролем радиусов инструмента, смазки и распределения деформации.

Особенности термообработки

Как не термообрабатываемый сплав, 5050 не реагирует на растворительно-отжиговые и старение, применяемые для сплавов 6xxx и 7xxx для серьёзного повышения прочности. Тепловые процессы в основном направлены на отжиг для размягчения материала и стабилизацию (снятие остаточных напряжений) после формования или сварки. Типичные отжигающие циклы осуществляются при температурах, достаточных для рекристаллизации микроструктуры и восстановления пластичности; охлаждение проводится аккуратно, чтобы избежать чрезмерных деформаций.

Увеличение прочности достигается главным образом за счёт холодной обработки (упрочнения пластической деформацией), такой как прокатка, вытяжка или контролируемое сгибание. Обозначения состояний серии H указывают степень и тип холодной обработки и наличие стабилизирующих этапов; частичные отжиги (например, H32) применяются для балансировки пластичности и прочности в зависимости от требований к формовке или конструкции. Для ремонта и доработок можно использовать локальный отжиг или механическую перекалку для восстановления формуемости в небольших зонах.

Поведение при высоких температурах

5050 сохраняет пригодные механические свойства при умеренных температурах, но показывает постепенное снижение прочности по мере приближения рабочей температуры к значительной части диапазона плавления алюминия. Практически предельные температуры непрерывной службы для несущих конструкций обычно ограничены ниже ~150–200 °C, где необходима сохранность прочности. Окисление при этих температурах не является серьёзным ограничением, но сопротивление ползучести ограничено по сравнению со специализированными высокотемпературными сплавами.

Воздействие повышенных температур при сварке или последующих термообработках не приведёт к выделению упрочняющих фаз, но может снять упрочнение и локально снизить предел текучести в зоне термического влияния. Проектировщикам следует учитывать термическое размягчение в соединениях и рассматривать конструктивные решения или последующую холодную обработку для восстановления утраченной прочности, если в эксплуатации или обработке возможны повышенные температуры.

Области применения

Отрасль	Пример компонента	Причины выбора 5050
Автомобилестроение	Кузовные панели, декоративные элементы	Хорошая формуемость и коррозионная стойкость при умеренной прочности
Судостроение	Обшивка корпусов, палубная арматура	Высокая стойкость к коррозии в морской воде и свариваемость
Авиастроение	Второстепенные конструкции, обтекатели	Высокое отношение прочность/масса для второстепенных деталей и коррозионная стойкость
Транспорт	Цистерны, прицепы	Лёгкие конструктивные элементы с хорошей усталостной прочностью и стойкостью к хлоридам
Архитектура	Фасадные панели, кровля	Устойчивая к атмосферным воздействиям и простая в изготовлении
Электроника	Корпуса, тепловыделяющие элементы	Достаточная теплопроводность и заземление при низкой плотности

5050 используется в областях, требующих баланса между коррозионной стойкостью, умеренной прочностью и отличной обрабатываемостью. Он особенно популярен там, где сварка и формование входят в технологическую цепочку, а рабочая среда предполагает воздействие влажных или хлоридосодержащих атмосфер.

Рекомендации по выбору

5050 — это прагматичный выбор, когда приоритетами в конструировании являются коррозионная стойкость, свариваемость и хорошая формуемость без необходимости в термической обработке старением при высоких температурах. Эта марка уступает по максимальной прочности, достигаемой после термообработки, но обеспечивает лучшую свариваемость и сниженную склонность к деформациям и остаточным напряжениям по сравнению с сплавами серии 6xxx.

По сравнению с коммерчески чистым алюминием (1100) 5050 обладает значительно большей прочностью при сохранении умеренной электрической и теплопроводности; ожидается некоторое снижение проводимости относительно 1100, но заметный прирост механических характеристик. В сравнении с упрочненными деформированием сплавами, такими как 3003 или 5052, 5050 немного превосходит по прочности и обычно демонстрирует лучшую коррозионную стойкость в морской среде, хотя формуемость может быть сопоставимой в зависимости от степени упрочнения. По сравнению с распространёнными сплавами, поддающимися термообработке, такими как 6061 или 6063, 5050 предпочтителен, когда важнее эксплуатационная коррозионная стойкость и контроль искажений при сварке, несмотря на более низкий максимальный уровень прочности.

Выбирайте 5050, если изделие будет широко свариваться, эксплуатироваться в морской или агрессивной атмосфере, либо требует значительной пластической деформации в отожженном состоянии. Если же необходима максимальная жесткость или наивысшее соотношение прочности к массе, рассмотрите термически упрочняемые альтернативы или более прочные сплавы серии 5xxx/6xxx с соответствующими технологиями соединения.

Заключение

5050 остается актуальным алюминиевым сплавом для современного машиностроения, где требуется надёжное сочетание коррозионной стойкости в морской воде, свариваемости и формуемости без опоры на старение путем осаждения. Его положение в семействе 5xxx делает его надёжным выбором для конструкционных и морских применений, где важнее предсказуемая прочность, достигаемая упрочнением при холодной деформации, и долговечность, чем достижение максимального предела прочности на разрыв.