Алюминий 5086: состав, свойства, обозначения состояния и области применения

Обзор

5086 относится к серии 5xxx кованых алюминиево-магниевых сплавов, в которых магний является основным легирующим элементом. Эта серия не поддаётся термической обработке и прочность достигается в основном за счёт упрочнения твёрдым раствором и холодной пластической деформации, а не за счёт выделения фаз.

Основным легирующим элементом в 5086 является магний в нескольких процентах по массе, а также небольшие добавки хрома и микроэлементов, контролирующих структуру зерна и коррозионное поведение. Сплав упрочняется холодной обработкой (наклёпом) и тщательно сбалансированным химическим составом, обеспечивающим баланс между прочностью и коррозионной стойкостью в хлоридных средах.

Основные характеристики 5086 — относительно высокая прочность для алюминиевого листового сплава, отличная коррозионная стойкость в морской воде, хорошая свариваемость и приемлемая формуемость в мягких состояниях. Эти свойства делают его популярным выбором для судостроения (корпусы судов), сосудов высокого давления, криогенных резервуаров и конструктивных элементов, где требуется сочетание прочности, стойкости к коррозии и свариваемости.

Инженеры выбирают 5086 вместо других сплавов там, где морская или содержащая хлорид среда предъявляет высокие требования к сопротивлению точечной коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением при сохранении благоприятного соотношения прочности и веса. Сплав предпочтителен по сравнению с термообрабатываемыми сплавами, когда приоритетом являются свойства после сварки и устойчивость к локальной коррозии, а не максимальная прочность.

Варианты состояния

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкая	Высокая	Отличная	Отличная	Полная отжиг; максимальная пластичность для формовки
H111	Низкая–средняя	Высокая	Очень хорошая	Отличная	Слегка упрочнён наклёпом; универсальное состояние
H32	Средняя	Хорошая	Хорошая	Очень хорошая	Упрочнён наклёпом и стабилизирован; сбалансированная прочность и формуемость
H34	Средне–высокая	Средняя	Удовлетворительная–хорошая	Очень хорошая	Более высокая степень наклёпа по сравнению с H32 для повышения прочности
H116	Средне–высокая	Средняя	Удовлетворительная	Очень хорошая	Стабилизирован для улучшенной коррозионной стойкости в морской воде, часто поставляется для сварных морских конструкций

Состояния 5086 достигаются контролируемой холодной деформацией и стабилизацией, а не растворно-полиморфной и фазовой термической обработкой. Переход от O к более высоким состояниям H повышает прочность и снижает пластичность, что влияет на технологии формовки и ограничивает минимальные радиусы гибки.

Выбранные состояния, например H116, разработаны для ограничения эффекта старения в состоянии напряжения и сохранения коррозионной стойкости после сварки и эксплуатации в морской среде. При проектировании и изготовлении нужно учитывать снижение формуемости и возможный отдачный изгиб (springback), а также анизотропию свойств у сильно упрочнённого материала.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	≤ 0.40	Примесь; контролируется для предотвращения образования интерметаллидов, снижающих вязкость
Fe	≤ 0.50	Примесь; избыточное Fe образует хрупкие интерметаллиды
Mn	0.05–0.50	Небольшие добавки повышают прочность и улучшают контроль структуры зерна
Mg	3.5–4.9	Основной элемент упрочнения; улучшает коррозионную стойкость
Cu	≤ 0.10	Минимизирован для сохранения коррозионной стойкости
Zn	≤ 0.25	Низкое содержание для предотвращения хрупкости и снижения стойкости к коррозии
Cr	0.05–0.25	Контроль зеренной структуры, улучшает сопротивление рекристаллизации
Ti	≤ 0.15	Зернодробитель в некоторых технологиях литья и изготовления слитков
Другие (каждый)	≤ 0.05	Микроэлементы и остаточные включения; баланс — алюминий

Содержание Mg в 5086 — главный фактор, влияющий на прочность и коррозионную стойкость: увеличение Mg повышает прочность и устойчивость к щелевой коррозии, но может увеличить склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением при несбалансированном составе. Хром присутствует в низких концентрациях для контроля роста зерна, особенно при термических циклах, например сварке, что улучшает вязкость и снижает склонность к слоистому отслаиванию. Низкое содержание меди и цинка сохраняет устойчивость к локальной коррозии в морской воде.

Механические свойства

5086 демонстрирует типичные механические характеристики для не термообрабатываемых алюминиево-магниевых сплавов: пластическое разрушение с заметной пластичностью в отожженном состоянии и постепенное повышение предела текучести с упрочнением наклёпом. Сплав отличается хорошей вязкостью в зоне концентрации напряжений и сохраняет способность поглощать энергию при низких температурах, что объясняет его частое применение в криогенных сосудах.

Предел текучести и временное сопротивление разрыву сильно зависят от состояния и степени холодной обработки; в толстостенных конструкциях и термообработанных зонах сварки (ТВС) возможно появление зон размягчения из-за термического воздействия. Усталостная прочность при условии хорошей обработки поверхности и защиты от коррозии обычно высокая, однако наличие коррозионных раковин и сварочных дефектов резко сокращает ресурс усталости.

Твёрдость коррелирует с прочностью; типичные значения по Бринеллю или Виккерсу возрастают при переходе к состояниям с наклёпом. При проектировании следует учитывать влияние толщины: тонколистовой материал легче подвергается холодной пластической деформации с увеличением прочности, тогда как толстые плиты имеют ограничения по холодной обработке без риска трещинообразования.

Свойство	O/Отожженное	Ключевое состояние (например, H116/H32)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	200–260 MPa	300–370 MPa	Значения зависят от толщины, производителя и точного состояния; состояния H дают значительно более высокую прочность
Предел текучести	85–150 MPa	210–260 MPa	Предел текучести значительно увеличивается при холодной обработке и стабилизации
Относительное удлинение	12–25%	6–16%	Отожженное состояние отличается высокой пластичностью; состояния H жертвуют пластичностью ради прочности
Твёрдость	~35–65 HB	~80–95 HB	Твёрдость возрастает с наклёпом и коррелирует с прочностью и пределом текучести

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.66 г/см³	Типичная плотность для кованых Al–Mg сплавов; хорошее соотношение прочность/масса
Диапазон плавления	Температура твёрдого состояния ~565–600 °C, жидкого состояния ~635–650 °C	Диапазон плавления зависит от примесей и сегрегации элементов
Теплопроводность	~120–140 Вт/(м·К)	Ниже, чем у чистого алюминия, но всё ещё высокая; полезна для теплового управления
Электропроводность	~28–36 %IACS	Уменьшена по сравнению с чистым алюминием из-за легирования; достаточно высокая для многих применений
Удельная теплоёмкость	~0.90 Дж/(г·К)	Похожая на другие алюминиевые сплавы; полезна для расчётов тепловой массы
Коэффициент теплового расширения	~23–24 ×10⁻⁶ /К (20–100 °C)	Стандартное тепловое расширение алюминия; важно учитывать при соединении с другими материалами

Плотность и тепловые свойства сплава способствуют его широкому применению в лёгких конструкциях, где требуется высокая теплопроводность и рассеяние тепла, например, в палубах, теплообменниках и криогенных резервуарах. Коэффициент термического расширения необходимо учитывать при соединении 5086 с материалами, обладающими другой тепловой деформацией, например со сталью или композитами, чтобы избежать термических напряжений.

Электрическая и тепловая проводимости снижаются из-за магния и микроэлементов, но остаются достаточно высокими для многих проводящих применений. Диапазон плавления и особенности поведения на границах твёрдого и жидкого состояния важны при выборе параметров сварки и при оценке тепловых циклов, способных вызвать сегрегацию или размягчение в состоянии с наклёпом.

Формы выпуска продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение по прочности	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0.5–6.0 мм	Однородное поведение тонкого сечения; легко поддаётся холодной обработке	O, H111, H32	Широко используется для обшивки корпусов судов, панелей
Плита	6–150+ мм	Толстые сечения имеют ограниченную холодную пластическую деформацию; требуют более тщательной подготовки до и после обработки	O, H116, H34	Конструкционные элементы, плиты для сосудов под давлением
Экструзия	Профили с большими сечениями	Механические свойства зависят от экструзии и последующей холодной обработки	O, H32	Сложные профили для рам и конструктивных направляющих
Труба	Диаметры от тонкостенных до толстостенных	Характеристики зависят от технологии формовки и сварки	O, H32	Морские трубопроводы и конструкционные трубы
Пруток/Штанга	Диаметры от малых до больших	Прутья обеспечивают хорошую обрабатываемость и механическую стабильность	O, H32	Арматура, механически обработанные детали

Технологические особенности влияют на конечные свойства: листы и тонкие плиты подходят для достижения высоких уровней холодной деформации и перехода в состояния H, тогда как толстые плиты ограничены в холодной обработке и часто поставляются в более мягких состояниях или требуют механической формовки. Экструзии и трубы нуждаются в тщательном контроле закалки и стабилизации для сохранения требуемых механических и коррозионных характеристик.

Применения различаются в зависимости от формы продукции: лист и плита доминируют при строительстве морских корпусов, экструзии позволяют создавать сложные конструкционные профили и направляющие, а трубы и прутки часто используются для крепежных элементов и сварных конструкций. Поставщики часто предлагают предварительно стабилизированные состояния упрочнения для сварных конструкций с целью улучшения свойств зоны термического влияния (ЗТИ).

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	5086	США	Обозначение Aluminum Association; распространённое коммерческое обозначение
EN AW	5086	Европа	EN AW-5086 соответствует составу и состояниям упрочнения AA с учётом региональных производственных допусков
JIS	A5086	Япония	Схожий химический состав; JIS охватывает типичные состояния упрочнения и производственные практики
GB/T	AlMg4.5Mn (или 5086)	Китай	Локальное обозначение может ссылаться на содержание магния (например, AlMg4.5) с аналогичными вариантами упрочнения

Стандарты в разных регионах совпадают по основному химическому составу и предполагаемой эксплуатационной прочности, но могут различаться по допустимым уровням примесей, необходимым механическим испытаниям и определениям термических состояний. При международных закупках рекомендуется тщательно проверять сертификаты на листы/плиты и коды состояний упрочнения, чтобы обеспечить соответствие требованиям к зоне термического влияния, коррозионной стойкости и механическим свойствам.

Обеспечение прослеживаемости к признанному стандарту (AA, EN, JIS, GB/T) особенно важно для ответственных конструкций, таких как морские структурные обшивки и сосуды под давлением, где малейшие отличия в составе или состоянии упрочнения могут повлиять на длительную коррозионную стойкость или поведение при разрушении.

Коррозионная стойкость

5086 демонстрирует отличную атмосферную коррозионную стойкость и входит в число предпочитаемых деформируемых сплавов для контакта с морской водой благодаря высокому содержанию магния и низкому содержанию меди и цинка. В морских условиях сплав устойчив к общей коррозии и показывает хорошую стойкость к точечной коррозии по сравнению со многими другими алюминиевыми сплавами.

При длительном погружении и воздействии брызг 5086 хорошо проявляет себя при условии отсутствия застойных щелей, плохо дренируемых соединений и контакта разнородных металлов, которые могут вызывать гальванические клетки. Сплав менее подвержен эксфолиационной коррозии, чем некоторые высокопрочные сплавы серии 7xxx, однако тщательная проработка конструктивных деталей и защитные покрытия способствуют увеличению срока службы.

Подверженность коррозионной усталости (SCC) ниже, чем у сплавов с более высоким содержанием Mg или некоторых термически упрочняемых сплавов, но SCC всё равно может возникнуть под действием растягивающих напряжений, при повышенных температурах или в условиях высокой концентрации хлоридов, если микроструктурные условия неблагоприятны. Гальванические взаимодействия с катодными материалами (например, медь, нержавеющие стали, выступающие катодами) могут ускорять локальное разрушение; рекомендуется изоляция или применение жертвенного анода.

По сравнению со сплавами серий 3xxx и 1xxx, 5086 обеспечивает более высокую прочность и сопоставимую или лучшую коррозионную стойкость в морской воде. По сравнению с семействами 6xxx и 7xxx, 5086 жертвует частью максимальной прочности, но значительно выигрывает в морской коррозионной устойчивости и свариваемости.

Свойства обработки

Свариваемость

5086 хорошо сваривается распространёнными методами плавления (GMAW/MIG, GTAW/TIG и контактной сваркой) и демонстрирует хорошее формирование шва при правильной сборке и контроле параметров. Рекомендуется использовать соответствующие или несколько более прочные присадочные сплавы (например, 5183, 5356); выбор присадочного материала балансирует прочность шва, пластичность и коррозионные свойства.

В зоне термического влияния сварки возможно размягчение, если основная матрица находится в состоянии с высокой степенью упрочнения (H); стабилизированные состояния, такие как H116, применяются для снижения чувствительности после сварки. Риск горячих трещин низок по сравнению с некоторыми высокопрочными алюминиевыми сплавами, однако контроль включений и чистота поверхности критичны для получения надёжного сварного соединения.

Обрабатываемость

5086 обладает средней обрабатываемостью по сравнению с другими деформируемыми сплавами; обрабатывается лучше многих литых сплавов с высоким содержанием Mg, но хуже, чем алюминиевые сплавы серии 6xxx с кремнием, предназначенные для контроля разрушения стружки. Рекомендуется использовать острые твердые сплавы, жёсткие установки и средне-высокие подачи, чтобы избежать проскальзывания инструмента и закалки заготовки.

Скорости резания и подачи следует настраивать в зависимости от толщины сечения и состояния упрочнения; состояния H усиливают закалку при обработке и могут приводить к образованию длинной непрерывной стружки. Для удаления стружки и снижения тепловыделения рекомендуется использовать охлаждение; качество поверхности улучшается при тонких проходах и контролируемой геометрии инструмента.

Обрабатываемость холодным деформированием

Обрабатываемость в горячем состоянии (O) и состоянии H111 отличная и ухудшается с упрочнением до состояний H32/H34/H116. Минимальные радиусы гиба зависят от состояния упрочнения и толщины; отожженный лист допускает малые радиусы гиба (≈1–2× толщина), в то время как для состояний с упрочнением обычно требуются большие радиусы и многоступенчатые операции формовки.

Холодное формование и поэтапная гибка широко применяются; для сложных форм рекомендуется тёплая формовка или предварительный отжиг для снижения остаточного напряжения и предотвращения растрескивания. Сплав адекватно реагирует на контролируемую растяжку, однако при глубокой вытяжке под давлением зажима и смазка должны быть оптимальными для предотвращения локального истончения.

Поведение при термообработке

Как представитель серии 5xxx, 5086 не поддаётся термической упрочняющей обработке в смысле осадочного твердения; растворное отжиг и искусственное старение не повышают прочность существенно. Попытки термического старения влияют главным образом на восстановление и рекристаллизацию, а не на образование значимых упрочняющих фаз.

Основной способ повышения прочности — упрочнение деформацией холодной обработки с последующей стабилизацией (например, состояние H116) для минимизации старения и изменений микроструктуры в процессе эксплуатации. Отжиг (состояние O) возвращает материал в состояние с низкой прочностью и высокой пластичностью и применяется для восстановления обрабатываемости после значительной деформации.

Термическое воздействие сварки может локально производить отжиг холодно-деформированных зон, снижая предел текучести и твёрдость в состояниях H; распространённый способ борьбы — постсварочная механическая обработка или выбор стабилизированных состояний упрочнения. Иногда применяются контролируемые циклы отпуска для снятия остаточных напряжений, однако они не обеспечивают максимального осадочного упрочнения, как у сплавов 6xxx/7xxx.

Поведение при повышенных температурах

С увеличением температуры прочность 5086 снижается; расчётные прочностные характеристики обычно приводят для температур от комнатной до умеренно повышенной (~100 °C). При длительной работе выше ~100–150 °C прочность и сопротивление ползучести уменьшаются, и разработчики должны обращаться к специальным данным для работы при повышенных температурах.

Окисление ограничивается образованием стабильной плёнки оксида алюминия, поэтому поверхностное разрушение при нагреве в воздухе минимально по сравнению с железистыми сплавами. Тем не менее, термоэкспозиция может менять микроструктуру в состояниях H, снижать остаточную деформацию и увеличивать подверженность локальной коррозии в агрессивных средах.

Зоны термического влияния сварки, подвергающиеся повторным термоциклам, могут испытывать укрупнение микроструктуры и размягчение; структурные элементы, испытывающие высокие тепловые нагрузки или многократные термические воздействия, требуют тщательной квалификации или выбора альтернативных сплавов.

Области применения

Отрасль	Пример компонента	Почему используется 5086
Морская	Обшивка корпусa, надстройка	Отличная коррозионная стойкость в морской воде и хорошая свариваемость
Автомобильная	Перегородки, топливные баки	Хорошее сочетание прочности и массы, устойчивость к вмятинам и ударам
Авиастроение	Некритичные крепежи, обтекатели	Высокая ударная вязкость и коррозионная устойчивость там, где не требуется максимальная прочность
Энергетика / Криогеника	Ёмкости для СПГ, криогенные сосуды	Ударная вязкость при низких температурах и свариваемость
Промышленность / Сосуды под давлением	Химические баки, накопительные емкости	Коррозионная стойкость ко многим химикатам и хорошая обрабатываемость

5086 — универсальный сплав, когда требуется баланс свариваемости, коррозионной устойчивости и средней либо высокой прочности без осадочного упрочнения. Особенно ценен там, где сварные соединения будут подвергаться морской эксплуатации или где критичны послесварочные механические свойства.

Рекомендации по выбору

Выбирайте 5086, когда приоритетом являются коррозионная стойкость в морской среде и свариваемость, а не максимальная пиковая прочность; это практичный выбор для корпусов, баков и сварных конструкций. Стабилизированное состояние H116 часто назначается там, где нужны послесварочная коррозионная стойкость и размерная стабильность.

По сравнению с технически чистым алюминием (1100) 5086 обеспечивает более высокую прочность и лучшую работу в морской воде, жертвуя несколько сниженной электропроводностью и немного меньшей обрабатываемостью. По сравнению с распространёнными упрочняемыми холодной деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 5086 предлагает более высокую прочность и сопоставимую или лучшую стойкость к хлоридной коррозии, что делает его предпочтительным в агрессивных морских условиях.

По сравнению с термически упрочняемыми сплавами, такими как 6061 или 6063, 5086 обеспечивает лучшую коррозионную стойкость и свариваемость, хотя и меньшую максимальную прочность; выбирайте 5086, когда важны коррозионная устойчивость и послесварочные свойства, а не максимальные показатели прочности и текучести. Для конструкций, требующих большей прочности, рассмотрите структурные решения, которые...