Алюминий 5251: состав, свойства, условные состояния и области применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Обзор
5251 — это сплав из серии алюминиевых сплавов 5xxx, основанных на магнии, нетермообрабатываемый, предлагающий баланс прочности и коррозионной стойкости. Его химический состав относится к алюминеевым сплавам Al-Mg(-Mn), где магний является основным упрочняющим элементом в твердом растворе, а марганец обеспечивает вторичный контроль зеренной структуры.
Прочность в 5251 достигается преимущественно за счёт упрочнения твердого раствора и наклёпа; данный сплав не поддаётся значительному упрочнению осадочным воздействием. Основные характеристики включают средне-высокую прочность для нетермообрабатываемого сплава, хорошую атмосферо- и морскую коррозионную стойкость, отличную формуемость в отожженном состоянии и хорошую свариваемость типовыми методами сварки алюминия.
Типичные области применения 5251 — автомобильные панели интерьера и экстерьера, морские конструкционные элементы, архитектурные и строительные системы, а также отдельные транспортные и общие инженерные задачи. Инженеры выбирают 5251, когда требуется коррозионностойкий сплав с лучшей прочностью по сравнению с коммерчески чистым алюминием и более высокой пластичностью по сравнению со многими термообрабатываемыми сплавами.
5251 предпочитают другим сплавам при необходимости сочетания способности к холодной деформации, умеренной прочности и долговременного качества поверхности при низких производственных затратах и без применения циклов старения. Его эксплуатационные характеристики часто делают его предпочтительнее сплавов, которые жертвуют коррозионной стойкостью ради высокой предельной прочности.
Варианты состояния (темпера)
| Темпера | Уровень прочности | Относительное удлинение | Формуемость | Свариваемость | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Низкий | Высокое (18–30%) | Отличная | Отличная | Полностью отожжённое; идеально для глубокого штамповки и сложных форм |
| H12 | Низко–средний | Умеренное (12–20%) | Очень хорошая | Очень хорошая | Слегка холоднообработанное для легкого упрочнения |
| H14 | Средний | Умеренное (10–18%) | Хорошая | Очень хорошая | Четверть твердости; часто применяется для листов |
| H22 | Средний | Умеренное (10–18%) | Хорошая | Очень хорошая | Термически стабилизированное после частичного отжига |
| H24 | Средне–высокий | Ниже (8–14%) | Приемлемая | Хорошая | Наклёпанное и частично отожжённое |
| H32 | Высокий | Низкое (6–12%) | Ограниченная | Хорошая | Наклёпанное и стабилизированное; типичное конструкционное состояние |
| Темпера типа T (T5 / T6 / T651) | Не применимо | Не применимо | Не применимо | Не применимо | 5251 — нетермообрабатываемый сплав; температуры типа T не применяются |
Состояние (темпера) существенно влияет на механические свойства 5251: O обеспечивает максимальную пластичность для формовки, в то время как состояния с индексом H повышают предел текучести и временное сопротивление разрыву за счёт снижения относительного удлинения. Свариваемость остаётся хорошей во всех состояниях, так как сплав не зависит от упрочнения при старении, но в зоне термического влияния может происходить локальное размягчение наклёпанного материала с уменьшением местной прочности.
Химический состав
| Элемент | Диапазон содержания, % | Примечания |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.25 | Примесь; низкое содержание для сохранения коррозионной стойкости |
| Fe | ≤ 0.40 | Обычная примесь, может образовывать интерметаллические соединения, влияющие на пластичность |
| Mn | 0.20–0.80 | Контролирует зеренную структуру и восстановление; снижает рекристаллизацию |
| Mg | 2.0–3.0 | Основной упрочняющий элемент в твердом растворе; улучшает коррозионную стойкость |
| Cu | ≤ 0.10–0.15 | Поддерживается на низком уровне для предотвращения снижения коррозионной стойкости |
| Zn | ≤ 0.20 | Незначительное количество допускается без существенного изменения свойств |
| Cr | ≤ 0.25 | Может присутствовать для контроля зеренного роста и повышения устойчивости к рекристаллизации |
| Ti | ≤ 0.15 | Зерноочиститель при целенаправленном введении; обычно остаточное количество |
| Прочие | ≤ 0.05 каждая / ≤ 0.15 общая сумма | Следовые элементы и остатки ограничены стандартами |
Химический состав 5251 разработан для максимального использования упрочнения за счёт магния в твёрдом растворе при минимальном содержании элементов, способствующих образованию интерметаллических фаз или локальной коррозии. Марганец и хром стабилизируют микроструктуру и помогают сохранять прочность после горячей или тёплой обработки, в то время как низкое содержание меди и контролируемое количество железа и кремния обеспечивают высокую коррозионную стойкость и хорошую пластичность.
Механические свойства
5251 демонстрирует типичные для холоднообработанных сплавов серии 5xxx характеристики растяжения: пластичный и вязкий в отожженном состоянии с резким ростом предела текучести и прочности на разрыв при наклёпе. Предел текучести значительно увеличивается с повышением температуры упрочнения (H-степеней), при этом отношение временного сопротивления к пределу текучести остаётся умеренным, что обеспечивает предсказуемые пластические деформации, востребованные при формовочных операциях. Относительное удлинение уменьшается с ростом прочности, поэтому операции формовки и окончательной обработки должны выполняться до или с контролем в процессе наклёпа.
Твёрдость зависит от температуры: отожжённые сплавы имеют низкие индексы по Бринеллю/Виккерсу, состояния H повышают твёрдость до уровней, пригодных для конструкционных применений. Усталостные характеристики обычно хорошие для морских и атмосферных условий благодаря вязкому характеру разрушения и устойчивости к локальной коррозии; однако пределы выносливости снижаются с увеличением толщины и ухудшением поверхности. Толщина влияет на предел текучести и формуемость: тонкие листы легче формуются, в то время как толстые обеспечивают более высокую прочность по толщине и меньше подвержены скалыванию при гибке.
| Свойство | Состояние O / отожжённое | Основное состояние (H32) | Примечания |
|---|---|---|---|
| Временное сопротивление разрыву | 95–155 MPa | 240–310 MPa | Диапазон зависит от степени наклёпа и толщины; H32 обеспечивает типичную конструкционную прочность |
| Предел текучести | 30–80 MPa | 170–220 MPa | Значительный рост от состояния O к H32 за счёт наклёпа |
| Относительное удлинение | 18–30% | 6–12% | Удлинение уменьшается с повышением твёрдости состояния |
| Твёрдость | 20–45 HB | 70–95 HB | Приблизительное значение по Бринеллю; зависит от температуры и обработки |
Физические свойства
| Свойство | Значение | Примечания |
|---|---|---|
| Плотность | 2.68 г/см³ | Типично для сплавов Al-Mg; хороший показатель прочности к весу |
| Температура плавления | ≈ 600–655 °C | Диапазон твердо-жидкой фазы, характерный для деформируемых алюминиевых сплавов |
| Теплопроводность | ≈ 120–150 Вт/м·К | Ниже, чем у чистого алюминия, но достаточно высокая; полезна для теплового управления |
| Электропроводность | ≈ 28–38 % IACS | Снижена относительно чистого алюминия из-за легирования; достаточна для некоторых электропроводящих применений |
| Удельная теплоёмкость | ≈ 0.90 Дж/г·К (900 Дж/кг·К) | Стандартное значение для алюминиевых сплавов; полезно для расчётов тепловой массы |
| Коэффициент термического расширения | ≈ 23–24 µm/m·К | Соизмерим с другими алюминиевыми сплавами; важен при многоматериальных соединениях |
5251 сохраняет благоприятные тепловые и электрические характеристики по сравнению со многими конструкционными сплавами, что делает его полезным в приложениях, где важны как формуемость, так и теплопроводность. Плотность и коэффициент теплового расширения способствуют созданию лёгких и термически стабильных конструкций, однако проектировщикам следует учитывать небольшое снижение проводимости по сравнению с чистым алюминием при необходимости точных тепловых или электрических характеристик.
Формы выпуска
| Форма | Типичная толщина/размер | Механическое поведение | Типичные температуры | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| Лист | 0.3–4.0 мм | Соответствует состоянию; тонкие листы легче формуются | O, H14, H24, H32 | Наиболее распространённая форма для автомобильных и архитектурных панелей |
| Плита | 4–25 мм | Повышенная прочность по толщине; меньшая формуемость | H22, H24, H32 | Используется для конструкционных элементов, требующих жёсткости |
| Экструзия | Переменное сечение | Прочность зависит от последующей холодной обработки | O, H14 | Экструдированные профили часто дополнительно обрабатываются для повышения прочности |
| Труба | 0.5–6.0 мм толщина стенки | Прочность и усталостная прочность зависят от обработки и толщины стенки | O, H14, H32 | Применяется в лёгких конструкциях и морском трубопроводе |
| Пруток/круг | 6–100 мм | Объёмные сечения сохраняют хорошую обрабатываемость | O, H12, H14 | Используется для механообработанных деталей, фитингов и крепёжных изделий |
Различия в формах продукции определяют доступные состояния и конечные механические свойства: тонкие листы изготавливаются и обрабатываются для максимальной формуемости, тогда как плиты и толстые экструдированные профили предназначены для несущих элементов. Технологические процессы, такие как холодная прокатка, отжиг и стабилизация, применяются для настройки пластичности или прочности до изготовления и окончательной отделки.
Эквивалентные марки
| Стандарт | Марка | Регион | Примечания |
|---|---|---|---|
| AA | 5251 | США | Американское обозначение сплава для деформируемого алюминия 5251 |
| EN AW | 5251 | Европа | Версия EN близка по составу и термическому состоянию к стандарту AA |
| JIS | A5251 (прибл.) | Япония | Японские стандарты ссылаются на сопоставимые Al-Mg марки; уточняйте местные спецификации |
| GB/T | 5251 (прибл.) | Китай | Китайское обозначение использует схожую нумерацию; проверяйте местные допуски |
Таблицы эквивалентности являются приблизительными, так как региональные спецификации могут различаться по пределам содержания примесей, квалификациям процессов и определениям термических состояний. При замене сплавов по разным стандартам инженерам следует проверять химический состав, механические свойства и требования к сертификатам, а не полагаться только на числовое соответствие.
Коррозионная стойкость
5251 обладает хорошей атмосферостойкостью, характерной для алюминиево-магниевых сплавов; естественная пленка оксида алюминия в сочетании с содержанием магния обеспечивает улучшенную защиту в условиях открытой среды и мягкоагрессивных атмосфер. Сплав хорошо проявляет себя при морском и прибрежном использовании, хотя локальная устойчивость к питтинговой коррозии зависит от качества поверхности и содержания Mg по сравнению с более высокомагниевыми сплавами.
Устойчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением в 5251 выше, чем у некоторых более прочных Al-Mg сплавов; поскольку сплав не подвергается упрочнению при старении, он не подвержен механизмам SCC, связанным с выпадением фаз, которые характерны для некоторых термически упрочняемых сплавов. Контакт с более благородными металлами или катодными материалами может вызвать гальванические пары; проектировщикам рекомендуется избегать прямого контакта с нержавеющей сталью или медью без изоляционных прокладок при условиях постоянного смачивания.
По сравнению со сплавами серии 6xxx, 5251 обеспечивает улучшенную общую коррозионную стойкость, но меньшую максимальную прочность. В сравнении со сплавами серий 3xxx и 1xxx 5251 предлагает несколько меньшую пластичность и электропроводность, но обладает более высокой конструкционной прочностью и лучшей коррозионной стойкостью в хлорсодержащих средах.
Свойства при обработке
Свариваемость
5251 хорошо сваривается методами MIG (GMAW) и TIG (GTAW) с использованием алюминиевых присадочных проволок серии 4xxx и 5xxx. Рекомендуемые присадки включают ER4043 (силикон) для снижения риска растрескивания и ER5356 или ER5183 (Al-Mg присадки) при необходимости соответствия прочности и коррозионной стойкости; для минимизации пористости важно хорошее прилегание и очистка шва. Риск горячих трещин ниже, чем у термически упрочняемых сплавов, однако зона термического влияния (ЗТВ) у упрочненных холодной деформацией состояний размягчается и снижает локальную прочность.
Обрабатываемость
Обрабатываемость 5251 средняя или выше средней и лучше, чем у более прочных сплавов серии 5xxx благодаря балансу пластичности и прочности; он не относится к легкообрабатываемым алюминиям. Наилучшие результаты достигаются при использовании твердосплавного инструмента с положительным углом резания, высокими подачами и умеренными скоростями резания. Управление срезом обычно возможно при использовании острых инструментов и правильного охлаждения; избегайте чрезмерного упрочнения зоны реза.
Формуемость
В состоянии O формуемость отличная для глубокого вытяжки, гибки и сложных штамповочных операций с относительно невысоким остаточным изгибом по сравнению с более прочными термическими состояниями. Рекомендуемые радиусы гиба зависят от толщины и термического состояния, но обычно соответствуют общепринятым правилам для алюминия (например, внутренний радиус ≥ 1–2×толщины для термически упрочнённых состояний и ≥ 0,5–1×толщины для состояния O). Основным способом упрочнения является холодная деформация, поэтому при последовательном формовании применяются контролируемые отжиги для восстановления структуры с целью предотвращения трещин при сложных формах.
Поведение при термообработке
5251 относится к группе не поддающихся термической упрочнению сплавов; значительного эффекта старения при растворении и выдержке достичь нельзя. Попытки применения T-тип термообработки не дадут прироста прочности, характерного для сплавов серии 6xxx и 7xxx, а могут привести к нежелательным микроструктурным изменениям.
Упрочнение при обработке холодной деформацией — основной механизм повышения предела текучести и временного сопротивления разрыву. Стандартный отжиг (например, полный отжиг до состояния O) восстанавливает пластичность за счёт рекристаллизации и снятия напряжений, а стабилизационные обработки (обозначаемые H3x/H4x) применяются для минимизации последующих изменений механических свойств при обработке или эксплуатации.
Работа при повышенных температурах
Повышенные температуры постепенно снижают прочность 5251, причём заметное размягчение начинается обычно выше 100–150 °C, в зависимости от термического состояния и уровня напряжений. Непрерывная эксплуатация при температурах, близких к диапазону плавления, невозможна; при прерывистом высокотемпературном использовании проектировщикам необходимо учитывать снижение несущей способности и усиление ползучести.
Окисление при рабочих температурах ограничено формированием стабильной защитной оксидной плёнки из алюминия; существенного образования окалины или хрупкости, как у некоторых сталей, не наблюдается. Термостойкость упрочнённых холодной деформацией состояний умеренная, поэтому длительное воздействие умеренно повышенных температур может ослабить остаточные напряжения и снизить предел текучести в состояниях H, особенно вблизи сварных швов и зон с высокими деформациями.
Применение
| Отрасль | Пример компонента | Причины выбора 5251 |
|---|---|---|
| Автомобильная | Внутренние и внешние панели кузова | Хорошая формуемость и умеренная прочность; коррозионная стойкость |
| Морская | Конструкционные панели и некритичные крепления | Устойчивость к солёной воде и хорошая усталостная прочность |
| Аэрокосмическая | Второстепенные крепления и обтекатели | Оптимальное соотношение прочности к массе и коррозионная стойкость для некритичных узлов |
| Электроника | Шасси и радиаторы | Теплопроводность и стабильность в условиях коррозии |
| Архитектура | Фасадные панели и облицовка | Формуемость для сложных форм и долговечность на открытом воздухе |
5251 занимает практическую нишу, где одновременно требуются формуемость, коррозионная устойчивость и разумная конструкционная прочность без дополнительной термообработки, которая увеличила бы стоимость или сложность. Широко используется в виде листов и профилей, подвергающихся значительной обработке перед окончательным применением.
Рекомендации по выбору
5251 является логичным выбором, когда требуется прочность выше, чем у коммерчески чистого алюминия (например, 1100), при сохранении хорошей формуемости и коррозионной стойкости. По сравнению с 1100, 5251 предлагает более высокую прочность и слегка сниженную электропроводность и теплопроводность, компенсируя это улучшенной структурной способностью и лучшей коррозионной стойкостью в хлорсодержащих средах.
В сравнении с другими упрочняемыми холодной деформацией сплавами, такими как 3003 и 5052, 5251 по прочности и коррозионной стойкости ближе к 5052, обеспечивая сопоставимую морскую стойкость, но зачастую лучшую формуемость по сравнению с сильно упрочнёнными вариантами. При необходимости выбора более прочных термически упрочняемых сплавов, таких как 6061, 5251 предпочитается, если в приоритете коррозионная стойкость, свариваемость или формуемость в состоянии O, а не максимальная прочность.
Рекомендуется выбирать 5251 для технологических процессов с интенсивной холодной обработкой или сваркой, а также при ожидании длительной эксплуатации в атмосферных или морских условиях; следует учитывать соотношение стоимости и доступности с немного меньшими пиковыми прочностными характеристиками по сравнению с термически упрочняемыми аналогами.
Заключение
5251 остаётся актуальным и практичным алюминиево-магниевым сплавом в современном машиностроении, объединяя в себе формуемость, свариваемость и коррозионную устойчивость с рабочим уровнем прочности, достигаемым холодной деформацией. Предсказуемое поведение во всех термических состояниях, широкая доступность в различных формах и проверенная эксплуатация в автомобильной, морской и архитектурной отраслях делают его надёжным выбором при необходимости долговечного и хорошо формуемого алюминия.