Алюминий 5356: состав, свойства, руководство по состояниям и области применения

Общий обзор

5356 является представителем алюминиевых сплавов серии 5xxx (семейство Al–Mg), номинально содержащих около 4,5–5,5 % магния и незначительные количества марганца и хрома. Как сплав серии 5xxx, он не подвергается термообработке для упрочнения и получает прочность в основном за счёт упрочнения твёрдым раствором и упрочнения за счёт деформации, а не за счёт структуры, образованной при старении (преципитационном упрочнении).

Основные характеристики 5356 включают сравнительно высокую прочность для деформируемого алюминиево-магниевого сплава, отличную свариваемость (часто поставляется и используется в качестве сварочного присадочного материала ER5356), хорошую стойкость к общей коррозии и воздействию морской воды, а также разумную обрабатываемость в отожжённом и частично упрочённом состояниях. Основные отрасли применения 5356 — судостроение и морская индустрия, сосуды высокого давления, транспортные и автомобильные конструкции, архитектурные панели, а также в качестве присадочного материала для сварки алюминиевых сплавов.

Инженеры выбирают 5356, когда требуется баланс свариваемости, коррозионной стойкости и прочности выше, чем у технически чистого алюминия, особенно для сварных конструкций в морской или других хлоридных атмосферных средах. Его часто предпочитают сплавам с более низкой прочностью, когда приоритетом являются прочность сварного соединения и высокая коррозионная стойкость в морской воде, а также вместо некоторых термообрабатываемых сплавов, если пост-сварочная термообработка невозможна или важна стабильность твёрдого раствора при циклических нагрузках.

Варианты термообработки

Термообработка	Уровень прочности	Относительное удлинение	Обрабатываемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полностью отожжённое; оптимально для глубокой вытяжки и формовки
H111	Средний	Средне-высокое	Хорошая	Отличная	Частично упрочнённое деформацией; часто применяется для экструзий
H112	Средне-высокий	Средний	Хорошая	Отличная	Постоянное упрочнение при контролируемой обработке
H14	Средне-высокий	Средний	Удовлетворительная — хорошая	Отличная	Полутвёрдое состояние — увеличенная прочность за счёт холодной деформации
H24	Высокий	Низко-средний	Ограниченная	Отличная	Упрочнённое деформацией и частично отожжённое для обеспечения вязкости
H32 / H34	Высокий	Низкий	Ограниченная	Отличная	Упрочнённое и стабилизированное; применяется там, где требуется контроль остаточной упругости

Термообработка в 5356 достигается комбинациями холодной деформации и стабилизации, а не процессами растворения и старения. Переход от O к более высоким состояниям H увеличивает прочность и снижает удлинение и формуемость; при этом свариваемость остаётся высокой во всём диапазоне термообработок, так как сплав не зависит от термообработки для достижения прочности.

Химический состав

Элемент	Диапазон содержания, %	Примечания
Si	≤ 0.25	Низкое содержание кремния обеспечивает узкий интервал затвердевания и снижает образование хрупких интерметаллидов.
Fe	≤ 0.40	Типичные примеси; избыточное содержание железа ухудшает пластичность и повышает количество включений.
Mn	0.20–0.60	Контролирует структуру зерна и вносит умеренный вклад в прочность и коррозионную стойкость.
Mg	4.5–5.5	Основной легирующий элемент; обеспечивает упрочнение твёрдым раствором и коррозионную стойкость.
Cu	≤ 0.10	Содержание меди сведено к минимуму, поскольку она снижает коррозионную стойкость в морской среде.
Zn	≤ 0.20	Низкий уровень цинка сохраняет гальваническую совместимость относительно стали и других алюминиевых сплавов.
Cr	0.05–0.25	Добавляется для контроля роста зерна и улучшения устойчивости к сенсибилизации при термических воздействиях.
Ti	≤ 0.15	Рефинер зерна при наличии в малых количествах.
Прочие (каждый)	≤ 0.05	Остаточные и примесные элементы; контролируются для поддержания стабильных свойств.

Химический состав 5356 ориентирован на содержание магния для достижения упрочнения твёрдым раствором и улучшенной коррозионной стойкости в морской воде, при этом содержится минимальное количество меди и цинка для сохранения коррозионных характеристик. Марганец и хром используются в контролируемых дозах для улучшения микроструктуры и снижения восприимчивости к коррозии по границам зерен при термических циклах.

Механические свойства

Поведение при растяжении 5356 определяется упрочнением твёрдым раствором магния и степенью холодной деформации, введённой на этапе термообработки. В отожжённом состоянии сплав демонстрирует пластичное разрушение с относительно высоким удлинением, тогда как в упрочнённых деформацией состояниях предел прочности значительно возрастает за счёт снижения удлинения. Толщина и метод обработки (прокатка или экструзия) оказывают заметное влияние: более тонкие изделия и сильно деформированные экструзии обычно имеют более высокий предел текучести и временное сопротивление разрыву благодаря большему упрочнению и более мелкой микроструктуре.

Предел текучести и удлинение зависят от состояния термообработки и толщины; высшие состояния H увеличивают пределы текучести и прочности, но снижают равномерное и общее удлинение. Твёрдость коррелирует с уровнем холодного упрочнения и обычно выражается в значениях по методу Виккерса или Бринелля, которые увеличиваются с ростом номера термообработки H. Усталостные характеристики 5356 в морской воде и атмосферной среде в целом благоприятны, однако сварные соединения и зоны термического влияния должны проектироваться с учётом предотвращения концентрации напряжений и остаточных растягивающих напряжений, снижающих ресурс усталости.

Показатель	Состояние O / Отожжённое	Ключевое состояние (например, H111/H14)	Примечания
Временное сопротивление разрыву (МПа)	180–240	240–320	Значения варьируются в зависимости от толщины и конкретного состояния H; приведены типичные диапазоны для деформируемого продукта.
Предел текучести (МПа)	70–140	150–260	Упрочнённые состояния показывают повышенный предел текучести, связанный с величиной холодного упрочнения.
Относительное удлинение (%)	18–30	6–18	Отожжённое состояние обеспечивает максимальную пластичность; упрочнение снижает удлинение.
Твёрдость (HB)	35–60	60–95	Твёрдость увеличивается примерно пропорционально уровню холодного упрочнения; указанные значения характерны для распространённых состояний.

Физические свойства

Показатель	Значение	Примечания
Плотность	~2.66 г/см³	Типична для алюминиево-магниевых сплавов; полезна для расчётов прочности к массе.
Температура плавления	~570–645 °C	Диапазон солидуса — ликвидуса зависит от легирования и содержания включений; эвтектики минимальны.
Теплопроводность	~120–150 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия, но всё ещё хорошая для приложений, требующих отвода тепла.
Электропроводность	~28–38 % IACS	Снижена по сравнению с чистым алюминием из-за магния в твёрдом растворе.
Удельная теплоёмкость	~0.90 Дж/г·К (900 Дж/кг·К)	Типичное значение для алюминия, применимое для расчётов тепловой массы.
Коэффициент теплового расширения	~23–24 µм/м·К	Стандартное значение для алюминиевых сплавов при комнатной температуре.

5356 сохраняет многие привлекательные физические свойства алюминия: хорошую теплопроводность, низкую плотность и лёгкость переработки. Однако тепловые и электрические свойства несколько ухудшены по сравнению с чистым алюминием из-за присутствия магния; инженерам следует учитывать это при проектировании изделий с критичными требованиями к тепло- или электропроводности.

Формы выпуска продукции

Форма	Типичная толщина / размер	Характеристика прочности	Распространённые термообработки	Примечания
Лист	0,5–6,0 мм	Свойства зависят от степени холодной прокатки	O, H111, H14	Широко используется для панелей и сварных конструкций; часто применяется в архитектуре с покрытием.
Плита	6–50 мм	Меньший эффект упрочнения для толстых сечений	H111, H112	Толстые плиты сложнее поддаются холодной деформации; механические свойства зависят от истории обработки.
Экструзия	Сложные профили, толщина стенки 1–20 мм	Хорошая прочность в сформированных профилях за счёт упрочнения	H111, H14, H32	Типичны для конструкционных элементов и сварных рам; возможно получение высокого качества поверхности.
Труба	Ø10–300 мм, изменяемая толщина стенки	Прочность зависит от экструзии и процесса протяжки	H111, H14	Применяется для трубопроводов, морских перил и конструкционных труб; коррозионная стойкость является преимуществом.
Пруток/штанга	Диаметры 3–50 мм	Поведение зависит от холодной протяжки	H111, H14	Также поставляется в виде сварочных электродов/проволоки (ER5356) для присадочных материалов.

Отличия в способах обработки между листом, плитой и экструзией существенны: холодная прокатка и протяжка вызывают упрочнение за счёт деформации, что повышает прочность особо тонких изделий, тогда как производство плит склонно формировать более крупнозернистую структуру и снижать прочность в исходном состоянии. Наличие сварочного присадочного материала (прутки, проволока) является одной из основных причин выпуска 5356 в разных формах продукции, что обеспечивает согласованную металлургию сварных узлов.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	5356	США	Основное обозначение деформируемого сплава; ER5356 — распространённый сварочный материал.
UNS	A95356	Международный	Обозначение в справочнике UNS, соответствующее AA 5356 для инженерных спецификаций.
ISO / EN	AlMg5	Европа / Международный	Общее обозначение семейства алюминиево-магниевых сплавов Al–Mg5; уточняйте полные требования в местных стандартах.
JIS	A5356 (типичное)	Япония	Региональное обозначение варьируется; требуйте сверку механических и химических требований.
GB/T	AlMg5 / 5356	Китай	В китайских стандартах часто указывается как AlMg5 с национальными пределами химического состава.

Региональные стандарты часто используют номенклатуру Al–Mg5 для сплавов с близким химическим составом, но допускаемые пределы следовых элементов, допустимые примеси и термообработки могут незначительно отличаться. ER5356 (сварочный материал) — широко распространённое обозначение в разных регионах, однако закупщикам важно всегда контролировать свойства, зависящие от толщины, и сведения о дополнительных обработках по сертификату завода-изготовителя.

Коррозионная стойкость

Сплав 5356 обладает очень хорошей общей коррозионной стойкостью в атмосферных и морских условиях благодаря тому, что магний в твёрдом растворе образует стабильную пассивную плёнку, а содержание меди минимально. В морской воде и зонах брызг сплав хорошо показывает себя на обшивках судов, палубах и фитингах при правильной конструкции и обслуживании; поверхностные обработки и покрытия дополнительно увеличивают срок службы. Очаговая коррозия менее агрессивна по сравнению с некоторыми сплавами с высоким содержанием меди, но щелевая коррозия может развиваться в застойных, обогащённых хлоридами зонах при наличии отложений или локальных аэротических элементов.

Сплавы с около 5% Mg, включая 5356, более подвержены сенсибилизации и межкристаллитной коррозии при длительном нагреве в диапазоне 65–160 °C; это важно учитывать для сварных конструкций, где тепловое воздействие и зона термического воздействия (ЗТВ) могут вызывать локализованную анодную коррозию на границах зерен. Трещинообразование под напряжением (SCC) представляет потенциальную угрозу при постоянных растягивающих напряжениях в определённых средах, особенно при высоких концентрациях хлоридов и температурах, поэтому конструкция должна минимизировать остаточные растягивающие напряжения и исключать гальванические пары, стимулирующие анодные реакции. По сравнению со сплавами серии 3xxx и коммерчески чистым алюминием 5356 жертвует некоторой формуемостью, но значительно превосходит их по коррозионной стойкости и прочности; в сравнении с некоторыми термообрабатываемыми сплавами серии 6xxx 5356 часто более надёжен в морских хлоридных условиях.

Свойства при изготовлении

Свариваемость

5356 считается отличным сварочным присадочным материалом и основным сплавом для большинства процессов дуговой сварки, включая GTAW (TIG), GMAW (MIG) и SAW. Проволока и электроды ER5356 широко применяются для соединения алюминиево-магниевых основ, сварные швы имеют хорошую прочность на растяжение и пластичность. Риск горячих трещин ниже, чем у некоторых алюминий-кремниевых сварочных материалов, но необходимо контролировать состав металла шва и конструкцию соединения; сварка с высокомедными сплавами или некоторыми сплавами 6xxx может вызвать гальванические эффекты и проблемы с SCC. Зона термического влияния часто размягчается по сравнению с холодно-деформированным основным металлом за счёт восстановления деформации, поэтому проектировщикам следует учитывать локальное снижение предела текучести около сварных швов.

Обрабатываемость

Обработка 5356 оценивается как средняя по сравнению с легкообрабатываемыми алюминиевыми сплавами; лучше поддаётся обработке в мягких термообработках и при использовании карбидного инструмента. Рекомендуются карбидные фрезы и пластины со средней величиной угла режущей кромки, чтобы избежать налипания стружки; скорость резания относительно высокая по сравнению со сталями, а подачу нужно оптимизировать для образования короткой, контролируемой стружки. Применение СОЖ или воздушной продувки помогает удалять стружку и контролировать нагрев; зачистные проходы и лёгкие снятия улучшают качество поверхности благодаря пластичности сплава.

Формуемость

Формуемость отличная в состоянии O, допускаются малые радиусы гибов; частично упрочнённые термообработки снижают формуемость и увеличивают упругий отход. Типичные практические внутренние радиусы гиба в отожженном состоянии могут быть 1–2× толщины при работе с листом, тогда как у термообработок H14–H32 часто требуются большие радиусы 2–4× толщины в зависимости от оснастки. Для глубокого вытяжки или сложного штампования рекомендуется начать с состояния O с последующим контролируемым упрочнением или стабилизацией до требуемого H-состояния после формовки.

Поведение при термообработке

5356 — не подвергаемый термообработке алюминиевый сплав; классические операции растворения и искусственного старения не применяются для повышения прочности. Усиление достигается механической деформацией (холодной работой) и, при необходимости, отжигами для стабилизации и снятия внутренних напряжений. Нагревание выше примерно 65 °C может приводить к диффузии магния и образованию богатых Mg выделений на границах зерен (сенсибилизация), что влияет на коррозионную стойкость; поэтому после изготовления термические воздействия должны быть минимальными или контролируемыми.

Отжиг (состояние O) размягчает сплав за счёт восстановления и рекристаллизации, восстанавливая пластичность и формуемость. Процедуры стабилизации (низкотемпературные отжиги) иногда применяются для снижения остаточных напряжений после формовки или сварки, но они не обеспечивают повышения прочности, характерного для алюминиевых сплавов с упрочнением механизмами выделений. Проектирование и технологический контроль базируются на режимах холодной обработки и контроле термического воздействия, а не на циклах термообработки T-состояния.

Поведение при высоких температурах

Как и большинство сплавов Al–Mg, 5356 испытывает заметное снижение прочности при повышенных температурах; рекомендуемая температура непрерывной эксплуатации обычно составляет около 100–120 °C для несущих элементов. При температурах свыше примерно 150 °C происходит структурное восстановление и осаждение на границах зерен, что снижает механические свойства и увеличивает чувствительность к межкристаллитной коррозии. Окисление на воздухе минимально по сравнению со сталями, но длительное воздействие высоких температур ускоряет структурные изменения, ухудшающие усталостную стойкость и сопротивляемость SCC.

Зоны термического влияния сварных соединений особенно важны при эксплуатации при высоких температурах, так как тепловые циклы могут как размягчать холодно-деформированный основной металл, так и ускорять сенсибилизацию на границах зерен. Для кратковременного нагрева при сварке или формовке эти эффекты обычно контролируемы; при длительном высокотемпературном использовании желательно рассмотреть применение других классов сплавов.

Области применения

Отрасль	Пример детали	Почему используется 5356
Морская промышленность	Обшивка корпуса, перила, палубное оборудование, фитинги	Отличная коррозионная стойкость в морской воде и свароспособность; распространённый присадочный материал для ремонта сварных соединений
Транспорт	Конструктивные рамы, топливные баки, прицепы	Хорошее соотношение прочности и массы, надёжные сварные соединения
Аэрокосмическая и оборонная промышленность	Вторичные конструкции, кронштейны, фитинги	Оптимальное сочетание свароспособности, усталостойкости и коррозионной стойкости
Емкости под давлением / Криогенная техника	Резервуары, сварные сосуды	Надёжный сварочный присадочный материал и стабильные свойства при низких температурах
Сварка / изготовление	Электроды/проволока (ER5356), наплавка	ER5356 широко используется как присадочный материал для сплавов Al–Mg и Al–Si
Архитектура	Фасадные системы, панели навесов	Коррозионная стойкость и совместимость с анодированием для долговечного внешнего вида

Роль 5356 в современной инженерии часто связана с сварными конструкциями, где необходим коррозионностойкий, легко свариваемый присадочный или основной сплав. Сочетание хорошей формуемости (в состоянии O), прочности (в H-состояниях) и доступности в виде как деформируемого полуфабриката, так и сварочного материала делает его практичным выбором для разных отраслей.

Рекомендации по выбору

Для конструкций, требующих прочности выше, чем у коммерчески чистого алюминия (например, 1100), при сохранении хорошей свароспособности и коррозионной стойкости 5356 является логичным шагом вперёд; он жертвует частью электрической и теплопроводности ради более высоких механических характеристик. В сравнении с упрочнёнными деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 5356 обычно обладает большей прочностью и лучшей коррозионной стойкостью в морской воде, хотя 5052 сохраняет очень хорошую пластичность и может быть предпочтителен для глубокого вытяжки. По сравнению с термообрабатываемыми сплавами типа 6061/6063 5356 выбирают, когда послесварочная или эксплуатационная термообработка невозможна или требуется повышенная коррозионная стойкость в хлоридных средах, несмотря на более низкие пиковые значения прочности.

Выбирайте 5356, когда основными критериями являются свойства сварных соединений и морская коррозионная устойчивость, когда использование магнийсодержащего присадочного материала улучшает металлургию стыка, либо когда предпочтителен не подвергаемый термообработке технологический процесс. Если требуется максимальная прочность на единицу массы и приемлема последующая термообработка, лучше подойдут сплавы с состоянием T6; при преимущественной необходимости глубокого вытяжки предпочтительнее более мягкие сплавы серии 3xxx в состоянии O.

Итог

5356 остаётся широко используемым и актуальным алюминиево-магниевым сплавом, обеспечивающим сбалансированное сочетание свароспособности, коррозионной стойкости и механически значимой прочности без опоры на процессы термообработки. Его широкое распространение как деформируемого материала и сварочного присадочного позволяет инженерам надёжно использовать сплав в сварных конструкциях для морской, транспортной и архитектурной промышленности, где критична устойчивость к хлоридным средам и долговечность.