Алюминий 5450: состав, свойства, руководство по состоянию и области применения

Общий обзор

5450 — это сплав из серии алюминиевых сплавов 5xxx, характеризующийся индивидуальным легированием магнием. Сплавы серии 5xxx не поддаются термической обработке, а их повышенная прочность достигается в основном за счёт упрочнения твердым раствором магния и механического упрочнения деформацией, где это применимо.

Основные легирующие элементы в 5450 — магний (весовая доля обычно в среднем до высокого однозначного процента) с контролируемым содержанием марганца, железа и следовыми количествами меди, кремния, цинка и хрома для регулировки прочности, структуры зерна и коррозионной стойкости. Механизм упрочнения не связан с термообработкой: прочность обеспечивается магнием в твёрдом растворе и механической холодной деформацией; искусственное старение не применяется для повышения максимальной прочности.

Ключевые особенности 5450 включают сочетание умеренно высокой прочности для не термообрабатываемого сплава, хорошую общую коррозионную стойкость (особенно в атмосферных и слабо морских условиях), очень хорошую свариваемость с использованием типичных алюминиевых присадочных материалов и хорошую обрабатываемость в отожженном состоянии. Эти характеристики делают 5450 привлекательным для конструкционных применений, где важно сбалансировать прочность к весу, коррозионную стойкость и свариваемость.

Типичные отрасли применения сплавов данного класса включают судостроение и морские конструкции, автомобильные и транспортные компоненты, сосуды высокого давления и определённые вторичные конструкции в авиационной промышленности. Инженеры выбирают 5450 вместо других сплавов, когда необходима повышенная прочность на готовом изделии и превосходные показатели сварки и окраски без затрат и деформаций, связанных с термообработкой.

Варианты состояния (темпера)

Темпера	Уровень прочности	Относительное удлинение	Обрабатываемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полностью отожженное состояние, оптимально для формовки и глубокой вытяжки
H111	Низкая–умеренная	Высокое	Очень хорошая	Очень хорошая	Слегка упрочнённое, точное значение не установлено; сохраняет хорошую пластичность
H14	Умеренная	Умеренная	Хорошая	Очень хорошая	Полуукрепленное состояние; часто используется для листов с умеренными требованиями к прочности
H22	Умеренная	Умеренная	Хорошая	Очень хорошая	Упрочнённое деформацией и стабилизированное термообработкой для повышения стабильности
H32	Умеренно высокая	Умеренная	Удовлетворительная	Очень хорошая	Упрочнённое деформацией и стабилизированное; широко применяется в конструкционных листах
H34	Высокая	Ниже	Удовлетворительно–плохо	Очень хорошая	Полностью упрочнённое состояние, используется там, где необходима высокая жёсткость при принятой более низкой пластичности

Выбор темперы для 5450 существенно влияет как на механические свойства, так и на обрабатываемость: отожжённое состояние O максимизирует пластичность и позволяет выполнять сложные формовочные операции, тогда как состояния H уменьшают пластичность в пользу повышенных пределов текучести и временного сопротивления разрыву. Стабильность при обработке, включая устойчивость к релаксации напряжений и изменениям состояния в зоне термического влияния при сварке, определяется конкретным обозначением H и применяемыми стабилизирующими обработками.

Химический состав

Элемент	Диапазон содержания, %	Примечания
Si	≤ 0.40	Обеззараживающий элемент, влияет на прочность; удерживается на низком уровне для сохранения коррозионной стойкости
Fe	≤ 0.50	Примесь; повышенное содержание может приводить к образованию интерметаллических соединений, снижающих обрабатываемость
Mn	0.2–1.0	Уточняет структуру зерна, улучшает прочность и сопротивление рекристаллизации
Mg	3.5–5.5	Основной элемент упрочнения; контролирует твердость раствора и коррозионное поведение
Cu	≤ 0.25	Небольшие добавки повышают прочность, но могут снижать коррозионную стойкость при более высоких концентрациях
Zn	≤ 0.25	Содержание низкое для уменьшения склонности к гальванической и локальной коррозии
Cr	0.05–0.25	Контролирует структуру зерна и улучшает коррозионную стойкость гранулярных границ
Ti	≤ 0.15	Уточнитель зерна для литейного или экструзионного сырья; обычно присутствует как остаток в деформируемых сплавах
Прочие	Баланс Al, следовые примеси	Мелкие добавки и остатки контролируются для соответствия механическим и коррозионным требованиям

Химический состав сплава настроен так, чтобы магний обеспечивал основной эффект упрочнения, тогда как марганец и небольшие количества хрома контролируют размер зерна, поведение рекристаллизации и вязкость. Низкие уровни кремния, железа и меди поддерживаются для предотвращения образования хрупких интерметаллических фаз и сохранения пластичности и коррозионной стойкости. Точный диапазон состава может варьироваться в зависимости от поставщика и стандартов, но влияние Mg и Mn является ключевым для характеристик 5450.

Механические свойства

Поведение на растяжение сплава 5450 сильно зависит от температуры (темпера). В отожженном состоянии обеспечивается относительно низкий предел текучести и временное сопротивление, но высокая равномерная пластичность, подходящая для интенсивных операций деформации. В упрочнённых состояниях предел текучести значительно возрастает, при этом общее удлинение снижается, что обеспечивает полезную жёсткость для конструкционных элементов.

Предел текучести и временное сопротивление растяжению зависят как от содержания магния, так и от уровня холодной деформации; типичные состояния H для конструкционных листов обеспечивают существенно более высокий предел текучести по сравнению с отожжённым материалом, но проявляют характерные явления точки текучести и ограниченную способность к дальнейшему упрочнению при последующей обработке. Твёрдость соответствует той же тенденции, увеличиваясь с возрастанием холодной деформации и стабилизируясь после термической стабилизации.

Усталостные характеристики 5450 улучшаются благодаря чистой микроструктуре и правильному контролю состояния поверхности; усталостная прочность выше в упрочнённых состояниях, но чувствительна к наличию сварных швов и надрезов, которые создают локальные концентрации напряжений. Важна также толщина материала: более тонкие листы легче упрочняются в процессе изготовления, демонстрируют более высокую прочность и меньшую пластичность по толщине, а также отличаются иным профилем остаточных напряжений после сварки.

Параметр	О/Отожжённое	Ключевая температура (напр., H32/H34)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	~180–260 MPa (типичный диапазон для данной серии сплавов)	~260–360 MPa (зависит от уровня холодной деформации)	Значения варьируются в зависимости от толщины, темперы и производителя; приведены типичные инженерные диапазоны
Предел текучести	~60–150 MPa	~150–320 MPa	Предел текучести существенно возрастает с ростом холодной деформации; обозначение температуры H контролирует стабильность
Относительное удлинение	~20–35%	~8–18%	Отожжённое состояние даёт максимальное удлинение; состояния H снижают пластичность
Твёрдость	HB 30–55	HB 60–120	Твёрдость растёт с увеличением холодной деформации и отражает историю упрочнения

Физические свойства

Параметр	Значение	Примечания
Плотность	~2.66 г/см³	Типично для алюминиево‑магниевых сплавов; немного выше, чем у чистого алюминия из‑за легирующих элементов
Температура плавления	~570–650 °C	Диапазон твердофазной и жидкой фаз зависит от точного состава и незначительных добавок
Теплопроводность	~120–160 Вт/(м·К)	Ниже чем у чистого алюминия, но всё ещё достаточно высока для отвода тепла в конструкционных элементах
Электропроводность	~30–40 % IACS	Снижена относительно чистого алюминия из-за Mg и легирующих элементов; важно для ЭМИ и проводниковых применений
Удельная теплоёмкость	~880–910 Дж/(кг·К)	Близка к чистому алюминию; полезна при расчётах тепловой инерции
Коэффициент температурного расширения	~23–24 µм/(м·К) (20–100 °C)	Сопоставим с большинством коммерческих алюминиевых сплавов; важен при расчётах теплового зазора при соединении с другими материалами

Набор физических свойств относит 5450 к алюминиевым сплавам с благоприятным соотношением прочности и массы при сохранении полезной теплопроводности и электропроводности. Конструкторы должны учитывать относительно высокий коэффициент температурного расширения при соединении с разнородными материалами, а также снижение теплопроводности относительно чистого алюминия для приложений теплоотвода или теплового управления. Плотность и удельная теплоёмкость благоприятны для облегчённых конструкций, где важна также тепловая инерция.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение прочности	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0.3–6 мм	Хорошие характеристики в H-состояниях; отожжён для глубокой вытяжки	O, H14, H32, H34	Наиболее распространённая форма; используется для панелей и штампованных деталей
Плита	6–150 мм	Прочность уменьшается с увеличением толщины при одинаковом состоянии	O, H111, H32 (ограниченно)	Толстые сечения требуют контроля химсостава заготовки и истории термообработки
Экструзия	Профили до крупных сечений	Прочность зависит от охлаждения и последующей холодной деформации	O (для формовки), H112 (некоторая стабильность)	Используется для конструктивных элементов и рам; сплав должен быть адаптирован под экструзионную заготовку
Труба	Диаметр и толщина стенки по применению	Сварные или бесшовные; механические свойства зависят от способа обработки	O, H32	Широко применяются в машиностроении и гидросистемах; сварные швы изменяют локальные свойства
Пруток/штанга	Диаметры до 200 мм	Холодная деформация даёт высокую прочность у протянутого прутка	O, H14, H34	Используется для механической обработки, крепёжных элементов и деталей с повышенной жёсткостью

Выбор формы продукции влияет на микроструктуру, однородность прочности и этапы изготовления. Листы и плиты производятся прокаткой и могут подвергаться отжигу или стабилизации после прокатки для настройки свойств, тогда как экструзии и кованные формы требуют тщательного контроля состава заготовки и термической истории для исключения поверхностных окислов и обеспечения размерной стабильности. Свариваемость и свойства после сварки зависят от формы — толстые плиты чаще подвержены размягчению зоны термического влияния и могут требовать механической или термической стабилизации после сварки.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	5450	США	Обозначение деформируемого сплава в американской системе
EN AW	5450	Европа	Распространённое европейское обозначение; требования по химсоставу и свойствам могут отличаться по спецификациям
JIS	A5450 (прибл.)	Япония	Местные стандарты могут описывать схожие серии Al‑Mg с региональными допусками
GB/T	5450 (прибл.)	Китай	Китайские стандарты дают эквивалентные составы, но для точных диапазонов проверяйте локальные технические условия

Прямое однозначное соответствие между стандартами может быть приближённым, так как региональные стандарты часто допускают различные пределы по содержанию примесей, методам испытаний механических свойств и формам выпуска. Инженерам рекомендуется сравнивать полные химические и механические таблицы в соответствующих технических условиях и проверять сертификаты производителя на листы или плиты для обеспечения взаимозаменяемости в ответственных применениях.

Коррозионная стойкость

5450 обладает хорошей общей атмосферной коррозионной стойкостью благодаря защитному слою оксида алюминия и сбалансированному легированию, препятствующему питтингу. В морских и содержащих хлор средах сплав обычно устойчив, особенно при использовании покрытий или анодирования, однако локальная коррозия может возникать в зонах сварных швов, крепежных отверстий или царапин при недостаточной обработке поверхности.

Чувствительность к напряжённо‑коррозионному растрескиванию зависит от содержания Mg и состояния; сплавы серии 5xxx с содержанием Mg выше примерно 3.5% могут проявлять SCC в высокопрочных или упрочнённых состояниях под длительным растягивающим напряжением в агрессивных средах. Сварка вызывает размягчение зоны термического влияния у многих упрочнённых холодной деформацией состояний, что может снижать локальную коррозионную стойкость и механические характеристики без учёта этой особенности.

Гальванические взаимодействия соответствуют типичному поведению алюминия: 5450 аноден по отношению к нержавеющей стали и медным сплавам, поэтому при проектировании следует избегать прямого контакта без изолирующих материалов или жертвенной защиты. В сравнении с сериями 6xxx и 7xxx, 5450 обычно обеспечивает лучшую общую коррозионную стойкость и свариваемость, но более низкую максимальную прочность по сравнению с изделиями с максимальным упрочнением 6xxx и 7xxx; по сравнению с серией 3xxx сплав даёт значительно повышенную прочность при схожей или чуть сниженной формуемости.

Свойства при обработке

Свариваемость

5450 хорошо подходит для обычных методов плавления сварки, таких как MIG (GMAW) и TIG (GTAW), демонстрируя хорошее поведение сварочной ванны и низкую склонность к горячей трещинообразованию при использовании соответствующего присадочного материала и правильных параметров. Типичными присадочными сплавами для сварки изделий серии 5xxx являются ER5183 и ER5356, выбираемые по прочности, коррозионной стойкости и контролю насыщения водородом; ER5356 часто предпочтителен для эстетичных швов и анодированных поверхностей. Размягчение зоны термического влияния является реальной проблемой для упрочнённых холодной деформацией состояний, поэтому важно учитывать конструкцию соединения, механическую стабилизацию до и после сварки и возможные стратегии упрочнения после сварки.

Обрабатываемость резанием

Обрабатываемость 5450 оценивается как средняя; как и многие Al‑Mg сплавы, он может быть «липким» и формировать длинные непрерывные стружки без применения лома стружки или прерывистых режимов резания. Рекомендуется использовать твердосплавный инструмент с положительным углом режущей кромки и острыми геометриями, вместе со средними скоростями резания и обильным охлаждением для предотвращения налипания и эффективного отвода тепла. Поверхностная отделка и точность размеров обычно хорошие при правильном выборе параметров и материалов инструмента с учётом пластичности сплава.

Формуемость

Лучшие результаты формования достигаются в отожженном (O) состоянии, где достигаются минимальные радиусы гиба и возможна глубокая вытяжка. В упрочнённых (H) состояниях радиусы гиба должны быть увеличены, а формовочные операции учитывать сниженную пластичность и поведение обратной упругой деформации; типичные минимальные внутренние радиусы гиба для состояний H14–H32 составляют примерно 1–2× толщину материала в зависимости от инструмента и геометрии детали. Если после сварки или холодной обработки требуются значительные формообразующие операции, промежуточный отжиг может восстановить пластичность, но должен быть включён в технологический процесс.

Поведение при термообработке

5450 — не подвергаемый термической обработке сплав; механические свойства практически не улучшаются классическими методами растворения и искусственного старения. Упрочнение достигается за счёт твёрдого раствора Mg и холодной деформации при возможности её применения. Отжиг (полное размягчение до состояния O) проводится путём нагрева до заданных температур для снижения остаточных напряжений и восстановления пластичности; конкретные режимы отжига зависят от толщины и формы продукции.

Термическая стабилизация (например, контролируемое слабое перенагревание или лёгкие тепловые воздействия) может применяться для стабилизации H‑состояний против старения деформации и уменьшения степени размягчения в эксплуатации или при сварке. Попытки применить T‑типа термообработку (характерную для сплавов с упрочнением осадками) не дают максимальной прочности, как у сплавов 6xxx или 7xxx, поэтому не используются как способ упрочнения для 5450.

Высокотемпературные характеристики

Как и большинство алюминиевых сплавов, 5450 демонстрирует постепенное снижение прочности с повышением температуры; длительная эксплуатация обычно ограничивается значительно ниже 200 °C, чтобы избежать существенного снижения предела текучести и сопротивления ползучести. Для многих конструкционных применений выбирается консервативная верхняя температура эксплуатации в диапазоне 100–150 °C для сохранения адекватных механических запасов прочности.

Окисление при повышенных температурах ограничено защитным слоем оксида алюминия, однако длительное воздействие высокой температуры может изменять микроструктуру около зерен и ускорять локальные коррозионные явления в агрессивных средах. Зона термического влияния сварки и ранее упрочнённые холодной деформацией участки особенно чувствительны к тепловым нагрузкам и должны оцениваться на предмет деградации свойств в ожидаемом термическом режиме эксплуатации.

Применения

Отрасль	Пример компонента	Почему выбран 5450
Автомобильная промышленность и транспорт	Усилители конструкции, элементы управления при авариях	Сочетание повышенной прочности в исходном состоянии и хорошей свариваемости для сварных узлов
Морская промышленность	Обшивка корпусов, палубные конструкции, кронштейны	Хорошая коррозионная стойкость в морской воде и высокая совместимость с заклёпками и сваркой
Авиакосмическая (второстепенные конструкции)	Фурнитура, лючки, элементы пола	Выгодное соотношение прочности и массы, хорошие технологические свойства для несущих не основных конструкций
Резервуары и ёмкости под давлением	Обечайки, фитинги	Баланс прочности и пластичности с хорошей свариваемостью для сварных изделий под давлением
Электроника и тепловой менеджмент	Кронштейны, корпуса с потребностями в тепловом рассеянии	Достаточная теплопроводность с более высокой механической прочностью, чем у чистого алюминия

5450 выбирают для компонентов, где требуется более высокая прочность по сравнению с обычными упрочнёнными холодной деформацией сплавами без дополнительных рисков и удлинения технологического цикла, связанных с термообработкой с упрочнением осадками. Сбалансированность свойств позволяет производить сварные, формованные и механически обработанные детали для множества транспортных и морских применений.

Рекомендации по выбору

Для инженеров, выбирающих материалы, 5450 является прагматичным выбором при необходимости умеренной до высокой прочности, отличной свариваемости и хорошей коррозионной стойкости, когда показатели максимальной электропроводности или предельной прочности от термообработки не являются приоритетными. В сравнении с коммерчески чистым алюминием типа 1100, 5450 жертвует электропроводностью и удобством формования ради значительно повышенного предела текучести и временного сопротивления разрыву.

По сравнению с упрочнёнными деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 5450 обычно обеспечивает значительно более высокую статическую прочность при сохранении сопоставимой коррозионной стойкости; цена такого преимущества — более низкая формуемость в холоднообработанных состояниях и потенциально более высокая стоимость материала. По сравнению с термически упрочняемыми сплавами, такими как 6061 или 6063, 5450 не достигает максимальных значений прочности после старения, но часто предпочтителен при необходимости улучшенной свариваемости, снижении риска деформаций и лучшей коррозионной стойкости в морской среде, что важнее максимальной предельной прочности на разрыв.

Используйте 5450, когда приоритетами конструкции являются сварная сборка, коррозионная устойчивость в атмосферных и морских условиях, а также более высокая базовая прочность, которую можно регулировать изменением состояния термообработки и холодной деформации, а не методом термообработки.

Итоговое резюме

5450 остаётся актуальным как надёжный алюминиевый сплав серии 5xxx, предлагая оптимальное сочетание прочности, коррозионной стойкости и простоты обработки для сварных и профильных конструктивных применений. Его не поддающийся термической упрочняющей обработке характер упрощает производство и контроль качества, что делает его эффективным выбором в задачах, требующих воспроизводимой исходной механической характеристики и долговечности службы.