Алюминий 5454: Состав, Свойства, Руководство по упрочнению и Области применения

Обширный обзор

5454 относится к серии деформируемых алюминиевых сплавов 5xxx (Al-Mg), в которых магний является основным легирующим элементом. В европейской номенклатуре он часто обозначается как AlMg3 и занимает средний уровень прочности среди магниевых сплавов, обеспечивая баланс между механическими характеристиками и отличной коррозионной стойкостью.

Основные легирующие элементы — магний и контролируемые добавки марганца, улучшающие прочность и структуру зерна. 5454 является сплавом, не подвергающимся термообработке с целью упрочнения; его усиление достигается главным образом за счёт твёрдорастворного упрочнения за счёт магния и наклёпа при холодной деформации, а не за счёт старения и осаждения фаз.

Ключевые характеристики 5454 включают хорошую прочность на растяжение для не термообрабатываемого сплава, высокую стойкость к морской и атмосферной коррозии, очень хорошую свариваемость общепринятыми методами сварки плавлением и хорошую пластичность в отожженном или слабо деформированном состоянии. Типичные отрасли применения 5454 — судостроение, транспорт, сосуды высокого давления и общие конструкционные изделия, где требуются коррозионная стойкость и умеренная прочность.

Инженеры выбирают 5454 вместо других сплавов, когда необходимо сочетание прочности выше, чем у коммерчески чистого алюминия, и лучшей коррозионной стойкости по сравнению с некоторыми сплавами с более высокой прочностью. Его часто выбирают там, где важны свариваемость, характеристики после сварки и долговечность в условиях воздействия хлоридов, а не максимальное соотношение прочности к массе, характерное для термообрабатываемых сплавов.

Варианты состояния (темпера)

Темпера	Уровень прочности	Относительное удлинение	Обрабатываемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое (20–35%)	Отличная	Отличная	Полностью отожжённое состояние для максимальной пластичности
H111 / H112	Низкий–средний	Высокое–среднее	Очень хорошая	Отличная	Немного наклёпанное или деформированное состояние; обычно поставляется для облегчения формовки
H14	Средний	Среднее (8–15%)	Хорошая	Отличная	Четвертьтвёрдое состояние, часто используется для листовых изделий с повышенной прочностью
H16	Средне–высокий	Уменьшенное	Удовлетворительная–хорошая	Отличная	Половинное наклёпание, компромисс между прочностью и пластичностью
H18	Высокий	Низкое	Ограниченная	Отличная	Полное наклёпание, используется там, где требуется повышенная прочность и жёсткость
H24	Средний	Среднее	Хорошая	Отличная	Наклёпанное и частично отожжённое состояние; сбалансированное сочетание пластичности и прочности
T5 / T6 / T651	Не типично	Не типично	Не типично	Не типично	Обозначения термообработанных состояний; обычно не применимы к 5454

Темпера напрямую и предсказуемо влияют на свойства 5454, поскольку он не поддаётся термообработке. Отожжённое состояние (O) максимизирует пластичность и коррозионную стойкость, что делает его лучшим выбором для глубокого вытягивания и интенсивной холодной деформации.

По мере увеличения наклёпа (H14 до H18) повышаются предел текучести и временное сопротивление, тогда как относительное удлинение и способность к изгибу снижаются. Поскольку 5454 не реагирует на последовательности растворения и старения, контроль состояния достигается механической обработкой и контролируемым отжигом, а не осадочной термообработкой.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	≤ 0.30	Примесь; поддерживается на низком уровне для сохранения коррозионной стойкости и пластичности
Fe	≤ 0.40	Образует интерметаллиды; контролируется для ограничения снижения вязкости
Mn	0.40–1.20	Улучшает прочность и структуру зерна; помогает контролировать рекристаллизацию
Mg	2.6–3.6	Основной упрочняющий элемент; обеспечивает упрочнение твёрдым раствором и коррозионную стойкость
Cu	≤ 0.10	Низкое содержание для предотвращения снижения коррозионной стойкости и гальванических эффектов
Zn	≤ 0.20	Мелкие добавки; избыток цинка снижает коррозионную стойкость
Cr	≤ 0.25	Добавляется в малых количествах для контроля структуры зерна и рекристаллизации в некоторых вариантах
Ti	≤ 0.15	Зернообразователь в литых вариантах; незначительное влияние на деформируемые изделия
Прочие	≤ 0.15 каждый, ≤ 0.35 суммарно	Остаточные и следовые добавки; контролируются для сохранения свойств сплава

Относительно высокое содержание магния (около 3 масс.%) является доминирующим фактором, определяющим механические и коррозионные свойства 5454. Добавки марганца целенаправленные и умеренные, они компенсируют ослабление границ зерен и способствуют прочности без ухудшения коррозионной стойкости. Низкое содержание меди и кремния обеспечивает защиту естественно образующейся оксидной плёнки в морской и промышленной атмосферах.

Механические свойства

5454 демонстрирует профиль прочности и предела текучести, характерный для сплавов средней прочности серии 5xxx с значительной пластичностью в отожженном состоянии и прогрессивным ростом прочности при наклёпе. Предел текучести заметно увеличивается при переходе от состояния O к полутвёрдым и твёрдым, временное сопротивление растяжению тоже растёт, обычно с более значительным снижением удлинения. Сплав обладает хорошей вязкостью и способностью к поглощению энергии по сравнению со многими более прочными термообрабатываемыми алюминиевыми сплавами.

Усталостные характеристики приемлемы в средах без хлоридов, но чувствительны к состоянию поверхности, сварным соединениям и концентратам напряжений. В сварных зонах часто наблюдается размягчение зоны термического влияния по сравнению с наклёпанным основным металлом; конструкция должна учитывать локальное снижение предела текучести и предела выносливости. Толщина и форма изделия влияют на механические показатели — более толстые плиты часто показывают немного меньший измеряемый предел текучести из-за микроструктурной неоднородности и возможных остаточных напряжений.

Рост твёрдости соответствует степени наклёпа: отожжённый сплав характеризуется низкими значениями по Бринеллю/Виккерсу, тогда как состояния H16–H18 достигают значительно более высокой твёрдости. Корреляция между твёрдостью и прочностью на разрыв достаточна для оперативной оценки на производстве, но для ответственных деталей и сварных конструкций рекомендуется полное растягивающее испытание.

Свойство	O / Отожженное	Основное состояние (напр., H16/H18)	Примечания
Временное сопротивление разрыву (UTS)	~95–150 MPa	~200–310 MPa	Широкий диапазон в зависимости от состояния и формы изделия; различия лист/плита
Предел текучести (0,2% offset)	~30–70 MPa	~120–240 MPa	Размягчение зоны термического влияния при сварке может снижать локальный предел текучести
Относительное удлинение (A50 или A5)	~20–35%	~4–15%	Максимальная пластичность – в отожженном состоянии; в твёрдых состояниях удлинение ограничено
Твёрдость (HB)	~25–45 HB	~60–110 HB	Твёрдость коррелирует с уровнем наклёпа, полезна для контроля процесса

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.66–2.70 г/см³	Типично для деформируемых Al-Mg сплавов, важна для расчётов массы и жёсткости
Диапазон плавления	~590–645 °C	Температура солидуса и ликвидуса варьируется в зависимости от точного состава и примесей
Теплопроводность	~120–150 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия, но всё ещё высокая; важна для теплоотвода и теплового проектирования
Электропроводность	~32–38 %IACS	Снижена относительно чистого алюминия из-за легирующих добавок
Удельная теплоёмкость	~880–910 Дж/кг·К	Полезна для расчётов тепловых переходных процессов и ёмкости тепла
Коэффициент теплового расширения	~23–24 мкм/м·К (20–100 °C)	Стандартный коэффициент для алюминиевых сплавов

Плотность и тепловые свойства делают 5454 привлекательным для конструкций, где важны масса и теплоотвод, например, корпуса судов и коллекторы теплообменников. Его теплопроводность остаётся достаточно высокой для многих задач терморегулирования, хотя и ниже, чем у чистого алюминия или некоторых 6xxx сплавов с иной микроструктурой.

Электропроводность средняя; 5454 не используется для проводников с высокими требованиями к IACS, но подходит там, где важны сочетание механических и коррозионных свойств с достаточной проводимостью. Вопросы теплового расширения типичны для алюминиевых конструкций и должны учитываться при проектировании смешанных материалов.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение по прочности	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0,3–6 мм	Однородное; чувствителен к направлению прокатки	O, H111, H14, H16	Широко используется для панелей, корпусов и морской обшивки
Плита	6–150 мм	Немного ниже измеренный предел текучести в толстых разделах	O, H111	Применяется для конструкционных элементов и деталей, работающих под давлением
Экструзия	Профили вплоть до крупных сечений	Прочность зависит от сечения и охлаждения	O, H111, H14	Хорошо подходит для конструкционных рам и направляющих; требует контроля процесса для равномерного распределения Mg
Труба	Диаметры до нескольких сотен мм	Хорошая осевая и кольцевая прочность при холодной деформации	O, H16, H18	Распространена в морском и транспортном трубопроводах, а также в конструкционных трубах
Пруток/кругляк	Различные диаметры	Высокая однородность поперечного сечения	H14–H18	Используется для обработки на станках, крепежных изделий и сборных деталей

Маршрут обработки и форма продукции изменяют механические свойства и достигаемые состояния. Листы толщиной от тонких до средних дают предсказуемый отклик на упрочнение деформацией и отжиг, тогда как более толстые плиты требуют более интенсивной прокатки и контролируемого охлаждения для получения однородных свойств.

Экструзии и трубы требуют внимания к гомогенизации и контролю внутренней пористости, поскольку сплавы с высоким содержанием Mg могут проявлять сегрегацию в толстых сечениях. Выбор состояния на стадии продукции является основополагающим для соответствия операций формообразования и окончательных требований к эксплуатации.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	5454	США	Обозначение Aluminum Association, часто используемое в североамериканских спецификациях
EN AW	5454	Европа	Распространённое европейское обозначение (AlMg3); стандартизировано в EN 573/754 для деформируемых продуктов
JIS	A5454	Япония	Вариант японского промышленного стандарта с аналогичным содержанием Mg и механическими требованиями
GB/T	5454	Китай	Китайская стандартная марка, согласованная с международными химическими и механическими диапазонами

Эквивалентность между стандартами обычно близка, но не идентична; пределы допустимых примесей и методы испытаний механических свойств могут различаться. Инженерам рекомендуется сверять сертификаты завода и национальные стандарты для учета зависимых от толщины пределов свойств, состояний и разрешённых маршрутов обработки перед утверждением критериев приёмки материала.

Коррозионная стойкость

5454 обладает высокой стойкостью к атмосферной коррозии и особенно хорошо подходит для морских условий, поскольку богатая магнием матрица формирует прочную, самовосстанавливающуюся оксидно-гидроксидную плёнку. В условиях стоячей среды с высоким содержанием хлоридов может возникать локальная точечная коррозия при повреждении поверхностных плёнок или наличии агрессивного гальванического взаимодействия, однако 5454 показывает лучшие результаты по сравнению со многими медьсодержащими сплавами в подобных условиях.

Устойчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC) у 5454 низкая по сравнению с алюминиевыми сплавами высокой прочности, но риск SCC может возрасти под растягивающим напряжением в тёплых хлоридных средах в сочетании с остаточными напряжениями от сварки. Рекомендуемые конструкторские практики включают предотвращение превышения растягивающих напряжений, контроль остаточных напряжений сварки, а также применение последующей термообработки или катодной защиты при тяжёлых условиях эксплуатации.

Гальванические взаимодействия следует контролировать при совместном использовании 5454 с более благородными металлами (например, нержавеющей сталью, медью), особенно в морских условиях. Применение совместимых крепежных деталей, изолирующих слоёв или жертвенных анодов снижает гальваническую коррозию и увеличивает срок службы по сравнению с неконтролируемым сочетанием материалов.

Свойства изготовления

Свариваемость

5454 легко сваривается распространёнными методами плавления, такими как MIG (GMAW) и TIG (GTAW). Рекомендуемые присадочные сплавы — обычно ER5356 или ER5183 для обеспечения большей прочности или коррозионной стойкости сварных соединений, подобранные с учётом химического состава основного материала и для контроля пористости и пластичности. Риск горячих трещин невысок по сравнению с некоторыми сплавами серий 2xxx и 7xxx, однако для ЗТВ характерно размягчение и потеря упрочнения деформацией; конструкции должны учитывать снижение локального предела текучести в зоне термического влияния.

Обрабатываемость

Обрабатываемость 5454 находится на среднем уровне по сравнению со сплавами с улучшенной обрабатываемостью или алюминиево-кремниевыми литыми сплавами; обрабатывается лучше многих высокопрочных деформируемых сплавов, но хуже чистого алюминия. Рекомендуется использование острых твердосплавных или быстрорежущих инструментов, средних и высоких подач, а также более низких скоростей резания с хорошим охлаждением и смазкой для управления непрерывной стружкой и предотвращения налипания. Поверхностная отделка и точность размеров обычно хорошие при оптимальном выборе режущих режимов для алюминиевых сплавов.

Пластичность

Пластичность отличная в отожженном состоянии и остаётся хорошей в слабо упрочнённых состояниях; глубокая вытяжка и сложные штамповочные операции предпочтительнее в состояниях O или H111. Минимальные радиусы изгиба зависят от состояния и толщины; типовые производственные нормы предусматривают внутренние радиусы 2–3 толщины для H14/H16 и до 1–2 толщины для полностью отожженных листов. Холодная деформация увеличивает предел текучести и временное сопротивление, но снижает относительное удлинение и может вызывать пружинение, что должно учитываться при проектировании штампов.

Особенности термообработки

5454 — это не термически упрочняемый сплав и не реагирует на обычные циклы термообработки раствором с последующим старением, характерные для сплавов серий 6xxx или 7xxx. Попытки проводить растворяющую термообработку и старение не приведут к формированию упрочняющих осадков, которые эффективны в термически упрочняемых семействах.

Механические свойства контролируются упрочнением деформацией и термическими процессами, такими как отжиг. Температуры полного отжига для деформируемых сплавов серии 5xxx обычно находятся в диапазоне 300–415 °C в зависимости от формы изделия и толщины; применяют контролируемый отжиг в печи с последующим закаливанием или медленным охлаждением для восстановления пластичности и смягчения материала.

Промежуточные или частичные отжига (например, для получения состояний H24 или стабилизированных) используют для достижения оптимального баланса прочности и пластичности. Стабилизация или циклы снятия остаточных напряжений при низких температурах уменьшают внутренние напряжения без существенного изменения прочности сплава.

Поведение при высоких температурах

Прочность 5454 снижается с повышением температуры и уменьшается даже при умеренно повышенных температурах эксплуатации (выше ~100 °C). Длительное воздействие температур, приближающихся к 150–200 °C, ещё больше ухудшает механические свойства из-за процессов рекристаллизации и микроструктурных изменений, поэтому температура непрерывной эксплуатации обычно ограничена значительно ниже этих уровней.

Высокотемпературное окисление не является серьёзной проблемой для алюминиевых сплавов благодаря защитному оксидному слою, но повышение температуры ускоряет рост оксидной плёнки и может влиять на поверхность и покрытия. Зоны сварных швов и термически повреждённые области могут подвержены усиленному размягчению при высоких температурах; при проектировании следует учитывать ползучесть и релаксацию, если присутствуют длительные нагрузки и температуры.

Области применения

Отрасль	Пример компонента	Почему выбирают 5454
Автомобильная	Топливные магистрали, неструктурные элементы кузова	Хорошая пластичность, свариваемость и коррозионная стойкость
Морская	Обшивка корпуса, панели надстройки	Отличная морская коррозионная стойкость и соотношение прочность/масса
Авиакосмическая	Вторичные конструкции, сервисные панели	Коррозионная стойкость и разумная прочность для несущих конструкций второго порядка
Электроника	Корпуса, теплоотводы	Адекватная теплопроводность при сохранении коррозионной стойкости
Сосуды давления / резервуары	Резервуары хранения, трубопроводы	Хорошая свариваемость и устойчивость к морской воде и промышленным атмосферам

Сочетание свариваемости, коррозионной стойкости и средней прочности делает 5454 универсальным выбором для различных отраслей. Особое предпочтение сплав получают для деталей, эксплуатируемых в коррозионных средах, где важны стоимость и масса алюминия без ущерба надёжности в эксплуатации.

Рекомендации по подбору

Выбирайте 5454, когда требуется сплав с балансом коррозионной стойкости, свариваемости и умеренной прочности без необходимости термообработки. Особенно подходит для морских, транспортных и общих конструкционных приложений, где важны характеристики постсварочной прочности и сопротивления хлоридным средам.

По сравнению с технически чистым алюминием (например, 1100), 5454 обеспечивает значительно более высокий предел текучести и временное сопротивление, уступая при этом немного по электрической и теплопроводности. По сравнению с распространёнными упрочняемыми деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 5454 обычно обладает большей прочностью и равной или лучшей морской коррозионной стойкостью, что делает его предпочтительным для корпуса и конструкционных плит.

По сравнению с термически упрочняемыми сплавами, такими как 6061 или 6063, 5454 не достигает максимальной прочности, но часто выбирается благодаря превосходной коррозионной стойкости, более простой технологии изготовления (сварка без последующей термообработки) и лучшей пластичности в некоторых состояниях, когда максимальная прочность не является приоритетом.

Заключение

Алюминиевый сплав 5454 по-прежнему остается актуальным и широко используемым благодаря надежному сочетанию коррозионной стойкости, свариваемости и средних механических характеристик без необходимости термообработки. Его пригодность для морских и агрессивных сред, а также предсказуемое поведение при обработке листов, плит и экструдированных профилей делают его практичным выбором для конструкторов и изготовителей, стремящихся к прочным и экономичным алюминиевым решениям.