Алюминий 5754: состав, свойства, технология термообработки и области применения

Подробный обзор

5754 — это представитель серии алюминиевых сплавов 5xxx, семейства Al‑Mg, в котором магний является основным легирующим элементом. Обычно поставляется в виде деформированного полуфабриката и классифицируется под обозначениями EN AW‑5754 и AA‑5754; содержание Mg (~2,6–3,6 мас.%) относит его к более прочным коммерческим магниевым сплавам, не подвергающимся термической закалке.

Упрочнение сплава 5754 достигается преимущественно за счёт твердофазного раствора и наклёпом, а не посредством осадительного упрочнения. Будучи не поддающимся термообработке, свойства регулируются холодной обработкой и термомеханической обработкой, а не циклами растворения/старения.

Основные характеристики 5754 включают повышенную прочность по сравнению с коммерчески чистым алюминием и многими сплавами серий 3xxx и 1xxx, хорошую и очень хорошую коррозионную стойкость в атмосферных и морских условиях, хорошую свариваемость с использованием присадочных материалов на основе Al‑Mg, а также благоприятную формуемость особенно в отожженном состоянии. Типичные отрасли применения 5754 — кузовные и конструкционные элементы автомобилей, морские и оффшорные конструкции, сосуды под давлением и общие листовые/плитные применения, где требуются прочность, усталостная стойкость и коррозионная надёжность.

Инженеры выбирают 5754 среди других сплавов, когда требуется баланс умеренной и высокой прочности, надёжной коррозионной стойкости и хорошей холодной формуемости без затрат и технологических ограничений, связанных с термообрабатываемыми сплавами. Его часто выбирают там, где сварка происходит часто, а повышенное содержание магния обеспечивает улучшенную прочность без ухудшения долговечности в морской среде.

Варианты состояния

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое (20–30%)	Отличная	Отличная	Полный отжиг, максимальная пластичность для сложного формообразования
H111	Средний	Умеренное (12–20%)	Хорошая	Очень хорошая	Легкий наклёп, обычно поставляется для общего применения
H22	Средне-высокий	Ниже (8–15%)	Средне-хорошая	Очень хорошая	Четвертьнаклёп, сбалансированная прочность и формуемость
H24	Высокий	Низко-умеренное (6–12%)	Средняя	Хорошая	Наклёп и частичная стабилизация для повышения прочности
H34	Высокий	Низкое (4–10%)	Ограниченная	Хорошая	Усиленный наклёп для применения с повышенным пределом текучести

Состояние влияет на 5754 главным образом за счёт изменения плотности дислокаций при холодной деформации (состояния H) или снятия наклёпа в отожженном состоянии O. Отожжённое состояние O обеспечивает лучшую тянучесть и расширенную формуемость при глубоких вытяжках и сложных изгибах.

С увеличением наклёпа повышаются предел текучести и временное сопротивление разрыву, тогда как удлинение и гибкость уменьшаются; свариваемость в целом остаётся хорошей для всех состояний, но конструкция сварного соединения должна учитывать снижение пластичности в более твёрдых состояниях.

Химический состав

Элемент	Область содержания, %	Примечания
Si	Макс. 0.40	Примесь; низкое содержание кремния сохраняет пластичность
Fe	Макс. 0.40	Типичная примесь; может образовывать интерметаллиды, влияющие на формуемость
Mn	Макс. 0.50	Контролирует структуру зерна и улучшает прочность и стойкость к рекристаллизации
Mg	2.6–3.6	Основной элемент упрочнения, улучшает коррозионную стойкость и наклёпоспособность
Cu	Макс. 0.10	Низкое содержание для сохранения коррозионной устойчивости
Zn	Макс. 0.20	Незначительная примесь; повышенное содержание цинка снижает пластичность
Cr	Макс. 0.30	Микролегирующий элемент для контроля структуры зерна и ограничения роста зерен
Ti	Макс. 0.15	Зерноразмельчающий элемент при литье и плавке
Другие (каждый)	Макс. 0.05	Ограничение прочих примесей для сохранения стабильных свойств

Магний является основным регулирующим элементом в 5754; его концентрация определяет базовую прочность, реакцию на наклёп и сопротивляемость питтинговой коррозии в хлоридных средах. Марганец и хром присутствуют в небольших количествах для измельчения зерна и стабилизации сплава при термомеханической обработке.

Низкие ограничения на медь и железо сохраняют коррозионную стойкость и пластичность сплава, а контролируемое содержание кремния и титана обеспечивает стабильность процессов прокатки и экструзии.

Механические свойства

При растяжении 5754 демонстрирует пластичное разрушение с хорошим равномерным удлинением в отожженном состоянии и постепенным снижением пластичности с ростом наклёпа. Предел текучести и временное сопротивление разрыву увеличиваются с более твёрдыми состояниями: отожжённое состояние O ориентировано на удлинение и формуемость, тогда как состояния H обеспечивают значительный рост предела текучести для конструкционных применений. Твёрдость коррелирует с плотностью дислокаций, создаваемых холодной обработкой; твёрдость по Бринеллю заметно возрастает от состояния O до H34, в то время как усталостная прочность выигрывает от более высокой базовой прочности, но может быть чувствительна к состоянию поверхности и толщине.

Усталостная стойкость 5754 является благоприятной для алюминиево-магниевых сплавов по сравнению с менее прочными коммерческими сплавами, так как умеренное упрочнение раствора повышает порог зарождения трещин. Толщина листа значительно влияет на свойства: более тонкие листы обычно демонстрируют более высокую кажущуюся прочность из-за холодной прокатки, а пределы изгиба и формования изменяются в зависимости от толщины и состояния. Поверхностная отделка и остаточные напряжения после формовки или сварки существенно влияют на ресурс усталости.

Свойство	O/Отожженное	Основное состояние (H111/H22)	Примечания
Временное сопротивление разрыву (UTS)	115–155 MPa	220–265 MPa	UTS значительно возрастает с наклёпом; значения зависят от толщины и спецификаций поставщика
Предел текучести (0,2% смещение)	35–65 MPa	125–170 MPa	Предел текучести резко растёт в состояниях H; при проектировании необходимо использовать сертифицированные данные по состоянию с учётом коэффициентов запаса прочности
Относительное удлинение (A50мм)	20–30%	8–18%	Пластичность снижается с упрочнением; минимальные значения зависят от толщины и технологии
Твёрдость (HB)	25–35 HB	60–85 HB	Твёрдость по Бринеллю коррелирует с прочностью и наклёпом

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.66 г/см³	Типично для деформированных сплавов Al‑Mg; имеет значение для расчёта массы и жёсткости
Температура плавления	~605–650 °C (от твёрдого состояния до жидкого)	Диапазон плавления сплава; процесс литья и затвердевания контролируется примесями
Теплопроводность	~120–160 Вт/м·К	Нiже, чем у чистого алюминия, но всё ещё высокая; полезна для теплового менеджмента
Электропроводность	~28–36 % IACS	Снижена по сравнению с чистым алюминием из-за Mg; влияет на конструкцию проводников и электромагнитную совместимость
Удельная теплоёмкость	~900 Дж/кг·К	Приблизительно аналогична другим алюминиевым сплавам; полезна для анализа тепловых переходных процессов
Коэффициент линейного расширения	~23,5 ×10⁻⁶ /K	Типичный для конструкционных расчетов при температурных циклах

Сплав 5754 сохраняет многие желанные тепловые и электрические свойства алюминия, частично уступая по электропроводности и стабильности проводимости из-за легирования. Показатели плотности и теплового расширения критичны для соединения разнородных материалов и точных сборок, где разница температур приводит к напряжениям.

Диапазон температур плавления и точки солидуса важны для производственных процессов, таких как пайка и плавка; требуется тщательный температурный контроль, чтобы избежать появления жидких фаз вторичных соединений и обеспечить подходящую микроструктуру для деформирования.

Формы выпуска продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Прочностные характеристики	Типичные состояния	Примечания
Лист	0,3–6,0 мм	Прочность варьируется в зависимости от состояния и степени прокатки	O, H111, H22, H24	Широко используется в автомобильных панелях и морских палубах
Плита	6–30 мм	Низкая пластичность, может поставляться в упрочнённых состояниях H	H24, H34	Конструкционные плиты для сосудов под давлением и рам
Экструзия	Различные поперечные сечения	Прочность зависит от закалочного состояния после экструзии; применяется наклёп	O, H111	Профили для ограждений, конвейеров и конструкционных секций
Труба	Толщина стенки 0,5–10 мм	Поведение сходно с листом; толщина стенки критична при давлении	H111, H22	Трубы теплообменников и трубопроводы с необходимой коррозионной стойкостью
Пруток/Круглый прокат	Ø5–100 мм	Может подвергаться прокатке или холодной вытяжке для повышения прочности	H111, H34	Механические компоненты, фитинги и крепеж в коррозионно-опасных средах

Листовой прокат и тонкие материалы — наиболее распространённые формы выпуска, оптимизированные для глубокого вытяжения, обжатия и гидроформования в состояниях O и лёгких состояниях H. Плиты и экструзии применяются там, где требуются более прочные сечения; экструзионные профили могут поставляться в отожженном состоянии для формования или в упрочнённых состояниях для финального применения.

Различия в технологии обработки (прокатка, экструзия или волочение) влияют на направление зерна и анизотропию; инженерам необходимо учитывать направленные свойства материала при расчёте изгиба, растяжения и усталостной прочности в критичных направлениях.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	5754	США	Обозначение Американской ассоциации алюминия для деформируемого сплава
EN AW	5754	Европа	Обозначение EN; в европейских материалах часто указывается как AlMg3.5
JIS	A5754	Япония	Японский промышленный стандарт использует номенклатуру A5754 для сплавов аналогичного состава
GB/T	AlMg3.5	Китай	Китайский стандарт часто указывает сплав по номинальному содержанию Mg как AlMg3.5

Эквивалентность между стандартами носит функциональный характер, но не является абсолютной; номинальные диапазоны состава и допустимые примеси могут незначительно различаться в сертификатах поставщиков и региональных нормах. Эти небольшие отличия могут влиять на пределы формоизменяемости, качество поверхности для анодирования и подтверждённые механические свойства, поэтому при заказах критичных компонентов необходимо внимательно проверять технические требования и сопроводительные материалы.

При глобальном поиске поставщиков инженерам следует запрашивать подробные протоколы химических и механических испытаний, а также обращать внимание на определения состояния (темпера) материала (например, H111 — геометрические и деформационные параметры могут интерпретироваться по-разному в разных регионах).

Коррозионная стойкость

5754 обладает очень хорошей атмосферной коррозионной стойкостью и показывает хорошие результаты в морских и хлорсодержащих средах по сравнению со многими алюминиевыми сплавами. Относительно высокое содержание Mg увеличивает восприимчивость к локальной электрохимической коррозии (питтингу) при механическом повреждении поверхности или наличии агрессивных анионов без защитных покрытий; однако при защите покрытиями или анодными плёнками 5754 демонстрирует длительный срок службы при воздействии морской воды.

Риск межкристаллитной коррозии под напряжением (SCC) у 5754 в целом низкий по сравнению с некоторыми высокопрочными алюминиевыми сплавами, но чувствительность к SCC растёт с увеличением содержания магния и при наличии остаточных растягивающих напряжений после деформации или сварки. Конструкторы должны снижать риск SCC путём контроля концентрации напряжений, проведения послесварочных обработок и выбора соответствующих температурных состояний (темпера).

Гальванические эффекты также важны: 5754 является катодным по отношению к сталям и более благородным металлам, а в некоторых условиях — анодным по отношению к чистому алюминию; в многоматериальных узлах необходимы изоляция, жертвенные аноды или покрытия. По сравнению с серией 6xxx (Al‑Mg‑Si) 5754 обладает лучшей стойкостью к локальной коррозии, но адгезия краски после анодирования ниже; по сравнению с серией 3xxx (Al‑Mn) он имеет более высокую прочность и такую же или немного улучшенную стойкость к воздействию хлоридов.

Технологические свойства

Свариваемость

5754 легко сваривается методами TIG, MIG/GMAW и контактной сваркой при использовании соответствующих присадочных материалов и параметров. Рекомендуемые присадки для распространённых соединений — 5356 или 5183 (Al‑Mg), обеспечивающие сопоставимую прочность с основным металлом и минимизирующие гальваническую коррозию; следует избегать присадок с высоким содержанием кремния, если это не требуется конкретным сварочным процессом. Риск горячих трещин у данного семейства сплавов относительно низкий, но сварные швы могут иметь сниженную пластичность и локальное размягчение в зоне термического влияния; для ответственных по усталости деталей может потребоваться механическая обработка и снятие напряжений после сварки.

Обрабатываемость

Обрабатываемость 5754 умеренно сложная по сравнению со сплавами серии 6xxx из-за повышенной пластичности и склонности к упрочнению при работе. Для резки рекомендуются карбидные режущие инструменты с положительным углом врезания, большими углами среза и эффективными средствами разрушения стружки; скорость резания следует подбирать с целью предотвращения нарастания режущего клина и контроля температуры инструмента. Финишная обработка поверхности и контроль за образованием задиров достигаются с помощью острого режущего инструмента, достаточного охлаждения и минимальной подачи на зуб; при обработке экструзионных прутков и толстых листов может потребоваться предварительная снятие напряжений для обеспечения размерной стабильности.

Формуемость

Формуемость отличная в полностью отожжённом состоянии O, что позволяет выполнять малые радиусы гиба и глубокую вытяжку с минимальным возвратом пружинящих деформаций. Минимальные радиусы внутреннего изгиба листа в состоянии O обычно составляют 1–2× толщину материала для простых сгибов, тогда как для термоверсий H требуется 3–6× толщину для предотвращения растрескивания. Холодная деформация увеличивает прочность, но снижает удлинение; при сложных операциях штамповки рекомендуется планировать последовательность формования, используя состояние O для основных вытяжек и лёгкое упрочнение при окончательной формовке.

Поведение при термообработке

Как неупрочняемый сплав, 5754 не реагирует на растворяющую и осадочную термообработку для повышения прочности; механические свойства регулируются холодной обработкой и отжигом. Отжиг (полное размягчение) достигается нагревом до температур рекристаллизации, обычно в диапазоне 300–415 °C в зависимости от времени выдержки и степени предварительной холодной обработки, с последующим медленным охлаждением; это восстанавливает пластичность, но снижает прочность.

Упрочнение происходит за счёт холодной прокатки, волочения или гибки, которые повышают предел текучести и временное сопротивление за счёт увеличения плотности дислокаций; степень упрочнения пропорциональна объёму пластической деформации. Состояния стабилизации или частичного отжига (например, H24) достигаются контролируемыми термическими процессами, снижающими часть остаточных напряжений без полного размягчения материала.

Работа при высоких температурах

Повышенные температуры ускоряют процессы восстановления и рекристаллизации в 5754, что приводит к заметному снижению предела текучести и временного сопротивления уже при умеренно высоких температурах. Непрерывная эксплуатация при температурах выше ≈100 °C приведёт к постепенному уменьшению прочности, а воздействия выше ≈150–200 °C вызовут значительное размягчение и изменения микроструктуры, ухудшающие механические характеристики.

Окисление при типичных атмосферных температурах минимально благодаря защитной плёнке оксида алюминия, но длительное воздействие высоких температур усиливает образование окалины и может изменить химический состав поверхности, что важно для покрытий и адгезии. В зонах сварки или термического влияния повторные термические циклы могут вызывать локальное размягчение и рост зерна; при проектировании рекомендуется ограничивать длительное высокотемпературное воздействие или применять постсварочную термическую стабилизацию.

Применение

Отрасль	Пример изделия	Причина использования 5754
Автомобильная	Кузовные панели, внутренние конструкции	Баланс формуемости, прочности и коррозионной стойкости для видимых и несущих деталей
Морская	Настилы, крепёжные элементы корпуса, конструкционные плиты	Высокая стойкость к хлоридной коррозии и хорошая свариваемость для условий морской воды
Авиакосмическая	Вторичные крепления, внутренние панели	Хорошее соотношение прочности и массы, усталостная стойкость для неответственных конструкций
Электроника	Радиаторы, корпуса	Теплопроводность и коррозионная стойкость в сочетании с хорошей формуемостью
Резервуары под давлением	Низконапорные баки и трубопроводы	Коррозионная стойкость и технологичность для лёгких сосудов

5754 часто выбирают, когда требуется сочетание изотропной прочности листа, надёжной коррозионной стойкости и экономичной технологии обработки. Его возможность сварки с использованием распространённых присадок Al‑Mg и устойчивость к морской среде делают его предпочтительным выбором для широкого спектра конструкционных и облицовочных изделий.

Рекомендации по выбору

5754 является практичным выбором, если проект требует большей прочности, чем у коммерчески чистого алюминия (1100), сохраняя при этом высокую формуемость и коррозионную устойчивость. По сравнению с 1100 он несколько уступает по электрической и теплопроводности, но значительно превосходит по пределам текучести и прочности на разрыв, что важно для конструкционных применений.

В сравнении с распространёнными упрочняемыми холодной деформацией сплавами, такими как 3003 и 5052, 5754 обычно обладает более высокой прочностью и равной или лучшей стойкостью к хлоридной коррозии; его выбирают, когда необходим более прочный лист без перехода на термообрабатываемые системы. По сравнению с термообрабатываемыми сплавами, например 6061, 5754 не достигает таких пиковых прочностей, но часто предпочтительнее для интенсивной сварки и областей, где нужны устойчивость к коррозии и высокая пластичность без искажений и температурной чувствительности, свойственных растворяющей и старению.

Выбирайте 5754, если в конструкции важно сочетание прочности, формуемости и морской стойкости, а также частые операции сварки и холодной обработки; обязательно учитывайте влияние температуры и толщины на усталостные характеристики и требования к формованию.

Краткое резюме

5754 остаётся широко применяемым алюминиево‑магниевым сплавом благодаря сочетанию прочности за счёт твёрдого раствора, надёжной коррозионной стойкости и отличных технологических свойств в экономичной деформируемой форме. Его неупрочняемый характер упрощает производство и делает его особенно подходящим для сварных, холодноформованных и морских применений, где важны долговечность и прогнозируемые механические показатели.