Aluminum 2124: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ tôi và Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

2124 là hợp kim nhôm-dong trong loạt 2xxx, đặc trưng bởi đồng là nguyên tố hợp kim chính, cùng với magiê và mangan là các nguyên tố phụ quan trọng. Đây là hợp kim có thể xử lý nhiệt, phát triển độ bền cao chủ yếu qua quá trình xử lý nhiệt hoà tan, tôi nhanh và già hóa nhân tạo, với khả năng tăng cường thêm bằng làm lạnh kiểm soát khi yêu cầu các trạng thái tôi (temper) nhất định.

Hợp kim này thể hiện độ bền tĩnh cao và độ dai gãy tốt đối với loại nhôm chứa đồng, nhưng đánh đổi một phần độ bền ăn mòn tổng quát và tính hàn kém hơn so với nhóm 5xxx và 6xxx. Độ dẻo trong trạng thái đã ủ là chấp nhận được, trong khi các trạng thái tôi cứng làm giảm đáng kể độ dẻo; khả năng gia công của các dạng sản phẩm kéo nguội thường rất tốt khi sử dụng trong hàng không.

Các ngành công nghiệp tiêu biểu sử dụng 2124 bao gồm kết cấu chính và phụ trong hàng không vũ trụ, phụ kiện chịu lực cao và một số linh kiện quốc phòng nơi yêu cầu tỷ lệ bền trên trọng lượng cao và khả năng chịu mỏi ưu việt. Kỹ sư sẽ lựa chọn 2124 hơn các hợp kim khác khi cần kết hợp độ bền cao, khả năng chịu hư hại và phản ứng già hóa dự đoán được, đồng thời khi các biện pháp bề mặt hoặc lớp bảo vệ có thể giảm thiểu độ nhạy với ăn mòn.

Các Biến Thể Tôi (Temper)

Temper	Độ Bền	Độ Dãn	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Đã ủ hoàn toàn, độ dẻo tối đa cho việc tạo hình
H14	Trung Bình	Thấp - Trung Bình	Khá	Kém	Gia cường bằng biến dạng, độ dẻo giới hạn
T3	Trung Bình - Cao	Trung Bình	Khá	Kém	Xử lý nhiệt hoà tan, làm lạnh và già hóa tự nhiên
T4	Trung Bình	Trung Bình	Khá	Kém	Xử lý nhiệt hoà tan và già hóa tự nhiên
T6	Cao	Thấp	Giới hạn	Kém	Xử lý nhiệt hoà tan và già hóa nhân tạo để đạt độ bền cực đại
T8	Cao	Thấp	Giới hạn	Kém	Xử lý nhiệt hoà tan, làm lạnh và già hóa nhân tạo
T351	Trung Bình - Cao	Trung Bình	Khá	Kém	Xử lý nhiệt hoà tan, giải áp ứng suất bằng kéo giãn
T851	Cao	Thấp - Trung Bình	Giới hạn	Kém	Xử lý nhiệt hoà tan, giải áp ứng suất (kéo giãn), và già hóa nhân tạo; temper phổ biến trong hàng không

Việc tôi luyện ảnh hưởng mạnh đến sự đánh đổi giữa độ bền, độ dẻo và khả năng chống mỏi của 2124. Vật liệu dạng ủ (O) được sử dụng khi ưu tiên tạo hình, trong khi các trạng thái tôi T6/T851 được chọn để đạt độ bền tĩnh cao nhất và duy trì tính chất ổn định ở nhiệt độ phòng.

Mức độ làm lạnh kiểm soát và già hóa nhân tạo sau đó (ví dụ T8) có thể dùng để điều chỉnh sự cân bằng giữa giới hạn chảy và độ dai, nhưng làm giảm khả năng tạo hình và khiến việc hàn trở nên khó khăn do làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và dễ nứt nóng.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	≤ 0.50	Tạp chất; kiểm soát để giảm lỗi đúc và duy trì độ dẻo
Fe	≤ 0.50	Tạp chất; dư thừa làm giảm khả năng chống ăn mòn và có thể tạo hợp chất kim loại trung gian giòn
Cu	3.8 – 4.9	Nguyên tố chính tăng cường, thúc đẩy quá trình đông kết tạo vững
Mn	0.20 – 0.50	Kiểm soát cấu trúc hạt và tái kết tinh; cải thiện độ dai
Mg	1.2 – 1.8	Tương tác với Cu cho độ cứng và khả năng tôi luyện
Zn	≤ 0.25	Nhỏ; thường thấp và không ảnh hưởng nhiều đến tăng cứng
Cr	≤ 0.10	Kiểm soát cấu trúc hạt và hạn chế tái kết tinh
Ti	≤ 0.15	Tinh thể mịn trong quá trình đúc và gần đúc
Khác	≤ 0.15 tổng	Các nguyên tố vết và tạp chất còn lại; giữ thấp để duy trì phản ứng già hóa dự đoán được

Đồng và magiê là các nguyên tố chính cho quá trình đông kết tạo vững của 2124; đồng hình thành CuAl2 và các pha liên quan kết tủa trong quá trình già hóa. Mangan và các nguyên tố vi lượng như crôm và titan tinh thể mịn hạt và ổn định tính chất, trong khi silic và sắt được kiểm soát để tránh tạo pha kim loại trung gian giòn làm giảm độ dai và khả năng chống ăn mòn.

Tính Chất Cơ Học

Đặc tính kéo của 2124 phụ thuộc rất lớn vào trạng thái tôi luyện với sự tăng đáng kể cả giới hạn chảy và giới hạn bền kéo ở các trạng thái già hóa đông kết. Các điều kiện già hóa tối đa như T6 hay T851 tạo ra tỷ lệ giới hạn chảy trên bền kéo cao và độ dãn đồng đều thấp; các trạng thái tôi này cũng làm tăng độ cứng và giảm độ dai theo khía cạnh vết nứt so với vật liệu ủ. Độ bền mỏi thường tốt đối với hợp kim nhôm đồng cường độ cao nếu chất lượng bề mặt và ứng suất dư được kiểm soát đồng thời ăn mòn được giảm thiểu bằng biện pháp bảo vệ hoặc clad (lớp phủ bảo vệ).

Độ dày và hình dạng sản phẩm ảnh hưởng đến các chỉ số cơ học do tốc độ làm nguội qua chiều dày khi tôi và khả năng già hóa không đều; các bản mỏng có thể đạt độ bền đỉnh đều hơn so với bản dày. Độ dãn giảm khi độ bền tăng lên và cũng giảm trong trạng thái gia công nguội nhiều; thiết kế về độ dẻo cần xem xét các trạng thái tôi hiện có và quy trình tạo hình. Độ cứng liên quan chặt chẽ đến tính chất kéo nhưng vùng làm mềm cục bộ trong hàn hoặc vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) có thể làm suy giảm hiệu suất sử dụng đáng kể nếu không được tính đến.

Tính Chất	O/Đã Ủ	Temper Chính (T851/T6)	Ghi Chú
Giới hạn bền kéo (UTS)	~200–300 MPa	~470–520 MPa	Giá trị phụ thuộc độ dày và quy trình; vật liệu hàng không thường ở mức cao hơn
Giới hạn chảy (0.2% offset)	~80–220 MPa	~350–470 MPa	Giới hạn chảy tăng mạnh với già hóa; T851 thường cho giới hạn chảy cao hơn T6 trong một số điều kiện xử lý
Độ dãn (trong 50 mm)	~18–26%	~6–12%	Độ dãn giảm khi già hóa và gia công nguội tăng
Độ cứng (Brinell HB)	~30–60 HB	~120–160 HB	Độ cứng tương ứng với độ bền kéo và điều kiện tôi; các xử lý bề mặt thay đổi độ cứng phục vụ

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	2.78 g/cm³	Đặc trưng của các hợp kim nhôm cường độ cao, có lợi cho tỷ lệ bền/trọng lượng
Phạm Vi Nhiệt Độ Nóng Chảy	~500–640 °C	Phạm vi điểm rắn/lỏng phụ thuộc đồng và các nguyên tố phụ
Độ Dẫn Nhiệt	~120 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng vẫn tốt cho nhiều ứng dụng truyền nhiệt
Độ Dẫn Điện	~30–40 %IACS	Giảm do hợp kim hóa; không phù hợp khi cần dẫn điện cao
Nhiệt Dung Riêng	~0.90 J/g·K (900 J/kg·K)	Điển hình cho hợp kim nhôm ở nhiệt độ môi trường
Hệ Số Nở Nhiệt	~23–24 µm/m·K	Hệ số giãn nở nhiệt tương tự các hợp kim nhôm khác

Mật độ và tính chất nhiệt làm cho 2124 hấp dẫn trong các ứng dụng đòi hỏi khối lượng thấp và khả năng dẫn nhiệt hợp lý bên cạnh khả năng cơ học. Độ dẫn điện bị giảm mạnh do thành phần đồng nên 2124 không thay thế cho nhôm điện khi yêu cầu dẫn điện cao.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Điển Hình	Hành Vi Độ Bền	Temper Phổ Biến	Ghi Chú
Tấm	0.5 – 6 mm	Đồng đều tốt ở độ dày mỏng	O, T3, T6, T851	Độ dày phổ biến cho vỏ và tấm hàng không; có thể clad bảo vệ
Phiến	6 – 200 mm	Có thể có gradient tính chất qua chiều dày	O, T6, T851	Phiến dày yêu cầu làm nguội kiểm soát để tránh lõi mềm
Đùn	Hồ sơ đến tiết diện lớn	Phụ thuộc tốc độ làm nguội tiết diện	T6 (có thể già hóa) sau xử lý hoà tan	Ít phổ biến hơn tấm/phiến; tốt cho các thanh gia cố phức tạp
Ống	Đường kính ngoài và độ dày thành biến thiên	Giới hạn cơ học do độ dày thành ống	T3, T6	Dùng trong phụ kiện và ống kết cấu hàng không
Thanh Tròn/Thỏi	Đường kính lên đến 200 mm	Đồng nhất ở đường kính nhỏ hơn	O, T6	Dùng cho phụ kiện gia công và rèn

Sự khác biệt trong quy trình sản xuất dẫn đến các hệ quả tính chất riêng biệt: tấm và ống mỏng làm nguội nhanh và đạt già hóa đồng đều hơn, trong khi phiến dày yêu cầu quy trình làm nguội đặc biệt và có thể cần chu trình già hóa bổ sung sau đó. Việc lựa chọn sản phẩm cần cân nhắc điều kiện nhiệt xử lý sau tạo hình, khả năng clad và có hay không sẽ gia công hoặc hàn chi tiết.

Các mác tương đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	2124	Hoa Kỳ	Chỉ định chính theo Aluminum Association
EN AW	2124	Châu Âu	Thường được tham chiếu là EN AW-2124 trong tiêu chuẩn châu Âu với thành phần hóa học tương tự
JIS	A2618/A?	Nhật Bản	Không có mác JIS tương đương chính xác; tồn tại các mác Al-Cu cường độ cao tương tự
GB/T	AlCu4Mg1 / tương đương 2124	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc thường liệt kê thành phần dưới tên mô tả thay vì số hợp kim giống hệt

2124 chủ yếu được quy định trong AA/ASTM và được công nhận trong danh pháp EN dưới mã AW-2124; tuy nhiên, một số khu vực áp dụng hợp kim liên quan gần với giới hạn tạp chất và trạng thái nhiệt luyện hơi khác biệt. Sự khác biệt nhỏ về thành phần nguyên tố vết cho phép hoặc quy trình kiểm định lô hàng có thể dẫn đến hiệu suất cơ học khác nhau nhẹ, do đó cần tham chiếu chéo thông số cơ học và chứng nhận lô hàng khi thay thế giữa các vùng.

Khả năng chống ăn mòn

Trong môi trường khí quyển, 2124 có khả năng chống ăn mòn kém hơn các hợp kim dòng 5xxx và 6xxx do các pha kết tủa chứa đồng có thể kích thích sự bắt đầu ăn mòn cục bộ. Khi tiếp xúc với môi trường ẩm hoặc hơi ăn mòn nhẹ, 2124 được hưởng lợi từ lớp phủ bảo vệ hoặc lớp mạ chuyển đổi crom thường được áp dụng trong ngành hàng không vũ trụ. Lớp phủ (alclad) thường dùng cho ứng dụng vỏ ngoài để tạo rào chắn nhôm tinh khiết hy sinh, cải thiện khả năng chống ăn mòn điểm và bong tróc.

Trong môi trường biển, hợp kim dễ bị ăn mòn điểm và nội grain trừ khi được bảo vệ bởi lớp phủ, lớp alclad hoặc bảo vệ điện hóa; phun muối liên tục làm tăng tốc quá trình ăn mòn tại các vùng pha kết tủa giàu đồng. Nứt ăn mòn dưới ứng suất (SCC) có thể xảy ra trong môi trường chứa chloride và khi chịu ứng suất kéo, đặc biệt ở điều kiện nhiệt luyện đỉnh và khi tồn dư ứng suất kéo từ quá trình tạo hình hoặc gia công.

Phản ứng điện hóa (galvanic) là đáng kể khi 2124 tiếp xúc với kim loại quý hơn như thép không gỉ hoặc đồng; nhôm sẽ hoạt động như cực anode và ăn mòn ưu tiên nếu không được cách điện hay bảo vệ. So với hợp kim dòng 6xxx (Al-Mg-Si), 2124 đánh đổi một phần khả năng chống ăn mòn lấy cường độ cao hơn, và so với hợp kim 5xxx thì có khả năng chịu môi trường biển chứa chloride kém hơn đáng kể.

Tính chất gia công

Khả năng hàn

Hàn 2124 rất khó khăn và thường không được khuyến khích cho các ứng dụng đòi hỏi tính toàn vẹn cấu trúc cao do dễ nứt nóng và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) bị mềm hóa. Khi cần hàn, các phương pháp như TIG hoặc MIG với que hàn hợp kim Al-Cu phù hợp (ví dụ 2319 hoặc biến thể đặc biệt 4047/5356) được chỉ định thường xuyên để giảm nguy cơ nứt và cải thiện độ dẻo của vũng hàn. Xử lý nhiệt sau hàn không thể khôi phục hoàn toàn đặc tính nhiệt luyện đỉnh ban đầu trong vùng hàn, do đó nhà thiết kế thường tránh hàn các chi tiết chịu ứng suất cao quan trọng.

Khả năng gia công cơ khí

2124 được xem là có khả năng gia công khá tốt so với nhiều hợp kim nhôm cường độ cao khác; nó gia công tốt bằng dụng cụ thép gió hoặc cacbua với tốc độ và cấp điều kiện phù hợp. Mảnh vỡ thường có dạng liên tục và dẻo; dùng chất làm nguội và thiết lập cứng giúp cải thiện bề mặt và kiểm soát kích thước. Tuổi thọ dụng cụ có thể dài hơn một số hợp kim không chứa đồng nhờ xu hướng tạo mảnh vỡ thuận lợi, nhưng độ bền cao làm tăng lực cắt nên cần chú ý.

Khả năng tạo hình

Tạo hình hiệu quả nhất khi ở trạng thái ủ (O) hoặc nhiệt luyện nhẹ; trạng thái cứng như T6/T851 có độ dẻo thấp và khó tạo hình mà không bị rạn nứt. Bán kính uốn tối thiểu và chiều sâu dập kéo nên được áp dụng cẩn trọng cho trạng thái nhiệt luyện; phương pháp tạo hình nhiệt hoặc xử lý dung dịch rồi nhiệt luyện sau đó có thể dùng để đạt hình dạng phức tạp. Hiện tượng đàn hồi hồi phục (springback) lớn ở trạng thái cường độ cao và cần được bù trừ trong thiết kế dụng cụ.

Hành vi xử lý nhiệt

Xử lý dung dịch cho 2124 thường thực hiện ở nhiệt độ khoảng 495–505 °C để hòa tan các pha mang đồng và magie vào dung dịch rắn quá bão hòa. Làm nguội nhanh, thường là làm nguội bằng nước từ nhiệt độ dung dịch, cần thiết để giữ các nguyên tử hòa tan trong dung dịch quá bão hòa và cho phép tạo kết tủa trong quá trình nhiệt luyện nhân tạo. Lịch trình nhiệt luyện nhân tạo cho trạng thái giống T6 thường sử dụng nhiệt độ khoảng 160–190 °C trong vài giờ để đạt cân bằng giữa độ bền và độ dai với chuỗi kết tủa tái lập có thể lặp lại.

T851 và các trạng thái nhiệt luyện tương tự trong ngành hàng không thêm bước kéo căng có kiểm soát (giảm ứng suất) sau khi làm nguội và trước nhiệt luyện để giảm ứng suất dư và cải thiện ổn định kích thước. Nhiệt luyện quá mức (overaging) có thể dùng có chủ ý để nâng cao khả năng chống ăn mòn ứng suất với đánh đổi là giảm sức bền cực đại; nhiệt luyện lại có kiểm soát hoặc nhiệt luyện sửa chữa được áp dụng cho chi tiết sau các biến động nhiệt hạn chế. Đặc tính không xử lý nhiệt không áp dụng cho 2124 vì cường độ chính dựa trên kết tủa thay cho làm cứng biến dạng thuần túy.

Hiệu suất nhiệt độ cao

2124 mất dần cường độ khi nhiệt độ tăng, giảm rõ rệt trên 100–150 °C và mềm hóa đáng kể khi gần đạt nhiệt độ nhiệt luyện nhân tạo tiêu chuẩn. Phơi nhiễm dài hạn ở nhiệt độ cao thúc đẩy quá trình nhiệt luyện quá mức và kết tủa có kích thước lớn hơn, làm giảm giới hạn chảy và khả năng chịu mỏi. Oxy hóa ở nhôm ở nhiệt độ này trong không khí khô rất thấp, nhưng mất tính chất cơ học là giới hạn chính cho dịch vụ nhiệt độ cao.

Vùng chịu ảnh hưởng nhiệt do hàn bị mềm hóa cục bộ và thay đổi cấu trúc vi mô làm giảm khả năng chịu tải, đặc biệt ở nhiệt độ mà kết tủa phát triển nhanh. Với ứng dụng chịu chu kỳ hoặc nhạy cảm với creep, thiết kế thường giới hạn nhiệt độ làm việc dưới ngưỡng phát triển kết tủa nhanh và yêu cầu lớp phủ bảo vệ để hạn chế tương tác môi trường.

Ứng dụng

Ngành	Ví dụ chi tiết	Lý do sử dụng 2124
Hàng không	Phụ kiện cánh, bản nối, giá đỡ cấu trúc chịu tải cao	Cường độ trên trọng lượng cao và khả năng chống mỏi/gãy tốt
Hàng hải	Chi tiết kết cấu chịu lực cao (có bảo vệ hoặc lớp phủ cladding)	Sức bền và độ dai ở nơi kiểm soát được ăn mòn
Quân sự	Bộ phận giáp, cấu trúc tên lửa, chi tiết rèn kết cấu	Cường độ tĩnh cao kết hợp khối lượng nhẹ tương đối
Điện tử	Giá đỡ kết cấu, chi tiết khung vỏ	Độ cứng và dẫn nhiệt tốt cùng cường độ cao

2124 thường dùng khi cần cường độ riêng cao và hành vi nhiệt luyện đáng tin cậy, đồng thời các biện pháp bảo vệ hạn chế nguy cơ ăn mòn. Đây vẫn là vật liệu được lựa chọn cho các chi tiết cấu trúc hàng không khi tiết kiệm trọng lượng và độ chịu hư hại mang lại lợi ích hệ thống.

Gợi ý lựa chọn

Dùng 2124 khi các yếu tố thiết kế chủ đạo là giới hạn chảy và giới hạn bền kéo cao kết hợp với khả năng chống mỏi và phá hủy tốt, đồng thời áp dụng lớp phủ bảo vệ, lớp cladding hoặc môi trường kiểm soát được nguy cơ ăn mòn. Chỉ định trạng thái T851 hoặc tương tự với kéo giãn và nhiệt luyện để đạt ổn định kích thước và cường độ chảy nâng cao cho cấp độ hàng không; chọn trạng thái O hoặc nhiệt luyện nhẹ hơn cho các công đoạn tạo hình trước xử lý nhiệt cuối cùng.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 2124 đánh đổi khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt cùng tính tạo hình vượt trội lấy cường độ cao hơn nhiều và hiệu suất chịu mỏi tốt hơn. So với các hợp kim làm cứng biến dạng phổ biến như 3003 hoặc 5052, 2124 cung cấp cường độ vượt trội nhưng khả năng chống ăn mòn kém hơn và khó hàn hơn. So với các hợp kim phổ biến có thể xử lý nhiệt như 6061 hay 6063, 2124 thường có giới hạn chảy cao hơn và độ dai phá hủy tốt hơn cho ứng dụng kết cấu đòi hỏi, song đánh đổi khả năng chống ăn mòn và dễ hàn/sửa chữa; lựa chọn 2124 khi ưu tiên cường độ và hiệu quả chịu mỏi hơn các yếu tố trên.

Tóm tắt cuối cùng

2124 vẫn là hợp kim nhôm cường độ cao có vị trí trong kỹ thuật hiện đại khi yêu cầu cường độ riêng cao và đáp ứng nhiệt luyện kết tủa đáng tin cậy, đặc biệt trong ngành hàng không và quốc phòng. Việc lựa chọn phải đi kèm với biện pháp bảo vệ ăn mòn, kiểm soát trạng thái nhiệt luyện và kế hoạch gia công phù hợp để tận dụng tối đa ưu điểm cơ học của hợp kim này.