Nhôm 5356: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn độ cứng & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

5356 là một loại hợp kim nhôm thuộc dòng 5xxx (hệ Al–Mg), thường chứa khoảng 4.5–5.5% magiê cùng một lượng nhỏ mangan và crôm. Là hợp kim dòng 5xxx, nó không thể xử lý nhiệt để tăng cường cơ lý mà chủ yếu có độ bền dựa vào cơ chế làm cứng dung dịch rắn và làm cứng biến dạng thay vì xử lý nhiệt kết tủa.

Đặc tính chính của 5356 bao gồm độ bền tương đối cao cho một hợp kim nhôm Al–Mg gia công nguội, khả năng hàn xuất sắc (thường được cung cấp và sử dụng dưới dạng vật liệu hàn bổ sung ER5356), khả năng chống ăn mòn tổng quát và nước biển tốt, cùng tính tạo hình hợp lý trong trạng thái làm mềm và làm cứng một phần. Các ngành công nghiệp tiêu biểu sử dụng 5356 gồm đóng tàu biển, chế tạo thiết bị áp lực, kết cấu giao thông vận tải và ô tô, tấm kiến trúc, cũng như vật liệu hàn bổ sung cho các hợp kim nhôm.

Kỹ sư thường chọn 5356 khi cần sự cân bằng giữa khả năng hàn tốt, chống ăn mòn và hiệu suất mạnh hơn hợp kim nhôm tinh khiết thương mại, đặc biệt cho các kết cấu hàn trong môi trường biển hoặc có chloride. Nó thường được ưu tiên hơn các hợp kim có độ bền thấp hơn khi yêu cầu độ bền mối hàn và khả năng chống ăn mòn nước biển, và được lựa chọn thay cho một số hợp kim xử lý nhiệt khi việc xử lý nhiệt sau hàn không khả thi hoặc khi sự ổn định dung dịch rắn dưới điều kiện làm việc theo chu kỳ rất quan trọng.

Các trạng thái nhiệt luyện (Temper)

Temper	Cấp độ bền	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Hoàn toàn được tôi, thích hợp cho dập sâu và tạo hình
H111	Trung bình	Trung bình - cao	Tốt	Xuất sắc	Làm cứng biến dạng một phần; thường dùng cho ép đùn
H112	Trung bình - cao	Trung bình	Tốt	Xuất sắc	Định hình bền vững qua quy trình kiểm soát
H14	Trung bình - cao	Trung bình	Khá tốt	Xuất sắc	Bán cứng — tăng cường độ bền nhờ làm lạnh nguội
H24	Cao	Thấp - trung bình	Hạn chế	Xuất sắc	Làm cứng biến dạng và tôi một phần để tăng độ dai
H32 / H34	Cao	Thấp	Hạn chế	Xuất sắc	Làm cứng biến dạng và ổn định; sử dụng khi cần kiểm soát độ đàn hồi phục hồi

Các trạng thái nhiệt luyện của 5356 được tạo ra bằng sự kết hợp giữa làm lạnh biến dạng và ổn định hóa, không qua chu trình dung dịch/ủ già. Khi chuyển từ trạng thái O sang các cấp H cao hơn, độ bền tăng lên trong khi độ dãn dài và khả năng tạo hình giảm xuống; khả năng hàn vẫn duy trì tốt trên toàn bộ dải temper vì hợp kim không dựa vào xử lý nhiệt để tăng cường độ bền.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	≤ 0.25	Hàm lượng silic thấp giúp thu hẹp phạm vi đóng rắn và giảm các hợp chất liên kim giòn.
Fe	≤ 0.40	Tạp chất điển hình; sắt dư thừa làm giảm độ dẻo và tăng lượng tạp chất dạng thể rắn.
Mn	0.20–0.60	Kiểm soát cấu trúc hạt, đóng góp vừa phải vào độ bền và khả năng chống ăn mòn.
Mg	4.5–5.5	Nguyên tố chính; mang lại sự làm cứng dung dịch rắn và khả năng chống ăn mòn.
Cu	≤ 0.10	Giữ ở mức thấp vì đồng làm giảm khả năng chống ăn mòn trong môi trường biển.
Zn	≤ 0.20	Hàm lượng kẽm thấp duy trì tính điện hóa so với thép và các hợp kim nhôm khác.
Cr	0.05–0.25	Thêm vào để kiểm soát sự phát triển hạt và cải thiện khả năng chống nhạy cảm hóa nhiệt.
Ti	≤ 0.15	Chất tinh chế hạt khi có mặt với lượng nhỏ.
Những nguyên tố còn lại (mỗi loại)	≤ 0.05	Các tạp chất dư lượng và sơ cấp; được kiểm soát để giữ tính chất vật liệu nhất quán.

Thành phần hóa học của 5356 nhấn mạnh magiê để đạt cơ chế làm cứng dung dịch rắn và cải thiện khả năng chống ăn mòn nước biển, đồng thời hạn chế đồng và kẽm để duy trì hiệu suất chống ăn mòn. Mangan và crôm được sử dụng với lượng kiểm soát nhằm tinh chế cấu trúc vi mô và giảm khả năng ăn mòn nội hạt trong quá trình chịu nhiệt chu kỳ.

Tính chất cơ học

Hành vi ứng suất kéo của 5356 chủ yếu được chi phối bởi sự làm cứng dung dịch rắn từ magiê và mức độ làm cứng biến dạng tạo ra trong bước gia công. Ở trạng thái tôi (annealed), hợp kim có độ dẻo gãy cao và độ dãn dài lớn, trong khi ở các trạng thái làm cứng biến dạng thì giới hạn bền kéo tăng đáng kể kèm theo sự giảm sút độ dãn dài. Độ dày và phương pháp hoàn thiện (cán nguội hay ép đùn) ảnh hưởng rõ rệt: các tiết diện mỏng và sản phẩm ép đùn làm cứng mạnh thường có giới hạn chảy và giới hạn bền kéo cao hơn do độ làm cứng biến dạng lớn và cấu trúc vi mô tinh hơn.

Giới hạn chảy và độ dãn dài phụ thuộc vào trạng thái nhiệt luyện và độ dày; các trạng thái H cao hơn làm tăng giới hạn chảy và giới hạn bền kéo nhưng giảm độ dãn dài đều và tổng. Độ cứng tỷ lệ thuận với mức độ làm cứng biến dạng và thường được báo cáo bằng thang Vickers hoặc Brinell, với giá trị tăng khi cấp temper H tăng. Khả năng chịu mỏi nói chung tốt trong môi trường nước biển và khí quyển, nhưng vùng mối hàn và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt phải được thiết kế tránh tập trung ứng suất và ứng suất dư kéo làm suy giảm tuổi thọ mỏi.

Tính chất	O/Tôi	Temper chính (ví dụ H111/H14)	Ghi chú
Giới hạn bền kéo (MPa)	180–240	240–320	Giá trị thay đổi tuỳ độ dày và temper cụ thể; các khoảng này là điển hình cho sản phẩm gia công.
Giới hạn chảy (MPa)	70–140	150–260	Temper làm cứng biến dạng cho giới hạn chảy cao hơn tương ứng với mức biến dạng lạnh.
Độ dãn dài (%)	18–30	6–18	Trạng thái tôi có độ dẻo cao nhất; temper làm cứng giảm độ dãn dài.
Độ cứng (HB)	35–60	60–95	Độ cứng tăng tuyến tính gần đúng với mức độ làm cứng biến dạng; giá trị tham khảo cho các temper phổ biến.

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	~2.66 g/cm³	Điển hình cho các hợp kim Al–Mg; hữu ích trong tính toán tỷ lệ bền/trọng lượng.
Phạm vi nóng chảy	~570–645 °C	Khoảng nhiệt tinh thể lỏng theo thành phần và mức tạp chất; rất ít điểm eutectic.
Độ dẫn nhiệt	~120–150 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng vẫn tốt cho các ứng dụng tản nhiệt.
Độ dẫn điện	~28–38 % IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do có magiê trong dung dịch.
Nhiệt dung riêng	~0.90 J/g·K (900 J/kg·K)	Đặc trưng nhôm, dùng để tính khối nhiệt.
Hệ số giãn nở nhiệt	~23–24 µm/m·K	Giá trị điển hình cho hợp kim nhôm ở nhiệt độ môi trường.

5356 giữ lại nhiều đặc tính vật lý thuận lợi của nhôm: độ dẫn nhiệt tốt, mật độ thấp và dễ tái chế. Tuy nhiên các tính chất nhiệt và điện bị giảm so với nhôm tinh khiết do hàm lượng magiê; thiết kế cần lưu ý điều này khi áp dụng vào các hệ thống quản lý nhiệt hoặc các ứng dụng đòi hỏi dẫn điện cao.

Dạng sản phẩm

Dạng	Độ dày/kích thước điển hình	Hành vi độ bền	Temper phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.5–6.0 mm	Hiệu suất thay đổi theo mức giảm cán nguội	O, H111, H14	Rộng rãi dùng cho các tấm và cấu kiện hàn; thường được phủ lớp trong ứng dụng kiến trúc.
Đĩa (Plate)	6–50 mm	Ảnh hưởng làm cứng biến dạng thấp hơn đối với tiết diện dày	H111, H112	Phần dày khó làm lạnh nguội; tính chất cơ học phụ thuộc vào quy trình chế tạo.
Thanh ép đùn	Tiểu tiết phức tạp, độ dày thành từ 1–20 mm	Độ bền tốt trong biên dạng định hình nhờ làm cứng biến dạng	H111, H14, H32	Thường dùng cho kết cấu và khung hàn; bề mặt hoàn thiện tốt.
Ống	Ø10–300 mm, độ dày thành biến đổi	Độ bền chịu ảnh hưởng bởi quy trình ép đùn và kéo	H111, H14	Dùng cho đường ống dẫn chất lỏng, lan can biển và ống kết cấu; ưu điểm khả năng chống ăn mòn.
Thanh tròn/thanh đặc	Đường kính 3–50 mm	Hành vi thay đổi theo quá trình kéo nguội	H111, H14	Cũng được cung cấp dưới dạng que/dây hàn (ER5356) cho ứng dụng hàn bổ sung.

Sự khác biệt về quy trình giữa tấm, đĩa và ép đùn rất đáng kể: cán nguội và kéo tạo làm cứng biến dạng làm tăng độ bền cho sản phẩm mỏng hơn, trong khi sản xuất đĩa thường tạo cấu trúc hạt thô và giảm độ bền chế tạo. Việc có sẵn vật liệu hàn bổ sung (que/dây hàn) là lý do chính khiến 5356 được sản xuất dưới nhiều dạng sản phẩm khác nhau, giúp dễ dàng đồng bộ hóa về thành phần hóa học khi chế tạo các cụm hàn.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	5356	USA	Chỉ định hợp kim chế tác chính; ER5356 là vật liệu hàn phổ biến.
UNS	A95356	Quốc tế	Chỉ định theo đăng ký UNS tương ứng với AA 5356 cho các thông số kỹ thuật kỹ thuật.
ISO / EN	AlMg5	Châu Âu / Quốc tế	Chỉ định chung cho nhóm Al–Mg5; kiểm tra tiêu chuẩn địa phương để biết chi tiết đầy đủ.
JIS	A5356 (điển hình)	Nhật Bản	Định danh vùng có thể khác nhau; cần kiểm tra điều khoản cơ học và hóa học.
GB/T	AlMg5 / 5356	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc thường liệt kê dưới dạng AlMg5 với giới hạn hóa học quốc gia.

Các tiêu chuẩn khu vực thường dùng ký hiệu Al–Mg5 cho cùng thành phần hóa học nominal, nhưng các giới hạn về nguyên tố vết, tạp chất cho phép và chỉ định trạng thái vật liệu có thể khác biệt nhẹ. ER5356 (dây hàn) là ký hiệu phổ biến ở nhiều vùng, nhưng người mua nên xác nhận tính chất phụ thuộc chiều dày và các xử lý bổ sung từ giấy chứng nhận nhà máy.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

5356 thể hiện khả năng chống ăn mòn tổng thể rất tốt trong môi trường khí quyển và biển nhờ magiê trong dung dịch rắn tạo lớp màng thụ động ổn định, và hợp kim chứa rất ít đồng. Trong môi trường nước biển và vùng bắn tung tóe, nó vận hành tốt cho vỏ tàu, sàn boong, và phụ kiện khi được thiết kế chi tiết hợp lý và bảo dưỡng đúng cách; xử lý bề mặt và lớp phủ càng tăng tuổi thọ. Ăn mòn pitting ít nghiêm trọng hơn so với một số hợp kim nhiều đồng, nhưng ăn mòn khe hở có thể xảy ra trong môi trường chứa clo đọng đặc nếu có sự tích tụ hoặc tế bào ôxy hóa khác biệt.

Các hợp kim có khoảng 5% Mg, bao gồm 5356, dễ bị nhạy cảm hóa và ăn mòn liên hạt nếu tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ trong khoảng 65–160 °C; điều này đặc biệt quan trọng với kết cấu hàn, nơi vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) có thể tạo ra các ranh giới hạt anod địa phương. Ăn mòn ứng suất (SCC) là vấn đề cần lưu ý dưới ứng suất kéo duy trì trong một số môi trường, đặc biệt khi nồng độ clo và nhiệt độ cao, vì vậy thiết kế phải giảm thiểu ứng suất kéo tồn dư và tránh cặp điện phân kích thích phản ứng anod. So với nhôm thương mại 3xxx và nhôm tinh khiết, 5356 đánh đổi một chút khả năng tạo hình để có khả năng chống ăn mòn và độ bền kéo cải thiện đáng kể; so với một số hợp kim 6xxx có xử lý nhiệt, 5356 thường bền hơn trong môi trường clo biển.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

5356 được xem là vật liệu hàn và hợp kim cơ sở tuyệt vời cho hầu hết các phương pháp hàn hồ quang, bao gồm GTAW (TIG), GMAW (MIG), và SAW. Dây và que hàn ER5356 được chỉ định phổ biến để nối các kim loại cơ sở Al–Mg, và mối hàn thường có độ bền kéo cũng như độ dẻo dai tốt. Nguy cơ nứt nóng thấp hơn so với một số vật liệu hàn Al–Si, nhưng thành phần kim loại mối hàn và thiết kế mối nối cần được kiểm soát; hàn khác loại với hợp kim nhiều đồng hoặc một số hợp kim 6xxx có thể dẫn đến ăn mòn điện hóa và SCC. Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) có thể bị mềm đi so với vật liệu gốc làm nguội lạnh do phục hồi biến dạng lạnh; kỹ sư cần dự đoán sự giảm cục bộ về giới hạn chảy gần mối hàn.

Khả năng gia công cơ khí

Gia công 5356 được đánh giá mức trung bình khá so với các hợp kim nhôm dễ gia công; hợp kim gia công tốt hơn khi ở trạng thái mềm hơn và dùng dụng cụ cacbua. Dụng cụ khuyên dùng là mũi phay đầu cacbua và mảnh hợp kim với góc cắt vừa phải để tránh tích tụ phoi; tốc độ cắt khá cao so với thép, và tốc độ ăn dao nên được tối ưu để tạo ra phoi ngắn, dễ kiểm soát. Dùng dung dịch làm mát hoặc khí thổi giúp tống phoi và kiểm soát nhiệt; các bước hoàn thiện và cắt nhẹ làm cải thiện bề mặt nhờ tính dẻo của hợp kim.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình rất tốt khi ở trạng thái O với bán kính uốn nhỏ; các trạng thái làm cứng một phần giảm khả năng tạo hình và tăng độ đàn hồi trở lại. Bán kính uốn trong thực tế khi ủ có thể nhỏ đến 1–2 lần chiều dày tấm, trong khi các trạng thái H14–H32 thường yêu cầu bán kính lớn hơn 2–4 lần chiều dày tùy thuộc dụng cụ. Đối với dập sâu hoặc dập phức tạp, nên bắt đầu từ trạng thái O và áp dụng làm cứng kiểm soát hoặc ổn định đến trạng thái H mong muốn sau khi tạo hình.

Đặc Tính Xử Lý Nhiệt

5356 là hợp kim nhôm không thể xử lý nhiệt để tăng cường cơ học; phương pháp xử lý thông thường như tôi dung dịch và lão hóa nhân tạo không được sử dụng để tăng độ bền. Thay đổi độ bền đạt được qua biến dạng cơ học (làm nguội lạnh) và khi cần có thể xử lý ổn định bằng ủ nhẹ để giảm ứng suất. Tiếp xúc nhiệt độ trên ~65 °C có thể dẫn đến sự khuếch tán magiê và hình thành các pha Mg tập trung ở ranh giới hạt (nhạy cảm hóa) ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn; do đó, các chu trình nhiệt sau gia công cần được hạn chế hoặc kiểm soát.

Ủ mềm (trạng thái O) làm mềm hợp kim bằng quá trình hồi phục và tái kết tinh, khôi phục độ dẻo và khả năng tạo hình. Xử lý ổn định (ủ nhiệt độ thấp) đôi khi áp dụng để giảm ứng suất tồn dư sau gia công hoặc hàn, nhưng không tạo ra sự tăng cường như hợp kim nhôm được tôi luyện. Do vậy, thiết kế và quy trình dựa trên kế hoạch làm nguội lạnh và kiểm soát nhiệt độ hơn là chu trình T-temper.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

Giống như hầu hết hợp kim Al–Mg, 5356 mất đáng kể độ bền ở nhiệt độ cao; nhiệt độ làm việc liên tục thường giới hạn khoảng 100–120 °C cho các chi tiết chịu tải. Trên ~150 °C, hợp kim trải qua quá trình hồi phục cấu trúc vi mô và kết tủa ranh giới hạt làm giảm tính chất cơ học và tăng nguy cơ ăn mòn liên hạt. Quá trình oxy hóa không khí thấp hơn nhiều so với thép, nhưng tiếp xúc nhiệt độ cao lâu dài thúc đẩy thay đổi vi cấu trúc làm giảm khả năng chống mỏi và SCC.

Vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn đặc biệt quan trọng trong ứng dụng nhiệt độ cao, vì chu trình nhiệt làm mềm vật liệu gốc biến dạng lạnh và thúc đẩy quá trình nhạy cảm hóa tại ranh giới hạt. Với các chu kỳ nhiệt ngắn hạn điển hình trong hàn hoặc tạo hình, ảnh hưởng này thường có thể xử lý được; với phục vụ nhiệt độ cao kéo dài, nên xem xét chọn hợp kim khác.

Ứng Dụng

Ngành	Ví dụ Thành Phần	Lý Do Sử Dụng 5356
Hàng hải	Tấm vỏ tàu, lan can, phụ kiện boong, thiết bị cố định	Chống ăn mòn nước biển tuyệt vời và dễ hàn; vật liệu hàn phổ biến cho sửa chữa
Giao thông vận tải	Khung kết cấu, bình chứa nhiên liệu, rơ moóc	Tỷ lệ bền trên khối lượng tốt và mối hàn chắc chắn
Hàng không & Quốc phòng	Kết cấu thứ cấp, giá đỡ, phụ kiện	Kết hợp ưu việt giữa khả năng hàn, chống mỏi và chống ăn mòn
Bình chịu áp lực / Trữ lạnh	Bình chứa, bình hàn	Vật liệu hàn tin cậy và tính chất ổn định ở nhiệt độ thấp
Gia công / Hàn	Que/dây hàn (ER5356), lớp phủ	ER5356 được sử dụng rộng rãi làm vật liệu hàn cho các hợp kim cơ sở Al–Mg và Al–Si
Kiến trúc	Tường rèm, tấm mái che	Khả năng chống ăn mòn và phù hợp với anode hóa cho bề mặt bền đẹp

Vai trò của 5356 trong kỹ thuật hiện đại thường tập trung vào các kết cấu hàn nơi cần hợp kim cơ sở hoặc vật liệu hàn có khả năng chống ăn mòn và dễ hàn. Sự kết hợp giữa khả năng tạo hình (trạng thái O), độ bền (trạng thái H) và tính sẵn có dưới dạng sản phẩm chế tác và vật liệu hàn làm cho nó trở thành lựa chọn thực tế trong nhiều ngành.

Gợi Ý Lựa Chọn

Đối với thiết kế cần độ bền cao hơn nhôm tinh khiết thương mại (ví dụ 1100) trong khi vẫn giữ khả năng hàn và chống ăn mòn tốt, 5356 là bước nâng cấp hợp lý; nó đánh đổi một phần tính dẫn điện và dẫn nhiệt để có hiệu suất cơ học cao hơn. So với các hợp kim làm cứng cơ như 3003 hay 5052, 5356 thường có độ bền cao hơn và khả năng chống ăn mòn nước biển tốt hơn, mặc dù 5052 giữ được khả năng tạo hình rất tốt và có thể lựa chọn ưu tiên khi dập sâu là chính. So với các hợp kim tôi nhiệt như 6061/6063, 5356 được chọn khi xử lý nhiệt sau hàn hoặc trong sử dụng là không khả thi, hoặc khi cần khả năng chống clo vượt trội mặc dù độ bền cực đại thấp hơn.

Chọn 5356 khi đặc tính mối hàn và chống ăn mòn biển là yếu tố chính, khi sử dụng hợp kim vật liệu hàn chứa magiê cải thiện tính nhiệt luyện mối nối, hoặc khi ưu tiên quy trình gia công không qua xử lý nhiệt. Nếu tối đa hóa độ bền trên khối lượng là yêu cầu hàng đầu và việc xử lý nhiệt sau gia công được chấp nhận, hợp kim T6 có thể cung cấp độ bền tuyệt đối cao hơn; nếu dập sâu là ưu tiên, hợp kim nhôm dòng 3xxx trạng thái O mềm hơn có thể phù hợp hơn.

Tóm Tắt Cuối

5356 vẫn là hợp kim Al–Mg được sử dụng rộng rãi và phù hợp bởi nó cung cấp sự cân bằng hiệu quả giữa khả năng hàn, khả năng chống ăn mòn, và độ bền cơ học hữu ích mà không cần dựa vào xử lý nhiệt. Sự phổ biến với dạng sản phẩm chế tác và vật liệu hàn tiêu chuẩn (ER5356) làm nó là lựa chọn thực tiễn cho kỹ sư làm việc trong các cấu trúc hàn dùng trong ngành hàng hải, giao thông vận tải và kiến trúc, nơi yêu cầu hiệu suất ổn định và tuổi thọ lâu dài trong môi trường chứa clo.