Nhôm 5754: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn xử lý nhiệt & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

5754 là một thành viên của dãy hợp kim nhôm 5xxx, thuộc nhóm Al‑Mg với magiê là nguyên tố hợp kim chính. Hợp kim này thường được cung cấp dưới dạng sản phẩm gia công và được phân loại theo ký hiệu EN AW‑5754 và AA‑5754; hàm lượng Mg (~2,6–3,6 wt%) đặt nó vào nhóm hợp kim magiê thương mại có độ bền cao, không thể xử lý nhiệt.

Việc tăng cường độ bền của 5754 chủ yếu dựa vào tăng cường dung dịch rắn và làm cứng biến dạng thay vì xử lý nhiệt kết tủa. Là hợp kim không thể xử lý nhiệt, các tính chất được điều chỉnh qua làm lạnh và gia công nhiệt cơ thay vì các chu trình xử lý nhiệt nóng chảy/lão hóa.

Đặc tính chính của 5754 bao gồm độ bền cao hơn so với nhôm tinh khiết thương mại và nhiều hợp kim dãy 3xxx và 1xxx, khả năng chống ăn mòn tốt đến rất tốt trong môi trường khí quyển và biển, tính hàn tốt khi sử dụng kim loại điền đầy Al‑Mg, cùng khả năng tạo hình ưu việt đặc biệt ở trạng thái tôi mềm (annealed). Các ngành công nghiệp sử dụng 5754 phổ biến là chế tạo thân xe ô tô và kết cấu, chế tạo tàu biển và ngoài khơi, bình áp và ứng dụng tấm/phiến chung nơi đòi hỏi độ bền, khả năng chống mỏi và hiệu suất chống ăn mòn.

Kỹ sư thường chọn 5754 thay thế các hợp kim khác khi cần sự cân bằng giữa độ bền trung bình đến cao, khả năng chống ăn mòn đáng tin cậy và độ dẻo nguội tốt mà không phải chịu các hạn chế về chi phí hoặc quy trình của hợp kim có thể xử lý nhiệt. Nó thường được lựa chọn trong các ứng dụng yêu cầu hàn nhiều và hàm lượng magiê cao giúp tăng cường độ bền mà không làm giảm tuổi thọ trong môi trường biển.

Biến Thể Temper

Temper	Cấp Độ Bền	Độ Dãn Dài	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao (20–30%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Hoàn toàn tôi mềm, độ dẻo cực đại cho các hình dạng phức tạp
H111	Trung bình	Trung bình (12–20%)	Tốt	Rất tốt	Làm cứng biến dạng nhẹ, thường được cung cấp cho ứng dụng chung
H22	Trung bình-Cao	Thấp hơn (8–15%)	Khá-Tốt	Rất tốt	Trạng thái cứng ¼, cân bằng giữa độ bền và khả năng tạo hình
H24	Cao	Thấp-Trung bình (6–12%)	Khá	Tốt	Làm cứng biến dạng và ổn định một phần để tăng cường độ bền
H34	Cao	Thấp (4–10%)	Giới hạn	Tốt	Làm cứng biến dạng mạnh hơn cho các ứng dụng cần giới hạn chảy cao hơn

Temper điều chỉnh tính chất của 5754 chủ yếu bằng cách tạo mật độ đếm sai hỏng qua biến dạng nguội (các temper H) hoặc loại bỏ làm cứng biến dạng trong trạng thái tôi mềm O. Độ tôi mềm O cho độ kéo và khả năng tạo hình uốn tốt nhất, thích hợp cho các hình dạng sâu và các nếp uốn phức tạp.

Khi mức độ làm cứng biến dạng tăng lên, giới hạn chảy và bền kéo tăng trong khi độ dãn dài và khả năng uốn giảm; khả năng hàn về tổng thể vẫn tốt ở tất cả các temper nhưng thiết kế mối hàn cần cân nhắc độ dẻo giảm đi ở các temper cứng hơn.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	0,40 tối đa	Tạp chất; lượng silic thấp giúp duy trì độ dẻo
Fe	0,40 tối đa	Tạp chất tiêu biểu; có thể tạo các hợp chất liên kim làm ảnh hưởng đến khả năng tạo hình
Mn	0,50 tối đa	Kiểm soát cấu trúc hạt, cải thiện độ bền và khả năng chống tái kết tinh
Mg	2,6–3,6	Nguyên tố chính tăng cường độ bền, cải thiện chống ăn mòn và khả năng làm cứng biến dạng
Cu	0,10 tối đa	Lượng thấp để tránh giảm khả năng chống ăn mòn
Zn	0,20 tối đa	Tạp chất nhẹ; Zn cao có thể làm giảm độ dẻo
Cr	0,30 tối đa	Viện hợp kim vi lượng kiểm soát kích thước hạt và giới hạn sự phát triển hạt
Ti	0,15 tối đa	Chất tinh chế hạt trong quá trình đúc và luyện chảy
Khác (mỗi loại)	0,05 tối đa	Giới hạn các nguyên tố vết khác để duy trì hiệu suất đồng nhất

Magiê là yếu tố chủ đạo điều khiển hiệu suất của 5754; nồng độ magiê quyết định độ bền cơ bản, phản ứng làm cứng biến dạng và khả năng chống ăn mòn cục bộ trong môi trường chloride. Mangan và crôm có mặt ở mức thấp để tinh chế kích thước hạt và ổn định hợp kim trong quá trình gia công nhiệt cơ.

Giới hạn thấp về đồng và sắt giữ khả năng chống ăn mòn và độ dẻo của hợp kim, trong khi hàm lượng silic và titan được kiểm soát nhằm hỗ trợ tính nhất quán trong quá trình cán và đùn.

Tính Chất Cơ Học

Trong ứng xử kéo, 5754 thể hiện mạng vỡ dẻo với độ dãn đều tốt ở temper tôi mềm và độ dãn giảm dần khi tăng cường làm cứng biến dạng. Giới hạn chảy và bền kéo tỷ lệ thuận với temper: trạng thái O ưu tiên độ dãn dài và khả năng tạo hình trong khi temper H mang lại sự tăng đáng kể giới hạn chảy cho các ứng dụng kết cấu. Độ cứng tương quan với mật độ sai hỏng do biến dạng nguội; độ cứng Brinell tăng rõ rệt từ O đến H34 trong khi độ bền mỏi được cải thiện nhờ cường độ cơ bản cao hơn nhưng có thể nhạy với điều kiện bề mặt và độ dày.

Hiệu suất mỏi của 5754 thuận lợi hơn so với các hợp kim nhôm tinh khiết có độ bền thấp hơn, nhờ tăng cường dung dịch rắn trung bình nâng ngưỡng hình thành nứt. Ảnh hưởng của độ dày là đáng kể: tấm mỏng thường có độ bền biểu kiến cao hơn do quá trình cán nguội, giới hạn uốn và tạo hình thay đổi theo độ dày và temper. Hoàn thiện bề mặt và ứng suất dư từ tạo hình hoặc hàn cũng ảnh hưởng quan trọng đến tuổi thọ mỏi.

Tính Chất	O/Tôi mềm	Temper Chính (H111/H22)	Ghi Chú
Độ bền kéo (UTS)	115–155 MPa	220–265 MPa	UTS tăng đáng kể với làm cứng biến dạng; giá trị thay đổi theo độ dày và nhà cung cấp
Giới hạn chảy (0,2% offset)	35–65 MPa	125–170 MPa	Giới hạn chảy tăng mạnh ở temper H; thiết kế phải dựa trên dữ liệu temper được chứng nhận để đảm bảo an toàn
Độ dãn dài (A50mm)	20–30%	8–18%	Độ dẻo giảm khi temper cứng hơn; độ dãn tối thiểu phụ thuộc vào độ dày và quy trình
Độ cứng (HB)	25–35 HB	60–85 HB	Độ cứng Brinell tương ứng với độ bền và làm cứng biến dạng

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật độ	2,66 g/cm³	Điển hình cho hợp kim nhôm‑magiê dạng cán; quan trọng cho tính toán khối lượng và độ cứng
Phạm vi nhiệt nóng chảy	~605–650 °C (rắn đến lỏng)	Phạm vi nóng chảy hợp kim; hành vi đúc và đông đặc được kiểm soát bởi nguyên tố vi lượng
Độ dẫn nhiệt	~120–160 W/m·K	Thấp hơn so với nhôm tinh khiết nhưng vẫn cao, thuận tiện cho ứng dụng quản lý nhiệt
Độ dẫn điện	~28–36 % IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do có Mg; ảnh hưởng đến thiết kế dẫn điện và kiểm soát nhiễu điện từ
Nhiệt dung riêng	~900 J/kg·K	Tương đương các hợp kim nhôm khác; hữu ích trong phân tích biến đổi nhiệt
Hệ số giãn nhiệt	~23,5 ×10⁻⁶ /K	Hệ số giãn dài tuyến tính điển hình cho thiết kế kết cấu chịu chu trình nhiệt

5754 giữ được nhiều đặc tính nhiệt và điện mong muốn của nhôm trong khi đánh đổi một phần độ dẫn điện và độ ổn định dẫn điện do hợp kim hóa. Mật độ và hệ số giãn nhiệt rất quan trọng khi liên kết các vật liệu khác nhau và trong các lắp ráp chính xác, nơi chuyển động nhiệt khác biệt có thể tạo ra ứng suất.

Phạm vi nóng chảy và điểm rắn chỉ dẫn quy trình chế tạo như hàn hột hoặc luyện chảy; kiểm soát nhiệt độ cẩn thận giúp tránh nóng chảy sớm pha thứ cấp và đảm bảo cấu trúc vi mô thích hợp cho gia công tiếp theo.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Biểu	Hành Vi Độ Bền	Temper Thông Dụng	Ghi chú
Tấm (Sheet)	0,3–6,0 mm	Độ bền thay đổi theo temper và mức giảm cán	O, H111, H22, H24	Phổ biến trong panel ô tô và sàn tàu biển
Phiến (Plate)	6–30 mm	Độ dẻo thấp hơn, có thể cung cấp trong temper cứng H	H24, H34	Phiến kết cấu dùng cho bình áp và khung kết cấu
Biên dạng đùn (Extrusion)	Đa dạng mặt cắt	Độ bền phụ thuộc temper sau đùn; làm cứng biến dạng được sử dụng	O, H111	Hình dạng thanh ray, băng tải, kết cấu
Ống (Tube)	0,5–10 mm độ dày thành	Hành vi tương tự tấm; độ dày thành ống quan trọng với tải áp suất	H111, H22	Ống trao đổi nhiệt và ống dẫn trong môi trường cần chống ăn mòn
Thanh/Rod	Ø5–100 mm	Có thể cán nguội/kéo nguội để tăng độ bền	H111, H34	Chi tiết gia công, phụ kiện và bu lông trong môi trường dễ ăn mòn

Tấm và vật liệu mỏng là dạng sản phẩm phổ biến nhất, tối ưu cho các quy trình dập sâu, gấp mép và thủy lực hóa trong temper O và temper H nhẹ. Phiến và đùn được dùng khi cần các tiết diện có độ bền cao hơn; các biên dạng ép có thể được cung cấp ở trạng thái O để tiện tạo hình hoặc temper làm cứng biến dạng cho sử dụng cuối cùng.

Sự khác biệt trong quá trình xử lý (làm nguội cán vs đùn vs kéo dây) ảnh hưởng đến hướng tinh thể và tính dị hướng; các kỹ sư thiết kế cần xem xét các tính chất theo hướng trong những vị trí quan trọng về uốn, kéo dãn và mỏi.

Các Mác Tương Đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	5754	Mỹ	Chỉ định hợp kim kim loại cán của Hiệp hội Nhôm Mỹ
EN AW	5754	Châu Âu	Chỉ định EN; thường được tham chiếu là AlMg3.5 trong tiêu chuẩn vật liệu châu Âu
JIS	A5754	Nhật Bản	Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản sử dụng ký hiệu A5754 cho thành phần tương tự
GB/T	AlMg3.5	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc thường liệt kê hợp kim theo hàm lượng Mg danh nghĩa là AlMg3.5

Sự tương đương giữa các tiêu chuẩn là chức năng nhưng không tuyệt đối; phạm vi thành phần hóa học danh nghĩa và các tạp chất cho phép có thể khác biệt nhẹ giữa chứng nhận nhà cung cấp và quy chuẩn vùng miền. Những khác biệt nhỏ này có thể ảnh hưởng đến giới hạn khả năng tạo hình, hoàn thiện bề mặt phục vụ anod hóa và đặc tính cơ học được chứng nhận, vì vậy cần kiểm tra kỹ các yêu cầu kỹ thuật và chứng chỉ vật liệu đối với các chi tiết quan trọng.

Khi mua vật liệu toàn cầu, kỹ sư nên yêu cầu bảng phân tích hóa học và cơ tính chi tiết cũng như chú ý đến định nghĩa độ cứng tạm (temper) như H111 về giới hạn hình học và biến dạng có thể được các nhà máy ở các khu vực khác nhau hiểu theo cách khác nhau.

Khả năng Chống Ăn Mòn

5754 có khả năng chống ăn mòn khí quyển rất tốt và hoạt động hiệu quả trong môi trường biển và môi trường chứa chloride so với nhiều dòng hợp kim nhôm khác. Hàm lượng Mg tương đối cao làm tăng khả năng xuất hiện hiện tượng ăn mòn điểm khi bề mặt bị tổn thương cơ học hoặc khi có anion ăn mòn không được bảo vệ; tuy nhiên, khi được phủ lớp bảo vệ hoặc màng anot hóa, 5754 cho tuổi thọ sử dụng dài trong môi trường nước biển.

Khả năng nứt ăn mòn ứng suất (SCC) ở 5754 thường thấp so với một số hợp kim nhôm chịu lực cao khác, nhưng độ nhạy với SCC tăng lên khi hàm lượng magiê cao hơn và khi có ứng suất dư kéo từ quá trình tạo hình hoặc hàn. Người thiết kế nên giảm thiểu rủi ro SCC bằng cách kiểm soát tập trung ứng suất, xử lý sau hàn và sử dụng đúng độ cứng tạm (temper) phù hợp.

Cân nhắc ăn mòn điện hóa (galvanic) rất quan trọng: 5754 có tính catốt so với thép và kim loại quý hơn, đồng thời mang tính anot đối với nhôm tinh khiết trong một số điều kiện; do đó cần các biện pháp cách ly thích hợp, anốt hy sinh hoặc lớp phủ bảo vệ trong các cụm ghép nhiều vật liệu. So với series 6xxx (Al-Mg-Si), 5754 có khả năng chống ăn mòn điểm vượt trội hơn nhưng độ kết dính sơn sau anod hóa thấp hơn; so với series 3xxx (Al-Mn) nó cung cấp độ bền cao hơn và khả năng chống ăn mòn chloride tương đương hoặc hơi tốt hơn.

Đặc Tính Gia Công

Khả năng Hàn

5754 dễ dàng được hàn bằng TIG, MIG/GMAW và hàn điện trở với vật tư tiêu hao và tham số phù hợp. Các hợp kim que hàn được khuyến nghị cho các mối nối phổ biến là 5356 hoặc 5183 (que hàn Al-Mg) nhằm tương thích độ bền kim loại cơ bản và giảm thiểu các vấn đề ăn mòn điện hóa; tránh dùng hợp kim que hàn chứa silic cao trừ khi quy trình hàn yêu cầu. Rủi ro nứt nóng (hot cracking) trong họ hợp kim này khá thấp, nhưng các vết hàn có thể giảm dẻo dai và xuất hiện làm mềm cục bộ trong vùng ảnh hưởng nhiệt; có thể cần gia công cơ khí hoàn thiện và xử lý giảm ứng suất sau hàn cho các chi tiết chịu tải mỏi quan trọng.

Khả năng Gia Công Cơ Khí

Khả năng gia công 5754 từ trung bình đến khó hơn so với series 6xxx do tính dẻo cao và xu hướng làm cứng khi gia công. Nên sử dụng dụng cụ cacbua với góc cắt dương, góc cắt lớn và bộ phá phoi tốt; tốc độ cắt cần được điều chỉnh để tránh hình thành lưỡi cắt bám vật liệu và kiểm soát nhiệt độ dụng cụ. Hoàn thiện bề mặt và hiện tượng xỉ có thể được kiểm soát bằng dụng cụ sắc bén, lượng dung dịch làm mát đủ và tốc độ ăn dao phù hợp; thanh đùn và tấm dày có thể cần xử lý giảm ứng suất trước để đảm bảo ổn định kích thước tốt nhất.

Khả năng Tạo Hình

Khả năng tạo hình rất tốt ở trạng thái ủ mềm hoàn toàn (O), cho phép bán kính uốn nhỏ và các thao tác kéo sâu với độ trả lò xo (springback) thấp. Bán kính uốn trong tối thiểu điển hình của tấm ở trạng thái O có thể là 1–2 lần chiều dày vật liệu cho các kiểu uốn đơn giản, trong khi các trạng thái cứng tạm (H-temper) thường cần 3–6 lần chiều dày để tránh nứt. Gia công nguội nâng cao độ bền nhưng giảm khả năng kéo dài; với các thao tác dập phức tạp, nên phân bố quá trình tạo hình sao cho tận dụng trạng thái O cho các bước kéo chính và dùng làm cứng nguội nhẹ cho bước hoàn thiện.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Là hợp kim không thể làm cứng bằng nhiệt, 5754 không phản ứng với xử lý nhiệt hoà tan và lắng đọng để tăng độ bền; thay vào đó đặc tính cơ học được kiểm soát bởi quá trình làm nguội lạnh và ủ mềm. Xử lý ủ mềm (ủ toàn phần) được thực hiện bằng cách gia nhiệt trong khoảng nhiệt độ xảy ra tái kết tinh, thường từ 300–415 °C tùy thời gian và mức làm lạnh trước đó, sau đó làm nguội chậm; quá trình này khôi phục dẻo dai nhưng làm giảm độ bền.

Gia công làm cứng nguội qua cán, kéo dây hoặc uốn cong làm tăng giới hạn chảy và độ bền kéo bằng cách tăng mật độ sai hỏng tinh thể; mức độ tăng cường độ tương ứng với lượng biến dạng nhựa. Các trạng thái ổn định hay ủ nhẹ (ví dụ H24) được đạt bằng các quá trình nhiệt có kiểm soát nhằm giảm bớt ứng suất dư mà không làm mềm hoàn toàn vật liệu.

Hiệu Suất Ứng Dụng Ở Nhiệt Độ Cao

Nhiệt độ tăng tốc quá trình phục hồi và tái kết tinh trong 5754, dẫn đến giảm đáng kể giới hạn chảy và độ bền kéo ở nhiệt độ tương đối thấp. Làm việc liên tục trên ~100 °C sẽ dần giảm độ bền; tiếp xúc trên khoảng 150–200 °C gây ra làm mềm rõ rệt và biến đổi cấu trúc vi mô làm giảm hiệu suất cơ học.

Quá trình oxi hóa ở nhiệt độ khí quyển thông thường rất hạn chế nhờ màng oxit nhôm bảo vệ, nhưng phơi nhiễm kéo dài ở nhiệt độ cao tăng hiện tượng bong tróc và thay đổi hóa học bề mặt có ảnh hưởng đến lớp phủ và độ bám dính. Trong vùng hàn hoặc vùng ảnh hưởng nhiệt, chu kỳ nhiệt có thể gây làm mềm cục bộ và tăng kích thước hạt; thiết kế nên hạn chế phơi nhiễm nhiệt độ cao liên tục hoặc áp dụng xử lý ổn định nhiệt sau hàn khi có thể.

Ứng Dụng

Ngành Công Nghiệp	Ví dụ Chi Tiết	Lý Do Sử Dụng 5754
Ô tô	Tấm thân xe, cấu trúc bên trong	Cân bằng giữa khả năng tạo hình, độ bền và chống ăn mòn cho chi tiết nhìn thấy và kết cấu
Hàng hải	Sàn boong, phụ kiện thân tàu, tấm kết cấu	Khả năng chống ăn mòn chloride vượt trội và tính hàn tốt cho môi trường nước biển
Hàng không	Phụ kiện phụ, tấm nội thất	Độ bền trên trọng lượng tốt và khả năng chống mỏi cho cấu trúc phụ không chịu tải chính
Điện tử	Tản nhiệt, vỏ bảo vệ	Khả năng dẫn nhiệt và chống ăn mòn kết hợp với dễ tạo hình
Bình áp lực	Bình chứa và ống dưới áp suất thấp	Chống ăn mòn và dễ gia công cho bình nhẹ

5754 thường được quy định khi yêu cầu kết hợp giữa độ bền tấm đồng nhất, khả năng chống ăn mòn chắc chắn và chi phí gia công hiệu quả. Khả năng hàn bằng các que hàn Al-Mg thông dụng và chịu đựng được môi trường biển làm cho hợp kim này là lựa chọn ưu tiên cho nhiều chi tiết kết cấu và lớp bọc.

Lời Khuyên Lựa Chọn

5754 là lựa chọn thiết thực khi thiết kế cần độ bền cao hơn nhôm tinh khiết thương mại (1100) nhưng vẫn giữ được phần lớn khả năng tạo hình và chống ăn mòn. So với 1100, 5754 đánh đổi một phần dẫn điện và dẫn nhiệt để đổi lấy tăng đáng kể giới hạn chảy và độ bền kéo cho ứng dụng kết cấu.

So với các hợp kim gia công nguội phổ biến như 3003 và 5052, 5754 thường có độ bền cao hơn và cung cấp khả năng chống ăn mòn chloride bằng hoặc vượt trội; nó được chọn khi cần tấm có độ bền cao nhưng không muốn dùng hệ thống có thể làm cứng nhiệt. So với hợp kim có thể làm cứng bằng nhiệt như 6061, 5754 không đạt được giá trị cường độ cực đại tương tự nhưng thường được ưu tiên cho các ứng dụng hàn nhiều và nơi cần khả năng chống ăn mòn lâu dài hoặc độ dẻo tốt hơn; nó tránh được biến dạng và nhạy cảm nhiệt liên quan đến xử lý hoà tan và lão hoá.

Chọn 5754 khi thiết kế yêu cầu sự cân bằng trung gian giữa độ bền, khả năng tạo hình và độ bền môi trường biển, đồng thời khi việc hàn và tạo hình nguội thường xuyên; kiểm tra hiệu ứng của temper và độ dày đối với yêu cầu mỏi và tạo hình của chi tiết.

Tóm Tắt Cuối Cùng

5754 vẫn là hợp kim Al-Mg được sử dụng rộng rãi vì kết hợp được độ bền dung dịch rắn, khả năng chống ăn mòn tin cậy và đặc tính gia công xuất sắc trong dạng kim loại cán hiệu quả về chi phí. Tính không làm cứng bằng nhiệt làm đơn giản hóa quá trình sản xuất và khiến nó thích hợp đặc biệt cho ứng dụng hàn, tạo hình nguội và môi trường biển cần độ bền lâu dài cùng hiệu suất cơ học ổn định.