ألمنيوم 7049: التركيب، الخواص، دليل المعالجة والحالات، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
7049 هو سبيكة ألومنيوم عالية القوة من سلسلة 7xxx، والتي هي سبائك Al-Zn-Mg(-Cu) تُستخدم بشكل رئيسي حيث تكون القوة النوعية العالية مطلوبة. تركيبتها الكيميائية تتمحور حول الزنك كعنصر سبيكة رئيسي مع مغنيسيوم ونحاس بنسب كبيرة لتمكين التقسية بالتسنن.
آلية التقوية في 7049 تعتمد على التسنن بالقوة الحرارية القابلة للمعالجة (معالجة حرارية بالتحليل الحلولي، تبريد سريع وتعتيق)، مع التحكم في البنية المجهرية عبر إضافات تتبع (Zr، Ti) والمعالجة الحرارية الميكانيكية لتحسين هيكل الحبوب وإبطاء إعادة التبلور. من الصفات الرئيسية لها مقاومة شد وعائد عالية جدًا في درجات التصلب القصوى، ومرونة معتدلة إلى منخفضة في ظروف القوة القصوى، وقابلية لحام محدودة مع خطر تليين منطقة التأثير الحراري (HAZ)، وصعوبة تشكيل مقارنة بسلسلتي 5xxx و 6xxx.
يُستخدم 7049 عادة في الهياكل الأولية والثانوية للطائرات والدفاع، والتركيبات عالية القوة، وغيرها من التطبيقات التي تتطلب نسبة قوة إلى وزن عالية ومقاومة للكسور. يختار المصممون 7049 على السبائك الأخرى عندما يتطلب الأمر مزيجًا من القوة الساكنة العالية وتحسين مقاومة التآكل الإجهادي ومقاومة التقشر في درجات التعتيق الزائدة، مع قبول بعض التنازلات في سهولة التشكيل وقابلية اللحام.
أنواع التصلب (التمبير)
| التمبير | مستوى القوة | الاستطالة | سهولة التشكيل | سهولة اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | مرتفعة | ممتازة | ممتازة | مخلىء بالكامل، أفضل قابلية تشكيل |
| T4 | متوسطة | متوسطة | جيدة | ضعيفة - متوسطة | متعتيقة طبيعيًا بعد المعالجة الحلولية |
| T6 / T651 | عالية | منخفضة - متوسطة | ضعيفة | ضعيفة | متعتيقة لذروة القوة؛ T651 مخففة الإجهاد |
| T7 / T76 / T7651 | متوسطة - عالية | متوسطة | متوسطة | ضعيفة | متعتيقة زيادة لتحسين مقاومة التآكل الإجهادي والتقشر |
| H14 / H24 | متوسطة | منخفضة - متوسطة | متوسطة | ضعيفة | مشغلة بالتشويه أو مشغلة بالتشويه + مخلاة جزئيًا للمستخلصات الصفائحية |
التمبير يتحكم بشكل كبير في الموازنة بين القوة والمتانة مقابل الاستطالة ومقاومة التآكل. درجات التقسية القصوى مثل T6/T651 توفر أقصى مقاومة شد وعائد لكنها تقلل من الاستطالة وسهولة التشكيل وتزيد من حساسية للتصدع الإجهادي في بعض الحالات.
درجات التعتيق الزائدة (سلسلة T7, T76) تتنازل عمدًا عن جزء من القوة القصوى لتحسين ملحوظ في مقاومة التآكل الإجهادي والتقشر، وغالبًا ما تُحدد هذه الدرجات لمكونات هيكلية في الطيران حيث يكون التحمل في ظروف الخدمة الأولوية.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النطاق % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.30 (تقريبًا) | شائبة؛ يساعد على السيولة في المصبوبات وعادة منخفض |
| Fe | ≤ 0.40 (تقريبًا) | شائبة؛ قد تكون مسؤولة عن مركبات بين فلزية تؤثر على المتانة |
| Mn | ≤ 0.10 (تقريبًا) | ثانوي؛ يتحكم في البنية الحبيبية في بعض الأنواع |
| Mg | 2.0 – 3.0 (تقريبًا) | شريك رئيسي في التقسية مع Zn عبر ترسبات MgZn2 |
| Cu | 1.4 – 2.6 (تقريبًا) | يحسن القوة وقابلية التقسية؛ قد يقلل من مقاومة التآكل |
| Zn | 6.5 – 9.0 (تقريبًا) | العنصر الأساسي للسباكة والقوة العالية (ترسبات غنية بالزنك) |
| Cr | ≤ 0.25 (تقريبًا) | يضيف تحكم في إعادة التبلور، ويحسن المتانة |
| Ti | ≤ 0.10 (تقريبًا) | مكرر حبيبات في المصبوبات/المسحوبات |
| عناصر أخرى (بما في ذلك Zr, B) | 0.05 – 0.25 إجمالاً (تقريبًا) | Zr شائع كمكون نشط لتكرير الحبوب وتحديد إعادة التبلور |
العناصر في 7049 موزونة لتعظيم التقسية بالتسنن (Zn-Mg ± Cu) مع تقليل الترسبات الخشنة الضارة بين الفلزات. الإضافات التتبعية مثل Zr أو Cr تُنتج جسيمات دقيقة تثبت حدود الحبوب وتقلل من نمو الحبوب أثناء المعالجة الحلولية، مما يعزز المتانة ومقاومة التعب في الأقسام السميكة.
الخواص الميكانيكية
تعرض 7049 اعتمادًا واضحًا لقيم المقاومة الشد والعائد على نوع التصلب، سمك المقطع، وتاريخ المعالجة. في درجات التصلب القصوى، تصل السبائك إلى مقاومات شد وعائد عالية جدًا بفضل كثافة ترسبات MgZn2، في حين تظهر الدرجة المخلاة أو المتعتيقة طبيعيًا مقاومات أقل بكثير واستطالة أعلى بكثير.
أداء التعب عادة جيد جداً لعائلة السبائك عند الإنتاج مع التحكم في البنية الحبيبية وتقليل العيوب السطحية. ومع ذلك، فإن مقاومة التعب حساسة للتلف في منطقة التأثير الحراري بعد اللحام وللتآكل السطحي؛ لذلك فإن التشطيب السطحي والطبقات الواقية تؤثر بشكل كبير في أداء المتانة أثناء الخدمة.
| الخاصية | O/مخلاة | التمبير الرئيسي (مثلاً T6/T651) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| مقاومة الشد | ~220–300 MPa (تقريبًا) | ~540–600 MPa (تقريبًا) | تعطي حالة الذروة قوة >2× مقارنة بالمخلاة |
| مقاومة الخضوع | ~110–180 MPa (تقريبًا) | ~470–520 MPa (تقريبًا) | الحYield sensitive to temper similar to UTS |
| الاستطالة | ~14–22% | ~6–12% | انخفاض المرونة في درجات القوة العالية |
| الصلادة (HB) | ~40–85 HB | ~140–165 HB | صلادة برينل تقديرية عملية لمستوى التصلب |
عند التصميم باستخدام 7049، يجب الأخذ بعين الاعتبار فقدان القوة مع زيادة السمك في الأقسام السميكة بسبب بطء معدلات التبريد وتوزيع الترسيبات الخشنة. كما ينبغي للمُهندسين مراعاة أن عمليات تخفيف الإجهاد (T651، الشد) وبرامج التعتيق المتحكم بها تُستخدم عادةً لضبط الإجهاد المتبقي والاستقرار البعدي.
الخواص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | ~2.78–2.82 g/cm³ | نموذجي لسبائك Al-Zn-Mg عالية القوة |
| نطاق الانصهار | ~480–635 °C (منطقة الصلبوس إلى السائل) | التسبيك يوسع نطاق الانصهار مقارنةً بالألومنيوم النقي |
| التوصيل الحراري | ~120–140 W/m·K (تقريبًا) | أقل من الألومنيوم النقي؛ يختلف حسب التصلب والتركيب |
| التوصيل الكهربائي | ~28–36 % IACS (تقريبًا) | منخفض مقارنة بألومنيوم نقاوة تجارية |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.88–0.92 J/g·K | السعة الحرارية النموذجية لسبائك الألومنيوم عند درجة حرارة الغرفة |
| معامل التمدد الحراري | ~23.5 – 24.5 µm/m·K | معامل تمدد حراري مشابه لبقية سبائك الألومنيوم |
تحافظ السبيكة على توصيل حراري عالي نسبيًا مقارنة بالصلب والعديد من المعادن الهندسية، مما يجعل 7049 مناسبة للمكونات الهيكلية التي تحتاج أيضًا إلى بعض قدرة التبريد الحراري. تقل التوصيليات الكهربائية والحرارية عن سبائك 1xxx وبعض العائلة 6xxx بسبب محتوى الذائبة والترسيبات الأعلى.
أشكال المنتج
| الشكل | السمك / الحجم النموذجي | سلوك القوة | درجات التصلب الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.5 – 6.0 mm | القوة محددة بنوع التصلب والعمل البارد | O, T4, T6, T7 | تستخدم للواجهات والألواح؛ تتطلب اختيار دقيق للتمبير والتشكيل |
| لوحات | 6 – 250 mm | القوة والمتانة تعتمد على السمك | T6, T651, T76 | اللوحات السميكة تحتاج تبريدًا محكمًا لتجنب النواحي الطرية |
| بثق | مقاطع عرضية متغيرة | القوة تختلف مع حجم المقطع ومعدل التبريد | T6, T651 | بثوق معقدة تتطلب توحيد ومعالجة حلولية |
| أنابيب | قطر خارجي مشابه للقضيب | قوة حلقية جيدة في درجات التصلب القصوى | T6, T76 | أنابيب مشغولة ومبردة باردة تُستخدم في التطبيقات الهيكلية |
| قضبان / أعمدة | قطر 6 – 200 mm | القوة تعتمد على القطر والتعتيق | T6, T651 | شائعة للاكسسوارات المشغولة والبراغي |
مسار المعالجة يؤثر بقوة على الخواص النهائية: اللوحات والبثق السميك أكثر عرضة للتليين الناتج عن التبريد البطيء في المركز وعادة تتطلب تجهيزات خاصة للمعالجة الحلولية والتبريد وبرامج التعتيق. يمكن تشكيل الألواح الرقيقة باردة في درجات تصلب أطرى ثم تُجرى عليها معالجة حلولية وتعتيق لتحقيق خصائص قريبة من الذروة عند الاقتضاء.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 7049 | الولايات المتحدة | التسمية الأمريكية القياسية لهذه السبائك عالية القوة Al-Zn-Mg(-Cu) |
| EN AW | 7049 | أوروبا | يشير EN AW-7049 إلى نفس العائلة التركيبية؛ تغطي المواصفات الأوروبية التصلب وأشكال المنتج |
| JIS | A7049 (تقريبًا) | اليابان | تستخدم المعايير اليابانية غالبًا ترميزًا رقميًا مشابهًا؛ قد تختلف تفاصيل التشطيب والاختبار |
| GB/T | AlZn7.5MgCu (تقريبًا) | الصين | يسرد الترميز الصيني GB/T عادةً محتوى العناصر السبائكية الرئيسية (Zn، Mg، Cu) بدلاً من الرقم الدقيق لـ AA |
التسميات المكافئة عبر المعايير تربط بين التركيب الكيميائي ومواصفات المنتج لكن قد تختلف في حدود الشوائب المسموح بها، وطرق تأهيل الخواص الميكانيكية، وتعريفات التصلب. يجب على المهندسين دائمًا الرجوع إلى ورقة المعيار المحدد (AA, EN, JIS, GB/T) والتأكد من تطابق متطلبات التصلب، والخواص الميكانيكية، والفحوصات مع التطبيق بدلاً من الاعتماد فقط على تكافؤ رقم السبيكة.
مقاومة التآكل
تُظهر 7049 مقاومة متوسطة للتآكل الجوي في حالات التصلب المتزايد (overaged)، إلا أن ظروف التصلب الذروي (peak-aged) قد تكون أكثر عرضة للتآكل الموضعي وتشققات التآكل الناتجة عن الإجهاد (SCC) في البيئات العدوانية. العائلة السبيكية معرضة لتآكل التقشير (exfoliation corrosion) في الألواح ما لم تتم معالجتها بعناية وتصلبها بشكل زائد أو تغطيتها بطبقة واقية.
في البيئات البحرية، تتطلب 7049 تدابير حماية مثل التغليف (cladding)، والأكسدة المجهضة (anodizing)، أو الطلاءات العضوية لتأدية أداء مقبول. يؤدي تعرضها لرذاذ الملح إلى تسريع تكون الحفر الهام (pitting) والهجوم بين حبيبات المعدن (intergranular attack) إلا إذا تم توفير السبيكة في تصلب محسن لمقاومة تشققات التآكل (عائلة T76/T7) أو حمايتها بطبقات حاجزة.
يمكن أن يكون التفاعل الكهروكيميائي مع المعادن المختلفه شديدًا لأن 7049 مادة كاثودية مقارنة بالفولاذ والعديد من سبائك النحاس؛ لذا يتطلب التصميم الدقيق لحواجز عازلة أو أنودات تضحيات في التجميعات. بالمقارنة مع سلسلة 5xxx (مثل 5052) تتنازل 7049 عن مقاومة التآكل التضحية لصالح قوة أعلى، وبالمقارنة مع العديد من سبائك 6xxx يمكن أن تكون أكثر حساسية للهجوم الموضعي إلا إذا تم وصلبها بشكل زائد.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
تسبب عمليات اللحام التقليدية بالإنصهار (TIG/MIG) فقدانًا كبيرًا في الخواص لسبائك 7049 نتيجة ذوبان الترسيبات المقوية وتليين منطقة تأثر الحرارة (HAZ). يزداد خطر التشقق الحار مع سبائك Zn-Mg-Cu عالية القوة؛ ونادرًا ما تستعيد سبائك الحشو التقليدية قوة المعدن الأساسي وأداء التعب.
يعتبر اللحام بالتحريك الاحتكاكي (FSW) الطريقة المفضلة غالبًا لأنه يقلل من الانصهار ويخفض خطر التشقق الحار وينتج بنية دقيقة أكثر ملائمة في منطقة اللحام. وعند تعذر تجنب اللحام بالاندماج، تتطلب استراتيجيات خاصة لسبائك الحشو والمعالجات الحرارية بعد اللحام واختبارات قبول دقيقة.
قابلية التشغيل
تتراوح قابلية تشغيل 7049 بين متوسطة إلى جيدة في حالة التصلب المتزايد أو تخفيف الإجهاد، لكن حالات التصلب الذروي تجعل الأدوات أكثر إرهاقًا بسبب القوة الأعلى وحدوث تقسية ميكانيكية. توفر أدوات الكربيد ذات الهندسة الإيجابية، والماكينات الصلبة، وتبريد عالي الضغط أفضل التشطيبات السطحية وعمر الأدوات.
سرعات القطع أقل من سبائك 6xxx ولينها أو 1xxx، ويتطلب التحكم في رقائق القطع اهتمامًا لأن الرقائق قد تكون خيطية في حالات لين أو تتحطم إلى جسيمات كاشطة في حالات صلابة مرتفعة. استراتيجية شائعة للإنتاج هي المعالجة المسبقة في حالة لين تليها المعالجة النهائية بالحرارة.
قابلية التشكيل
يمكن التشكيل في حالات الفرم (annealed (O)) أو المعالجة الحرارية والحالة النصف متصلبة، لكن محدود في حالات التصلب الذروي. نصف قطر الانحناء الأدنى أكبر للحالة T6 مقارنة بالحالة O؛ ويكون الارتداد (springback) كبيرًا ويجب أخذه في الاعتبار عند تصميم الأدوات.
يعد العمل البارد يليه المعالجة الحرارية والشيخوخة مسارًا شائعًا للحصول على أشكال معقدة مع قوة نهائية عالية، لكن هذا يتطلب تحكمًا دقيقًا في التشويه والاستقرار الأبعادي أثناء المعالجة الحرارية.
سلوك المعالجة الحرارية
تتبع 7049 كسبيكة Al-Zn-Mg-Cu قابلة للمعالجة الحرارية تسلسل المعالجة الكلاسيكي: الحل السريع (solutionize-quench-age) مع نوافذ عملية يجب تكييفها حسب سمك الجزء والخواص المطلوبة. تتراوح درجات حرارة المعالجة الحلولية النموذجية بين ~470–480 °C لإذابة المراحل القابلة للذوبان، تليها تبريد سريع للحفاظ على محلول صلب مشبع فوق الحد.
يتم إجراء الشيخوخة الصناعية عند درجات حرارة معتدلة (عادة 120–160 °C) لترسيب المراحل المعالجة للشيخوخة؛ يتحكم وقت ودرجة الحرارة في قوة الذروة ودرجة التصلب الزائد. تستخدم حالات التصلب الزائد (عائلة T7/T76) درجات حرارة أعلى أو أوقات أطول لتعزيز تكبير الترسيبات وتحسين مقاومة تشقق التآكل وتقشير الألواح على حساب بعض قوة الذروة.
الأداء عند درجات الحرارة العالية
تفقد 7049 جزءًا كبيرًا من قوتها عند درجة حرارة الغرفة مع زيادة درجة حرارة الخدمة فوق درجات الشيخوخة النموذجية، ويبدأ التليين الملحوظ فوق ~120 °C. لا يُنصح بالخدمة المستمرة عند درجات حرارة مرتفعة (>125–150 °C) للتطبيقات التي تتطلب قوة عالية، حيث يُضعف تكبير الترسيبات مقاومة الخضوع والتعب.
يحدث أكسدة سبائك الألمنيوم ببطء مقارنة بالحديد، لكن التدهور الميكانيكي الناتج عن تكبير الترسيبات واسترخاء الإجهادات المتبقية في منطقة تأثر الحرارة هو القلق الأساسي عند درجات الحرارة المرتفعة. يجب على المصممين الحد من التعرض للحرارة العالية أو اختيار سبائك بديلة مصممة خصيصًا للعمل عند درجات حرارة مرتفعة عند الضرورة.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكون | سبب استخدام 7049 |
|---|---|---|
| الطيران والفضاء | وصلات هيكلية، مكونات معدات الهبوط | نسبة قوة إلى وزن عالية ومتانة كسر في حالات التصلب المحسنة |
| الدفاع | هياكل الصواريخ، أعضاء هيكلية عالية الأداء | قوة ثابتة مرتفعة وصلابة مخصصة |
| البحرية | حوامل وتركيبات عالية القوة | تحسين القوة بحالات تصلب زائد لمقاومة التآكل |
| الإلكترونيات | هياكل وأجنحة مبردات حرارية | موصلية حرارية جيدة مع صلابة عالية |
تُختار 7049 حيثما تكون القوة الثابتة العالية، وأداء التعب المعقول، ومقاومة التآكل المخصصة مطلوبة، خاصة في الطيران والفضاء والدفاع حيث يكون تقليل الوزن حاسمًا. نادرًا ما تستخدم هذه السبيكة في الأسواق العادية بسبب التكلفة، وحدود اللحام، ومحددات التشكيل، لكنها تظل مادة مفضلة للأجزاء الهيكلية المتطلبة.
نصائح للاختيار
تكون 7049 مناسبة عندما تكون القوة النوعية القصوى والمتانة المحسنة ذات أولوية، وعندما يمكن أن يتقبل التصميم محدودية التشكيل وصعوبة اللحام. يُفضل اختيار حالات التصلب الزائد (T7/T76) عندما تكون مقاومة تشقق التآكل طويلة الأمد في البيئات العدوانية مطلوبة، مع تقبل فقدان بعض قوة الذروة.
مقارنة بالألمنيوم التجاري النقي (1100)، تقدم 7049 قوة أعلى بكثير على حساب الموصلية الكهربائية والحرارية وقابلية التشكيل المنخفضة نسبيًا. بالمقارنة مع سبائك العمل المقسى مثل 3003 و5052، توفر 7049 قوة أعلى بكثير لكن عادةً ما تكون خصائص التشكيل أسوأ وأداء التآكل مشابه أو أسوأ قليلاً في الظروف البحرية ما لم تكن متصلبة بشكل زائد.
عند المقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية الشائعة مثل 6061، توفر 7049 قوة ذروة أعلى ومتانة كسر أفضل في العديد من الحالات، مما يبرر استخدامها في تركيبات الطيران على الرغم من ارتفاع تكلفة المادة وانخفاض قابلية اللحام. يُختار 7049 عندما تكون كفاءة الأداء الهيكلي أهم من سهولة الانضمام والتشكيل.
ملخص ختامي
تظل 7049 خيارًا عالي الأداء للألمنيوم في تطبيقات الطيران والفضاء والدفاع وغيرها من التطبيقات الهيكلية المتطلبة حيث تكون نسبة القوة إلى الوزن الممتازة ومقاومة تشقق التآكل نتيجة الإجهاد مطلوبة. يتطلب اختيارها اهتمامًا دقيقًا بالحالة الحرارية، وحجم القسم، وطريقة الانضمام، والمعالجات الواقية، لكنها تقدم مزيجًا من الخواص لا يمكن لكثير من سبائك الألمنيوم الأخرى مضاهاته عند معالجتها بشكل صحيح.