الألومنيوم 7055: التركيب، الخواص، دليل التقسية والتطبيقات

نظرة شاملة

7055 هو سبيكة ألومنيوم من سلسلة 7xxx، وهو يندرج ضمن عائلة الألمنيوم عالية القوة Al-Zn-Mg-Cu التي تُستخدم بشكل واسع في تطبيقات الطيران والفضاء. تم تركيب السبيكة عمدًا بمستويات عالية من الزنك والمغنيسيوم بالإضافة إلى النحاس وعناصر دقيقة السبائكية لتمكين التقوية بالتقاطع (Precipitation strengthening) من خلال المعالجة الحرارية بدلاً من التقوية بالشد (work-hardening).

العناصر الرئيسية في السبيكة تشمل الزنك (المساهم الأساسي في القوة)، المغنيسيوم والنحاس (الذين يعززان تكوين MgZn2 وترسيبات تقوية أخرى)، بالإضافة إلى الدقائق الدقيقة من الزركونيوم و/أو الكروم للسيطرة على بنية الحبيبات. يتم تحقيق التقوية عن طريق المعالجة الحرارية بالذوبان، التبريد السريع، والشيخوخة الاصطناعية المضبوطة لترسيب مراحِل بين فلزية دقيقة ومتجانسة توفر مقاومة انسياب ومتانة شد عالية.

الصفات الرئيسية تشمل قوة ساكنة عالية جدًا ومتانة جيدة للكسر مقارنة بسبيكة من سلسلة 7xxx، مع مقاومة تآكل معتدلة يمكن تحسينها من خلال المبالغة في الشيخوخة والدقائق الدقيقة السبائكية. القابلية للحام محدودة باستخدام طرق اللحام الانصهاري التقليدية، وقابلية التشكيل معتدلة إلى ضعيفة في حالات الذروة (peak-aged tempers)، بينما تعتبر القابلية للتشغيل جيدة عند استخدام أدوات كربيد وتوفير تغذية/سرعات محسنة.

الصناعات التقليدية تشمل الهياكل الأولية والثانوية في الطيران، السلع الرياضية عالية الأداء، والمكونات الهيكلية المتخصصة التي تتطلب قوة عالية مع وزن منخفض. يختار المهندسون سبيكة 7055 على السبيكات الأخرى عندما يتطلب التصميم أعلى قوة نوعية مع متانة معقولة وتوازن مضبوط لمقاومة التآكل عبر اختيار الحالة الحرارية الملائمة.

أنواع الحالات الحرارية (Tempering)

حالة حرارية	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	عالية (20–30%)	ممتازة	ممتازة	مخمرة بالكامل، مثالية للتشكيل واللحام قبل المعالجة الحرارية للترسيب
H14	متوسطة	معتدلة (10–18%)	جيدة	ضعيفة (في حالات HL)	تقوية عن طريق الشد لمتانة معتدلة واستقرار أفضل للتشكيل
T5	متوسطة إلى عالية	معتدلة (8–15%)	متوسطة	ضعيفة	مبردة من درجة حرارة مرتفعة ومشيخة صناعيًا؛ خيار سريع للمعالجة
T6	عالية	منخفضة (5–12%)	محدودة	ضعيفة	شيخوخة اصطناعية ذروة للقوة القصوى؛ تقليل اللدونة وقابلية التشكيل
T7 (مثلاً T76)	متوسطة إلى عالية	معتدلة (8–14%)	أفضل من T6	ضعيفة	شيخوخة مبالغ فيها/مضبوطة لتحسين مقاومة تشقق الإجهاد الناتج عن التآكل (SCC) والثبات الأبعاد
T7451 / T7452	عالية	منخفضة إلى معتدلة (6–12%)	محدودة	ضعيفة	معالجات مخففة للإجهاد ومشيخة صناعية مهيأة للشكوك وألواح الطيران

تؤثر الحالة الحرارية بشكل كبير على التوازن بين القوة، اللدونة، وأداء مقاومة التآكل. المادة المخمرة (O) توفر أفضل قابلية للتشكيل وتستخدم عادة للتشكيل المعقد قبل المعالجة الحرارية النهائية للترسيب، في حين أن T6 توفر أعلى قوة ساكنة على حساب الاستطالة وقابلية الانحناء.

تستخدم حالات الشيخوخة المبالغ فيها مثل T7 والحالات المثبتة مثل T7451 لمقايضة جزء صغير من قوة الذروة مقابل تحسين مقاومة تشققات الإجهاد الناتج عن التآكل وثبات الأبعاد في الخدمة الطويلة؛ حيث تُعد هذه الحالات شائعة لمكونات الهياكل في الطيران التي تتطلب متانة طويلة الأمد.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة المئوية	ملاحظات
Si	0.4 كحد أقصى	شائبة؛ تتحكم في سلوك الصب والمعالجة
Fe	0.5 كحد أقصى	مكون بين فلزي؛ الزيادة تقلل من المتانة
Mn	0.05–0.3	ثانوي؛ يساعد في بنية الحبيبات عند وجوده
Mg	2.3–2.9	يعمل مع الزنك لتشكيل ترسيبات تقوية
Cu	1.9–2.6	يزيد القوة ومتانة الكسر؛ ويزيد من سوء تشققات الإجهاد الناتج عن التآكل إذا لم يُتحكم به
Zn	7.3–8.4	العنصر الرئيسي المقوي في سبيكات 7xxx
Cr	0.04–0.2	يسيطر على بنية الحبيبات ويمنع إعادة التبلور
Ti	0.02–0.12	مُصغِّر للحبيبات لمدخلات الصب/الطرق
عناصر أخرى (Zr، أثار)	0.08–0.25 (Zr نموذجي)	سبائكية دقيقة للتحكم في التشتت والمتانة؛ توازن الألمنيوم

المحتوى العالي من الزنك مع المغنيسيوم والنحاس ينتج ترسيبات دقيقة مستقرة جزئيًا من MgZn2 وترسيبات ذات صلة مسؤولة عن القوة العالية جدًا للسبيكة بعد المعالجة الحرارية بالذوبان والشيخوخة. يساهم السبائكي الدقيق بالزركونيوم/الكروم في السيطرة على إعادة التبلور وحجم الحبيبات، مما يحسن المتانة ويسمح بإنتاج قسم أكثر سمكًا بخصائص مقبولة. يحتفظ بالمعادن الشائبة مثل الحديد والسيليكون منخفضة لتجنب تكوين مركبات بين فلزية خشنة تقلل من عمر التعب وقابلية التشكيل.

الخصائص الميكانيكية

تُظهر 7055 فروقًا واضحة بين الحالات المخمرة وذات الذروة في الشيخوخة: في حالة O تكون المادة لينة وسهلة التشكيل، بينما في حالات T6 / T7451 تحقق بعضًا من أعلى مقاومات الشد والانسياب المتاحة في سبيكات الألمنيوم المشغولة. تزيد مقاومة الخضوع والشد بشكل كبير خلال الشيخوخة الصناعية نتيجة لنمو الترسِّبات المتجانسة؛ ومع ذلك، يتم التضحية بالاستطالة ومتانة الشق مقابل تلك القوة العالية. سلوك التعب يتأثر بشدة بالتركيب المجهري، والشد البارد، وحالة السطح، حيث تعمل جزيئات بين فلزية صغيرة أو أضرار التشغيل كمواقع بدء الشقوق.

يؤثر سمك القطعة ومعدل التبريد بشكل ملحوظ على الاستجابة الميكانيكية؛ فالأقسام السميكة أكثر عرضة لوجود مناطق ناعمة متبقية وتتطلب سبائكية دقيقة وضبط عمليات للحفاظ على خواص متجانسة. الصلادة تتناسب ارتباطًا وثيقًا مع خصائص الشد وغالبًا ما تنخفض في منطقة تأثير الحرارة للحام أو بعد المبالغة في الشيخوخة. يجب على المصممين موازنة اختيار الحالة الحرارية، هندسة القطعة، والمعالجة اللاحقة لتحقيق الأداء المطلوب في الظروف الساكنة والدورية.

الخاصية	حالة O/مخمرة	الحالة الرئيسية (T6 / T7451)	ملاحظات
مقاومة الشد	220–280 MPa	540–640 MPa	تعتمد مقاومات الذروة على سمك المقطع والحالة الحرارية الدقيقة؛ القيم نموذجية للألواح / الصفيح
مقاومة الخضوع	100–170 MPa	470–580 MPa	قوة انسياب عالية في الحالات الذروية تجعل 7055 جذابة للمكونات ذات الإجهاد العالي
الاستطالة	20–30%	6–12%	تنخفض اللدونة مع زيادة القوة وشدة الشيخوخة
الصلادة	40–70 HB	140–180 HB	تزداد صلادة برينيل مع الترسيب؛ يحدث تليين في منطقة تأثير حرارة اللحام

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.81 جم/سم³	نموذجية لسبيكات الألمنيوم عالية القوة؛ تسهم في نسبة قوة إلى وزن ممتازة
مدى الانصهار	صلب ~475–500°C؛ سائل حتى ~640–650°C	التسبيك يخفض مدى الانصهار مقارنة بالألمنيوم النقي؛ راجع بيانات المورد للأرقام الدقيقة
التوصيل الحراري	~120–140 W/m·K	أقل من الألمنيوم النقي ولكن مقبول للعديد من الأدوار الهيكلية وإدارة الحرارة
التوصيل الكهربائي	~30–36 %IACS	منخفض نسبيًا مقارنة بالألمنيوم النقي بسبب إضافات السبائك
السعة الحرارية النوعية	~0.96 J/g·K (960 J/kg·K)	قيمة نموذجية للألمنيوم؛ تؤثر على سلوك امتصاص الحرارة والتبريد
التمدد الحراري	~23–24 ×10⁻⁶ K⁻¹	مشابه لسبيكات الألمنيوم الأخرى؛ يجب مراعاته في التجميعات متعددة المواد

تمنح الكثافة والخصائص الحرارية لسبيكة 7055 نسبة قوة إلى وزن جذابة وقدرات إدارة حرارة معقولة للأجزاء الهيكلية. تقل التوصيل الحراري والكهربائي مقارنة بالألمنيوم النقي وبالأسر الأقل سبائكية، لذا لا ينبغي للمصممين اختيار 7055 لتطبيقات المشتتات الحرارية الأساسية دون التأكد من متطلبات الحرارة.

تؤثر الخصائص الحرارية والسعة الحرارية على جدولة المعالجة الحرارية والسيطرة على الأبعاد؛ إذ يتطلب التبريد من درجة حرارة الذوبان استخلاص حرارة سريع لتطوير حالات الترسيب المطلوبة، ويمكن أن تتسبب التدرجات الحرارية المتبقية في تشوهات في الأجزاء المعقدة.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المطابقات الحرارية الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.5–6 mm	تستجيب بشكل جيد للشيخوخة؛ القطاعات الرفيعة تصل إلى الذروة بشكل أكثر انتظامًا	O, T6, T7451	تُستخدم لصفائح الجسم، والمكونات المدعمة بعد الشيخوخة
صفائح	>6 mm وحتى ~200 mm	القطاعات السميكة تتطلب سبائك دقيقة وتبريد مخصص لتجنب النوى اللينة	T6, T7451, T7	تُستخدم غالبًا في التشكيلات المطروقة وقطع الإنشاءات الميكانيكية المصنّعة
بثق	مقاطع عرضية معقدة، أطوال متباينة	الخواص تعتمد على نسبة البثق والمعالجة الحرارية اللاحقة	O, T6	الأشكال المبثوقة تسمح بتكامل الدعامات لكنها تتطلب شيخوخة دقيقة
أنابيب	القطر الخارجي/الداخلي حسب المواصفات؛ جدران رفيعة إلى سميكة	الهندسية تؤثر على انتظام التبريد وتدرجات الخواص الميكانيكية	O, T6	مستخدمة في أنابيب الهيكل عالية القوة حيث يكون تقليل الوزن مهمًا
قضيب / عمود	أقطار تصل إلى التشكيلات المطروقة	قابلة للتشغيل بطرائق مختلفة؛ القضبان المطروقة تغذي الأجزاء الكبيرة	O, T6, T7451	تُستخدم في وصلات، وتُربَط، ومكونات إنشائية مخصصة

تؤدي اختلافات العمليات (الدرفلة، التشكيل المطروق، البثق) إلى تغييرات في البنى المجهرية الأصلية واستجابة السبائك لخطة المعالجة بالتحليل والشيخوخة. الألواح والبثقات الرقيقة تبرد بسرعة وتحقق ترسيبًا متناسقًا، بينما تحتاج الصفائح السميكة إلى مسارات تبريد محكمة وسبائك دقيقة (Zr/Cr) أو تجانس فرن لتجنب المناطق الداخلية اللينة. يتم اختيار التطبيقات حسب الشكل بناءً على الضبط الممكن، والتدرجات الميكانيكية المطلوبة، وعمليات التشغيل أو التشكيل اللاحقة.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	7055	الولايات المتحدة الأمريكية	تعيين UNS الشائع A97055 لمنتجات 7055 المشغولة
EN AW	7055	أوروبا	EN AW-7055 مستخدمة بشكل شائع لكن حدود التركيب الكيميائي ورموز المطابقة قد تختلف قليلاً
JIS	A97055 / ما يعادلها	اليابان	تدرج المعايير المحلية تركيبات مماثلة بدلاً من تعيين مطابق
GB/T	7055	الصين	درجات المعيار الصيني تتبع تراكيب كيميائية مماثلة ولكن مع اختلافات في العمليات والتسامحات

تختلف علامات الدرجات المكافئة حسب جهة المعيار وأحيانًا تاريخ معالجة المورد؛ التراكيب الكيميائية متشابهة لكن التسامحات، والشوائب المسموح بها، والقيم الميكانيكية المحددة يمكن أن تختلف. يجب على المستخدمين دومًا التحقق من شهادة المسبك ورمز المطابقة والمواصفات (مثل AMS، ASTM، EN) للدفعة المشترات، خصوصًا للمكونات الحرجة في الطيران أو المعرضة للإجهاد المتكرر.

مقاومة التآكل

7055، كسبائك من سلسلة 7xxx، أكثر عرضة للتآكل الموضعي وتشقق الإجهاد نتيجة التآكل (SCC) مقارنة بسلسلتي 5xxx و6xxx في الظروف ذات الشيخوخة الطبيعية أو الذروة. تُستخدم طرق الشيخوخة المفرطة والاختيارات الحرارية مثل T7، بالإضافة إلى السبائك الدقيقة مثل Zr، لتحسين مقاومة التشقق الناتج عن الإجهاد وتثبيت هيكل ترسيبات حدود الحبيبات لخدمة طويلة الأمد في بيئات عدوانية.

في البيئات الجوية والبحرية المعتدلة، يثبت 7055 بتنقية كافية وسطح مطلي سلوكًا مقبولًا؛ مع ذلك، تتطلب حالات الغمر المباشر في مياه البحر أو التعرض لمنطقة الرش استراتيجيات حماية من التآكل مثل الأكسدة الكهربائية، الطلاء التحويلي، والسدادات. التفاعلات الجلفانية تشكل مصدر قلق عند اقتران 7055 مع معادن مختلفة؛ يوصى بطبقات أكسدة وعزل لمنع التآكل المحلي السريع.

مقارنة بسبائك 6xxx (مثل 6061) توفر 7055 قوة أعلى ولكن بشكل عام مقاومة تآكل أقل، مما يستلزم حماية إضافية للسطح أو اختيار مطابقة حرارية. بالمقارنة مع 7075، غالبًا ما يتم تركيب 7055 لتحقيق توازن أفضل بين مقاومة الكسر ومقاومة التآكل الناتج عن الإجهاد، إلا أن كلا العائلتين تحتاجان لتدابير وقائية من التآكل في التطبيقات البحرية أو ذات الرطوبة العالية.

خواص التصنيع

قابلية اللحام

لحام الانصهار التقليدي لسبائك 7055 يؤدي عادةً إلى فقدان كبير في الخواص الميكانيكية في منطقة اللحام ومنطقة التأثير الحراري (HAZ) بسبب تدمير هيكل الترسيبات وصعوبة استعادتها بالتسخين الموضعي. يُعتبر اللحام بالاحتكاك والتحريك هو التقانة المفضلة للانضمام في التطبيقات الإنشائية، حيث ينتج هياكل دقيقة ويحسن الاحتفاظ بالقوة عند تطبيق معالجة الشيخوخة بعد اللحام. عندما يكون اللّحام بالانصهار ضروريًا، تُستخدم معالجة حرارية مكثفة بعد اللحام واستراتيجية مناسبة للإضافات أو الطبقات البينية؛ مع ذلك، تتجنب غالبية المواصفات في الطيران اللحام بالانصهار في مكونات 7055 الحرجة.

قابلية التشغيل

تُصنّف قابلية تشغيل 7055 بأنها متوسطة؛ حيث يتم تشغيلها أفضل من بعض السبائك النحاسية العالية ولكن أقل من سبائك عائلة 6xxx الأكثر دكتيلية. ينصح باستخدام أدوات كربيد مع إعدادات صلبة وزاوية قطعية موجبة عالية، إلى جانب سائل تبريد عالي الضغط للسيطرة على قطع الرقائق وارتفاع الحرارة. يتراوح سلوك الرقائق النموذجي بين القصيرة المقطعة والطويلة المستمرة حسب سرعة التقديم والمطابقة الحرارية؛ التحسين في معدلات التقديم يقلل من تآكل الأدوات ويحسن سلامة السطح للأجزاء الحساسة للإجهاد المتكرر.

قابلية التشكيل

التشكيل يُفضل تنفيذه في المطابقات المخالية (O) أو التي تعاني من تقسية تشغيل خفيفة؛ المطابقات ذات الشيخوخة الذروية مثل T6 تملك لَدونة محدودة وتكون عرضة للتشقق أثناء الثني أو التشكيل بالشد. نصف قطر الانحناء الأدنى عادةً أكبر من ذلك الخاص بسبائك 5xxx/6xxx؛ قاعدة عامة متحفظة هي نصف قطر داخلي لا يقل عن 3–4× السماكة للمادة المخالية، ويزداد ذلك مع المطابقات الأكثر صلابة. يمكن استخدام التشكيل الدافئ والمعالجة بالحلول والشيخوخة اللاحقة لإنتاج أشكال معقدة مع الاحتفاظ بالخواص النهائية العالية.

سلوك المعالجة الحرارية

7055 هي سبيكة قابلة للمعالجة حراريًا وتتبع المسار الكلاسيكي للمعالجة بالحلول والشيخوخة: معالجة بالحلول عند درجات حرارة نموذجيّة حوالي 470–485°C لإذابة المراحل القابلة للذوبان، يتبعها تبريد سريع للحفاظ على الذائبيّة في محلول صلب فوق المشبع. تبدأ عملية الشيخوخة الصناعية (مثل T6: ~120–130°C لعدة ساعات) بنوى ترسيب دقيقة من Mg-Zn تُعزز القوة إلى مستويات الذروة. تُستخدم المعالجات بالتشيخوخ المفرط (أنواع T7) بدرجات حرارة أعلى أو أوقات أطول لتكبير الترسيبات وتحسين مقاومة تشقق الإجهاد والمتانة على حساب قوة معتدلة.

تستخدم تحولات المطابقات مثل T6 → T7 عمدًا لتعزيز السلوك طويل الأمد؛ وكذلك تضم المطابقات المستقرة مثل T7451 خطوة تخفيف الإجهاد وشيخوخة محكمة لتلبية متطلبات الاستقرار الأبعاد وديمومة الكسر لتشكيلات الطيران والصفائح السميكة. يجب تحديد أوقات النقع، وسط التبريد، ودورات الشيخوخة بدقة حسب حجم القاطع والبنية المجهرية المرجوة، وتُحدد عادةً في مواصفات المورّد والمعايير الصناعية.

الأداء في درجات الحرارة العالية

7055 تفقد قوة كبيرة مع ازدياد درجة الحرارة؛ فوق حوالي 120–150°C يبدأ هيكل الترسيبات المسؤول عن القوة الذروية بالتكبير وتتدهور الخواص. يسرع التعرض طويل الأمد فوق ~150°C من التشيخ المفرط وينبغي تجنبه في التطبيقات الهيكلية التي تتطلب قوة ثابتة عالية. التأكسد معتدل وشائع في سبائك الألومنيوم؛ يمكن للطلاءات الواقية أو الأكسيدة الكهربائية تقليل تأكسد السطح عند التعرض لدرجات حرارة مرتفعة.

تُظهر مناطق التأثير الحراري من اللحام ضعفًا محليًا في القوة وتغيرات بالهياكل المجهرية، وهي حساسة بشكل خاص لدرجات حرارة الخدمة المرتفعة. لاستخدامات درجات الحرارة العالية أو التطبيقات المعرضة للزحف، عادةً ما يختار المهندسون سبائك أخرى مصممة من أجل الاستقرار الحراري بدلاً من 7055.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكوّن	سبب استخدام 7055
الطيران	صفائح الأجنحة، دعامات الهيكل، وصلات معدات الهبوط	نسبة قوة إلى وزن عالية جدًا ومتانة جيدة للكسر للهياكل الأولية والثانوية
البحرية	وصلات هيكلية عالية الأداء ورِفَع السفن	قوة نوعية عالية مع حماية مخصصة من التآكل
السيارات / رياضة المحركات	عناصر هيكلية مقاومة للصدمات، أقفاص التدحرج (متخصصة)	انخفاض الوزن وقوة ثابتة عالية لمكونات الأداء
الأدوات الرياضية	هياكل دراجات هوائية متقدمة، هياكل مضارب	صلابة ممتازة مقابل الوزن وأداء إجهاد عالي عند المعالجة الملائمة
الإلكترونيات / التبريد	أُطُر ناشرة للحرارة هيكلية	موصلية حرارية جيدة نسبة إلى متطلبات القوة النوعية

يُفضل استخدام 7055 حيث يتطلب التصميم قوة ثابتة وصلابة استثنائية بأقل وزن، مع متانة كافية وحياة إجهادية لتطبيقات السلامة الحرجة. غالبًا ما يُقتصر استخدامه على التطبيقات التي يمكن فيها تطبيق ضوابط تصنيع وحماية من التآكل بدقة.

نصائح للاختيار

يُختار 7055 عندما تكون الحاجة إلى أقصى قوة نوعية ومتانة كسر جيدة مهمة، وعندما يدعم سلسلة التصنيع المعالجة الحرارية الدقيقة، والطلاءات الواقية، وعمليات التشكيل أو الانضمام المحكمة. هو الأنسب لأجزاء الطيران والهياكل عالية الأداء بدلاً من التطبيقات العامة أو منخفضة التكلفة.

بالمقارنة مع الألمنيوم النقي تجارياً (1100)، يقدم سبيكة 7055 قوة ميكانيكية أعلى بكثير على حساب انخفاض التوصيل الكهربائي/الحراري وقابلية التشكيل؛ يُفضل اختيار 7055 عندما تكون قوة الهيكل هي العامل المهيمن على التوصيل الوظيفي أو سهولة التشكيل. بالمقارنة مع السبائك المعالجة بالتصلب مثل 3003/5052، فإن 7055 أقوى بكثير لكنه أقل قابلية للتشكيل وأكثر حساسية للتآكل؛ وهو الخيار الأفضل عندما تكون القوة أهم من التشكيل البسيط والتكلفة. بالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية من سلسلة 6xxx مثل 6061، توفر 7055 قوة ذروة أعلى بشكل ملحوظ وغالباً ما تكون أفضل من حيث مقاومة الصدع في تطبيقات الطيران، ولكن ذلك على حساب قابلية اللحام ومقاومة التآكل الذاتية؛ اختر 7055 عندما تكون أعلى نسبة قوة إلى وزن ضرورية ويمكن التحكم في قيود التصنيع.

الملخص الختامي

تظل 7055 واحدة من سبائك الألمنيوم المشغولة عالية المستوى للتطبيقات التي تتطلب قوة نوعية قصوى وتوازناً في المتانة، خاصة في مجالات الطيران والهياكل عالية الأداء. تعتمد فائدتها على اختيار الحالة الحرارية بعناية، والتحكم في العمليات التصنيعية، وتوفير الحماية المناسبة من التآكل لاستغلال بنيتها الدقيقة المصممة وقدراتها الميكانيكية بشكل كامل.