الألومنيوم 712: التركيب، الخواص، دليل المعالجة، والتطبيقات

نظرة شاملة

سبائك 712 هو سبيكة ألومنيوم عالية القوة وقابلة للمعالجة الحرارية، تُصنّف ضمن عائلة سلسلة 7xxx حيث الزنك هو العامل الرئيسي في تعزيز القوة. تركيبه الكيميائي يهيمن عليه إضافات Zn-Mg-Cu التي تدفع تصلب الشيخوخة، مع إضافات أثرية من Cr/Ti أو Zr غالبًا ما تُستخدم للتحكم في بنية الحبيبات وتحسين المتانة. آلية التقوية الرئيسية هي تصلب الترسيب بعد المعالجة بالاذابة والتشيخ الاصطناعي، على الرغم من إمكانية استخدام تصلب العمل المحدود في بعض حالات التقسية لضبط الخصائص. الخصائص النموذجية تشمل قوة ساكنة عالية وصلابة جيدة للهياكل الحساسة للوزن، وتوصيلية حرارية وكهربائية معتدلة، مع تنازل عن مقاومة التآكل العامة وقابلية اللحام مقارنةً بسبائك عائلات 5xxx و6xxx.

الصناعات التي تستخدم سبيكة 712 تتركز بشكل رئيسي في الطيران والنقل عالي الأداء حيث يُعطى الأولوية لنسبة القوة إلى الوزن وأداء الكسر، وكذلك بعض تطبيقات البحرية عالية القوة والسيارات المتخصصة التي تتطلب أداءً هيكليًا متفوقًا. يتم اختيار السبيكة على سبائك أقل قوة عندما تتطلب معايير التصميم مقاومة خضوع وشد عالية دون اللجوء إلى مواد غريبة أو سماكات أثقل. يختار المهندسون 712 عندما يتطلب التصميم قوة نوعية عالية ومقاومة للتعب مع قبول الحاجة إلى عمليات تصنيع محكمة واستراتيجيات للحد من التآكل. مقارنةً بسبائك سلسلة 6xxx، توفر 712 قوة ذروة أعلى على حساب القابلية للتشكيل وخصائص لحام أقل، مما يجعلها مادة متخصصة وليست سبيكة هيكلية للأغراض العامة.

أنواع المعالجات الحرارية

نوع المعالجة	مستوى القوة	الاستطالة	القابلية للتشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	عالي	ممتاز	ممتاز	مُعالج بالكامل بالتليين؛ أقصى ليونة للتشكيل
H14	متوسط	متوسط-منخفض	جيد	مقبول	مُصلب بالعمل إلى قوة متوسطة بدون معاملة شيخوخة
T5	متوسط-عالي	متوسط	مقبول	مقبول	مُبرد من عملية تشكيل بدرجة حرارة مرتفعة ومُشيخ اصطناعياً
T6	عالي	منخفض-متوسط	محدود	ضعيف	معالجة حرارية بالاذابة ومشيخة اصطناعية لتحقيق قوة ذروة
T651	عالي	منخفض-متوسط	محدود	ضعيف	معالجة بالاذابة، إزالة الإجهادات بشد، ثم مشيخة اصطناعية
T73	متوسط-عالي	متوسط	جيد	محسّن	حالة مشيخة مفرطة مع مقاومة محسنة لتآكل إجهاد وتصلب

تؤثر المعالجة الحرارية تأثيرًا قويًا في التوازن بين القوة والليونة لسبيكة 712؛ تُستخدم معالجات O وH عند الحاجة لتشكيل كبير، في حين تعظِّم معالجات T القوة من خلال ترسيب مضبوط. تستخدم حالات المعالجة المفرطة مثل T73 لتحسين متانة الكسر والمقاومة لتآكل إجهاد مع التضحية ببعض قوة الذروة.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق %	ملاحظات
Si	0.10–0.40	شائبة أثرية، تتحكم في خصائص الصب
Fe	0.10–0.50	شائبة قد تكون مركبات بينية تؤثر على المتانة
Mn	0.05–0.30	قليل؛ يحسن قليلاً بنية الحبيبات والقوة
Mg	1.3–2.5	عنصر رئيسي مع Zn لتكوين ترسيبات MgZn2
Cu	0.8–2.0	مقوٍ للقوة ويتحكم في سرعة تصلب الشيخوخة
Zn	4.5–6.5	العنصر الأساسي في تقوية سبائك 7xxx
Cr	0.02–0.30	ميكرو سبائك للتحكم في إعادة التبلور والمتانة
Ti	0.01–0.10	محسن لحجم الحبيبات في المنتجات المسحوبة
أخرى	التوازن / شوائب (كل منها <0.05–0.5)	عناصر متبقية (Zr, V، إلخ) للتحكم بحجم الحبيبات وتأثيرات أثرية

نظام Zn–Mg–Cu يحدد استجابة تصلب الشيخوخة: يتكامل Zn وMg لتكوين ترسيبات دقيقة MgZn2 التي توفر معظم القوة بعد الشيخوخة، في حين يحسن Cu حركية الترسيب ويزيد من قوة الذروة. تُستخدم إضافات الميكرو سبائك مثل Cr وTi أو Zr للحد من نمو الحبيبات أثناء المعالجة بالاذابة ولتحسين متانة الكسر ومقاومة التعب عن طريق تثبيت بنية حبيبية دقيقة. تؤثر العناصر المتبقية والشوائب على تكوين طور حدود الحبيبات وبالتالي على قابليتها لتآكل إجهاد الإجهاد ومتانتها.

الخصائص الميكانيكية

تُظهر سبيكة 712 تحت تحميل الشد سلوك الألومنيوم القابل للمعالجة الحرارية الكلاسيكي حيث تعتمد القوة والليونة بشكل كبير على نوع المعالجة؛ حيث تطور حالات المعالجة بالاذابة والشيخوخة الذروية قوى شد وخضوع عالية مع ليونة معتدلة. تكون مقاومة الخضوع في حالات الذروة نسبة كبيرة من مقاومة الشد القصوى، مما يفيد ثبات الأبعاد أثناء الأحمال التشغيلية لكنه يقلل من نافذة التشكيل ويزيد من الارتجاع. تتناسب الصلادة جيدًا مع خصائص الشد: تزداد بشكل كبير بعد الشيخوخة نتيجة لتكوين ترسيبات متماسكة ونصف متماسكة؛ ويؤثر هذا التصلب أيضًا على خصائص التشغيل والتعب.

تؤثر السماكة وحجم المقطع على القوة القصوى الممكن تحقيقها بسبب حساسية التبريد؛ قد تقل القوة والمتانة في المقاطع السميكة بسبب تبريد أبطأ وترسيبات بحجم أكبر بين التلدين.

الخاصية	O/مُلين	المعالجة الرئيسية (مثلاً T6)	ملاحظات
قوة الشد	~220–260 MPa	~520–580 MPa	قيم الذروة في T6 مماثلة لسبائك الألمنيوم ذات نسبة الزنك العالية؛ تعتمد على سماكة المقطع
مقاومة الخضوع	~60–120 MPa	~460–520 MPa	زيادة كبيرة بعد الشيخوخة؛ نسبة الخضوع عالية في حالات T6
الاستطالة	~18–26%	~6–12%	انخفاض الليونة بعد الشيخوخة؛ يُفضل حالة O للتشكيل الشديد
الصلادة	~50–75 HB	~140–165 HB	تزداد صلادة برينل بشكل كبير مع الشيخوخة والترسيبات

يمكن أن يكون أداء التعب لسبيكة 712 المعالجة بشكل جيد ممتازًا مقارنة بالسبائك الأقل قوة، طالما تم التحكم بجودة السطح وحالة الإجهاد المتبقي والتآكل. تُحقق مقاومة التعب القصوى في حالات T651 أو حالات المعالجة المفرطة التي توازن بين القوة ومقاومة نمو الشقوق، في حين تزيد حالات الشيخوخة الذروية العدوانية من القوة الساكنة لكنها قد تجعلها أكثر عرضة للشقوق.

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.78 جم/سم³	نمطي لسبائك Al–Zn–Mg–Cu؛ نسبة قوة إلى وزن جيدة
نطاق الانصهار	~500–645 °C	فرق بين الصلب والسائل يعتمد على مستويات Zn/Cu والطور الثانوي
التوصيل الحراري	120–150 W/m·K	أقل من الألمنيوم النقي؛ ينخفض بسبب السبائكية والترسيبات
التوصيل الكهربائي	28–38 % IACS	منخفض مقارنة بالألمنيوم النقي نتيجة الذائبة والترسيبات
السعة الحرارية النوعية	~0.90 J/g·K	قريبة من معظم سبائك الألمنيوم المسحوبة
التوسع الحراري	23–24 µm/m·K	معامل التمدد الحراري مماثل لسبائك الألمنيوم

الخصائص الفيزيائية تجعل سبيكة 712 جذابة للأجزاء الهيكلية الحساسة للوزن التي تتطلب ثباتًا حراريًا وتبديد حرارة كافٍ، بالرغم من أن التوصيل الكهربائي والحراري أقل من سبائك الألمنيوم الأنقى. تؤثر نطاقات الانصهار والتصلب على سلوك الصب واللحام؛ حيث تعزز فترات التصلب تكوين أطوار بينية يجب التحكم فيها من خلال ضبط السبيكة وعمليات التصنيع.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	التمبرات الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6.0 mm	ثبات القوة في السماكات الرقيقة؛ جيد للألواح المشكلة	O, H14, T5, T6	يُستخدم حيث الحاجة إلى مقاومة نوعية عالية وتشكيل سماكة رقيقة
صفائح	6–150+ mm	القوة والمتانة تتأثر بالسماكة؛ حساسية للتبريد في القطاعات السميكة	O, T6, T651, T73	الأقسام الثقيلة تتطلب تحكم حراري دقيق أثناء التبريد والشيخوخة
بثق	سماكة الجدار 1–20 mm	البروفايلات المبثوقة يمكن أن تحقق قوة عالية لكنها محدودة بسرعة التبريد	T5, T6 (بعد الشيخوخة)	الأقسام المعقدة قد تتطلب شيخوخة مباشرة أو دورات طلاء حراري
أنابيب	القطر الخارجي 10–300 mm	الخصائص الميكانيكية تعتمد على طريقة التصنيع والتقليل	O, T6	الأنابيب بدون لحام أو الملحومة تتطلب معالجة حرارية بعد التصنيع للوصول إلى الخصائص القصوى
قضبان/عصي	القطر 3–150 mm	القضبان تستجيب جيدًا لتتابع المعالجة الحلّية/التبريد/الشيخوخة؛ حجم القطاع يتحكم في الخصائص	O, T6	تستخدم للتركيبات، الأجزاء المشغولة، والمكونات ذات الإجهاد العالي

تتطلب أشكال المنتجات المختلفة عمليات مخصصة لتحقيق الخصائص المرجوة؛ يمكن تبريد الألواح الرقيقة بسرعة وشيخوختها للوصول إلى الحالة المثلى، في حين أن الصفائح السميكة تحتاج إلى استراتيجيات تبريد خاصة أو شيخوخة مفرطة لتقليل التدرجات المتبقية. تؤثر تاريخ البثق والدرفلة على سلوك إعادة التبلور واللاسقطة النهائية؛ بالتالي يجب على المصممين مراعاة الخصائص الاتجاهية وتأثير العمل البارد أو التمليس بالإطالة على التمبرات المقدمة.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	712	الولايات المتحدة الأمريكية	تعيين صناعي لعائلة السبائك المسحولة عالية القوة Zn–Mg–Cu
EN AW	لا يوجد مكافئ مباشر	أوروبا	لا يوجد تعيين EN AW مطابق تمامًا لـ 712؛ الأقرب هو AW-7075 و AW-7050
JIS	لا يوجد مكافئ مباشر	اليابان	لا يوجد نظير JIS دقيق؛ الأداء المماثل يتداخل مع سبائك سلسلة A7075
GB/T	لا يوجد مكافئ مباشر	الصين	قد توفر المعايير الصينية سبائك Zn–Mg–Cu عالية القوة مماثلة ولكن ليست مكافئة مباشرة لـ 712

تنبع الفروق الطفيفة بين 712 والدرجات القياسية المجاورة من النسب الدقيقة لـ Zn/Mg/Cu والإضافات الدقيقة التي تغير تسلسل التهطال وحساسية التبريد. حتى التغيرات الصغيرة في مستويات Cu أو Zn يمكن أن تؤثر على قوة الشيخوخة القصوى، صلابة الكسر، والقابلية لتشقق التآكل بالإجهاد، لذلك يجب التحقق من الاستبدال المباشر عبر اختبارات ميكانيكية وتقييم مقاومة التآكل. تقدم المعايير الإقليمية بدائل ذات أداء قريب، لكن يجب على المشترين التحقق من تعيينات التمبر، مؤهلات أشكال المنتج، وشهادات الخصائص قبل تحديد البدائل المباشرة.

مقاومة التآكل

يظهر سبيكة 712 مقاومة معتدلة لتآكل الغلاف الجوي في البيئات غير العدائية لكنه أكثر عرضة للتآكل الموضعي والتآكل الحفري مقارنة بسلسلة 5xxx أو سبائك 6xxx المعالجة حراريًا بسبب محتواها الأعلى من Zn و Cu. في البيئات البحرية أو الغنية بالكلوريد، تتطلب السبيكة تدابير حماية مثل أنظمة الطلاء، التأكسد الأنودي، أو الحماية الكاثودية؛ وإلا فإن التآكل الحفري والتقشير يمكن أن يسرع من تدهور المكونات. يشكل تشقق التآكل بالإجهاد (SCC) خطرًا معترفًا به لسبيكة Zn–Mg–Cu عالية القوة ويتحسس للحالة الميتالورجية، الإجهاد المتبقي، وحالة الشيخوخة؛ تقلل الشيخوخة المفرطة (مثل T73) أو تخفيف الإجهاد المتبقي بواسطة التمدد من قابلية التشقق بالإجهاد. التفاعلات الجلفانية مع المعادن المختلفة مهمة: فـ712 أنودية مقابل الفولاذ المقاوم للصدأ وكاثودية بالنسبة للمغنيسيوم، لذا يجب تحديد العزل أو التركيبات والطلاءات المتوافقة لتجنب التآكل الجلفاني.

مقارنة بسلسلة 5xxx (المعتمدة على Mg)، تستبدل 712 متانة التآكل بالقوة الأعلى؛ عادة ما تقاوم سلسلة 5xxx البيئات البحرية بشكل أفضل دون الحاجة إلى أنظمة حماية ثقيلة. أما مقابل سبائك 6xxx، تقدم 712 عمومًا قوة ساكنة أعلى لكن أداء أقل في مقاومة التآكل العام ومناطق اللحام، مما يتطلب حماية سطح إضافية في التطبيقات المكشوفة.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

يُعدّ لحام سبيكة 712 بواسطة طرق الانصهار التقليدية (TIG/MIG) تحديًا لأن إدخال الحرارة يغير حالة الترسيب وينتج تليين منطقة التأثير الحراري (HAZ)، مما يؤدي إلى فقدان كبير في القوة بالقرب من اللحام. تقلل سبائك الحشو المتخصصة والتحكم في العملية من خطر التشقق الحراري، لكن حتى مع الحشوات المناسبة، لن يستعيد الوصل الملحوم أو المعالج عادة قوة الذروة T6 للقاعدة؛ كثيرًا ما يُفضل اللحام بالاحتكاك لمنع الخسارة العالية في الخصائص الميكانيكية وتقليل الفراغات والتشققات. تتطلب عمليات ما قبل وبعد اللحام، بما في ذلك التسخين المسبق المنضبط والتبريد/الشيخوخة أو تخفيف الإجهاد الميكانيكي الموضعي، للسيطرة على التشوه وتحسين أداء الوصل.

قابلية التشغيل

تُعتبر قابلية التشغيل لسبيكة 712 جيدة عمومًا في حالة T6 مقارنة مع العديد من سبائك الألمنيوم عالية القوة نظرًا لبنيتها المتجانسة نسبيًا، لكن قوى الأدوات والتحكم في الرقائق أعلى من السبائك اللينة. يُنصح باستخدام أدوات كربيد ذات هندسة زوايا إيجابية والفولاذ عالي السرعة المطلي جيدًا؛ يجب ضبط سرعات القطع ومعدلات التغذية لتحقيق توازن بين عمر الأداة والتشطيب، ومن المستحسن استخدام التبريد للتحكم في الحرارة ومنع التشكل الحاد للحافة. يؤثر التشطيب السطحي والإجهادات المتبقية الناتجة عن التشغيل على سلوك التعب، لذا يجب تحديد عمليات التشغيل النهائية وتخفيف الإجهاد للمكونات الحرجة في الطيران.

قابلية التشكيل

يُفضل التشكيل في التمبرات O أو H الناعمة حيث يتم تعظيم الاستطالة والانحناء؛ التمبرات T6 وغيرها من تمبرات الشيخوخة القصوى لها قدرة محدودة على التشكيل البارد وتظهر ارتدادًا أكبر وخطر التشقق. تعتمد أدنى أنصاف أقطار الانحناء على السماكة والتمبر، ولكن القاعدة المحافظة هي تصميم انحناءات بأقطار 2–4× سماكة المادة لقطاعات T6 و1–2× السماكة للمواد ذات التمبر O. عند الحاجة لأشكال معقدة لأجزاء عالية القوة، غالبًا ما يكون التشكيل قريب الشكل النهائي متبوعًا بمعالجة حرارية (شيخوخة أو تتابع حلّ وتجهيز) هو الطريق التصنيعي الأكثر عملية.

سلوك المعالجة الحرارية

كسبيكة قابلة للمعالجة الحرارية، يتبع 712 مسار معالجة نموذجي يشمل المعالجة الحلّية، التبريد، والشيخوخة الاصطناعية لتطوير الخصائص الميكانيكية القصوى. تكون درجات حرارة المعالجة الحلّية عادة في نطاق 470–490 °C لإذابة الطور القابل للذوبان، تليها تبريد سريع للاحتفاظ بمحلول صلب مشبع يمكن أن يترسب أثناء الشيخوخة. تتنوع جداول الشيخوخة الاصطناعية حسب التوازن المطلوب بين القوة ومقاومة SCC؛ حيث تستخدم شيخوخة نوع T6 عند 120–130 °C لعدة ساعات لإنتاج الصلابة القصوى، بينما تستخدم الشيخوخة المفرطة (T73) درجات حرارة أعلى أو أوقات مطولة لتكبير الترسيبات وتحسين مقاومة الكسر والتآكل. يمكن استخدام تحولات التمبر T لتخصيص الخصائص: تؤثر علاجات الإرتداد والشيخوخة الطبيعية المحكومة على استجابة الشيخوخة الاصطناعية اللاحقة ويجب التحكم بها لضمان تكرار الخصائص.

يلعب العمل البارد دورًا محدودًا مقارنة بتقسية الترسيب في 712، لكن يمكن استخدامه لتعزيز القوة في التمبرات الوسيطة (مثل سلسلة H1x) إذا كانت استجابة الشيخوخة متوافقة. يعيد التلدين الكامل السبيكة إلى الحالة القابلة للتشكيل O ويستخدم قبل العمليات الشديدة للتشكيل.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

الاحتفاظ بالقوة عند درجات الحرارة المرتفعة محدود لسبيكة 712؛ يحدث تليين كبير فوق ~120–150 °C بسبب تكبير بنية الترسيب وفقدان التماسك. قد تبقى بعض القوة المتبقية عند التعرضات قصيرة المدى حتى ~200 °C، لكن الخدمة طويلة الأمد عند درجات حرارة مرتفعة تقلل مقاومة الخضوع وتسارع الزحف والاسترخاء للإجهادات المتبقية. الأكسدة محدودة لسبائك الألمنيوم في درجات الحرارة المتوسطة، لكن الطلاءات الواقية قد تتدهور وتسمح بالتآكل الموضعي إذا لم تكن الاستقرارية الحرارية كافية. تعتبر مناطق التأثير الحراري الناتجة عن اللحام أو الدورات الحرارية الأخرى معرضة بشكل خاص لفقدان القوة بسبب إذابة وإعادة ترسيب الترسيبات، لذا يجب التحكم بدقة في التعرض الحراري أثناء التصنيع للحفاظ على السلامة الميكانيكية.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام سبيكة 712
الفضاء الجوي	وصلات هيكل الطائرة وهياكل نقل الحمل للجناح	قوة نوعية عالية ومقاومة جيدة للتشقق للأجزاء الهيكلية الأساسية
البحرية	وصلات الهيكل وشعاعيات عالية القوة	نسبة قوة إلى وزن عالية ومقاومة جيدة للإجهاد مع حماية مناسبة ضد التآكل
السيارات	عناصر هيكلية عالية الأداء ومكونات التعليق	تقليل الوزن مع تحقيق أقصى قوة وصلابة لتخفيض الكتلة
الإلكترونيات	أُطُر هيكلية وحوامل عالية القوة	قوة وثبات أبعادي مع موصلية حرارية متوسطة
الدفاع	غلاف القذائف وحوامل هيكلية	قوة عالية وأداء جيد في الإجهاد المتكرر تحت الأحمال الدورية

تُختار سبيكة 712 عندما يكون تحقيق توازن بين القوة الساكنة العالية والمتانة المقبولة ومسار تصنيع يمكن التحكم فيه يوفر مزايا أداء واضحة في الهياكل التي تتطلب السلامة أو انخفاض الوزن. ويكون استخدامها أكثر فعالية حينما يمكن تخصيص ميزانية للحماية الإضافية من التآكل وعمليات التصنيع المحكومة.

نصائح الاختيار

تُفضّل سبيكة 712 عندما تكون الأولوية لتصميم جزء يتطلب قوة ساكنة عالية وصلابة، ويتضمن مخطط التصنيع معالجة حرارية محكومة وحماية من التآكل. بالمقارنة مع الألومنيوم النقي تجاريًا (مثل 1100)، تقدم 712 تضحية في التوصيل الكهربائي والحراري وقابلية التشكيل مقابل مقاومة شد وخضوع أعلى بكثير، مما يجعلها غير مناسبة حيث يتطلب التطبيق أعلى توصيلية أو عمليات استبقاء عميقة.

بالمقارنة مع السبائك المعالجة عمليا الشائعة مثل 3003 أو 5052، توفر 712 قوة أعلى بشكل ملحوظ على حساب قابلية التشكيل وانخفاض المقاومة للتآكل البحري؛ يُستخدم 712 عندما تفوق متطلبات القوة الهيكلية سهولة التشكيل أو المقاومة الطبيعية للتآكل. مقارنة بالسبائك المعالجة حراريا من سلسلة 6xxx (مثل 6061/6063)، تقدم 712 قوة قصوى أعلى لكن غالباً ما تكون خصائص منطقة اللحام ومقاومة التآكل أقل جودة؛ يُختار 712 عندما تكون الحاجة إلى أعلى نسبة قوة إلى وزن، وعندما يسمح التصميم بطرق الانضمام المتخصصة أو اللحام بالاحتكاك بالتماس (FSW) والطلاءات الواقية.

ملخص ختامي

لا تزال سبيكة 712 ذات صلة عندما يطلب المصممون ألومنيوم عالي القوة وقابل للمعالجة الحرارية مع نطاق قوة نوعية ممتاز وسلوك إجهاد تعب جيد، شريطة تنفيذ ضوابط التصنيع واستراتيجيات الحد من التآكل. عند استخدامها مع عمليات تقسية مناسبة، وطرق انضمام ووقاية ملائمة، توفر 712 حلول أداء عالية موثوقة في تطبيقات الفضاء الجوي والبحرية والنقل الفاخر.