ألمنيوم 713: التركيب، الخصائص، دليل التلدين والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
سبائك 713 تنتمي إلى عائلة سبائك الألومنيوم عالية القوة وقابلة للمعالجة الحرارية، وهي الأقرب إلى سلسلة 7xxx من حيث الكيمياء ومجال الأداء. تتكون بشكل رئيسي من الزنك كعنصر تقوية رئيسي، مع إضافة الماغنسيوم والنحاس لإنتاج بنية دقيقة تصلبة بالترسيب.
آلية التقوية الأساسية لـ 713 تعتمد على التصلب بالعمر من خلال المعالجة بالتسخين الحلولي تليها التبريد المحكوم والعلاج الاصطناعي؛ حيث تظهر زيادة ملحوظة في القوة نتيجة لتكون نواتج طور MgZn2 (مرحلة إيتا) المتماسكة وشبه المتماسكة. من السمات الرئيسية للسبائك قوة شد وقوة خضوع عالية بالنسبة لكثافتها، ومقاومة داخلية متوسطة إلى ضعيفة للتآكل مقارنة بسبائك 5xxx و6xxx، وقابلية تشكيل محدودة لكنها قابلة للعمل في الحالتين اللينتين؛ تتطلب قابلية اللحام عناية لتجنب تليين منطقة تأثير الحرارة (HAZ) والتشقق.
تُستخدم سبائك 713 بشكل نموذجي في تجهيزات الهياكل الجوية، ومكونات السيارات عالية الأداء، ومعدات الدفاع، وبعض المعدات البحرية أو الرياضية حيث تكون نسبة القوة إلى الوزن حاسمة. يتم اختيار هذه السبائك على حساب سبائك أقل قوة عندما تكون القوة القصوى القصوى ومقاومة التعب والصلابة وتحمل الضرر لكل وحدة وزن من أولويات التصميم أعلى من مقاومة التآكل المطلقة أو سهولة اللحام.
يختار المصممون سبائك 713 عندما يتطلب التطبيق أقصى قوة من سبيكة ألومنيوم قابلة للمعالجة بالمعالجة الحلولية مع استجابة عمرية متوقعة نسبيًا، وحيث يمكن تطبيق استعادة ميكانيكية بعد اللحام أو إجراءات تقليل التآكل (طلاءات، أنودة، سبائك تضحياتية).
متغيرات المعالجة الحرارية
| الحالة | مستوى القوة | استطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | عالية (12–20%) | ممتازة | ممتازة | مخددة بالكامل، الأفضل للتشكيل والسحب |
| H14 | متوسطة | متوسطة (8–12%) | جيدة | متوسطة | مشدودة بالتحوير، تقوية إضافية محدودة |
| T5 | متوسطة-عالية | متوسطة (6–10%) | متوسطة | متوسطة | مبردة بعد العمل الحار ومعالجة عمر صناعية |
| T6 | عالية | أقل (6–10%) | متوسطة إلى ضعيفة | محدودة | معالجة حرارية محلول + عمر صناعي؛ أقصى قوة |
| T651 | عالية | أقل (6–10%) | متوسطة إلى ضعيفة | محدودة | T6 مع تخفيف إجهاد بالتمديد لتحقيق استقرار الخواص |
| H112 | متغيرة | متغيرة | متغيرة | متغيرة | حالة مصنعية؛ يتم التحكم فيها بواسطة المورد |
تلعب حالة المعالجة دورًا كبيرًا في خصائص 713 الميكانيكية: حالات التليين O تعظم اللدونة وقابلية التشكيل على حساب القوة، في حين أن T6 وT651 تعطي أعلى قوة خضوع وقوة شد مع انخفاضات مصاحبة في الاستطالة وقابلية الانحناء. اختيار الحالة هو توازن هندسي بين عمليات التشكيل المطلوبة، والقوة النهائية للخدمة، والقابلية للتعرض لظواهر مثل تشقق الإجهاد والتآكل وتليين منطقة تأثير الحرارة بعد اللحام.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النطاق % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.40 | شائبة؛ تؤثر بشكل طفيف على سلاسة الصب وقابلية التصلد |
| Fe | ≤ 0.50 | المركبات بين المعدنية الغنية بالحديد قد تقلل من المتانة وعمر التعب |
| Mn | ≤ 0.30 | معدل بنية الحُبيبات محدود؛ تقوية محدودة بالحل |
| Mg | 2.0–2.9 | عنصر رئيسي لنواتج طور MgZn2؛ يتحكم في حركية العمر |
| Cu | 1.2–1.8 | يرفع القوة والصلادة، قد يخفّض مقاومة التآكل |
| Zn | 5.1–6.5 | العنصر الأساسي للتقوية بتكوين نواتج طور المغنسيوم-زنك |
| Cr | 0.10–0.30 | يتحكم في إعادة التبلور وبنية الحبيبات، يحسن المتانة |
| Ti | ≤ 0.10 | مكرر الحبيبات أثناء الصب أو المعالجة الأولية |
| عناصر أخرى (لكل منها) | ≤ 0.05–0.15 | إضافات أثرية وعناصر متبقية؛ الباقي ألومنيوم |
الكيمياء الاسمية لـ 713 مصممة للتصلب بالترسيب: يجتمع الزنك والماغنسيوم لتكوين المراحل المهيمنة على التقوية أثناء العمر، بينما يزيد النحاس من القوة القصوى ويساهم في الصلادة على حساب بعض مقاومة التآكل. الكروم والتيتانيوم كعناصر أثرية تعمل كمثبتة للبنية الدقيقة لتكرير الحبيبات وتقليل القابلية لإعادة التبلور أثناء المعالجة الحرارية الميكانيكية.
الخواص الميكانيكية
يعتمد سلوك الشد لسبائك 713 بشكل كبير على حالة المعالجة وسمك المقطع. في حالات العمر القصوى T6 وT651 تطور السبائك قوة شد قصوى عالية وقوة خضوع ملحوظة مع استطالة متواضعة، بينما يكون المعدن الملدن أقل قوة بكثير لكنه يتمتع بدقة ومرونة أعلى. عادةً ما تظهر منحنيات الإجهاد والشرط بلاستيكية محدودة قبل حدوث الرقبة الموضعية في الحالات عالية القوة لكن تحتفظ بمعامل مرونة وسلوك مرن معقول قابل للمقارنة مع درجات الألومنيوم الأخرى.
تتأثر قوة الخضوع وقوة الشد بمعايير العمر وسمك المقطع؛ فالمقاطع الأسمك تبرد ببطء خلال التبريد، مما قد يقلل من الصلادة القصوى القابلة للتحقيق ويغير من سرعة العمر. تُستخدم الصلادة عادة كمقياس ميداني لحالة المعالجة ومستوى الشد، مع توافق بين اختبار برينل أو فيكرز وبيانات الشد. أداء التعب تنافسي ضمن الفئة عند التحكم الجيد في جودة السطح وحالة الإجهاد المتبقي، لكن عمر التعب يتأثر بشدة بالتآكل والنتوءات وسجل العمل البارد.
| الخاصية | الحالة O / الملدنة | الحالة الأساسية (مثل T6 / T651) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد (UTS) | 240–320 MPa | 520–590 MPa | قيم T6/T651 عند العمر القصوى تعتمد على السمك وبرنامج العمر |
| قوة الخضوع (0.2% إزاحة) | 110–200 MPa | 450–540 MPa | زيادة قوية في الخضوع من O إلى T6؛ منطقة تأثير الحرارة يمكن أن تقلل القوة موضعيًا |
| الاستطالة (في 50 mm) | 12–20% | 6–12% | تقل الاستطالة بفعل العمر والعمل البارد؛ طريقة القياس مهمة |
| الصلادة (HB) | 60–80 HB | 140–170 HB | قيم برينل تقريبية؛ الصلادة ترتبط بالخواص الشدية |
الخواص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.80 g/cm³ | نموذجية لسبائك الألومنيوم عالية القوة Zn-Mg-Cu؛ قوة نوعية ممتازة |
| نطاق الانصهار | ~500–635 °C (من الصلب إلى السائل) | يخفض التح alloying درجة السائل قليلاً عن الألومنيوم النقي؛ هام لصب دقيق |
| التوصيل الحراري | ~120–140 W/m·K | أقل من سبائك 6xxx والألومنيوم النقي لكن لا يزال جيداً لتوزيع الحرارة |
| التوصيل الكهربائي | ~30–35% IACS | ينخفض بسبب السبائك؛ نموذجي لفئة سبائك 7xxx |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.88 J/g·K | مقارنة بسبائك الألومنيوم المشغولة الأخرى |
| التوسع الحراري | ~23.2 µm/m·K | قريب من قيم الألومنيوم النموذجية؛ يتطلب تصميم لتحمل الإجهاد الحراري |
تضع مجموعة الخواص الفيزيائية سبيكة 713 كمعادن هيكلية خفيفة الوزن وموصلة حراريًا مع توسع متوقع وسعة حرارة مناسبة لأدوار إدارة الحرارة. تقلل الموصلية الكهربائية مقارنة بالألومنيوم الأنقى من استخدامها في الموصلات عالية التيار، لكن التوصيل الحراري يبقى كافيًا للعديد من تطبيقات المشتت الحراري عند الحاجة إلى قوة ميكانيكية مع الأداء الحراري.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة / الحجم النموذجي | سلوك القوة | الحالات الحرارية الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.3–6.0 mm | قوة موحدة للقطع الرقيق؛ ملائمة للتشكيل البارد في حالات O/H | O, H14, T5, T6 | تستخدم على نطاق واسع للألواح والمكونات الخارجية |
| صفائح | 6–200+ mm | تأثير السماكة كبير؛ الصفائح السميكة قد لا تصل للقوة الكاملة في T6 بدون تبريد خاص | O, T6, T651 | التطبيقات الحاملة تتطلب مراقبة دقيقة للتبريد |
| بروفيلات مكبوسة | مقاطع عرضية تصل إلى مئات mm | تختلف الخواص الميكانيكية حسب المعالجة الحرارية الميكانيكية والعمر؛ ممكن تأثير أنيسوتروبي | T5, T6, H112 | أشكال طويلة للإطارات والشدات |
| أنابيب | قطر 10–200 mm | الخواص حساسة لعملية التصنيع (سواء ملحومة أو بدون تماس) والمعالجة الحرارية التالية | T6, T651 | أنابيب هيدروليكية وهيكلية ونقل |
| قضبان/أعمدة | Ø5–100 mm | تصنع عادة في T6 أو O؛ استجابة للعمر متوقعة | O, T6 | مكونات تثبيت وتوصيل وأجزاء مكشوفة للتشغيل |
الألواح والصفائح الرقيقة سهلة التشكيل عمومًا وتحقق أداء ميكانيكي متناسق، في حين تتطلب الصفائح السميكة والبروفيلات الاهتمام بمعدلات التبريد وتشوه الشكل أثناء المعالجة الحرارية. تختبر تشكيلة القوالب والمقاطع عمرًا لاحقًا (T5/T6) لتحسين القوة، فيما تتطلب الأنابيب الملحومة والعناصر الهيكلية معالجة حرارية بعد اللحام أو تصميم يسمح بالتعامل مع تليين منطقة تأثير الحرارة.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 713 | الولايات المتحدة | تعيين يُستخدم لهذه الدرجة الصناعية الخاصة؛ يتوافق سلوكه بشكل قريب مع فئة 7xxx |
| EN AW | — | أوروبا | لا يوجد مكافئ مباشر في EN؛ أقرب الدرجات المقارنة هي EN AW-7075 و EN AW-7050 |
| JIS | — | اليابان | لا يوجد مكافئ مباشر في JIS؛ غالبًا ما تتم المقارنة مع سبائك A7075 للسلوك الميكانيكي |
| GB/T | — | الصين | لا يوجد مكافئ مباشر في GB/T؛ سبائك سلسلة 7xxx الصينية تظهر كيمياء وأداء مشابه |
لا يوجد معيار عالمي واحد يطابق 713 بشكل مباشر؛ بدلاً من ذلك، عادة ما يستعين المهندسون بالسبائك المعتمدة من عائلة 7xxx (7075، 7050) لاستنتاج السلوك لأغراض التصميم، الشراء، والشهادات. الفروقات الصغيرة في حدود النحاس، الزنك، والمغنيسيوم، ووجود عناصر سبائكية دقيقة (Cr, Zr, Ti) تخلق اختلافات ذات معنى في استجابة التقدم بالعمر، المتانة، وقابلية التعرض لتآكل إجهادي بين البلورات، والتي يجب التأكد منها بشهادات المواد من المورد.
مقاومة التآكل
في البيئات الجوية، تؤدي سبيكة 713 أداءً مقبولاً عند حمايتها بطبقات طلاء، دهانات، أو أغشية تأكسد أنودية، لكن التعرض للمعدن العاري يظهر عادةً تآكلًا بالتناثر والتقشير بشكل أسهل مقارنة بسبائك سلسلة 5xxx و6xxx. محتوى النحاس وبنية الترسيبات عالية القوة تزيد من القابلية للتآكل الموضعي والهجوم بين الحبيبات خصوصًا في الأجواء الرطبة الجافة الدورية أو المحتوية على الكلوريد.
يجب الحذر عند التعرض البحري: مع الحماية السطحية المناسبة والعزل الكاثودي/الأنودي يمكن استخدام السبائك في بيئات ضعيفة العدوانية، لكن في حالات الانغماس المستمر أو مناطق الرش يُفضل عادة الفولاذ المقاوم للصدأ أو سبائك 5xxx. يُعد تآكل الإجهاد أمرًا حقيقيًا في درجات القوة العالية (T6/T651)، خاصة تحت إجهادات شد متبقية وتركيزات كلوريد مرتفعة؛ تشمل تدابير التصميم تقليل إجهادات الشد، استخدام درجات قوة أقل، أو تطبيق أنظمة حماية.
الاقتران الجلفاني مع مواد أنبل (كالصلب المقاوم للصدأ، سبائك النحاس) قد يسرع من التآكل الموضعي للسبائك 713؛ يوصى باستخدام طبقات تضحوية أو حواجز عازلة للتجميعات المختلطة المعادن. مقارنة بعائلات 3xxx/5xxx، تقدم 713 خصائص ميكانيكية فائقة مقابل مقاومة تآكل ذاتية أقل وتتطلب هندسة مقاومة تآكل على مستوى النظام.
خواص التصنيع
قابلية اللحام
اللحام في 713 صعب في درجات القوة العالية. عمليات اللحام بالاندماج التقليدية (TIG/MIG) تؤدي إلى ترقيق منطقة التأثير الحراري وخسارة في الخصائص القصوى قرب منطقة الوصلة، والسبائك معرضة للتشقق الحراري ما لم يتم تحسين اختيار الحشوة وتصميم اللحام. استخدام سبائك حشوة منخفضة القوة (مثل مكافئات 5356 أو 4043 للألمنيوم) يقلل من مخاطر التشقق لكنه ينتج وصلاً بقوة أقل من المعدن الأساسي؛ العلاج الحراري بعد اللحام وتقنيات الاستعادة الميكانيكية ضرورية لاسترجاع الخصائص الهيكلية عند الإمكان.
قابلية التشغيل
التشغيل للسبائك 713 في درجات T6/H جيد عموماً مقارنة بالعديد من الفولاذات عالية القوة لكن يتطلب أدوات قوية ومغطاة بسبب القوة العالية وميل المعدن للتصلب أثناء القطع. أدوات كربيد ذات زاوية قطع إيجابية وكاسرات رقاقة محكمة فعالة، مع سرعات قطع معتدلة وتغذية مرتفعة لتجنب تراكم الحافة. يمكن تحقيق تشطيب سطحي ممتاز؛ مع ذلك يجب التحكم بالتثبيت لتقليل التشوهات والحفاظ على التفاوتات الهندسية.
قابلية التشكل
التشكيل يكون أكثر فاعلية في درجات O أو H اللينة؛ يجب أن تخضع أنصاف أقطار الانحناء للدرجة والسماكة حين تكون نسبة R/t أكبر عادة في درجات T6. القابلية للتشكيل البارد تتدهور بسرعة مع التقدم بالعمر ومحتوى النحاس، لذا يصمم المهندسون التشكيل في درجات لينة ثم يُجريون تسلسل الحلول/الشيخوخة النهائي عندما تسمح الهندسة وتوترات البقايا. التشكيل الهيدروليكي وتمديد المعدن عمليان للأشكال المعقدة باستخدام مواد مملوسة ومسارات إجهاد محكومة.
سلوك المعالجة الحرارية
السبائك 713 قابلة للمعالجة الحرارية وتظهر تحولات كلاسيكية لدرجة T: معالجة الحل الحراري تذيب المراحل القابلة للذوبان وتحضر محلول صلب مشبع فوق الحد، التبريد السريع يحفظ هذه الحالة، والتقدم بالعمر الصناعي يُحدث ترسيبات تقوي السبيكة. درجات حرارة المعالجة الحل النموذجية تتراوح بين 470–490 °C يليها تبريد سريع لدرجة حرارة الغرفة لتقليل تكون ترسيبات خشنة.
جداول تقدم العمر الصناعي لقوة T6 القصوى تستخدم عادة بين 120–180 °C لساعات متعددة؛ التباينات تنتج حالات T5 أو ناقصة التقدم لتحسين المتانة وتقليل التعرض لتآكل الإجهاد مع انخفاض بسيط في القوة. النسخة T651 تشمل شدًا محكومًا لإزالة التوترات المتبقية بعد التبريد وقبل التقدم بالعمر، مما يثبت الأبعاد للتطبيقات الهيكلية.
إذا ما استلزم الأمر التلدين، يتم إجراء معالجة تليين كاملة (O) عند درجات حرارة تقارب 340–400 °C مع تبريد بطيء لإعادة التبلور واستعادة اللدونة؛ العمل على تصلب السبيكة بالتشوه البارد يوفر بدائل غير حرارية لزيادة القوة بشكل معتدل عندما تكون المعالجات الحرارية غير عملية.
الأداء في درجات الحرارة العالية
تبدأ قوة سبيكة 713 في التدهور الملحوظ فوق حوالي 120–150 °C بسبب تغير استقرار الترسيبات وتخلخل المراحل المقوية مما يقلل مقاومة الخضوع ومقاومة الشد القصوى. يُتجنب عادة درجات الحرارة المستمرة فوق ~150 °C للمكونات الحاملة للأحمال إلا إذا تم تطوير درجات حرارة عالية محددة. الأكسدة في الهواء محدودة بسبب تكوين طبقة ألمنيوم طبيعية، لكن ارتفاع درجات الحرارة يسرّع تكوين قشور السطح وقد يغير سلوك بدء تصدع التعب.
في منطقة تأثير الحرارة المحلية (HAZ) الناتجة عن اللحام، يمكن أن تتكون نطاقات رخوة وحل ترسيبات مما يتطلب معالجات حرارية بعد العملية لاسترداد الخصائص للمكونات الحرجة. مقاومة الزحف عند درجات الحرارة المرتفعة محدودة؛ للمحامل الحرارية على المدى الطويل يفضل المهندسون استخدام سبائك الألمنيوم المقاومة للحرارة أو مواد بديلة للمكونات التي يجب أن تحافظ على قوة عالية فوق درجات الحرارة المحيطة.
التطبيقات
| الصناعة | مكون نموذجي | لماذا تُستخدم سبيكة 713 |
|---|---|---|
| السيارات | أذرع تعليق عالية الأداء، الأعمدة الهيكلية | قوة نوعية عالية وصلابة لتقليل الوزن |
| البحرية | عواميد الدفة، قواعد عالية القوة | نسبة قوة إلى وزن جيدة ومقاومة تآكل معقولة مع الطلاءات |
| الفضاء | وصلات، مسارات الفلاب، مكونات معدات الهبوط (غير أساسية) | قوة ثابتة وتعب ممتازة، وقابلية جيدة للتشغيل |
| الإلكترونيات | موزعات حرارة وهياكل الشاسيه | موصلية حرارية جيدة مع قوة أعلى |
في هذه القطاعات يُختار 713 حيث تؤثر الصلابة والقوة لكل وحدة كتلة على قرارات التصميم وحيث يمكن تنفيذ استراتيجيات حماية السطح للتحكم في مخاطر التآكل. السبيكة مفيدة بشكل خاص عندما يكون التشغيل والمعالجة الثانوية مطلوبة لإنتاج أجزاء معقدة حاملة للأحمال.
نصائح الاختيار
اختر سبيكة 713 عندما يكون التصميم يعطي أولوية لقوة نوعية قصوى وعندما يمكن دمج عمليات التصلب بالتقدم بالعمر والمعالجات الحرارية المنضبطة ضمن التصنيع. حدد درجات أنعم لعمليات التشكيل وخطط لمرحلة التقدم بالعمر النهائية لتحقيق الأداء الميكانيكي المطلوب.
مقارنة بالألمنيوم التجاري النقي (1100)، تتبادل 713 قوة وصلابة أعلى مقابل تقليل الموصلية الكهربائية وتراجع القابلية للتشكيل في درجات الذروة. مقارنة بالسبائك المصلدة ميكانيكيًا الشائعة مثل 3003 أو 5052، تحقق 713 قوة ومقاومة تعب أعلى بكثير لكنها أقل مقاومة تآكل تتطلب معالجة حرارية. مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061 أو 6063، تصل 713 إلى قمة قوة أعلى بكثافة مماثلة لكن غالبًا على حساب المتانة، قابلية اللحام، وقابلية التعرض لتشقق الإجهاد؛ اختر 713 عندما تتفوق نسبة القوة إلى الوزن على هذه المقايضات.
الملخص الختامي
تبقى السبائك 713 خيارًا عالي القوة وقابل للمعالجة الحرارية حيث يُطلب تحقيق أقصى أداء ميكانيكي لكل وحدة كتلة ويمكن التحكم في عمليات المعالجة الحرارية، حماية السطح، وضغوط البقايا أثناء التصنيع. تركيبتها المهندسة تقدم مزيجًا قويًا من مقاومة الشد وقابلية التشغيل والأداء الحراري عندما يتم دمج استراتيجيات مقاومة التآكل واللحام على مستوى النظام.