الألومنيوم 7175: التركيب، الخصائص، دليل التلدين، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
7175 هو سبيكة ألمنيوم عالية القوة تنتمي إلى سلسة 7xxx، والتي تتميز باستخدام الزنك كعنصر رئيسي في السبائك. صممت هذه السبيكة بشكل أساسي لتطبيقات الطيران والهياكل عالية الأداء حيث تكون نسبة القوة إلى الوزن ومقاومة التعب الحراري ضرورية.
تتضمن الإضافات الرئيسية للسبائك الزنك، المغنيسيوم، والنحاس، مع إضافات ضئيلة من الكروم، التيتانيوم أو الزركونيوم للتحكم في بنية الحبيبات وإعادة التبلور. تنتج هذه العناصر هيكلًا دقيق التحسن بالترسيب؛ 7175 هي سبيكة قابلة للمعالجة الحرارية تكتسب قوتها من خلال المعالجة بالحل الحراري، التبريد السريع والتقادم الاصطناعي لتكوين ترسيبات من نوع η (MgZn2) دقيقة.
تشمل الصفات الرئيسية لـ 7175 قوة ثابتة عالية جدًا وأداء جيد في مقاومة التعب لفئتها، مقاومة تآكل داخلية متوسطة إلى ضعيفة مقارنة بسبيكات 5xxx/6xxx، قابلية لحام محدودة، وقابلية تشكيل منخفضة في درجات الحرارة القصوى. الصناعات النموذجية تشمل الهياكل الأولية والثانوية للطيران، الأجهزة الدفاعية، والتجهيزات ذات الأحمال العالية حيث تكون الكفاءة الهيكلية القصوى هي الأهم. يختار المهندسون 7175 على غيره من السبائك عندما تكون قيم مقاومة الشد ومقاومة الخضوع ونمو شقوق التعب هي الأعلى، متجاوزين متطلبات سهولة اللحام، التشكيل، أو أقل تكلفة للمادة.
أنواع المعالجة الحرارية (Temper)
| نوع المعالجة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | عالية (20–30%) | ممتازة | ممتازة | مخمرة بالكامل للتشكيل وتخفيف الإجهاد |
| H112 | متوسطة | متوسطة (10–15%) | جيدة | متوسطة | معالجة صلبة بالشد، تستخدم لتشكيل محدود واستقرار |
| T6 | عالٍ جدًا | متوسطة (6–12%) | محدودة | ضعيفة | معالجة حرارية بالحل والتقادم الاصطناعي للوصول للقوة القصوى |
| T651 | عالٍ جدًا | متوسطة (6–12%) | محدودة | ضعيفة | T6 مع تخفيف الإجهاد عن طريق الشد؛ شائع في صفائح الطيران |
| T73 | عالية (لكن أقل من T6) | محسّنة (8–14%) | متوسطة | ضعيفة | حالة تقادم زائد لتحسين مقاومة التآكل وتشققات الإجهاد |
| T7651 | عالية | متوسطة | محدودة | ضعيفة | تقادم مسبق محكم واستقرار لتحسين المتانة |
للمعالجة الحرارية تأثير كبير في أداء 7175: درجات التقادم القصوى (T6/T651) تعزز مقاومة الشد والخضوع إلى أقصى حد لكنها تقلل من اللدونة وقابلية التشكيل وتزيد من القابلية لتشققات الإجهاد بالتماس. تعالجات التقادم الزائد مثل T73 تقصد تقليل القوة القصوى لتحسين مقاومة التشقق الإجهادي والتآكل بشكل ملحوظ، مما يخلق توازنًا بين القوة والمتانة البيئية.
اختيار درجة المعالجة في الإنتاج يعتمد على الخصائص النهائية المطلوبة، عمليات التشكيل أو التشغيل اللاحقة، وظروف الخدمة المستهدفة؛ على سبيل المثال، الصفائح التي يجب أن تحتفظ بقوة ثابتة عالية مع أقل إجهاد متبقٍ عادةً ما تستخدم T651، بينما قد تتطلب المكونات المعرضة للبيئات المسببة للتآكل T73 أو تشطيبات كيميائية معالَجة.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق النسبة % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.10 | شوائب؛ تقلل المركبات البينية وتحسن نقاء الصب |
| Fe | ≤ 0.15 | شوائب؛ زيادته تقلل من المتانة وتزيد الشوائب |
| Mn | ≤ 0.10 | منخفضة؛ ليس مكونًا رئيسيًا للتقسية في سبائك 7xxx |
| Mg | 2.0–2.9 | يتحد مع Zn لتكوين ترسيبات MgZn2 المقوية |
| Cu | 1.2–2.0 | يزيد من القوة وقابلية التقسية، قد يقلل مقاومة التآكل |
| Zn | 6.0–7.5 | العنصر الرئيسي المساهم في القوة من خلال ترسيبات Mg–Zn |
| Cr | 0.10–0.30 | يُحكم بنية الحبيبات وإعادة التبلور، يحسن المتانة |
| Ti | ≤ 0.05 | مكرّر للحبيبات، يستخدم في تكرير السبائك والمعالجة |
| العناصر الأخرى (Zr, V, والباقي Al) | نثر / التوازن | قد يحتوي على Zr أو غيرها لضبط استقرار البنية المجهرية |
يعتبر النظام المشترك Zn–Mg–Cu المسؤول عن استجابة التقسية بالترسيب في 7175؛ حيث يشكل الزنك والمغنيسيوم ترسيبات η التي توفر القوة الأساسية، بينما يزيد النحاس القوة ويؤثر على شكل وتركيب الترسيبات والسلوك الكهروكيميائي. يحجب الكروم والإضافات الضئيلة من الزركونيوم أو التيتانيوم نمو الحبيبات أثناء التصنيع ويضبط إعادة التبلور، وهو أمر ضروري للحفاظ على المتانة ومقاومة التعب في القطاعات السميكة.
الخواص الميكانيكية
تُظهر 7175 قوة شد وخضوع عالية جدًا في درجات التقادم القصوى، مع منحنيات شد تظهر نقطة خضوع واضحة تليها استطالة منتظمة محدودة. توفر السبيكة قوة تعب ممتازة ومقاومة جيدة لنشوء الشقوق عند إنتاجها ببنية دقيقة متحكم بها ومحتوى شوائب منخفض، مما يجعلها مناسبة جدًا لعناصر هياكل تحمل الأحمال الدورية.
قوة الخضوع والاستطالة متأثرتان بشكل كبير بدرجة المعالجة؛ حيث يحقق T6/T651 أعلى قيم للخرون لكن مع تقليل في اللدونة والمتانة، في حين يقلل T73 من قيمة الخضوع بعض الشيء لكنه يعزز المتانة ومقاومة التشقق الناتج عن الإجهاد والتأكل. تتبع الصلادة نفس اتجاه القوة، حيث تظهر الظروف ذات التقادم العالي زيادات كبيرة في قيم برينل أو روكويل مقارنة بالظروف المخمرة.
تؤثر سماكة وشكل المنتج على الخواص بسبب اختلاف معدلات التبريد، الإجهادات المتبقية، وبنية الحبيبات؛ قد تتطلب الصفائح السميكة والقطع المزورة معالجة حرارية ميكانيكية متخصصة ودورات تقادم لضمان خواص متجانسة عبر السماكة وللحد من تشوهات التبريد أو إجهادات التبريد المتبقية.
| الخاصية | نوع O / مخمّر | نوع رئيسي (T6 / T651) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | ~240–320 MPa | ~540–590 MPa | قيم شد قصوى نموذجية لسبائك 7xxx الخاصة بالطيران |
| قوة الخضوع | ~120–220 MPa | ~470–520 MPa | زيادة كبيرة مع التقادم؛ النطاقات تعتمد على شكل المنتج |
| الاستطالة | 20–30% | 6–12% | اللونة تقل في درجات القوة العالية |
| الصلادة (HB) | ~60–80 HB | ~150–165 HB | الصلادة تتوافق مع مستوى التقسية بالترسيب |
الخواص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | 2.80–2.82 g/cm³ | قيمة نموذجية للسبائك الألمنيوم عالية القوة |
| نطاق الانصهار | ~477–635 °C | النقطة الصلبة ~477–490 °C، السائلة تقترب من الألمنيوم النقي ~635 °C |
| التوصيل الحراري | ~120–140 W/(m·K) | أقل من الألمنيوم النقي بسبب السبائكية؛ ما زال عاليًا مقارنة بالفولاذ |
| التوصيل الكهربائي | ~30–40 % IACS | منخفض مقارنة بالألمنيوم منخفض السبائك بسبب ذرات الذوبان |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.90 kJ/(kg·K) | ~900 J/(kg·K) عند درجة حرارة الغرفة |
| المعامل الحراري للتمدد | ~23–24 µm/(m·K) | معامل مشابه للسبائك الألمنيوم الأخرى؛ يؤخذ في الاعتبار للوصلات المشدودة |
رغم السبائكية الثقيلة، تحتفظ 7175 بتوصيل حراري جيد مقارنة بالفولاذ، مما يتيح قدرات تبريد معتدلة في بعض التطبيقات، رغم أن أدائها الحراري أقل من الألمنيوم النقي. يتم تقليل التوصيل الكهربائي بفعل التشتت الناتج عن ذرات الذوبان؛ لذلك لا تُختار 7175 حيث تكون التوصيلة الكهربائية هي المطلب الرئيسي. تجمع السبيكة بين الكثافة المنخفضة نسبيًا والقوة العالية لتوفر نسبة قوة إلى وزن ممتازة، وهو السبب الأساسي لاختيارها في أدوار هياكل الأداء العالي.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | المُقاسات الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.5–6 mm | جيد في السماكات الرقيقة؛ قد يقتصر على قابلية التشكيل | O, H112, T6 | يستخدم للهياكل الثانوية؛ غير مثالي للطرق العميق الشديد في T6 |
| صفائح | 6–150+ mm | تتغير القوة مع السماكة بسبب حساسية التبريد السريع | T651, T73 | صفائح هيكلية للطيران يتم إنتاجها بتبريد وشيخوخة محكومين |
| بثق | محدود | توفر تجاري محدود؛ القوة تعتمد على المقطع | T6, T73 (نادر) | البثقات من سلسلة 7xxx أقل شيوعاً؛ تتطلب تجانساً دقيقاً |
| أنبوب | متنوع | قوة عالية ممكنة في الأنابيب المسحوبة/المعالجة | T6, T651 (مصنع) | يستخدم للوصلات الأنبوبية عالية الحمل؛ اللحام والربط محدودان |
| قضيب/عصا | قطر يصل حتى 200 mm | خواص محورية جيدة إذا تم المعالجة الحرارية بشكل صحيح | T6, T73 | يستخدم للمطاوع، المكونات المشغولة، ودبابيس أو وصلات عالية الحمل |
تختلف عمليات التصنيع لتغيّر البنية المجهرية الممكن تحقيقها: الصفائح والألواح عادةً تُنتج بالدرفلة وتتطلب تحكماً دقيقاً في التبريد لتجنب الشيخوخة الزائدة أو مناطق النعومة، بينما قد تستخدم المطاوع والقضبان ملفات تجانس وحلول مختلفة للتحكم في حجم الحبيبات. البثقات والمقاطع المعقدة أقل شيوعاً لسبائك 7175 بسبب ميلها للتشقق الحراري وإعادة التبلور، مما يجعل سبائك سلسلة 6xxx مفضلة عند الحاجة إلى أشكال بثقية معقدة.
الدرجات المعادلة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 7175 | الولايات المتحدة الأمريكية | تعيين جمعية الألومنيوم لتركيبة السبيكة |
| EN AW | 7175 | أوروبا | EN AW-7175 مستخدمة في المواصفات الأوروبية؛ أصول التصنيع تؤثر على جداول الخواص |
| JIS | A7175 | اليابان | تركيبة مشابهة؛ نظام JIS يشمل غالباً ضوابط إنتاج إضافية |
| GB/T | 2A7175 / 7175 | الصين | المعايير الصينية تشير لنطاقات تركيبية وميكانيكية مكافئة لـ AA 7175 |
الاختلافات الطفيفة بين المعايير الإقليمية عادةً ما تتعلق بتفاوتات تركيبة مقبولة، المُقاسات المقررة، وإجراءات اختبار التأهيل بدلاً من اختلافات كيميائية كبيرة. مسارات التصنيع (علم المعادن المسبوك مقابل القضبان المصبوب والمُجانس بشكل مستمر) وممارسات المعالجة الحرارية الوطنية يمكن أن تضفي اختلافات صغيرة في مستويات الشوائب، التحكم في هيكل الحبيبات، والخصائص الميكانيكية النموذجية؛ لذا يجب على المهندسين تحديد الأداء الميكانيكي والبيئي المطلوب بدلاً من الاعتماد فقط على أسماء الدرجات الاسمية.
مقاومة التآكل
في التعرض الجوي، تُظهر 7175 مقاومة تآكل معتدلة لكنها أقل أداءً من سبيكة 5xxx والعديد من سبائك 6xxx بسبب محتواها العالي من النحاس، الذي يزيد النشاط الكهروكيميائي. في البيئات النظيفة والمطلية أو المحمية بطرق أخرى يكون الأداء مقبولاً للاستخدامات الهيكلية المتعددة، ولكن السبيكة تستفيد من الطلاء الخارجي (alclad) أو الطلاءات التحويلية المتينة عندما يُتوقع تعرض طويل الأمد للجو.
تسرّع البيئات البحرية أو رذاذ الملح من التآكل بالتناكش والتآكل بين الحبيبات في سبائك 7xxx عالية القوة؛ 7175 حساسة للهجوم المحلي ما لم يتم تعتيقها بشكل زائد (T73) أو معالجتها بطبقات حماية ومواد سد. يجب أن يقلل تصميم المراكم والمفاصل من التجاويف ويشمل حماية تضحية أو مواد عازلة في حال وجود معادن مختلفة.
التشقق بالإجهاد نتيجة التآكل (SCC) خطر معروف لدرجات القوة العالية من سبائك 7xxx، خاصة في وجود إجهادات شد متبقية ووسائط كيميائية مفعلة. يُعد التعتيق الزائد، المعالجة الحرارية بعد اللحام، والتحكم الصارم في التشطيبات السطحية والكيميائيات استراتيجيات شائعة للتخفيف. التفاعلات الجلفانية مع الفولاذ أو السبائك الحاملة للنحاس سلبية؛ ينبغي للمصممين تجنب الاتصال المباشر مع المواد الأنبوبية أو توفير عزل.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
لحام 7175 يمثل تحدياً؛ اللحام بالاندماج (TIG/MIG) يؤدي عادة لفقدان شديد في القوة في منطقة التأثير الحراري ومخاطر عالية للتشقق الحراري. عند الضرورة، يمكن استخدام سبائك حشو متخصصة وتحكم حراري دقيق قبل وبعد اللحام، لكن الوصلات الممرَّزة أو المبرّدة أو الملصقة تفضل للحفاظ على السلامة الهيكلية. يتطلب الضعف في منطقة التأثير الحراري عادةً تدعيم ميكانيكي محلي أو معالجات بعد اللحام صعبة التطبيق دون إضعاف خواص أخرى.
قابلية التشغيل
تُشغل 7175 جيدًا في درجات القوة العالية مقارنة بالعديد من أنواع الفولاذ بسبب كثافتها المنخفضة وسلوك انشقاق القشور الجيد، لكن تآكل الأدوات يتأثر بالصلادة العالية والتصلب بالعمل. يُنصح باستخدام أدوات كربيد، تثبيت صارم، وسرعات تغذية محافظة مع هندسة ذروة إيجابية؛ ويعد استخدام التبريد مهماً للحفاظ على الاستقرار الأبعادي وتقليل الحافة المتراكمة. مؤشرات القابلية للتشغيل عادة أقل من سبائك الألومنيوم 2xxx لكنها تنافسية مع سبائك سلسلة 7xxx الأخرى.
قابلية التشكيل
التشكيل أكثر فعالية في المُقاسات المطروحة (O) أو المقسطة بالتصلب (H)؛ السحب العميق والطبع المعقد غير عملي في T6/T651 دون أنيل مسبق أو تقنيات تشكيل دافئة. يجب زيادة أنصاف أقطار الثني مقارنة بالسبائك الأطرى، والارتداد (springback) أكثر وضوحاً بسبب ارتفاع مقاومة الخضوع. يزيد العمل البارد القوة ويمكن استخدامه للحصول على خواص ميكانيكية مستهدفة عند دمجه مع دورات تعتيق مناسبة.
سلوك المعالجة الحرارية
عادةً ما تتم المعالجة بالحل لـ 7175 في مجال 470–480 °C لإذابة مراحل التقوية في محلول صلب؛ الوقت عند درجة الحرارة وسماكة المقطع يتحكمان في التجانس. يتطلب التبريد السريع للحفاظ على المذاب في محلول صلب مشبع؛ معدلات تبريد غير كافية تؤدي إلى ترسيبات خشنة وتقلل من قوة الذروة والصلابة والمتانة.
التعتيق الصناعي لـ T6 يتم عادةً عند ~120–140 °C لفترات زمنية معدلة حسب حجم المقطع لإنتاج تشتت ناعم لطور η وزيادة القوة القصوى. تستخدم معالجات التعتيق الزائد (T73) درجات حرارة تعتيق أعلى أو أوقات ممتدة لتكبير الترسبات، مما يضحي ببعض القوة مقابل مقاومة أفضل للتشقق بسبب التآكل والمتانة.
تحولات المُقاسات T حساسة للعمل البارد المسبق، معدل التبريد، ومستويات الشوائب؛ يساهم التمدد المتحكم به (لإنتاج T651) في تقليل الإجهادات المتبقية وتحسين الاستقرار الأبعادي ولكنه يتطلب معايير محكمة للحفاظ على الخصائص الميكانيكية المرغوبة. غالباً ما تُحدد جداول تثبيت ما بعد المعالجة وجداول الحل/التعتيق لتطبيقات الطيران الدقيقة.
الأداء في درجات الحرارة العالية
تفقد 7175 جزءاً كبيراً من قوتها مع زيادة درجة الحرارة؛ درجات الخدمة فوق ~120 °C تضعف تقوية الترسيب وتقلل القوة عند الخضوع والشد بشكل ملحوظ. مقاومة الزحف في درجات الحرارة المرتفعة محدودة مقارنة بالسبائك المقاومة للحرارة؛ يجب التحقق من الاستقرار الأبعادي والعمر عند تحميل طويل الأمد فوق 100–125 °C.
الأكسدة ليست آلية فشل رئيسية في درجات الخدمة النموذجية، ولكن التعرض الحراري يسرع الشيخوخة الزائدة ويغير توزيع الترسيبات، مما قد يقلل من عمر التعب ومقاومة التشقق بالإجهاد الناتج عن التآكل. مناطق التأثير الحراري للحام (HAZ) معرضة بشكل خاص لفقدان القوة ويجب تجنبها في تطبيقات التحميل بدرجات حرارة عالية.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكون | سبب استخدام 7175 |
|---|---|---|
| الطيران | وصلات جسم الطائرة، وصلات حمل الأجنحة | قوة نوعية استثنائية ومقاومة إجهاد للهياكل الأساسية |
| الدفاع | المطاوع الهيكلية عالية الحمل وحوامل الأسلحة | قوة ثابتة عالية وصلابة في ظروف تحميل متطلبة |
| السيارات | مكونات هيكل الأداء (محدودة) | نسبة قوة إلى وزن للأداء وسباقات |
| البحرية | حوامل وتركيبات هيكلية (محمية) | قوة إلى وزن جيدة مع تطبيق الحماية ضد التآكل |
| الإلكترونيات | إطارات هيكلية | معامل مرونة وصلابة عالية للهياكل خفيفة الوزن (دور ترملي محدود) |
يتم اختيار 7175 عندما تكون كفاءة الهيكل، عمر الإجهاد، ومتانة الكسر تحت إجهادات ثابتة عالية هي المتطلبات الأساسية؛ يتركز استخدامه في الطيران والدفاع حيث يبرر الأداء تكلفة المواد. إن التشطيبات الواقية والتصميم الحذر ضد SCC ممارسات معيارية عند استخدام السبيكة خارج بيئات محكمة.
نصائح اختيار
استخدم 7175 عندما تكون القوة القصوى الممكنة ومقاومة التعب هي المحركات الأساسية للتصميم وعندما تكون استراتيجيات التصنيع وحماية التآكل متوفرة لإدارة قيود الربط والبيئة. حدد T6/T651 لأعلى قوة ثابتة وT73 أو المقاسات الزائدة الأخرى عندما تكون المتانة البيئية ومقاومة SCC حرجة.
بالمقارنة مع الألمنيوم النقي تجاريًا (مثل 1100)، تقدم درجة 7175 قوة ومقاومة إجهاد أعلى بكثير على حساب انخفاض الموصلية الكهربائية وقابلية التشكيل؛ يُفضل اختيار 1100 عندما تكون الموصلية وقابلية الرسم العميق ضرورية وتحميلات العمل منخفضة. بالمقارنة مع السبائك المعالجة بالتشغيل مثل 3003 أو 5052، توفر 7175 قوة أعلى بشكل ملموس لكنها عمومًا أقل قابلية للتشكيل وقد تكون مقاومة التآكل فيها أسوأ في البيئات المحتوية على الكلوريدات؛ يُنصح باختيار 5052/3003 للأجزاء التي تتطلب تشكيلاً مكثفًا أو المعرضة للبيئات البحرية وغير الهيكلية. بالمقارنة مع سبائك 6xxx القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061/6063، تقدم 7175 قوة قصوى وأداء إجهاد أعلى لكنها بتكلفة أعلى وقابلية لحام أقل؛ يُفضل 6061 حيث تكون عمليات اللحام والاقتصادية والقوة المعتدلة كافية.
الملخص الختامي
تظل 7175 مادة رئيسية للتطبيقات الهيكلية عالية الأداء حيث يُطلب أعلى نسبة قوة إلى وزن ومقاومة إجهاد، وحيث يمكن لعمليات التصنيع استيعاب محدودية قابلية اللحام وحساسية التآكل. مع اختيار المعالجة الحرارية المناسبة، وحماية السطح، والاهتمام بتصميم نقاط التجميع وتركيز الإجهاد، تقدم 7175 توليفة من الأداء الميكانيكي يصعب تحقيقها بالدرجات الأقل سباكة أو التي لا يمكن معالجتها حراريًا من الألمنيوم.