ألمنيوم 7012: التركيب، الخصائص، دليل المعالجة، والتطبيقات

نظرة شاملة

ينتمي 7012 إلى سلسلة 7xxx من سبائك الألومنيوم، وهي مجموعة يتم تعريفها بوجود الزنك كعنصر سبائكي رئيسي مع المغنيسيوم والنحاس كمكونات ثانوية. تُصاغ هذه السبائك بشكل عام لتحقيق قوة عالية من خلال التقسية بالتسَّبب، وتصنّف ضمن سبائك الألومنيوم القابلة للمعالجة الحرارية بدلاً من الدرجات المعتمدة فقط على التقسية بالتشكيل.

العناصر السبائكية الرئيسية في 7012 هي الزنك (Zn)، والمغنيسيوم (Mg)، والنحاس (Cu)، غالباً مع إضافات مُحكمة من الكروم (Cr)، والتيتانيوم (Ti) ومستويات ضئيلة من الحديد (Fe) والسيليكون (Si) للتحكم في عملية التصنيع. آلية التقوية هي أساساً تصلب بالشيخوخة (ترسيب MgZn2 والمراحل المرتبطة بها) بعد المعالجة الحرارية للحل ودورات الشيخوخة المراقبة؛ يساهم التحكم في حجم الحبيبات والمواد المشتتة من العناصر النادرة في تحمل الضرر والسيطرة على إعادة التبلور.

الصفات الرئيسية لـ 7012 تشمل قوة نوعية عالية، أداء جيد إلى متوسط في مقاومة التعب، ومتانة قابلة للتحقيق عند المعالجة بشكل صحيح؛ مقاومة التآكل متوسطة وحساسة لدرجة الحرارة والميتالورجيا الموضعية، في حين أن قابلية اللحام قد تكون محدودة بسبب تليين منطقة التأثير الحراري (HAZ) وقابلية التشقق الساخن في بعض الظروف. الصناعات النموذجية التي تستخدم سبائك سلسلة 7xxx مثل 7012 تشمل التركيبات الهيكلية للطيران، المكونات العسكرية والدفاعية، معدات الرياضة عالية الأداء، ومكونات متخصصة في السيارات أو البحرية حيث تكون نسبة القوة إلى الوزن حرجة.

يختار المهندسون 7012 على سبائك أخرى عندما يكون التوازن مطلوباً بين القوة الثابتة العالية، مقاومة جيدة للتعب، ومرونة مصممة حسب الحاجة وعندما تتطلب التصاميم تضحيات في قابلية التشكيل واللحام المبسط الذي توفره السبائك منخفضة القوة. يُفضل على سبائك 7075 الأعلى قوة والتي تكون أكثر عرضة لتآكل الإجهاد (SCC) عندما يُراد تحسين المقاومة للتآكل والحفاظ على المرونة في حالات التصلب المحددة.

الفروق في الحالة الحرارية

الحالة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية (20–30%)	ممتازة	ممتازة	مُعاد التليين بالكامل، الأفضل للتشكيل واللحام قبل المعالجة الحرارية النهائية
H14	متوسطة	متوسطة (10–18%)	جيدة (سحب محدود)	جيدة	مُتقسى بالتشوه، يستخدم للمكونات المقواة بالتشكيل
T5	متوسطة إلى عالية	متوسطة (8–14%)	متوسطة	محدودة	مبرد من درجة حرارة مرتفعة ومعتق اصطناعياً؛ معالجة أسرع
T6	عالية	معتدلة (6–12%)	محدودة	محدودة (تليين منطقة التأثير الحراري)	معالجة حرارية للحل ومعتق اصطناعي لتحقيق القوة القصوى
T651	عالية	معتدلة (6–12%)	محدودة	محدودة	حالة T6 مع تخفيف الإجهاد بشد المادة بعد التبريد السريع؛ تستخدم في الأجزاء الهيكلية الحرجة

تلعب الحالة الحرارية دوراً رئيسياً في الموازنة بين القوة والليونة لسبائك 7012، حيث تقدم الحالة المعاد تليينها (O) أقصى قابلية للتشكيل، بينما توفر T6/T651 أقصى قوة ميكانيكية على حساب الاستطالة. غالباً ما تتسلسل سلاسل المعالجة العملية بتشكيل الحالة O يتبعها المعالجة الحرارية للحل والشيخوخة، أو بتطبيق شيخوخة قبلية محكومة (T5) عندما تكون الاستقرار الأبعادي مطلوباً بدون معالجة حرارية كاملة للحل.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة %	ملاحظات
Si	0.10–0.40	حدود التحكم في الشوائب النموذجية لتجنب تكون مركبات بين فلزية هشة
Fe	0.10–0.50	مستوى شوائب؛ يعزز تكون جزيئات بين فلزية خشنه إذا لم يتم التحكم به
Mn	0.05–0.30	إضافة طفيفة لتحسين بنية الحبيبات والمتانة
Mg	1.0–2.5	العنصر الرئيسي المعزز مع Zn من خلال ترسيبات Mg-Zn
Cu	0.2–2.0	يزيد من القوة والصلادة القصوى لكنه قد يقلل من مقاومة تآكل الإجهاد
Zn	3.5–6.5	المكون الأساسي للقوة عبر ترسيبات MgZn2 خلال الشيخوخة
Cr	0.05–0.25	السيطرة على البنية الدقيقة لمنع إعادة التبلور وتحسين المتانة
Ti	0.02–0.15	مُكرِّر حجم الحبيبات يستخدم في المنتج المصبوب والمشكل
عناصر أخرى	توازن Al، شوائب ضئيلة	توازن الألومنيوم مع تحكم دقيق بالعناصر التي تشكل مراحل منخفضة الانصهار

تحدد النسب النسبية للـ Zn و Mg و Cu سرعة الترسب والقوة القصوى الممكنة مقابل المتانة ومقاومة التآكل. تؤثر العناصر النادرة والشوائب على حجم الحبيبات، وسلوك إعادة التبلور، وتكوين المواد المشتتة، والقابلية للتآكل الموضعي أو التشقق الساخن أثناء التصنيع.

الخواص الميكانيكية

عند الاستخدام في الشد، يظهر 7012 قوة شد قصوى عالية في الحالات المعتقة بشكل صحيح، مع مقاومة خضوع تتبع عن كثب بسبب المصفوفة المقواة بالترسيبات. تقل الاستطالة حتى الفشل مع زيادة القوة؛ تُظهر حالات T6 المعتادة ليونة معتدلة كافية للعديد من المكونات الهيكلية ولكنها تتطلب تصميماً دقيقاً للتطبيقات ذات الإجهاد العالي.

تتوافق الصلادة مع درجة الشيخوخة؛ حالات الشيخوخة القصوى تقدم أعلى صلادة وقوة ثابتة، في حين أن الشيخوخة المفرطة تؤدي إلى تقليل القوة مقابل تحسين المتانة للتكسير ومقاومة التآكل. أداء التعب جيد عادةً لسبائك 7xxx عندما تكون البنية الدقيقة مُحسَّنة وحالة السطح مسيطراً عليها، لكن عمر التعب حساس للعيوب الميتالورجية المحلية والخدوش السطحية.

يؤثر السماكة تأثيراً قوياً على الخواص الميكانيكية القابلة للتحقيق لأن معدلات التبريد والإجهادات المتبقية تختلف مع سمك القطعة؛ حيث يصعب معالجة القطع السميكة بالكامل حرارياً والتبريد السريع، مما يقلل القوة الممكن تحقيقها ويمكن أن يزيد القابلية للتشوه الناتج عن التبريد.

الخاصية	O/معاد التليين	الحالة الحرارية الرئيسية (مثل T6/T651)	ملاحظات
قوة الشد	~120–200 MPa	~450–560 MPa	قوى ذروية في حالة T6 نموذجية لسبائك 7xxx عالية الزنك
مقاومة الخضوع	~40–110 MPa	~380–500 MPa	مقاومة الخضوع تقترب من الشد في الحالات عالية القوة؛ صمم وفقاً لذلك
الاستطالة	20–30%	6–12%	انخفاض الليونة في حالات الذروة؛ يعتمد على السماكة
الصلادة (HB)	30–60 HB	120–170 HB	تتوافق الصلادة مع حالة الترسب؛ الشيخوخة المفرطة تقلل الصلادة ولكن تحسن المتانة

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.78 g/cm³	أعلى قليلاً من الألومنيوم النقي بسبب العناصر السبائكية
نطاق الانصهار	~475–635 °C	نموذجي لسلسلة 7xxx؛ درجات الصلادة/السائلة تعتمد على التركيب المحلي
التوصيل الحراري	~120–160 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي؛ ينخفض التوصيل مع زيادة نسبة السبائك
التوصيل الكهربائي	~30–45% IACS	منخفض بسبب تشتت السبائك؛ يختلف حسب الحالة والتركيب
السعة الحرارية النوعية	~0.88–0.95 J/g·K	مقارنة بسبائك الألومنيوم الأخرى؛ مهمة في حسابات الكتلة الحرارية
معامل التمدد الحراري	~23.5 ×10⁻⁶ /K	مماثل لسبائك الألومنيوم المشكل الأخرى ضمن نطاق درجات الحرارة المحيطة

السلوك الفيزيائي لـ 7012 يجعله جذاباً حيثما تكون نسبة القوة إلى الوزن العالية مطلوبة مع الاحتفاظ بتوصيل حراري مفيد لمكونات إدارة الحرارة. يجمع بين التوصيل الحراري المتوسط والكثافة المنخفضة نسبياً، مما يفيد التطبيقات الهيكلية والحرارية الحساسة للوزن.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	الحالات الحرارية الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6.0 mm	تجانس جيد في السماكات الرقيقة	O, T5, T6	شائع للألواح والمكونات المشكلة؛ تقسية التبريد السريع فعالة في السماكات الرقيقة
صفائح	6–200 mm	قوة ذروة أقل في القطاعات السميكة	T6 (محدود), T651	القطاعات السميكة قد تقيّد الحالة الحرارية بسبب معدلات التبريد والتشوه
بروفيلات بثق	أطوال عدة أمتار	قوة جيدة على طول البثق؛ تعتمد على القطاع	T6, T5	يمكن تصنيع مقاطع معقدة؛ إدارة التبريد حرجة
أنابيب	قطر خارجي 6–200 mm	تعتمد القوة على سمك الجدار والمعالجة	T6, T651	تستخدم لأنابيب هيكلية عالية القوة؛ خيارات اللحام والحام الكهربائي ممكنة
قضبان/أعمدة	أقطار 5–200 mm	خواص متجانسة إذا عولجت بشكل صحيح	O, T6	تستخدم للقطع المشغولة والتركيبات؛ تُطبق مقاومة التقسية بعد التشكيل

الألواح والبروفيلات الرقيقة هي الأكثر استخداماً لتحقيق قوة ذروة عالية بعد التبريد السريع؛ تتطلب الصفائح والبروفيلات السميكة تصميماً دقيقاً للعملية لتقليل فقدان القوة المرتبط بالتبريد. يُحدد اختيار شكل المنتج حسب الخواص الميكانيكية المطلوبة، تحمّلات الأبعاد، والمعالجة اللاحقة (التشغيل، اللحام، المعالجة الحرارية).

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	7012	الولايات المتحدة	معترف بها كسبائك مزورة من سلسلة 7xxx في بعض قوائم الموردين
EN AW	لا يوجد مكافئ مباشر	أوروبا	لا يوجد مكافئ دقيق لـ EN AW؛ سلوك مشابه لسبائك Al-Zn-Mg ذات المقاومة العالية
JIS	لا يوجد مكافئ مباشر	اليابان	تختلف المواصفات المحلية؛ التصميم بناءً على التركيب الكيميائي بدلاً من الاستبدال المباشر للدرجة
GB/T	لا يوجد مكافئ مباشر	الصين	قد تقدم المعايير الصينية مكافئات وظيفية ضمن عائلات 7xxx التجارية

المكافئات المباشرة واحد لواحد نادرة للدرجة 7012؛ عادة ما يقوم المهندسون بالتحقق عبر التركيب الكيميائي ومصفوفة الخواص بدلاً من الاعتماد فقط على اسم الدرجة. عند تحديد المواصفات للمشتريات الدولية، يجب التحقق من نطاقات التركيب والضمانات الخاصة بالخصائص الميكانيكية بدلاً من الاعتماد فقط على اسم الدرجة.

مقاومة التآكل

مقاومة التآكل الجوي للدرجة 7012 متوسطة وتعتمد بشكل كبير على الحالة الحرارية، حالة السطح، وتركيبة السبيكة. في حالات التعتيق الذروة، يؤدي وجود Zn وCu إلى زيادة القابلية للتآكل الموضعي بالمقارنة مع سبائك 5xxx أو 6xxx منخفضة السبائك، خصوصاً إذا تعرضت طبقة السطح إلى تلف.

في البيئات البحرية، تتطلب الدرجة 7012 تدابير وقائية مثل التكسية بالزنك، المؤكسدة الأنودية، أو الطلاءات المتخصصة لتحقيق أداء طويل الأمد مشابه للسبائك المقاومة للتآكل؛ بدون حماية، قد يحدث تآكل نقطي وهجوم بين حبيبي في بيئات الكلوريد العدوانية. خطر التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي (SCC) موجود للحالات الحرارية عالية القوة ويتأثر بمحتوى النحاس، المعالجة الحرارية، الإجهادات المتبقية، وبيئة الخدمة؛ التخفيف يشمل المعالجة الزائدة، الحماية الكاثودية، وتصميم دقيق لتقليل الإجهادات المتبقية الشدية.

التفاعلات الكهروكيميائية مع المعادن النبيلة مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو النحاس يمكن أن تسرع التآكل الموضعي؛ يجب عزل 7012 كهربائياً عند اقترانه بهذه المواد في البيئات البحرية أو الرطبة. عند مقارنته مع سبائك 5xxx الغنية بالمغنيسيوم، تقدم 7012 عادة قوة ثابتة أعلى لكنها أقل مقاومة للتآكل العام وتتطلب استراتيجيات حماية أكثر عدوانية في بيئة غنية بالكلوريد.

خواص التصنيع

قابلية اللحام

يلحم 7012 بصعوبة في الحالات الحرارية عالية القوة بسبب تليين منطقة التأثير الحراري (HAZ) الناتج عن ذوبان وتكبير جسيمات التقوية. يمكن استخدام اللحام بقوس التنجستن الغازي (TIG) أو اللحام بقوس المعادن الغازي (MIG) باستخدام سبائك حشو مناسبة (مثل سبائك 5xxx أقل قوة أو حشو 7xxx مصمم خصيصاً)، لكن يجب تصميم الوصلات لأخذ قوة منطقة HAZ المنخفضة واحتمالية التشقق الحراري في الاعتبار؛ يمكن للمعالجات السابقة واللاحقة للحام الحد من بعض المشاكل.

قابلية التشغيل

قابلية التشغيل للدرجة 7012 جيدة بشكل عام في الحالات المعالجة زائداً أو المعالجة حرارياً (مخدرة)، لكنها تصبح أكثر تحدياً في حالات التعتيق الذروة لزيادة الصلادة والقوة. يوصى باستخدام أدوات كربيد، تثبيت قوي، ومعدل تغذية محافظ للتحكم بتآكل الأدوات؛ تكون تقطيع الرقائق عادة قصيرة ومقسمة عند تحسين معدل التغذية وهندسة الأداة.

قابلية التشكيل

تكون قابلية التشكيل مثلى في الحالات المعالجة حرارياً (O) وتنخفض بسرعة مع زيادة المعالجة الحرارية. يجب الرجوع إلى بيانات المورد لاستخدام أدنى أنصاف أقطار للثني وحدود السحب؛ عند الحاجة للتشكيل لقطع سيتم معالجتها حرارياً لاحقاً، يتم التشكيل في الحالة O يليه المعالجة الحرارية بالحل والشيخوخة، أو استخدام حالات ما قبل التعتيق (T5) للتشكيل المتوسط مع تقليل فقدان الخواص.

سلوك المعالجة الحرارية

الدرجة 7012 قابلة للمعالجة الحرارية وتتبع خطوات التسليح بواسطة الترسيب الكلاسيكية: المعالجة بالحل، التبريد السريع، والشيخوخة الاصطناعية. تتراوح درجات حرارة المعالجة بالحل عادة بين حوالي 470–500 °C حسب حجم المقطع والتركيب، وتُحفظ لفترة كافية لإذابة المراحل القابلة للذوبان وتوحيد البنية المجهرية.

يجب أن يكون التبريد سريعاً للحفاظ على محلول صلب مشبع زائد؛ شطف الماء أو استخدام Polymer quenches شائع للقُطع الرقيقة، بينما القطع السميكة تتطلب تحكم دقيق لتجنب تشوه نتيجة التبريد واختلاف الخواص. تتم عملية الشيخوخة الاصطناعية عند درجات حرارة معتدلة (عادة 120–170 °C) لترسيب مراحل تقوية من نوع MgZn2؛ تقدم الحالة ذروة التعتيق (T6) أقصى قوة بينما تزيد الحالة فوق التعتيق (T7) المتانة ومقاومة التآكل.

التحولات الحرارية T تتعلق بالتوازن بين تطبيق التقسية بالشد (الحالات H) والشيخوخة الحرارية؛ الحالة T651 تشير خصيصاً إلى حالة T6 مع تخفيف الإجهاد عن طريق الشد بعد التبريد وقبل الشيخوخة لتقليل التشوه المتبقي. نافذة المعالجة الحرارية أضيق من العديد من سبائك 6xxx، مما يتطلب تحكم دقيق بالعملية لتحقيق نتائج متكررة.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تتدهور القوة الميكانيكية للدرجة 7012 مع ارتفاع درجة الحرارة، مع انخفاض ملحوظ فوق حوالي 100 °C وخسائر أكبر تقترب من 150–200 °C. مقاومة الزحف عند درجات الحرارة المرتفعة محدودة مقارنة بالسبائك المتخصصة للحرارة العالية، لذلك يقتصر التشغيل المستمر عادة على درجات حرارة متوسطة حيث يتم الحفاظ على القوة الكافية.

الأكسدة ليست عادة عامل محدد عند درجات الخدمة الشائعة، لكن التغيرات المجهرية خلال التعرض الحراري المطول (الشيخوخة الزائدة وتكبير الجسيمات) تقلل من القوة الثابتة وقوة التعب. منطقة التأثير الحراري (HAZ) الناتجة عن اللحام قد تكون حساسة بشكل خاص لتدهور الخواص عند التعرض لدرجات حرارة مرتفعة، مما يتطلب الحذر في أي خدمة تتضمن دورات حرارية أو حرارة مستمرة.

التطبيقات

الصناعة	مكون نموذجي	سبب استخدام 7012
الفضاء الجوي	وصلات، حوامل	نسبة قوة إلى وزن عالية وأداء تعب جيد
البحرية	حوامل هيكلية	توازن بين القوة وإمكانية إصلاح التآكل
السيارات	مكونات هيكلية خفيفة الوزن	زيادة القوة الثابتة لأجزاء حساسة للوزن
الدفاع	حوامل أسلحة، قطع هيكلية صغيرة	قوة عالية مع متانة مصممة حسب الحاجة
الإلكترونيات	هياكل، ناشرات حرارة	صلابة هيكلية وتوصيل حراري مقبول

يُطبّق 7012 عندما يحتاج المصممون إلى مزيج من القوة الثابتة العالية وأداء تعب جيد مع قبول تنازلات في التشكيل وقابلية اللحام. غالباً ما يستهدف لاستخدامه المكونات التي تدفع فيها تقليل الوزن الأداء، حيث يمكن تطبيق المعالجة الحرارية بعد التشكيل بشكل اقتصادي.

إرشادات الاختيار

يُختار 7012 عندما تكون الحاجة إلى ألومنيوم عالي القوة وقابل للمعالجة حرارياً مع مقاومة تعب معقولة، وعندما يمكن للمصممين استيعاب عمليات معالجة وحماية من التآكل محكمة. هو خيار للمكونات التي تستفيد من التقسية بالشيخوخة وحيث يمكن تحقيق استقرار الأبعاد عبر معالجات نمط T651.

مقارنة بالألومنيوم النقي تجارياً (مثل 1100)، 7012 يقدم توصيل كهربائي وحراري أقل وقدرة تشكيل أقل لكنه يوفر قوة ثابتة وقدرة تعب أعلى بكثير. مقابل السبائك المعالجة بالعمل الشاق الشائعة (مثل 3003، 5052)، توفر 7012 قوة أعلى لكن غالباً ما تحتاج إلى طلاءات أو تكسية لمعادلة مقاومة التآكل. مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة حرارياً المستخدمة على نطاق واسع مثل 6061 أو 6063، يقدم 7012 قوة ذروة أعلى في العديد من الحالات لكنه قد يُختار أقل في حالات الحاجة القصوى لمقاومة التآكل أو قابلية اللحام أو سهولة البثق.

يجب على المهندسين وزن احتياجات القوة، عمر التعب، استراتيجيات التخفيف من التآكل، قدرة الإنتاج على المعالجة الحرارية، وتكلفة الوحدة/التوفر عند اختيار 7012 مقابل عائلات سبائك مجاورة.

الملخص النهائي

تظل 7012 ذات أهمية كسبائك ألومنيوم عالية القوة متخصصة تقدم نسبة قوة إلى وزن جذابة وأداء تعب ممتاز عند معالجتها ضمن ممارسات معالجة حرارية وتصنيعية محكمة. يبرر استخدامها في التطبيقات التي تتفوق فيها المتطلبات الهيكلية على تنازلات قابلية التشكيل، اللحام، والتعرض للتآكل، حيث يمكن تطبيق تحكم معدني دقيق لتحسين النتائج الميكانيكية ومتانة الاستخدام.